目前，石灰石-石膏濕法脫硫是火電廠煙氣脫硫工程中使用最廣泛的工藝，為保證脫硫系統(tǒng)正常運行，需要定期向外排放脫硫廢水，作為電廠的末端廢水，脫硫廢水需要經(jīng)過嚴格的處理。我國火電廠大多選擇三聯(lián)箱工藝處理脫硫廢水，這種一體式三聯(lián)箱反應單元集中和、沉淀、絮凝于一體，重金屬和懸浮物經(jīng)過絮凝、沉淀等過程在澄清池形成脫硫污泥，澄清池上部的水經(jīng)過pH值調(diào)節(jié)后即可排放。大量脫硫廢水的處理勢必會導致大量脫硫污泥的產(chǎn)生，以河北涿州京源熱電有限責任公司為例，其污泥年產(chǎn)量為3000~5000t，處置如此龐大數(shù)量的脫硫污泥不僅需要不菲的處置費用，同時還要繳納高額的環(huán)保稅。作為一種高鹽分、高重金屬含量的固體廢物(以下簡稱固廢)，脫硫污泥的合理處置是一項環(huán)保難題。隨著《中華人民共和國土壤污染防治法》的出臺，常規(guī)的填埋處理方式已不再是長久之計。為實現(xiàn)固廢處理減量化、資源化、無害化的目標，對脫硫污泥進行穩(wěn)定化處理及綜合化利用是未來的一個研究方向。
一、脫硫污泥成分及危害
脫硫污泥的主要成分有灰分、石膏、氯離子、重金屬等，具有含水率偏高、黏性大、體積大等特點，性質(zhì)非常不穩(wěn)定。表1為廣東和河北2個電廠的脫硫污泥組分，表2為土壤及農(nóng)用污泥中重金屬質(zhì)量分數(shù)限值。從表中可以看出：脫硫污泥所含重金屬元素主要包括Cr，Ni，Cu，Zn，As，Cd，Pb，Hg等;2個電廠的脫硫污泥中的Cr，Zn，As，Cd，Hg元素均超標;As，Cd，Hg元素不僅嚴重超過了土壤環(huán)境質(zhì)量三級標準，還超出了農(nóng)用污泥的標準限值。重金屬污染是一個重大的環(huán)境問題，直接排放會嚴重污染地下水和土壤。2個電廠脫硫污泥中水的體積分數(shù)均達到了30%，導致污泥黏性增強，處理難度更大。如果不進行科學合理的處理與處置，越來越多的脫硫污泥將成為我國環(huán)境安全隱患。
二、脫硫污泥處置技術概述
2.1脫硫污泥的脫水處理技術
高含水量的污泥會限制其在工程領域的利用，干燥污泥的目的是使污泥含水量降低，方便進行后續(xù)處理。向污泥投加改性劑可改善污泥的脫水性能，從而使后續(xù)的脫水工藝簡單化。Berthold的一項有關濕式洗滌裝置處理脫硫污泥的專利中提到，使用含鈣添加劑可使污泥脫水。Xue等提出了一種利用電磁感應技術對污泥進行熱處理的干燥方式，合理地調(diào)整感應介質(zhì)材料和工作參數(shù)有利于減少干燥時間，在200V的工作電壓下可以確保較高的干燥速率和較少的揮發(fā)性有機化合物(VolatileOrganicCompounds，VOC)釋放。邢奕等的試驗證明脫硫灰能有效改善污泥脫水性能，改變污泥絮凝體顆粒大小，有效釋放出結(jié)合水。脫硫灰作為脫硫工藝的副產(chǎn)品，其綜合利用也是一個研究熱點。魯長煒提供了一種由脫硫灰、聚合氯化鋁、聚丙烯酰胺混合而成的污泥脫水藥劑，可以改善污泥的壓縮性系數(shù)，降低污泥比阻，增強污泥脫水性能。含水率高的污泥堆放面積大，難以消納處置，為了實現(xiàn)污泥減量化和資源化，泥水的高效分離非常有必要，更先進的污泥脫水技術還有待進一步研究。
2.2脫硫污泥的重金屬脫除技術
污泥中的重金屬存在易遷移、易富集、危害大等特點，如果不對其加以處理會嚴重污染環(huán)境。化學法、電化學法、生物法、超臨界液體萃取法等都能有效去除污泥中的重金屬，為污泥無害化利用奠定了基礎。
Karayannis等認為，將重金屬固定在陶瓷材料中生產(chǎn)的陶瓷不具有生態(tài)毒性，多次浸出試驗和生態(tài)毒理學分析結(jié)果顯示，浸出物中的重金屬質(zhì)量濃度基本保持在限值內(nèi)，壓碎物料滲濾液的生態(tài)毒性作用不會超過20%。這一方法符合綠色化學和可持續(xù)發(fā)展原則，前提是一定要控制敏感元素向環(huán)境中的釋放。含鈣基的膠凝材料對固定重金屬有較好的效果，Zhao等利用粉煤灰和中鈣基材料制作固化體，探索出中鈣基膠凝劑中(Ca+Mg)(/Si+Al)的最佳比例為0.76～0.88，固化體的重金屬浸出質(zhì)量濃度基本符合中國綜合廢水排放標準。水泥具有強度高、滲透率低、耐久性較強等特點，被認為是目前可用于重金屬固定的最適應黏合劑，已有人嘗試做過波蘭特水泥固化試驗，但某些重金屬會改變水泥水化反應，進而影響反應產(chǎn)物的成核和生長，所以水泥的固化機制還有待進一步研究。
2.3脫硫污泥的資源化處理技術
經(jīng)過處理的脫硫污泥可以用于地下填充、水泥制造等，也可用作土壤改良劑或新型復合材料的原料，應用于采礦行業(yè)等?；旎以?、制砌塊和制磚都屬于脫硫污泥資源化利用且簡單易行的方法。脫硫污泥的主要成分是石膏，可以考慮在一定程度上使用脫硫污泥代替天然石膏。水泥行業(yè)是全球CO2排放量的重要貢獻者，約占全球人為CO2排放量的5%，用脫硫石膏代替水泥作建筑材料可以減少CO2的排放，生產(chǎn)過程中脫硫石膏中的重金屬通過物理封閉、生物和化學穩(wěn)定作用被控制，對環(huán)境的不利影響較小，保證環(huán)境風險降到最低。當脫硫污泥用于混凝土做建筑材料時，可以降低成本并增強混凝土早期強度，但氯化物對鋼筋的腐蝕是不可忽視的問題，因此，有效去除氯化物、防止氯化物擴散是目前的難點。美國專家通過供需分析和生命周期法評估了脫硫污泥利用的可行性，認為與填埋和焚燒相比，回用脫硫污泥降低了成本，符合可持續(xù)發(fā)展原則。
一直以來歐盟和美國都鼓勵污泥資源化處理，美國的污泥503法案頒布后，污泥的消納與處置得到了合理疏導。因此，如果建立完善科學的技術標準體系，則可以考慮多元的污泥資源化護理方式。
2.4脫硫污泥的固化技術
脫硫污泥作為工業(yè)活動的副產(chǎn)品，如果用作原料可以節(jié)約自然資源，保護環(huán)境。對脫硫污泥進行固化處理，不僅可以得到穩(wěn)定的產(chǎn)物，而且經(jīng)濟成本較低。固化是指在危險廢物中添加固化劑使其轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢闪鲃庸腆w或形成緊密固體的過程，此時有毒物質(zhì)已經(jīng)轉(zhuǎn)化成為低溶解性、低遷移性及低毒性的物質(zhì)。固化產(chǎn)物應該表現(xiàn)出良好的機械性能及抗?jié)B透、抗浸出等特性。固化不一定意味著發(fā)生了化學反應，而是按照特定的固化配方將脫硫污泥與固化劑結(jié)合，轉(zhuǎn)化為物理化學性能穩(wěn)定、不易彌散的固化體，實現(xiàn)并維持所需的物理屬性，并以化學方式穩(wěn)定或永久結(jié)合污染物。在工業(yè)化應用過程中，還需要根據(jù)固化體的實際用途對固化配方進行調(diào)整，加入粗骨料、其他膠凝材料以及外加劑來保證固化體的性能。圖1為馬雙忱團隊在實驗室養(yǎng)護的固化體實物，結(jié)果可以表明，除了常見的水泥水化產(chǎn)物SiO2和Ca(OH)2，高鹽水水樣制得的固化體中還存在Friedel’s鹽，證明模擬高鹽水以及濃縮脫硫廢水中的氯離子與水泥中的C3A相確實發(fā)生反應生成了Friedel’s鹽。
2.4.1脫硫污泥固化技術發(fā)展情況
過去的幾十年里，脫硫污泥的產(chǎn)量一直在增長，與此同時人們也在不斷探索如何使用脫硫污泥制造出有應用價值的產(chǎn)品。在合理的生產(chǎn)條件、燒結(jié)溫度和制作方法下，脫硫污泥可以制成磚等建筑材料。Ramadan的試驗結(jié)果顯示，污泥-黏土混合物中，50%是污泥最佳摻混比例，950～1100℃是合適的燒結(jié)溫度區(qū)間。Wu等在脫硫污泥中添加了硅酸鹽熟料，制出的磚塊強度和耐水性較高。美國CONSOL公司研發(fā)了磁盤造粒工藝來生產(chǎn)一種骨料，對脫硫污泥、粉煤灰等組分進行混合、造粒和固化，控制脫硫污泥的質(zhì)量分數(shù)為45.0%～56.7%，水分為55.0%～43.3%，測試結(jié)果表明，生產(chǎn)的中質(zhì)骨料符合波蘭特水泥的聚合規(guī)格。李詩堯等用硅酸鹽水泥、脫硫石膏、粉煤灰和過硫酸鉀混合形成的固化體具有可降低污泥含水率、提高污泥強度、穩(wěn)定污染物等優(yōu)點，固化體抗壓強度最佳的摻配質(zhì)量比為：污泥∶水泥∶脫硫石膏∶粉煤灰∶過硫酸鉀(KPS)=100.0∶3.0∶1.0∶1.0∶0.5。Antonio等將40%脫硫石膏、35%氫氧化鈣和25%粉煤灰組成三元混合物以研究固化混合物的性能，試驗結(jié)果顯示，脫硫石膏可以替代天然石膏用于水泥、混凝土和石膏。
2.4.2影響脫硫污泥固化的因素
脫硫污泥固化的技術路線如圖2所示。固化劑是性能優(yōu)良的土木工程復合材料，可以填充脫硫污泥的空隙改善其強度，對污泥的固化有很重要的作用，常用的固化劑有水泥和石灰。有研究表明，混凝土中的骨料和水泥用量是影響固化的重要因素，固化體的養(yǎng)護齡期也是影響因素之一。隨著固化劑摻量的增加和養(yǎng)護齡期的延長，固化體的凝聚力在一定時間內(nèi)逐漸增強，但隨著齡期的增加水化產(chǎn)物的量也增加，混凝土內(nèi)部的結(jié)合力會變差。張麗萍以楊凌黃土為固化對象進行試驗，得出了實際工程中應盡可能延長固化養(yǎng)護齡期(至少要在7d以上)的結(jié)論。Mg2+在脫硫污泥中的含量較高，MgSO4中的Mg2+和SO42-都會對固化體產(chǎn)生影響，Mg(OH)2沉淀的生成會促進水泥石分解，而且生成的石膏有形成石膏結(jié)晶侵蝕的可能，從而導致固化體表面松散，擴散過程中Mg2+置換出Ca2+也會造成石膏的結(jié)晶侵蝕。氯離子質(zhì)量濃度也會對固化體結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生影響，固化體對氯離子的固化能力越強，氯離子的滲透速率就越慢，內(nèi)部結(jié)構(gòu)腐蝕程度就越輕。有研究探討了水灰比對固化體的影響，不同的水灰比對氯離子的固化能力不同，隨著水灰比的增加，水泥的孔隙變大，砂漿的化學結(jié)合能力也有所提高，有助于固化劑與脫硫污泥的充分結(jié)合，增強固化體的結(jié)合能力。馬雙忱等開展了高鹽脫硫廢水水泥化固定試驗，先通過單因素試驗探究各組分材料對固化體性能的影響，后續(xù)通過正交試驗探究了固化的最佳配方。試驗驗證了不同材料對固化體性能的影響程度為：水泥>高鹽水>河砂>粉煤灰。
2.4.3存在的問題及解決途徑
目前，污泥固化處置還是一個較新的領域，大多數(shù)研究尚處于試驗階段，希望未來可以形成一套技術體系?，F(xiàn)存的主要問題有：如何找到經(jīng)濟可行的固化技術，怎樣確保固化體的性能穩(wěn)定，固化技術控制污染的程度如何等。采用骨架構(gòu)建法進行污泥固化處理既可以固化污泥，也可以降低成本。與單純采用水泥進行固化相比，多投加一定量的無機顆?？墒构袒z結(jié)物成分增加，經(jīng)濟上也有優(yōu)勢。如前文所述，影響污泥固化的因素有很多，使固化體以穩(wěn)定形態(tài)長期存在是必須要保證的。通過控制固化劑的添加量可以改變固化體強度，以往的研究表明，固化工藝中操作條件和固化配方極為重要，需要不斷研究，逐漸摸索出最佳物料配比。另外，有必要建立固化體長期強度的預測模型，對固化材料及時進行優(yōu)化調(diào)整。污泥固化的基本思路是以廢治廢，如果固化體中氯離子和其他重金屬離子浸出質(zhì)量濃度過高就會造成二次污染，偏離了固化的初衷。通過優(yōu)化固化材料，保證重金屬對外界pH值和Eh值穩(wěn)定，在一定程度上降低重金屬的浸出風險。
三、結(jié)束語
相比于發(fā)達國家，我國在固廢污染防治的道路上還有很長的路要走。近年來，我國脫硫技術不斷發(fā)展，但更關注于效率的提升，對脫硫污泥等固廢的重視不夠。能否環(huán)保安全地處置脫硫污泥不僅對環(huán)境保護至關重要，也制約著燃煤電廠的發(fā)展。將脫硫污泥當作石膏的一種來源應用于工業(yè)生產(chǎn)是可行的，很多研究也已經(jīng)表明脫硫污泥可作為建筑材料使用。隨著環(huán)保要求和政策的趨嚴，脫硫污泥固化技術將是今后的一個研究熱點。如何確保脫硫污泥從含有重金屬的固廢物轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)保、安全的工業(yè)原材料需要更深層次的研究和實踐，未來需要做的是對現(xiàn)存問題進行有針對性的探索。脫硫污泥的固化涉及多門學科多個領域，需要多學科的專業(yè)人員參與，以進一步提高研究的深度和廣度。
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