電鍍污泥處理技術(shù)的研究進(jìn)展
摘要：電鍍污泥中含有大量的鉻、鎘、鎳、鋅等重金屬,是一種典型的危險(xiǎn)廢物。綜述了近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)電鍍污泥處理技術(shù)的研究進(jìn)展,包括固化/穩(wěn)定化技術(shù)、熱化學(xué)處理技術(shù)、有價(jià)金屬回收技術(shù)和材料化技術(shù)等。對(duì)主要處理技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析,認(rèn)為熱化學(xué)處理技術(shù)將成為未來電鍍污泥處理領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要研究方向。
關(guān)鍵詞：危險(xiǎn)廢物;電鍍污泥;重金屬;固化;穩(wěn)定化;熱化學(xué)處理;資源化
電鍍污泥是電鍍廢水處理過程中產(chǎn)生的排放物,其中含有大量的鉻、鎘、鎳、鋅等有毒重金屬,成分十分復(fù)雜。在我國(guó)《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》(環(huán)發(fā)[1998] 89號(hào))所列出的47類危險(xiǎn)廢物中,電鍍污泥占了其中的7大類,是一種典型的危險(xiǎn)廢物。目前,由于我國(guó)電鍍行業(yè)存在廠點(diǎn)多、規(guī)模小、裝備水平低及污染治理水平低等諸多問題,大部分電鍍污泥仍只是進(jìn)行簡(jiǎn)單的土地填埋,甚至隨意堆放,對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染[1]。因此,如何采取有效的技術(shù)處理處置電鍍污泥,并實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定化、無害化和資源化,一直都是國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)。
本文綜述了國(guó)內(nèi)外電鍍污泥處理技術(shù)的研究進(jìn)展。
1 電鍍污泥的固化/穩(wěn)定化技術(shù)
目前,電鍍污泥的固化/穩(wěn)定化研究主要集中在固化塊體穩(wěn)定化過程的機(jī)理和微觀機(jī)制等方面。Roy等[2]以普通硅酸鹽水泥作為固化劑,系統(tǒng)地研究了含銅電鍍污泥與干擾物質(zhì)硝酸銅的加入對(duì)水泥水化產(chǎn)物長(zhǎng)期變化行為的影響,發(fā)現(xiàn)硝酸銅與含銅電鍍污泥對(duì)水泥水化產(chǎn)物的結(jié)晶性、孔隙度、重金屬的形態(tài)及pH等微量化學(xué)和微結(jié)構(gòu)特征都有重要的影響,如固化體的pH隨硝酸銅添加量的增加而呈明顯的下降趨勢(shì),孔隙度則隨硝酸銅添加量的增加而增大。Asavapisit等 [3]研究了水泥、水泥和粉煤灰固化系統(tǒng)對(duì)電鍍污泥的固化作用,分析了固化體的抗壓強(qiáng)度、淋濾特性及微結(jié)構(gòu)等的變化特性,發(fā)現(xiàn)電鍍污泥能明顯降低兩系統(tǒng)最終固化塊體的抗壓強(qiáng)度,原因是覆蓋在膠凝材料表面上的電鍍污泥抑制了固化系統(tǒng)的水化作用,但粉煤灰的加入不僅能使這種抑制作用最小化,而且還能降低固化體中鉻的浸出率,原因可能是粉煤灰部分取代高堿度的水泥后,使混合系統(tǒng)的堿度降到了有利于重金屬氫氧化物穩(wěn)定化的水平。Sophia等[4]認(rèn)為,單一水泥處理電鍍污泥的抗壓強(qiáng)度優(yōu)于水泥和粉煤灰混合系統(tǒng),但只要水泥與粉煤灰的配比適宜,同樣能滿足對(duì)鉻的固化需要。而固化過程中粉煤灰的使用對(duì)銅的長(zhǎng)期穩(wěn)定性并無益處[5]。
添加劑的使用能改善電鍍污泥的固化效果[6]。在電鍍污泥的固化處置中,根據(jù)有害物質(zhì)的性質(zhì),加入適當(dāng)?shù)奶砑觿?可提高固化效果,降低有害物質(zhì)的溶出率,節(jié)約水泥用量,增加固化塊強(qiáng)度。在以水泥為固化劑的固化法中使用的添加劑種類繁多,作用也不同,常見的有活性氧化鋁、硅酸鈉、硫酸鈣、碳酸鈉、活性谷殼灰等[6]。2 電鍍污泥的熱化學(xué)處理技術(shù)
熱化學(xué)處理技術(shù)(如焚燒、離子電弧及微波等)是在高溫條件下對(duì)廢物進(jìn)行分解,使其中的某些劇毒成分毒性降低,實(shí)現(xiàn)快速、顯著地減容,并對(duì)廢物的有用成分加以利用。近年來,利用熱化學(xué)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)廢物電鍍污泥的預(yù)處理或安全處置正引起人們的重視[7～9]。
目前,有關(guān)電鍍污泥熱化學(xué)處理技術(shù)的研究,以對(duì)在焚燒處理電鍍污泥過程中重金屬的遷移特性等問題的研究比較突出。Espinosa等[10]對(duì)電鍍污泥在爐內(nèi)焚燒過程的熱特性及其中重金屬的遷移規(guī)律進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)焚燒能有效富集電鍍污泥中的鉻,灰渣中鉻的殘留率高達(dá)99%以上,而在焚燒過程中,絕大部分污泥組分以CO2,H2O,SO2等形態(tài)散失,因此減容減重效果非常明顯,減重可達(dá)34%。Barros等[11]利用水泥回轉(zhuǎn)窯對(duì)混合焚燒電鍍污泥過程進(jìn)行了研究,分析了添加氯化物 (KCl,NaCl等)對(duì)電鍍污泥中Cr2O3和NiO遷移規(guī)律的影響,認(rèn)為氯化物對(duì)Cr2O3和NiO在焚燒灰渣中的殘留情況幾乎沒有任何影響,焚燒過程中Cr2O3和NiO都能被有效地固化在焚燒殘?jiān)。劉剛等[12]利用管式爐模擬焚燒爐研究電鍍污泥的熱處置特性時(shí),分析了鉻、鋅、鉛、銅等多種重金屬的遷移特性,認(rèn)為焚燒溫度在700℃以下時(shí),污泥中的水分、有機(jī)質(zhì)和揮發(fā)分就能被很好地去除,且高溫能有效抑制污泥中重金屬的浸出,但這種抑制對(duì)各種重金屬的影響各不相同,如鎳是不揮發(fā)性重金屬,在焚燒灰渣中的殘留率為100%,鉻在灰渣中的殘留率也高達(dá)97%以上,而鋅、鉛、銅的析出率則隨焚燒溫度的升高而有不同程度的增大。
在離子電弧、微波等其他熱化學(xué)處理研究方面,Ramachandran等[13]用直流等離子電弧在不同氣氛下對(duì)電鍍污泥進(jìn)行處理,并對(duì)處理后的殘?jiān)疤幚磉^程中產(chǎn)生的粉末進(jìn)行了研究,認(rèn)為此法在實(shí)現(xiàn)銅、鉻等有價(jià)金屬回收的同時(shí)可將殘?jiān)D(zhuǎn)化成穩(wěn)定的惰性熔渣。Gan等[14]通過微波輻射對(duì)電鍍污泥進(jìn)行了解毒和重金屬固化實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)微波輻射處理對(duì)電鍍污泥中重金屬離子的固化效果顯著,原因可能是在高溫干燥與電磁波的共同作用下,有利于重金屬離子同雙極聚合分子之間發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用而結(jié)合在一起,而經(jīng)微波處理的電鍍污泥具有粒度細(xì)、比表面積高、易結(jié)團(tuán)等特性。
此外,熱化學(xué)處理有利于降低電鍍污泥中鉻的毒性。Ku等[15]研究了高溫?zé)崽幚黼婂兾勰噙^程中鉻的毒性價(jià)態(tài)變化,認(rèn)為高溫?zé)崽幚砟軐€t(Ⅵ)轉(zhuǎn)化成鉻(Ⅲ),且溫度越高轉(zhuǎn)化效果越明顯;在經(jīng)高溫處理的電鍍污泥中,主要以鉻(Ⅲ)為主。Cheng等[16]將電鍍污泥與黏土的混合物分別在900℃和1100℃的電爐中熱養(yǎng)護(hù)4h后,對(duì)其中鉻的價(jià)態(tài)進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)在經(jīng)900℃熱養(yǎng)護(hù)處理的混合物中,鉻(Ⅵ)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),而經(jīng) 1100℃熱養(yǎng)護(hù)處理的混合物中,鉻則主要以鉻(Ⅲ)存在。
3 電鍍污泥中有價(jià)金屬的回收技術(shù)
3.1 酸浸法和氨浸法
酸浸法是固體廢物浸出法中應(yīng)用最廣泛的一種方法[17],具體采用何種酸進(jìn)行浸取需根據(jù)固體廢物的性質(zhì)而定。對(duì)電鍍、鑄造、冶煉等工業(yè)廢物的處理而言,硫酸是一種最有效的浸取試劑[17],因其具有價(jià)格便宜、揮發(fā)性小、不易分解等特點(diǎn)而被廣泛使用[18]。Silva等[19]以磷酸二異辛酯為萃取劑,對(duì)電鍍污泥進(jìn)行了硫酸浸取回收鎳、鋅的研究實(shí)驗(yàn)。Vegli惏等[20]的研究顯示,硫酸對(duì)銅、鎳的浸出率可達(dá)95%～100%,而在電解法回收過程中,二者的回收率也高達(dá)94%～99%。
也可用其他酸性提取劑(如酸性硫脲)來浸取電鍍污泥中的重金屬[21]。Paula等[22] 利用廉價(jià)工業(yè)鹽酸浸取電鍍污泥中的鉻,浸取時(shí)將5mL工業(yè)鹽酸(純度為25.8%,質(zhì)量濃度為1.13g/mL)添加到大約1g預(yù)制好的試樣中,然后在 150r/min的搖床上震蕩30min,鉻的浸出率高達(dá)97.6%。
氨浸法提取金屬的技術(shù)雖然有一定的歷史[23],但與酸浸法相比,采用氨浸法處理電鍍污泥的研究報(bào)道相對(duì)較少,且以國(guó)內(nèi)研究報(bào)道居多。氨浸法一般采用氨水溶液作浸取劑,原因是氨水具有堿度適中、使用方便、可回收使用等優(yōu)點(diǎn)[23]。采用氨絡(luò)合分組浸出-蒸氨-水解渣硫酸浸出-溶劑萃取-金屬鹽結(jié)晶回收工藝,可從電鍍污泥中回收絕大部分有價(jià)金屬,銅、鋅、鎳、鉻、鐵的總回收率分別大于93%,91%,88%,98%,99%[24]。針對(duì)適于從氨浸液體系中分離銅的萃取劑難以選擇的問題,祝萬鵬等[25]開發(fā)了一種名為N510的萃取劑,該萃取劑在煤油-H2SO4體系中能有效地回收電鍍污泥氨浸液中的Cu2+,回收率高達(dá)99%。王浩東等[26]對(duì)氨浸法回收電鍍污泥中鎳的研究表明,含鎳污泥經(jīng)氧化焙燒后得焙砂,用NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～7%的氨水對(duì)焙砂進(jìn)行充氧攪拌浸出,得到含Ni (NH3)4CO3的溶液,然后對(duì)此溶液進(jìn)行蒸發(fā)處理,使Ni(NH3)4CO3轉(zhuǎn)化為NiCO3·3Ni(OH)2,再于800℃鍛燒即可得商品氧化鎳粉。
酸浸或氨浸處理電鍍污泥時(shí),有價(jià)金屬的總回收率及同其他雜質(zhì)分離的難易程度,主要受浸取過程中有價(jià)金屬的浸出率和浸取液對(duì)有價(jià)金屬和雜質(zhì)的選擇性控制[23]。酸浸法的主要特點(diǎn)是對(duì)銅、鋅、鎳等有價(jià)金屬的浸取效果較好,但對(duì)雜質(zhì)的選擇性較低,特別是對(duì)鉻、鐵等雜質(zhì)的選擇性較差;而氨浸法則對(duì)鉻、鐵等雜質(zhì)具有較高的選擇性,但對(duì)銅、鋅、鎳等的浸出率較低[8]。
3.2 生物浸取法
生物浸取法的主要原理是,利用化能自養(yǎng)型嗜酸性硫桿菌的生物產(chǎn)酸作用,將難溶性的重金屬?gòu)墓滔嗳艹龆M(jìn)入液相成為可溶性的金屬離子,再采用適當(dāng)?shù)姆椒◤慕∫褐屑右曰厥?作用機(jī)理比較復(fù)雜,包括微生物的生長(zhǎng)代謝、吸附,以及轉(zhuǎn)化等[27]。就目前能收集到的文獻(xiàn)來看,利用生物浸取法來處理電鍍污泥的研究報(bào)道還比較少[28],原因是電鍍污泥中高含量的重金屬對(duì)微生物的毒害作用大大限制了該技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用[29]。因此,如何降低電鍍污泥中高含量的重金屬對(duì)微生物的毒害作用,以及如何培養(yǎng)出適應(yīng)性強(qiáng)、治廢效率高的菌種,仍然是生物浸取法所面臨的一大難題[30],但也是解決該技術(shù)在該領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。
3.3 熔煉法和焙燒浸取法
熔煉法處理電鍍污泥主要以回收其中的銅、鎳為目的[31]。熔煉法以煤炭、焦炭為燃料和還原物質(zhì),輔料有鐵礦石、銅礦石、石灰石等。熔煉以銅為主的污泥時(shí),爐溫在1300℃以上,熔出的銅稱為冰銅;熔煉以鎳為主的污泥時(shí),爐溫在 1455℃以上,熔出的鎳稱為粗鎳。冰銅和粗鎳可直接用電解法進(jìn)行分離回收。爐渣一般作建材原料。
焙燒浸取法的原理是先利用高溫焙燒預(yù)處理污泥中的雜質(zhì),然后用酸、水等介質(zhì)提取焙燒產(chǎn)物中的有價(jià)金屬[7,8]。用黃鐵礦廢料作酸化原料,將其與電鍍污泥混合后進(jìn)行焙燒,然后在室溫下用去離子水對(duì)焙燒產(chǎn)物進(jìn)行浸取分離,鋅、鎳、銅的回收率分別為60%,43%,50%[8]。
4 電鍍污泥的材料化技術(shù)
電鍍污泥的材料化技術(shù)是指利用電鍍污泥為原料或輔料生產(chǎn)建筑材料或其他材料的過程。Ract[32]開展了以電鍍污泥部分取代水泥原料生產(chǎn)水泥的實(shí)驗(yàn),認(rèn)為即使是含鉻電鍍污泥在原料中的加入量高達(dá)2%(干基質(zhì)量分?jǐn)?shù))的情況下,水泥燒結(jié)過程也能正常進(jìn)行,而且燒結(jié)產(chǎn)物中鉻的殘留率高達(dá)99.9%。 Magalh es等[33]分析了影響電鍍污泥與黏土混合物燒制陶瓷的因素,認(rèn)為電鍍污泥的物化性質(zhì)、預(yù)制電鍍污泥與黏土混合物時(shí)的攪拌時(shí)間,是決定陶瓷質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主導(dǎo)因素,如原始電鍍污泥中重金屬的種類(如鋁、鋅、鎳等)和含量明顯地決定著電鍍污泥及其與黏土混合物的淋濾特性,而預(yù)制電鍍污泥與黏土混合物時(shí),劇烈或長(zhǎng)時(shí)間的攪拌作用則有利于混合物的均勻化和燒結(jié)反應(yīng)的進(jìn)行。此外,將電鍍污泥與海灘淤泥混合可燒制出達(dá)標(biāo)的陶粒[34]。
5 結(jié)語
電鍍污泥的處理一直是國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn),雖然有關(guān)人員在該領(lǐng)域已經(jīng)開展了很多研究并取得了一定成果,但仍存在許多急需解決的問題,如傳統(tǒng)的以水泥為主的固化技術(shù)、以回收有價(jià)金屬為目的的浸取法存在對(duì)環(huán)境二次污染的風(fēng)險(xiǎn)等,要解決這些問題必須采取新的研究途徑。近年來,利用熱化學(xué)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電鍍污泥的預(yù)處理或安全處置為未來電鍍污泥的處理提供了更廣闊的發(fā)展空間和前景。新近的研究顯示,熱化學(xué)處理技術(shù)在電鍍污泥的減量化、資源化及無害化方面都有明顯的優(yōu)勢(shì),因此,必將成為未來電鍍污泥處理領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。
然而,由于熱化學(xué)處理技術(shù)在電鍍污泥處理方面的應(yīng)用與研究還比較少,許多問題還需進(jìn)一步探索,如對(duì)熱化學(xué)處理電鍍污泥過程中重金屬的遷移特性、重金屬在灰渣中的殘留特性、熱化學(xué)處理過程中重金屬的析出特性及蒸發(fā)特性等都需要深入研究。
參考文獻(xiàn):(略)
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