电镀污泥与核桃壳共热解过程中重金属的转化与稳定化：对降低环境风险的意义

《Process Safety and Environmental Protection》：Transformation and Stabilization of Heavy Metals during Electroplating Sludge–Walnut Shell Co-Pyrolysis: Implications for Environmental Risk Reduction

　　摘要电镀废水处理过程中产生的污泥富含重金属，在处置或资源化利用过程中可能带来潜在的环境风险。本研究将电镀污泥与核桃壳进行共热解，探讨了混合比例和热解温度对铜、锌、铅、铬、镍的总量、化学形态、浸出特性和生态风险的影响。结果表明，核桃壳的加入促进了多孔碳化结构的形成，改善了热解产物的理化性质。比表面积从原始污泥和核桃壳的2.57和2.23 m2·g?1，提高到共热解样品SW4的95.39 m2·g?1。在共热解产物中，SW4的综合性能最优，兼具最高的比表面积和锌潜在生态风险的显著降低。SW4中锌的Pm和ERm值分别为4.05和20.25，而原始污泥中分别为44.24和221.20。浸出结果表明，共热解后铅和铬得到了有效固化，铜和镍表现为部分稳定，而锌仍表现出较高的迁移潜力。形态分析进一步表明，共热解促进了重金属从酸溶态和可还原态向更稳定的可氧化态和残渣态转化。综合潜在生态风险指数（RI）从未处理污泥的1353.19（对应很高的潜在生态风险），降至衍生生物炭的30.64至36.62，均属于低潜在生态风险等级。在所研究的条件下，500 °C热解、污泥与核桃壳比为1:1.5时，重金属整体稳定化效果最为理想。重金属的稳定化主要归因于物理截留、表面吸附与络合、矿物沉淀以及固相包裹。这些发现表明，与核桃壳共热解可有效降低电镀污泥中重金属的迁移性和生态风险，为污泥衍生产品的安全处理和资源化利用提供了一种可行的途径。引言污泥作为全球污水处理系统的必然副产物，其产量正以每年1.7%至8.0%的速率持续增长。据估计，全球干污泥的年产量已超过4500万吨。与市政污泥相比，电镀污泥作为一种典型的工业危险废物，在电镀废水处理过程中产生，同样代表着可观的废弃物流。随着电镀、金属表面处理、电子制造和机械加工行业的快速发展，电镀污泥的产生量持续扩大，成为工业污泥管理中的重要环境问题。更重要的是，电镀污泥通常富集多种重金属，如铜、锌、铅、铬和镍，其金属含量、毒性水平和环境风险均高于市政污泥。这些重金属在环境中具有持久性、不可降解性、生物累积性和潜在毒性。不当处置可能使其通过浸出、径流和食物链传递进入土壤、水体和生物体，对生态安全与人体健康构成长期威胁。因此，开发高效、环保且经济可行的电镀污泥处理与资源化利用技术，以实现重金属稳定化并降低相关环境风险，已成为环境工程领域亟待解决的挑战。热解作为一种先进的污泥处理技术，由于能在厌氧或限氧条件下将污泥转化为生物炭、热解油和不可凝气体，在减量、解毒和能量回收方面具有显著优势，因而受到广泛关注。在这些产物中，热解衍生的生物炭通常具有高碳含量、多孔结构和丰富的表面官能团，因此被视为有前景的土壤改良剂、吸附剂或功能材料。在热解过程中，污泥中的重金属倾向于迁移并富集在生物炭组分中，而其化学形态和环境迁移性因热解条件和进料特性不同而差异显著。既往研究表明，热解可促进部分重金属从较不稳定形态向更稳定形态转化，从而降低金属生物有效性及相关环境风险。然而，对于重金属含量高、组成复杂的电镀污泥，单独热解过程中重金属的稳定化效率仍可能受到污泥灰分组成、矿物相转化、碳基质结构和热解温度等因素的制约。因此，部分金属可能仍以具有一定迁移性或浸出潜力的形态存在。鉴于此，进一步调控热解过程、优化生物炭结构与矿物组成、提高重金属稳定化效率，已成为电镀污泥热解处理与资源化利用的重要研究方向。共热解即将污泥与生物质或其他添加剂混合后进行热解，被视为优化热解过程、增强重金属稳定化的有效策略。生物质的引入可调节热解过程中的挥发分释放、碳基质结构和矿物组分分布，从而促进重金属的物理包裹和化学钝化。既往研究表明，共热解可促进污泥中重金属从不稳定态向更稳定形态转化，从而显著降低其环境迁移性。已有研究证实，污泥与生物质共热解可改善炭性质并促进重金属稳定化，但大多数研究主要关注市政污泥与秸秆、锯末和稻壳等木质纤维素生物质的共热解。相比之下，对于重金属含量更高、环境危害更严重的电镀污泥与特定农业废弃物共热解过程中重金属的迁移、转化和稳定化机制，关注较少。核桃壳作为一种广泛可得的农业废弃物，富含木质素，具有高固定碳含量、致密结构特性和良好的成炭性能。热解过程中产生的核桃壳生物炭可为重金属提供稳定的碳基质，并可能通过吸附、离子交换、沉淀和稳定矿物相的形成进一步增强污泥中重金属的固化。既往研究进一步证实，污泥与核桃壳共热解可显著降低镉、铜、铅、锌等重金属的浸出毒性，浸出浓度降至单独污泥热解所产生生物炭的50%以下。因此，系统研究电镀污泥与核桃壳的共热解体系，对于拓展高风险工业污泥的安全处置途径和促进农业废弃物的高值化利用具有重要意义。基于上述背景，本研究探讨了电镀污泥与核桃壳的共热解。系统评价了不同热解参数（混合比例和热解温度）下核桃壳的加入对铜、锌、铅、铬、镍的总量、形态分布、TCLP浸出行为和潜在生态风险的影响。本研究旨在评估核桃壳辅助共热解如何改变电镀污泥中重金属的迁移性和稳定化程度，探索其内在协同机制，并为电镀污泥的安全热解处理和资源化利用提供理论参考。章节摘要原材料本研究所用污泥采自某电镀厂废水处理池，核桃壳购自中国河北省石家庄市。污泥和核桃壳中重金属的初始浓度见表1。将污泥在60 °C下烘干至恒重，研磨后过0.15 mm筛，随后密封于塑料容器中备用。核桃壳采用相同的预处理步骤。生物炭的制备（无内容）一般性质原始污泥、核桃壳和共热解生物炭的基本理化性质存在显著差异。元素分析表明，原始污泥的碳含量为24.50%，远低于核桃壳的44.72%，表明核桃壳的加入有效提高了共热解产物中碳质组分的相对比例。同时，共热解生物炭的H/C原子比从2.29降至……一般性质SS和WS在元素组成与理化性质方面的差异，为共热解过程中的材料结构演变和后续金属稳定化提供了重要基础。与SS相比，WS的碳含量更高，表明核桃壳可向共热解体系提供更多碳质组分，促进更稳定碳骨架的形成。同时，共热解样品的H/C原子比明显低于……结论本研究表明，核桃壳辅助共热解改变了电镀污泥衍生炭中重金属的理化性质、操作性化学形态分布、浸出行为和计算所得潜在生态风险。稳定化响应因金属种类而异。铅和铬表现出最一致的稳定化效果，而铜表现为部分稳定化，其浸出响应取决于混合比例。锌仍保留……作者贡献声明孔灵芝：资源。 胡嘉元：软件。 施光宇：监督指导。 陈艳：项目管理。 王晓莹：初稿撰写。 沈心怡：审稿与编辑。利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。作者：沈心怡 | 王晓莹 | 胡嘉元 | 孔灵芝 | 陈艳 | 施光宇