煤泥与生物质共燃灰中重金属的化学形态及其环境风险

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Heavy metal chemical speciation and environmental risk in co-combustion ash of coal slime and biomass

　　

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  由于生态毒性较低，建议的配比比例为50% MB。
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  高温燃烧促进了重金属向稳定形态的迁移。
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  PCA分析表明，Zn、Cd、Ni和Pb对环境风险的贡献最大。
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  将CS加入MB可降低灰分的生态毒性，但MB比例不应超过70%。

引言

能源是经济增长的基础和主要动力。全球能源需求的快速增长带来了能源多样化和清洁技术的需求[1]。与此同时，生产和生活中产生的固体废物不断积累，对生态系统和人类健康构成严重威胁。煤泥（CS）是洗煤过程中不可避免的副产物。随着煤炭开采和原煤洗选率的提高，CS的年产量不断增加，给CS的处置带来了严峻挑战[2]。在农林生产过程中，大量生物质废弃物未能得到合理利用。CS和生物质废弃物的处置率较低，占用了大量土地资源，而采用填埋方式处置CS和生物质废弃物则带来了环境污染和资源浪费的双重挑战[3]。考虑到固体废物的热值，其能源利用有望成为推动经济转型的新兴产业[4]，这有助于保障能源安全并缓解固体废物带来的环境问题。此外，生物质能被国际公认为具有零CO₂排放特性的可再生能源，有助于实现"碳中和"和"碳达峰"目标[5]。

近年来，学者们对固体废物热处理技术，如气化、燃烧和热解等，越来越感兴趣[6]。燃烧具有无害化、减量化和资源化利用的优势[7]，已成为固体废物清洁处置的重要方法之一。CS具有高灰分、高粘性、高水分和低热值的特点[8]；而生物质能能量密度低，能源利用效率低。因此，CS和生物质废弃物通常被认为是不优质或低品质燃料。联合燃烧是实现低品质燃料高效燃烧的首选方式[9]，因此低品质燃料的联合燃烧已受到学者们的广泛研究。例如，污泥与CS联合燃烧[10]、[11]，稻壳与污泥联合燃烧[12]，煤矸石与生物质联合燃烧[13]等。CS与生物质联合燃烧为减少污染物排放和提高燃烧稳定性提供了广阔前景[14]。此外，低品质燃料与生物质联合燃烧可以降低结渣率[15]。因此，CS与生物质联合燃烧有望实现这些副产物的大规模减量化和资源化利用。尽管CS-生物质联合燃烧是一种可行的清洁燃烧技术，但在燃烧过程中会产生一种不希望的副产物——灰渣。此外，在原煤洗选过程中，重金属也会富集在CS中。生物质在生长过程中接触的除草剂和肥料也会导致生物质废弃物中存在重金属。因此，灰渣中的许多重金属是潜在的二次污染源。在对CS与生物质联合燃烧灰渣进行资源化处理之前，分析重金属的化学形态并评估其环境风险至关重要，以防止使用过程中产生二次污染。

灰渣中重金属的环境生态毒性主要取决于其化学形态[16]，而不同的化学形态对环境有不同的影响。灰渣中重金属的化学形态机制通常包括离子交换、吸附、沉淀和共沉淀[17]、[18]。联合实验室参考局（BCR）顺序萃取法被广泛用于提取重金属的各种化学形态[19]。底渣经处理后可用于生产水泥、铺设沥青和防冻工程[20]。Xiao等人的研究结果表明，污泥中的重金属在燃烧过程中大多转化为稳定组分[21]。总体而言，联合燃烧会导致重金属化学形态发生变化，这与单独燃烧有着显著差异。因此，重金属化学形态分析引起了学者们的关注。例如，纺织染料污泥与牛粪的联合燃烧促进了Ni和Cr从可提取形态向稳定状态的转化，降低了其生态风险[22]。Wu等人[23]报道了生物质中的Al/Si矿物促进了挥发性重金属的固定和稳定化。Wang等人[10]利用BCR方法研究了污泥-CS联合燃烧过程中重金属行为的影响以及矿物的控制机制。Chen等人[24]发现，在污泥与城市固体废物联合燃烧过程中，添加污泥减少了残余组分并增加了重金属的潜在生态风险。Cai等人[25]研究了废茶叶与纺织染料污泥联合燃烧灰渣中重金属的转化率和化学形态，发现添加废茶叶促进了Pb和As向稳定状态的转化。重金属的化学形态还受温度、反应时间、配比等因素影响。Chen和Yan[26]报道，提高温度或反应时间会增加残余组分并降低生物有效性；然而，污泥质量比对化学形态影响不大。当纺织染料污泥与废茶叶联合燃烧时，Zn、Cu、Ni、Mn、Cr、Cd和Pb的化学形态随温度升高而降低[25]。Shen等人[27]研究了污泥-生物质联合燃烧的环境风险，发现松木屑有助于重金属固定在灰渣中，从而最大限度地降低环境污染风险，且松木屑对重金属的固定效果优于小麦秸秆。

低品质燃料中重金属的化学形态分析主要集中在污泥与CS/城市固体废物/生物质的燃烧上。然而，关于CS-生物质联合燃烧灰渣中重金属化学形态分析以及重金属生态风险评估的研究仍然缺乏。因此，本研究的目的是：(1) 获得配比比例、温度、原料和矿物添加剂对CS-生物质联合燃烧灰渣中重金属化学形态的影响；(2) 选择三种典型方法评估重金属的环境风险；(3) 通过主成分分析（PCA）方法获取重金属对环境风险的贡献。研究结果将为CS和生物质焚烧底渣中重金属的无害化处理提供必要的参考。

章节摘要

样品制备

将CS、毛竹（MB）、柚子皮（PP）、稻壳（RH）和花生壳（PS）原料在105°C的烘箱中烘干12小时。将干燥后的样品研磨和筛分，使粒径小于178 μm，然后转入干燥器中保存。将七个质量比为100%、90%、70%、50%、30%、10%和0%的CS样品与MB混合，分别标记为CS、C9M1、C7M3、C5M5、C3M7、C1M9和MB。此外，将CS与PP、RH和PS按质量比

灰渣产率分析

不同燃烧条件下灰渣产率的变化见图3。在图3a中，将不同配比比例的CS和MB样品分别在850°C下燃烧；联合燃烧样品的灰渣产率随MB比例增加而线性下降。在图3b中，当C5M5在不同温度下燃烧时，C5M5的灰渣产率随温度升高而线性下降。在图3c中，四种样品在850°C下燃烧；C5M5的灰渣产率最低，而的

结论

本研究对CS与生物质联合燃烧灰渣中重金属的化学形态进行了实验研究，结合理论计算和PCA分析评估了重金属的环境风险，得出以下结论：

• (1)
  联合燃烧样品的灰渣产率随MB比例增加而线性下降；C5M5的灰渣产率随温度升高而线性下降。
• (2)
  C5M5灰渣中八种重金属的生态毒性相对较低，因此50%

CRediT作者贡献声明

马秀芬：写作—审阅与编辑、写作—原始草稿、方法学、调查、形式分析、数据整理。邢显军：写作—审阅与编辑、监督指导、方法学、经费获取。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢安徽省重大科技专项（项目编号：2021e03020003）和安徽省科技攻关项目（项目编号：202423l10050006）提供的资金支持。

马秀芬|邢显军