環(huán)境導(dǎo)論-巫殷偉

研究生：巫殷偉2016年5月24日水泥窯協(xié)同處置污泥重金屬內(nèi)容研究背景1234國內(nèi)外研究現(xiàn)狀研究目的及意義

結(jié)論66污泥物化性質(zhì)5污泥摻入對水泥煅燒、水泥性能影響一、研究背景1.1污泥處置現(xiàn)狀截至2014年3月底，全國累計建成污水處理廠3622座年產(chǎn)生含水量80%污泥3500多萬噸國內(nèi)污泥處理處置處理方式大氣、土壤和地下水等二次污染華南理工大學(xué)SouthChinaUniversityofTechnology華南理工大學(xué)SouthChinaUniversityofTechnology1.2水泥窯協(xié)同處置污泥概況優(yōu)勢：（1）處置種類多（2）徹底分解有害組分（3）無二次污染（4）熱傳遞交換效率高（5）消納量巨大廢棄物水泥生產(chǎn)線日處置/t年處置/t污泥廣州越堡水泥廠600220000北京金隅水泥廠500180000武穴華新水泥廠20072000處置潛力/前景

一條400~600t/d的干法線，如果有

22萬噸/年固體廢物處理能力，那么：

2012年底全國1637條新型干法線，如果都能夠協(xié)同處置廢棄物，則將有3.6億噸/年的巨大處置潛力。生料燃料廢棄物熟料&水泥1.3

水泥窯中的重金屬及其危害華南理工大學(xué)SouthChinaUniversityofTechnology來源循環(huán)危害二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀華南理工大學(xué)SouthChinaUniversityofTechnology重金屬揮發(fā)等級

煅燒氣氛（氯值）(CdCl2,ZnCl2和PbCl2

的沸點：960,732,950℃)喂料量煅燒制度（滯留溫度與時間）物料流態(tài)影響因素?fù)]發(fā)等級

輸出比例90%~100%進(jìn)入熟料66~98%進(jìn)入窯灰100%進(jìn)入煙氣2.1重金屬的揮發(fā)

J.Luan等人研究表明污泥焚燒添加氯能增加重金屬的揮發(fā)

2.2氯對重金屬揮發(fā)的影響MxOy+nACl→MxCln↑+AnOy華南理工大學(xué)SouthChinaUniversityofTechnology800~850℃從圖中可以看出，增加0.4%氯含量，重金屬揮發(fā)量增加2%-5%。氯對重金屬揮發(fā)有促進(jìn)作用，應(yīng)避免增加氯含量，減少對環(huán)境的影響。2.3重金屬的固化華南理工大學(xué)SouthChinaUniversityofTechnologyCd新相間隙固溶體同晶取代取代CaO中的Ca形成

Ca–Cd–O進(jìn)入C4AF晶格

取代C4AF或C3S中的Ca

Ni新相間隙固溶體同晶取代MgNiO2進(jìn)入C4AF晶格

取代C4AF中的Fe，取代C3S中的Ca2+CuCu大量時，C3S→C2S+CPb集中于Minutespherule;少量在C3SZnC3A

>C4AF>C3S>C2S（超過0.7%時，C3A失穩(wěn)，Ca6Zn3Al4O15

生成；

超過2%時，C3A消失，被Ca6Zn3Al4O15取代）一次固化機(jī)理CrC2S(高K時K2CrO4

and/orK2Cr2O7

)

(=0.5%減少f-CaO

）

（>2.5%C3S→C2S+C,Ca4Al6O12CrO4&Ca6Al4Cr2O15)濃度決定產(chǎn)物v溶出重金屬固化溶出示意圖二次固化機(jī)理物理、化學(xué)吸附化學(xué)結(jié)合（表面絡(luò)合、沉淀、共沉淀）包裹（C-S-H）無定型氫氧化物重金屬沉淀共沉淀替代C-S-H/AFt晶格Zn,Pb,CuPb：C-S-H中Ca被取代，并進(jìn)入C-S-H結(jié)構(gòu)中與Ca、Si發(fā)生鍵接，穩(wěn)定固化在水化產(chǎn)物中Cd：①共沉淀方式形成無定形的水化硅酸鎘/鈣②與C-S-H發(fā)生離子交換Zn：①與OH-形成Zn(OH)2無定型層，并附著在已經(jīng)水化的水泥顆粒表面;②取代C-S-H中的Ca或與C-S-H表面Ca反應(yīng)形成Ca[Zn(OH)3H2O]3Ni：①以惰性MgNiO2化合物形式吸附在水泥顆粒表面②固化在雙層氫氧化物層中，與Al結(jié)合生成一種化合物鈣礬石(AFt)晶體為定向排列呈柱狀結(jié)構(gòu)，通過化學(xué)置換在晶體柱間間隙、通道及其表面電負(fù)性可也可容納吸附許多重金屬華南理工大學(xué)SouthChinaUniversityofTechnology2.4重金屬的浸出華南理工大學(xué)SouthChinaUniversityofTechnology

類型1:在實驗開始就快速浸出（Mg，Na，K）類型2：開始快速浸出，然后變得緩慢（Cd，Zn，

Ni)類型3：浸出更加緩慢（Pb，Cr，

Cu，Co）

類型4：一些元素（As、P）再吸附或者生成沉淀物(BaSO4)

類型5：一段時間之后才開始浸出（還原性沉淀物）浸出特征Mg,Na,KCd,Zn,NiPb,Cr,Cu,CoAs,P,BaAnoxicsediments

重金屬在水泥生料、熟

料、砂漿中浸出特征水泥對污泥中的重金屬具有較好的固化作用2.5重金屬的浸出華南理工大學(xué)SouthChinaUniversityofTechnology浸漬純水酸雨破碎制品的重金屬溶出均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)地下水Ⅲ類要求，不會對環(huán)境造成污染2.6存在問題水泥工業(yè)處置污泥技術(shù)的推廣1.水泥質(zhì)量、性能不能受損害；2.水泥生產(chǎn)、使用過程必須對生態(tài)環(huán)境友好1.氯對污泥中的重金屬在水泥窯中的揮發(fā)規(guī)律有待明確2.重金屬在水泥熟料和水泥硬化漿體中的固化機(jī)理有待明確3.不同環(huán)境下的水泥硬化漿體中的溶出機(jī)理有待明確華南理工大學(xué)SouthChinaUniversityofTechnology華南理工大學(xué)SouthChinaUniversityofTechnology三、研究目的及意義3.1研究目的（1）闡明污泥的物理化學(xué)性質(zhì)以及重金屬存在形態(tài)；（2）闡明氯對水泥窯協(xié)同處置污泥過程中中的Cu、Ni、Pb等有毒有害組分的揮發(fā)規(guī)律；（3）闡明重金屬在水泥熟料燒成以及水化過程中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律；（4）闡明在不同環(huán)境下重金屬在水泥硬化體中浸出行為，并對有害重金屬離子在水泥

服役條件下的環(huán)境影響做出評價。3.2研究意義（1）為水泥窯協(xié)同處置污泥過程中重金屬對環(huán)境的影響提供理論依據(jù)；（2）為水泥窯協(xié)同處置污泥的水泥產(chǎn)品質(zhì)量的提高提供技術(shù)支撐。

四、污泥物化性質(zhì)4.1污泥的化學(xué)組成4.2污泥的礦物組成污泥的XRD圖譜樣品SiO2CaOAl2O3Fe2O3P2O5K2ONa2OMgOSO3ClLoss污泥21.2320.239.424.062.561.070.040.860.40.0439.25PCCement19.8463.354.974.72_0.083.20.920.470.0451.73項目有機(jī)質(zhì)pH半干含水率密度（g/cm3）結(jié)果25.46%6.9215.52%2.26254.3污泥的物化性質(zhì)4.4污泥中的重金屬重金屬PbCdNiCrCuZn污泥（mg/kg）1152.9339437518082182華南理工大學(xué)SouthChinaUniversityofTechnology按照我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)規(guī)定的污泥農(nóng)用時(在中性和堿性土壤上)污染物的控制標(biāo)準(zhǔn)限值,所采集的污泥樣品中除Pb沒有超標(biāo)外,Cu、Zn、Cd、Cr、Ni均有超標(biāo)現(xiàn)象,其超標(biāo)率分別為18.2%、15.9%、2.27%、11.4%、22.7%。污泥中的重金屬形態(tài)分布重金屬種類金屬可交換態(tài)碳酸鹽結(jié)合態(tài)鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)有機(jī)物結(jié)合態(tài)殘渣態(tài)總量Zn6.83%5.88%1.25%52.07%33.97%100%Cu5.06%22.02%8.28%32.06%32.58%100%Pb-6.87%-47.69%45.45%100%Cr-13.96%-46.65%39.39%100%Ni9.65%7.89%9.47%21.84%51.15%100%

可交換態(tài)的重金屬元素以吸附形式存在，當(dāng)用含有大量陽離子的溶液淋溶時，就可發(fā)生離子交換，釋放重金屬。碳酸鹽態(tài)的重金屬元素是由于沉淀或共沉淀賦存其中，是活性僅次于可交換態(tài)的一砷存在形式，用弱酸即可將重金屬離子溶解出來。Fe-Mn氧化物結(jié)合態(tài)的重金屬元素是被吸附或共沉淀在鐵錳氧化物中的，pH值降低和還原條件下，易向外界環(huán)境遷移轉(zhuǎn)化。

有機(jī)結(jié)合態(tài)是以絡(luò)合吸附的方式存在的，在氧化條件下有機(jī)質(zhì)及硫化物結(jié)合態(tài)易于釋放到溶液中。殘渣態(tài)的重金屬元素一般是存在于礦物晶格中的，只有強(qiáng)酸才能使其釋放出來。前三種形態(tài)在中性鹽或弱酸環(huán)境即可浸出，對環(huán)境影響大。殘渣態(tài)穩(wěn)定，不易釋放到環(huán)境。五.污泥摻入對水泥煅燒、水泥性能影響污泥對水泥煅燒影響摻入一定量污泥有利于水泥生料的煅燒

如果在生料配制時引入熔點較低的雜質(zhì),可以降低局部區(qū)域熔體的熔點,在較低溫度下形成液相。污泥的加入,在生料中引入了多種微量元素,降低了系統(tǒng)的低共熔點,促使液相較早出現(xiàn),C3S的形成溫度降低。并且污泥中堿金屬元素的熔點低,污泥的加入降低了局部區(qū)域熔點,使得C3S的形成溫度降低。污泥中的某些重金屬元素,如:Cu,Pb,Zn在熟料燒結(jié)過程中也起到了礦化劑和助熔劑的作用。少量P2O5主要作用是穩(wěn)定C2S,降低液相粘度,有利于C3S生長發(fā)育。但是當(dāng)P2O5超過一定量,隨著P2O5含量的增加,C3S/C2S比例減小?？箟簭?qiáng)度抗折強(qiáng)度

少量污泥能改變生料易燒性,有利于熟料的燒成,從而對強(qiáng)度有利。同時,微量元素的存在,使熟料礦物產(chǎn)生晶格畸變,提高其膠凝性。因而,摻少量污泥時對水泥強(qiáng)度也是有利的。隨著污泥摻量的增加,易燒性反而下降,而P2O5增加較多,P2O5的增加將促進(jìn)C3S