1 引 言
1.1 背景
随着工业污水处理量持续走高，废水的治理越来越困难，而通过絮凝的污泥对环境的污染也就越来越严重[1]。污泥是污水处理过程中所产生的必不可少副产品。无论是它的量还是还是质，污泥都是废物中影响环境、造成危害最为严重的因素之一，如何妥善、科学地处理污泥己成为一项迫在眉睫的环保课题，污泥的成分复杂，不仅含有大量的有泥沙、有机物、微生物等，并且含有很多重金属，具有很大的生物毒性，污泥堆放，下渗的情况不仅影响了水质还会污染土地，而且对人体健康会造成很大的伤害，对环境也是极大的危害[2]。在有效控制污染的同时，积极探索新的资源化利用方法己成为污泥处理的研究热点。
1.2 国内外发展现状
目前国内处理污泥的技术起步较晚，管理方面也存在许多漏洞，大多是直接土地利用、焚烧、卫生填埋、投海[2-3]，不仅污染了环境而且也是一种资源的浪费，因此随着科学技术的不断发展，提出了将污泥得到充分的资源化利用，如其中的的金属元素是比较容易回收的，可以将其回收制备成混凝剂，并用于废水的处理，这样即有效的治理了废水，对污泥的资源化再生利用也是一个尤为重要的发展方向。
1.3 本课题研究
综上所述，我们设想可否采用工艺流程简单，成本相对较低，不会对环境造成更大的污染，并且更具有经济可行性，适于工业推广的焙烧加酸溶，一步同时回收污泥中的铝和铁，并确定其中的最佳的工艺条件，为后续聚合硫酸铝铁的合成提供原料。
1.4 研究任务
（1）以污泥为原料提取其中铝铁金属离子的工艺方案的确定；
（2）将干燥的污泥进行焙烧、酸浸提取有效元素的并确定它回收过程中的最佳焙烧条件；
2 制备方法
2.1 材料和实验方法
2.1.3实验材料
以福建省厦鹭电化有限公司废水污泥为实验材料：已知干污泥中的铝铁含量分别为10.74%和17.79%。
2.1.4实验方法
称取10.00g的干污泥在设定的温度条件下进行焙烧到规定时间，所得到的废渣在一定温度、一定酸浸时间、一定酸浓度、一定液固比下进行酸浸，检测滤液中铝铁的含量，得出浸出率。
3 试验结果与讨论
3.1 焙烧工艺的确定
3.1.1干污泥的热重分析
图3-1 干污泥的热重效果图
从图中可以看出TG曲线的变化即污泥热解过程中主要呈失重阶梯，总的变化趋势是污泥重量不断减小，由于污泥中自由水和结合水的蒸发以及污泥中某些物质的分解，从而使污泥的重量逐渐下降。
在200℃到500℃的失重率最大，表明大部分的热解都在此温度段进行，失重率达到24%，而在500℃到1000℃和室温至200℃期间失重率分别只有10%，所以可以看出主要的热解反应集中在200℃到500℃之间。
污泥在热解初期会有很明显的吸热现象，随着热解温度的升高，当污泥中某些物质发生分解，并且释放热量时，DSC曲线则会出现向上的峰值，即表明此温度段污泥热解过程放热，在室温到150℃左右，为吸热阶段，因为在加热初期为污泥脱除少量水分阶段会吸收热量，热流量曲线出现一个小波谷。150℃到650℃为热解反应主体阶段，失重率为40%左右，经历了两个放热波峰，主要是由于污泥中烷烃类、纤维素、芳香胺、氨基酚等有机物含量较高，各成分的化学键较弱，故当温度达到一定水平时就会发生键的断裂及基团的转化及变性，生成芳烃、脂肪烃等大分子可冷凝物质和一部分H2、CH4、CO2、CO 和C2、C3 等小分子气体，550℃到1000℃主要为废渣的炭化阶段，热流量曲线逐渐趋于平缓，失重率在6%左右，该阶段污泥中的残留有机质进一步热解，直至完全反应，主要产物为焦炭和灰分。
结合图中的TG和DSC曲线，所以本次实验的焙烧温度选定在400℃至800℃，对经过不同温度和不同时间焙烧的污泥进行铁铝含量分析。
3.1.2焙烧温度和时间对Fe2+离子的浸出率的影响
实验条件，准确称10.00g的干污泥分别在400℃，500℃，600℃，700℃，800℃的焙烧温度下焙烧1h，2h，3h，4h，5h后称取4.00g的废渣，加入一定浓度的硫酸，尔后在80℃的数显电热恒温水浴锅进行加热酸溶，然后测定酸浸液其中Fe2+的含量，计算其浸出率。测定结果如表3-1和图3-2所示。
表3-1 Fe2+的浸出率与焙烧温度和焙烧时间的关系
图3-2 焙烧温度和时间对Fe2+的浸出率的影响
实验表明，由表3-1和图3-2可知随着焙烧时间的增长Fe2+的浸出率逐渐上升，然后再下降，表明随着焙烧时间的增长，废渣中的Fe2+的含量逐渐减少，说明此时废渣中的Fe离子主要以Fe3+形式存在。
从中也可以看出随着焙烧温度升高，Fe2+的浸出率越快达到最大值，而且温度越高，最大的浸出率也越高，说明焙烧温度越高对Fe2+的浸出越有利。
3.1.3焙烧温度和时间对Fe3+离子的浸出率的影响
表3-2和图3-3为Fe3+离子的浸出率与焙烧温度和时间的关系，其余条件同3.1.2。
表3-2 Fe3+的浸出率与焙烧温度和焙烧时间的关系
图3-3 焙烧温度和时间对Fe3+的浸出率的影响
实验表明，由表3-2和图3-3可知，随着焙烧时间的增长Fe3+的浸出率也随之增加，表明焙烧时间越长越有利于Fe3+的浸出，而且从中可以看出温度越高Fe3+的浸出率越小，说明温度越高对Fe3+的越不利。
结合图3-2和3-3可得出随着焙烧时间的进行Fe2+浸出率减小而Fe3+的浸出率增大，铁离子的存在形式主要以Fe2+浸出，含量几乎为Fe3+的5-6倍，主要由于刚开始焙烧时，空气中的氧气主要和有机物进行反应，但是随着焙烧时间的增长，当焙烧时间为300min时，Fe3+的浸出率大于Fe2+的浸出率，说明当时间达到一定值时Fe的浸出形式开始转变，主要以Fe3+浸出为主，说明废渣中的Fe2+在焙烧过程中不断被氧化，以致铁的存在形态发生改变，而且温度越高被氧化的量越小，由于污泥中存在某种还原物质只在高温时产生作用，所以高温时三价Fe含量相对低温时小。
考虑到后续的聚合铝铁的合成，采用加入金属Fe将剩余的硫酸去除，由于其中Fe不仅与酸发生氧化还原反应还会与溶液中的Fe3+发生氧化还原反应，将溶液中的Fe3+还原成Fe2+，因此在总铁浸出率不变的条件下最好使Fe3+的含量最小，这样将减少消耗不必要的Fe，节约成本。
3.1.4焙烧温度和时间对总Fe的浸出率的影响
结合图3-2和图3-3可得到总Fe的浸出率与焙烧温度和焙烧时间的关系，其余条件同3.1.3。
表3-3 总Fe的浸出率与焙烧温度和焙烧时间的关系
图3-4 总Fe的浸出率与焙烧温度和焙烧时间的关系
由表3-3和图3-4可知，总Fe的浸出率随着时间的增长先稳步提高，当到达一定值后逐步下降，在3h时出现小波峰，此时的总Fe的浸出率达到最大，所以最优的焙烧时间应选取3h。
从中可以看出焙烧温度越高浸出率达到最大值的时间越短，说明随着焙烧温度的升高总Fe的浸出率越快，而且浸出率的最大值随着焙烧温度的升高先增大，当温度达到600℃时开始下降，在600℃时总Fe的浸出率达到最大，所以总Fe的最佳焙烧时间应选择600摄氏度。
3.1.5焙烧温度和时间对Al3+的浸出率的影响
表3-4和图3-5为Al3+离子的浸出率与焙烧温度和时间的关系，其余条件同3.1.3。
表3-4 Al3+的浸出率与焙烧温度和焙烧时间的关系
图3-5 焙烧温度和时间对Al3+的浸出率的影响
实验表明，如表3-4和图3-5可以看出Al3+的浸出率随着焙烧时间的增长先是大幅度的增长，当增大到一定值时趋于平稳，后逐渐下降，说明铝在焙烧前期得到富集，所以含量增多，但当时间超过3h后Al3+的浸出随之减小。而且Al3+在相对低温和高温下的浸出率都相对较小，主要由于温度较低时烧结反应不完全，当温度达到600℃时基本反应完全，如果再升高焙烧温度γ-Al2O3逐渐转化α-Al2O3，使一部分Al2O3失去反应活性降低了氧化铝的浸出率[14]，所以确定最佳的焙烧温度为600℃。
结合图3-4和图3-5可以看出铝铁浸出率在600℃和3h达到最大，所以确立了最佳的焙烧温度和焙烧时间为600℃和3h。
4 结 论
（1）以废水污泥为原料，采用高温焙烧和硫酸酸浸同时回收其中的铝铁离子是可行的。
参考文献：
[1]李晓阁.印染污泥的生态治理—草坪草治理印染污泥的研究.东南大学博士论文.2009.
[2]王玉，徐勇军，方战强.印染污泥处理处置技术的研究进展[J].广东化工，2012，39（4）：110-111.
[3]鲁艳兵，温琰茂. 施用污泥的土壤重金属元素有效性的影响因素[ J ]. 热带亚热带土壤科学，1998（1）：68-71.
论文作者:叶惠民
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/7/31
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