污泥掺烧生物质对重金属协同转化及磷有效性的影响机理研究

Recovery of phosphorus from fly ash remaining after municipal sewage sludge incineration has become a promising trend in the development of sludge treatment technology. However, high contents of heavy metals in the fly ash are the core issue reducing the bioavailability of phosphorus. To realize the control and harmless stabilization of heavy metals in combustion process is crucial to the breakthrough of sewage sludge incineration and phosphorus utilization technology. A new idea that co-firing biomass with sewage sludge to realize the synergistic conversion and chemical state stabilization of multiple heavy metals and improve the bioavailability of phosphorus has been put forward in this proposal. The mineral matters in biomass provide chemical adsorption of heavy metals, and chlorine in biomass promotes chemical state transformation of heavy metals. From two aspects of model compounds of biomass and heavy metal and phosphorus in sewage sludge as well as the fuels of sewage sludge and biomass, the interactions among the complicated components in biomass and the heavy metals in sewage sludge will be investigated, and the competition mechanism and chemical state transformation between the conversion of gas phase and solid-phase stabilization of heavy metals will be focused on. The directional conversion of heavy metal chemical state and the effect of phosphorus functionality on the bioavailability of phosphorus will be studied. The project can provide a promising method for the synergistic and harmless conversion of heavy metal during sewage sludge incineration.

城市污水污泥焚烧飞灰中磷的回收已成为污泥处置技术发展的新趋势，然而飞灰中较高浓度的重金属是影响磷有效性的核心问题。在燃烧过程中实现重金属的源头控制和无害稳定化是突破污泥焚烧及磷利用技术瓶颈的关键。本申请项目提出在污泥焚烧过程中掺入生物质，利用生物质中的矿物质等成分为重金属提供化学吸附位，利用生物质中的氯元素实现重金属化学价态转化，在燃烧中实现多种重金属的协同转化和化学价态稳定化，进而提高磷的有效性的新思路。拟从污泥重金属、磷的模型化合物与生物质模拟组分，污泥与生物质两个层面，研究生物质复杂组分与重金属之间的相互作用和反应机理，考察重金属气相转化和固相稳定化的竞争机制及化学价态转化规律，揭示重金属价态定向转化和灰中磷形态对磷活性的耦合影响机制。本项目有望形成解决污泥焚烧过程重金属协同无害化转化的新途径。

城市污水污泥焚烧飞灰中磷的回收已成为污泥处置技术发展的新趋势，然而飞灰中较高浓度的重金属是影响磷有效性的核心问题。在燃烧过程中实现重金属的源头控制和无害稳定化是突破污泥焚烧及磷利用技术瓶颈的关键。.本项目提出利用生物质中的矿物质等有效成分为重金属提供化学吸附位，在燃烧中实现污泥多种重金属的协同转化和化学价态稳定化，进而提高磷的有效性的新思路。主要研究成果如下：.获得城市污泥和生物质流化床混烧重金属（Cr、Zn、Cd、Pb）的迁移转化规律，揭示掺混比及燃烧温度等对飞灰中重金属含量和形态的影响机制，揭示重金属迁移转化的影响机理。.揭示了生物质中主要矿物质成分与污泥中砷之间的相互作用机理，分析了飞灰取样位置对砷形态转化的影响机制，考察了焚烧温度及过量空气系数对砷转化路径的影响特性，掌握了降低城市污泥及工业污泥焚烧飞灰中砷毒性的方法。污泥掺烧生物质后分布在飞灰中砷的百分含量降低，而且能有效促进飞灰中As3+向As5+的转化，极大地降低了混烧飞灰中砷的毒性。.研究了生物质中钙基化合物（CaO、CaSiO3、CaSO4）对城市污泥焚烧过程砷形态转化的影响机制，阐明不同钙基化合物与气态氧化砷之间的反应机理，验证了生物质中钙基化合物对砷形态转化的促进作用。.获得生物质中的Ca、Mg等矿物化合物对城市污泥及工业污泥焚烧中磷形态转化及生物有效性的影响规律，证实了污泥焚烧过程中添加生物质，能有效促进污泥焚烧飞灰中非磷灰石无机磷向磷灰石无机磷转化，提高了飞灰中磷的生物有效性。揭示了CaO和KCl与污泥中磷的反应路径和机理，建立了磷形态转化的数据库。.本项目阐明了污泥与生物质混烧时硅、钙、铝等元素与重金属迁移转化的关联特性，掌握利用生物质降低污泥流化床燃烧飞灰中重金属毒性的方法；协同提高飞灰中磷的有效性，形成复杂条件下重金属及磷形态转化的理论，对于污泥与生物质清洁燃烧技术的发展具有重要的理论价值和现实意义。