污泥资源化处理新工艺Novosol技术及其应用

施晓霖，陶桂兰

（河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098）

污泥资源化处理新工艺Novosol技术及其应用

施晓霖1，陶桂兰2

（河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098）

工程污泥作为海洋湖泊及河流水利水电工程后的固体沉积物，是目前水电建设及维护工程产生的主要固体废弃物，在法国Dunkerque港口坝区每年产生的疏浚泥达350万m3，欧洲淤泥研究中心（Sednet）统计得出全欧洲每年疏浚淤泥达到2亿m3［1］。同样的，在中国珠江三角洲地带每年产生的水利工程疏浚泥量达8 000万m3左右［2］；在内陆河道、湖区以及海洋中每年也会产生大量的疏浚污泥，上海仅苏州河水利工程治理就需疏浚底泥数十万m3，太湖综合治理及滇池治理中均需疏浚底泥数百万m3［3］。对于如何处理这些水利水电工程污泥，避免其污染环境，是当今世界所面对的重要环保问题。在大多数发展中国家，土地利用和填埋仍是水利水电工程污泥处置的主要途径。污泥填埋需要占用大量土地资源、填埋费用较高且不能根治污染，自从20世纪80年代，传统的向海洋倾倒污泥方法被禁止后，污泥弃置比例正在逐步减少，据美国环保局估计，今后几十年内美国6 500个污泥填埋场中将有5 000个被关闭，作为最早应用填埋技术的欧盟也做出了污泥填埋必须和焚烧相结合成为焚烧灰填埋的规定［4］。污泥通过减量化、稳定化、无害化、资源化处理后作为资源再利用已经成为主流方式。目前，在我国具体方法包括堆肥、碱性稳定化、热干化、焚烧等，其中堆肥法工业成本较低，但生产周期长、占用的土地多，同时需要对堆肥质量、场所加强管理；碱性稳定化方法由于其过程可逆性需要较严格的工艺过程；热干化方法效率较高，杀菌彻底但费用较高；焚烧法运用较广，但其成本高，飞灰易造成环境污染并含有重金属等［5］。高效及低费用技术始终是我国水利水电工程污泥处理处置所追寻的目标，因此，本文将介绍法国所采用的一种新型水利水电工程污泥处理技术，由Solvay公司研发的Novosol技术及其在工业中的运用。

1 Novosol技术原理

Novosol技术是Solvay公司开发的一种采取工业生态学的水利水电工程污泥处理方法，通过固化污泥中的Pb、As、Cr、Zn等重金属并分解其中有机物后，将无害化的污泥重新运用在土木工程中。本技术主要原理是利用磷酸与污泥混合后产生的磷酸钙盐（磷灰石）处理污泥中重金属，再通过热处理分解有机物。最常见的天然磷酸盐为磷酸钙盐：Ca10（PO4）6（OH，F，Cl）2，这其中利用率较高的是Ca10（PO4）6F2，当氟离子被交换为OH-离子，得到羟基磷灰石为Ca10（PO4）6（OH）2。因为矿物质磷酸盐溶解度低，且其化学性质稳定，从而截留在晶体结构中的金属只能通过破坏晶格被释放［6］。

磷酸盐和重金属之间的相互作用已被广泛研究。例如重金属铅，Nriagu在1973年就开始研究这一金属元素与磷酸盐的特殊亲和性［7］。通过该反应得到Pb5（PO4）3Cl，其化学性质稳定易于从土壤中分离出来。利用磷酸盐处理污泥已经开始被各个国家研究并运用到实际工程中。

固化土壤铅元素的化学方程式如下［8］：

如果没有其他金属元素，上述反应将一直进行至完全转化。一些研究表明某些离子将对该反应造成影响，这种固化方法已经被运用到了对其他金属元素的处理，如锌，镉，铜等［9］。实验的设备条件，要处理的污泥所含金属元素种类和密集程度以及磷酸盐的自身性质都将影响到固化金属流程的效率。Wang在2011年研究得出磷酸盐固化金属率对铅，铜，镉可达95%，对锌可达99%，但只能固化65%的镍［10］。综上所述，利用磷酸钙盐处理疏浚污泥具有广泛的应用前景。

2 工艺流程

2.1 处理步骤

Novosol技术分为2个相互独立工作设备单元（A单元图1、B单元图2），进行3个主要处理步骤。此项污泥处理技术的特点是工作设备单元的可移动性。所用设备均为易于组装运输，可将工作单元移至离污泥挖掘地（航道、港口、护岸等）较近处，从而减少了运输污泥所带来的费用。此技术中，处理步骤1，2在A设备单元进行，处理步骤3在B单元中进行。

处理步骤1：化学处理。通过管状的反应器，抽取疏浚产生的含水量接近50%的污泥，并与2.0%～3.5%的磷酸H3PO4充分混合。该步骤可固化污泥中的重金属元素，事实上由于污泥中存在钙元素，通过与磷酸混合产生出H2S和CO2气体以及金属磷酸盐和吸收重金属的重要物质羟基磷灰石Ca10（PO4）6（OH）2。此过程的目的不在于消除重金属，而是通过浸析作用隔离出污泥中的重金属，阻碍其对环境的污染。

处理步骤2：干化处理。将经过磷酸处理的污泥储存在易于排出水分的土工编织物中进行沥干处理，24 h后将其堆积均匀便于干燥的耙状结构。该步骤使污泥磷酸盐的含水量得到减少（35%～40%干燥）同时加快了磷灰石的生成和重金属的浸析。

处理步骤3：热处理。将经过干化处理的污泥装包并运送至B单元，在焚烧炉中进行高温煅烧（温度650℃～900℃），金属磷酸盐转化成结晶混合物，有机物被分解。并且燃烧中所产生的气体被收集起来通过该公司的NEUTREC®空气净化技术进行处理，该技术利用碳酸氢钠盐对气体进行净化（酸性气体与碳酸氢钠盐发生中和反应）。该步骤能有效中和酸性气体（盐酸、二氧化硫、氢氟酸等），吸附重金属以及二恶英和呋喃等有害物质，能满足严格的TCLP［11］（toxicity characteristic leaching procedure毒性特征淋滤过程）排放标准。

2.2 技术流程

在主要处理步骤1，2中，对于排放出的气体（基本上为H2S和CO2）与沥干产生的水都进行了处理。其中沥水被重新导入下一批待处理的污泥，而废气则通过活性炭来进行吸附处理。活性炭是通过热解和温和氧化作用所得到的多孔结构材料，多孔结构大幅增加了吸附效率。因此，该过程可固定一些常规污泥处理方法下不能消除的物质（有机物和重金属），排出不含有灰尘的气体。

热处理步骤一方面能进一步对污泥进行干燥，使其达到95%的干燥度。另一方面使化学处理后产生的金属磷酸盐更为稳定，更容易固化。图3为Novosol技术过程概要。

经过处理后的污泥已经处于稳定状态，可被再利用。Novosol技术中固化金属的效率取决于磷灰石的性质，所以加强对磷灰石的研究是该技术今后发展的重要部分。

图1 Novosol技术A单元Fig.1 Unit A of Novosol

图2 Novosol技术B单元Fig.2 Unit B of Novosol

图3 Novosol过程概要Fig.3 Process summary of Novosol

3 技术应用与效果

表1为研究机构《Consortium Venise Recherche》［12］通过TCLP试验分析所测得比利时运河的河底污泥经过Novosol技术处理后的各项污染物的土质结果。该污泥包含有Pb、As、Cr、Zn等重金属污染物，同时也含有一些有机物，如碳酸盐、硫化物、腐植酸。TCLP分析法的原理是使金属元素形成稳定的化合物从土壤中分离出来，通过测量每种元素的含量随着处理过程的变化，可得知该种污染物能否被浸析分离。通过研究的3种处理阶段的污泥，我们会发现其重金属成分含量一项数值略有增加。这是由于在处理过程中原料体积的减少导致污染物单位体积含量的增加。只有汞除外，因为其易挥发，在处理过程中被煅烧消除并由设备收集的。有机污染物的总含量在煅烧后大大减少。

表1 Novosol污泥处理技术的TCLP试验结果Tab.1 TCLP Result of Novosol

其中析出率试验是按照美国TCLP试验标准，将一平均粒径小于2 mm的固体试样置于摩尔浓度为0.5的乙酸中测试试样析出率，其中乙酸与固体试样比例为20∶1。通过表1中的结果我们可以看出通过处理，显著减少了污染物的释放。同时我们也发现热化处理的重要性，例如经过磷酸处理后，镉（Cd）的析出率变高，这是由于磷酸的使用促进了污染物的转移，但再经过热化处理后就变得微不足道了。鉴于经过处理后的污泥的低污染物含量，处理土将被重新应用于土木工程，主要是建材回用，如铺路、制砖等［13］。

4 结语

综上所述，Novosol污泥处理技术能有效通过固化水利水电工程污泥中重金属并分解其中有机物，将无害化的污泥重新运用在土木工程中。加入磷酸后产生气体的挥发导致微观孔隙的形成，这也加快了污泥的干化（达到50%），减少了大量能源及时间的投入。这种优势也使得Novosol技术领先于其他的竞争对手。这使我国水利水电工程污泥处理处置有了新的研究方向，可同时我们也要进一步深入研究如何提高其固化金属效率，降低技术成本，同时分析经过处理后的污泥在水利水电工程建设中的性质表现，加强其再利用。

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（编辑 徐花荣）

Novosol，a New Valorization Technique for Dredged Sediment and Its Application

SHI Xiaolin1，TAO Guilan2
（College of Harbor，Coastal and Offshore，Hohai University，Nanjing 210098，Jiangsu，China）

如何处理水利水电工程污泥是全球性的环保问题，资源化处理处置技术是解决该问题的最好出路。文章详细介绍了法国Novosol新型污泥处理技术先通过化学处理方法，在污泥中加入磷酸，将其中的重金属转变成难溶的金属磷酸盐固化在处理产物中；再通过热处理方法降低其有机物的含量，从而使固体残留物无害化的工艺流程，并简述了其技术原理和实际应用效果。

污泥；资源化；重金属固化；无害化

Treatment of dredged sediment is one of the main environmental problems，and the valorization technique is the best way.By means of the new valorization technique Novosol in France，heavy metals existing in dredged sediments can be chemically stabilized to insoluble metallic phosphates by adding H3PO4 while the organic content is reduced by thermal treatment.The article introduces the technical process，the principle and the test result of this new technique.This technique will provide new research direction and instructions to the valorization work of dredged sediment in China.

dredged sediment；valorization；stabilization of heavy metals；innocuity

1674-3814（2015）04-0132-05

TV42+2

A

2014-12-07。

施晓霖（1989—），男，硕士研究生，主要从事港口航道工程弃土处理研究。