城市污泥与有机医疗固体废物共燃产生的底渣中的重金属形态

《Journal of the Energy Institute》：Heavy Metal Speciation in Bottom Slags from the Co-combustion of Municipal Sludge and Organic Medical Solid Waste

重金属形态与生态风险研究：MS与OMSW共燃底渣中Cr、Ni、Cu、Zn的BCR连续萃取法分析表明，温度升高至1000℃显著提升Cr可还原态比例（35.86–59.07%），Zn可酸溶态比例超46.65%。热力学模拟显示温度升高促进重金属与铁形成复合盐。生态风险评估显示Zn为高风险，Cr、Ni、Cu处于中等风险，整体风险随温度升高而增加。

　　本研究探讨了城市污泥（MS）与有机医疗固体废弃物（OMSW）共燃烧后，底渣中重金属（Cr、Ni、Cu、Zn）的形态及其潜在生态风险。随着城市化进程的加快和医疗条件的改善，MS和OMSW的年产量持续上升，引发了一系列环境问题。在污水处理过程中，重金属如Cr、Ni、Cu、Zn和Pb以及病原体往往会在MS中积累。此外，OMSW是医疗和卫生活动直接或间接产生的有机固体废弃物，具有传染性和毒性。不当处理这些固体废弃物会对动植物和人类健康造成重大风险。焚烧是一种广泛采用的废物管理策略，因为它能显著减少废物体积和质量，同时实现能源回收。然而，单独焚烧MS通常效率不高且不稳定，原因在于其热值较低、灰分含量较高。相比之下，OMSW因其较高的碳氢化合物和挥发性物质含量，可以与MS共燃烧以提高燃烧效率和稳定性。然而，在热处理过程中，重金属会在底渣、烟气和飞灰中重新分布，这一过程受到燃烧温度和氯含量的影响。氯可以与低沸点重金属反应形成高挥发性的氯化物，从而增强其在燃烧过程中的气相迁移。此外，MS中的无机成分在高温下有助于重金属的固定，形成热稳定性较高的物质。在MS焚烧过程中，Cu、Cr和Ni等金属大多保留在底渣中，而更易挥发的元素如Hg、Pb和Cd则会蒸发并在烟气冷却时沉积在飞灰颗粒表面。由于重金属的可溶性，这两种残渣通常被归类为危险废物，需要严格的管理措施。然而，通过技术手段促进重金属向稳定形态转化，可以降低环境风险，从而实现资源回收。这些有毒元素具有高毒性、难降解性和通过食物链的生物累积潜力，最终在人体内积累，导致器官损伤和代谢紊乱。

研究表明，重金属的毒性和危害不仅取决于其总浓度，还与化学形态密切相关。因此，对重金属形态分布的表征对于固体废弃物的安全利用至关重要。目前，重金属形态分类方法主要采用Tessier的顺序提取法和欧洲共同体参考局（BCR）方法。Tang等人通过改进的五步Tessier协议对煤-污泥混合物进行了研究，发现飞灰颗粒尺寸的减小显著提高了生态风险，其中超过90%的Cd、Cr和Pb转化为有机结合和残余态。Li等人则使用BCR顺序提取法对含油污泥进行了分析，表明高温有助于金属的稳定，从而降低其可溶性浓度和生态风险指数。此外，延长停留时间会导致有机物的分解，进而破坏重金属的稳定性。

由于实际热处理过程中难以直接监测重金属在燃烧过程中的相变，热力学平衡计算为研究不同条件下的反应行为提供了重要依据。Liu等人通过FactSage 6.3模拟发现，在污泥共焚烧过程中，硫（S）和磷（P）会抑制锌（Zn）的挥发，而氯（Cl）则会削弱矿物-锌之间的相互作用，促进锌的挥发。Li等人基于HSC Chemistry 6.0的模拟计算和实验数据指出，在共热解过程中，重金属可以通过形成稳定化合物或被包封在无机成分晶格结构中而得到稳定。Guo等人则通过HSC Chemistry 6.0模拟了焚烧飞灰中重金属（Pb、Zn和Cu）的变化，发现随着温度的升高，重金属在气相中的比例增加。

本研究关注的是MS和OMSW共燃烧后底渣中Cr、Ni、Cu和Zn的形态，这些金属是研究样品中的特征污染物，有助于有效来源分析和全面生态风险评估。研究使用热力学软件HSC Chemistry 6.0分析了这些重金属在燃烧过程中的转化。研究还探讨了不同温度和氯含量对底渣中重金属迁移和生态风险潜力的影响，旨在支持底渣的清洁利用。此外，本研究特别关注了MS在不同季节的燃烧特性对共燃烧性能的影响，目前相关研究较少。由于MS单独燃烧和共燃烧过程中重金属的迁移和转化存在差异，因此在共燃烧后底渣中重金属的具体形态仍不明确。特别是Zn和Cr这类高毒性重金属，其在底渣中的分布情况对环境风险评估具有重要意义。

本研究使用的MS来自中国天津的一家市政污水处理厂。冬季收集的污泥被标记为FeSS，而夏季收集的污泥则被标记为SS。考虑到OMSW中含有大量病原体，具有感染性、生物毒性和腐蚀性，本研究采用未使用、未开封的医疗用品作为OMSW的替代物，以避免仪器污染。此外，本研究对三种样品的物理化学特性进行了分析，结果表明OMSW具有最高的挥发分和碳/氢含量。与SS相比，FeSS的灰分含量较低。表S7显示了两种污泥的化学组成，FeSS中二氧化硅（SiO?）和三氧化二铁（Fe?O?）的含量均超过19%，而SS主要含有二氧化硅和氧化铝（Al?O?），每种均超过24%。FeSS中高铁含量的原因在于污水处理厂在处理过程中使用了含铁量较高的材料。

通过本研究，我们希望揭示MS和OMSW共燃烧后底渣中重金属的形态变化及其对环境风险的影响。研究结果表明，在低于850°C的温度下，Cr、Ni和Cu主要以残余态存在。当温度升高至1000°C时，Cr的可还原态比例显著增加，而Zn的酸溶态比例最高，超过46.65%。热力学分析显示，随着温度的升高，这四种重金属与铁反应形成相应的铁盐的反应增强，解释了在1000°C时Cr可还原态比例的增加。通过Hakanson潜在生态危害指数法对重金属的生态风险进行了评估，结果表明Zn的个体污染因子最高，达到高风险水平，而Cr、Ni和Cu的污染水平均处于中等风险。在1000°C时，底渣中重金属的综合潜在生态风险值最高，四种重金属的污染程度按铜、镍、铬、锌的顺序排列。

本研究的结论表明，MS和OMSW共燃烧过程中，重金属的形态和生态风险受温度和氯含量的显著影响。通过热力学模拟和实验数据，研究揭示了不同条件下重金属的迁移行为和稳定机制。研究结果为固体废弃物的资源化利用提供了科学依据，有助于制定更有效的环境管理措施。此外，本研究强调了在实际应用中，对重金属形态的深入理解对于评估和控制潜在生态风险的重要性。通过结合热力学分析和形态学研究，可以更全面地了解重金属在燃烧过程中的行为，从而实现对底渣的清洁利用。研究还指出了未来研究的方向，包括进一步探讨不同季节条件下MS的燃烧特性，以及开发更高效的技术手段以促进重金属向稳定形态转化。这些研究对于实现固体废弃物的可持续管理具有重要意义，有助于减少环境污染并提高资源回收率。