【摘 要】
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随着国家对环境保护的大力支持和城镇化建设步伐的稳步推进,我国市政污水年处理量直线上升,随之而来的污泥堆积量与日俱增,使得污泥的资源化利用成为处置污泥的主要方向之一,污泥中存在的毒害重金属成为其处置利用的主要限制因素。本文以太原某污水处理厂污泥为例,采用HSC Chemistry热力学模拟软件,分析不同温度对热处理过程中重金属的迁移分布和形态转换的影响;以污泥为研究对象,采用真空管式炉对污泥热处理（
【基金项目】
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国家重点研发项目（2016YFC0208906）； 山西省重点自然基金项目（201901D111003（ZD））； 山西省重点研发计划社会发展项目（201903D311005）；
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随着国家对环境保护的大力支持和城镇化建设步伐的稳步推进,我国市政污水年处理量直线上升,随之而来的污泥堆积量与日俱增,使得污泥的资源化利用成为处置污泥的主要方向之一,污泥中存在的毒害重金属成为其处置利用的主要限制因素。本文以太原某污水处理厂污泥为例,采用HSC Chemistry热力学模拟软件,分析不同温度对热处理过程中重金属的迁移分布和形态转换的影响;以污泥为研究对象,采用真空管式炉对污泥热处理（焚烧和热解）过程中的重金属（As、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn）迁移规律及其在污泥残渣、飞灰/油相、气相中的分布展开研究,采用BCR提取法对不同温度下的污泥残渣中重金属的赋存形态和潜在风险进行分析和评估,阐释重金属在热处理过程中的迁移转化特征及潜在环境风险,旨在为污泥在热处理方面的处置提供可靠的科学依据,以及为污泥资源化利用时对重金属的安全处置技术提供研究思路。热力学模拟研究表明:污泥热处理过程中重金属自身的化学性质是影响其迁移的主要因素,重金属本身及氧化物沸点低或被还原为低沸点的氯化物,从而促进了重金属的迁移,此外矿物质的添加以及空气过量系数对重金属在不同温度下的形态分布影响显著。（1）未添加矿物质时,处理温度对As、Cd、Cr、Pb的迁移形态影响较大。在低温状态下,As主要以As2O5、Cr As O4形态存在,Cd主要以Cd SO4形态存在,Cr主要以Cr2（SO4）3、Cr Cl3形态存在,Pb主要以Pb SO4、Pb Cl4形态存在;当温度高于1000 oC,As主要以As O（g）、As S（g）形态存在,Cd主要以Cd（g）形态存在,Cr主要以Cr2O3形态存在,Pb主要以Pb O（g）、Pb（g）形态存在。（2）添加矿物质时,处理温度对As、Cd、Cr迁移形态影响较大,对Pb的迁移形态没有影响。此外矿物质的添加对重金属有一定的捕集作用,Fe2O3的加入可以将气相的As、Cr转化为固态的Fe3（As O4）2、Cr2Fe O4,有利于降低As、Cr的挥发性,Si O2的添加可以将气相的Cd转化为固态的Cd Si O3,有效降低了Cd的挥发性,同时Si O2对Pb有很好的捕集效果,不同温度下始终以Pb Si O3形式存在。（3）1.2空气过量系数时为氧化性气氛下,重金属主要以氧化态、硫酸态形态存在;0.8空气过量系数为0.8时为还原性气氛下,重金属主要以硫化态、氯化态形态存在。污泥热处理过程中重金属迁移分布规律研究表明:在焚烧和热解过程中,处理温度与反应时间对重金属迁移率均有影响,但处理温度影响更为显著;此外,处理温度对重金属在三相中的分布影响明显。（1）不同处理温度下,Zn、Cr、Pb在空气和氮气气氛下的迁移率均较低,表明其在污泥热处理过程中的迁移能力较差;Cd在空气气氛下的迁移率明显高于热解过程中的迁移率,Cd在氮气气氛下温度超过700 oC后迁移效果才明显;As与Cd的表现相反,不同之处在于As在热解过程中的迁移率随着温度的升高先增加后减小在增加。（2）不同反应时间下,Cr和Zn在空气和氮气气氛下的迁移率影响不明显,Cu和Cd在空气和氮气气氛下的迁移率影响明显,As和Pb在空气气氛下迁移率受反应时间影响明显,在氮气气氛下不明显。（3）在焚烧条件下,As在气相和飞灰中的分布较为均匀,Cd、Cr、Pb、Cu在气相中含量较少,Zn主要存在于气相中,需要进行专门的烟气处理系统进行处置;在热解条件下,各重金属均主要存在与油相中。污泥热处理过程中重金属赋存形态和生态风险分析研究表明:温度对污泥热处理残渣中As、Cd、Cr、Cu、Zn的赋存形态的影响显著,对Pb的赋存形态影响较小;焚烧条件对各重金属生态风险等级影响较小,热解条件对各重金属生态风险等级影响较大;重金属在焚烧条件下更容易被浸出,造成二次污染,在热解条件下,大多数重金属的浸出率随温度的升高而降低。（1）在焚烧条件下,As的残渣态随温度的升高而降低,Cd、Cr、Cu、Zn的赋存形态随温度的变化趋势与As相反,Cr、Pb的残渣态占比较大,在残渣中的存在形式较稳定,不易被环境浸出。（2）在热解条件下,大部分重金属在高温下不易被浸出。As、Pb、Cd在残渣中稳定存在,在各温度下以残渣态为主,Cr和Zn在低温下以可氧化态和可还原态形式为主,在高温下均以残渣态形式存在。
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