污泥焚燒灰分耦合海淡鹵水生產混凝劑

[文章亮點]

• 剩余污泥焚燒灰分磷回收過程中伴隨著（重）金屬（Al³⁺和Fe³⁺等）去除。

• 海水淡化副產品——鹵水中富含陰離子Cl^-與SO₄^2-。

• 灰分中陽離子（Al³⁺和Fe³⁺）與鹵水中陰離子（Cl^-和SO₄^2-）耦合可以生產混凝劑。

• 將灰分中Al³⁺與鹵水耦合獲得液體聚合氯化鋁（PAC），具有良好混凝效果。

• 不同廢物利用創建一種新的資源回收模式。

[圖文摘要]

[研究背景]

磷（P）是地球上所有生物均不可或缺的營養元素，它在自然界充當著物質交換及能量循環的角色。城市化打破了磷的有機循環（從農田到農田），取而代之的是磷的無機循環（從農田到海洋）。磷的可持續利用需要從污/廢水中回收磷。焚燒已被確定為污泥終極處置方式，已成為國內外普遍實踐。污水中約90%的磷最后進入剩余污泥，焚燒后全部聚集于灰分之中，使得灰分磷回收容易工程實現。

另一方面，海水淡化也逐漸成為解決沿海、近海地區缺水問題的有效途徑。而海水淡化后的副產品——高鹽濃縮液（鹵水）因生態問題一般不能回海，這就需要妥善處置。鹵水中含有豐富的鈉、鈣、氯、鉀、鎂、溴、硫、氯化物、硫酸根等元素與化合物，以及鋰、鈾、硼、碘、銫、氘等陸地緊缺微量元素，其實是一種可以利用的資源。

在污泥焚燒灰分P回收實踐中，首先需要從灰分中去除重金屬（Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Hg等）和普通金屬（Al、Fe等），以獲得相對純凈的磷酸鹽化合物。與此同時，鹵水中存在著大量陰離子（Cl^-、SO₄^2-）值得回收利用。如果將灰分中陽離子（Al³⁺、Fe³⁺）與鹵水中陰離子（Cl^-、SO₄^2-）配對結合，有可能生產水處理專用混凝劑/絮凝劑。廢物耦合利用則會形成一種新的資源化模式。

為此，進行一項初步實驗，將灰分中撇除的陽離子（Al³⁺）和鹵水直接耦合嘗試生產液體聚合氯化鋁（PAC）。

[污泥灰分]

灰分中P、Al和Fe元素含量分別為5~10 wt%（折標P2O5含量為11~23 wt%）、6.0~18.8 wt%、2.4~14.5 wt%。酸堿浸出和連續沉淀法等濕式化學法被廣泛應用于回收無機磷和磷酸。但是，灰分中的Al³⁺、Fe³⁺等金屬離子去除后形成的溶液需要妥善處置。Al³⁺和Fe³⁺主要來源于水處理過程中混凝劑/絮凝劑投加成分，將其回收再利用似乎天經地義，關鍵是為其找到“彩禮少”的“另一半”。

[海淡鹵水]

據統計，全球目前約有15 906座運營海水淡化廠，生產約9 500 萬m³/d的淡水和1.42 億m³/d鹵水。因此，利用鹵水中元素與化合物勢在必行。其中，陰離子（Cl^-和SO₄^2-）潛在的Al³⁺和Fe³⁺的“另一半”，可以嘗試兩者結合。

[主要結果]

盡管Al³⁺和Fe³⁺與Cl^-和SO₄^2-結合可以產生很多類型混凝劑，但是，PAC對水中懸浮物和溶解物質具有優異的吸附架橋和網捕能力，同時堿度消耗也低，可在不同溫度和pH應用。

將灰分磷回收后得到的Al³⁺溶液與鹵水直接耦合可以獲得液態類PAC產品（合成類PAC）。

合成類PAC與商業PAC紅外光譜圖（圖1a）揭示，在4 000-400 cm-1范圍內兩者主要吸收峰非常相似；其中，在3 600-2 800 cm-1范圍是水分子的-OH和Al-OH振動吸收峰；在1 800-600 cm-1范圍為-OH及水分子中-OH的彎曲振動產生的吸收峰，說明合成PAC中存在羥基，可能含有結構水和吸附水；在1 100 cm-1附近范圍為Al-OH-Al伸縮振動吸收峰，是其聚合態的證明；此外，在876和877 cm-1處的吸收峰為Al-OH-Al面內彎曲振動，反映了PAC合成過程中，鋁原子之間通過氧橋鍵合作用形成了多核羥鋁聚合物；最后，在700-400 cm-1處有很強的吸收峰，是疊加在水分子吸收峰上的Al-OH整體彎曲振動，也說明合成PAC分子中含有羥基和聚合鋁。因此，根據紅外光譜分析，合成類PAC可以被確定為PAC產品。

兩種PAC分別被用來測試其對于二級出水濁度去除能力（投加量均為50 mg/L），使用高嶺土懸浮液（17 NTU）作為模擬出水濁度。反應條件為：T=25 ℃、pH=8.0，500 rpm快速攪拌30s、100 rpm慢速攪拌15 min，濁度去除效果如圖1b所示。兩種PAC在1 h內均可將出水濁度從17 NTU減低到1 NTU。在反應初始的10 min內，與合成PAC（62%，降低至6 NTU）相比，商業PAC表現出更好的除濁能力（92%，降低至2 NTU）。然而，合成PAC用于二級出水除濁目的性能足以，因為根據《城鎮污水再生利用工程設計規范》（GB/T 50335-2016），出水濁度≤10 NTU即可滿足道路清掃、城市綠化和建筑施工等用水需求。而在絮凝反應的10 min內，合成PAC表現出與商業PAC具有相同濁度去除效果。

合成PAC是直接用鹵水進行混合反應，雖然會引入Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺和K+等金屬離子（表1），但其含量均小于0.2%。后續研究中，需要從鹵水中提取純凈Cl^-和SO₄^2-，從而避免雜質干擾。此外，還應對聚合反應總鋁濃度、pH、溫度、聚合時間和熟化時間等條件進行優化，以提高PAC合成質量。

[重要結論]

• 剩余污泥灰分磷回收被去除的金屬離子可與海淡鹵水相耦合資源化生產混凝劑；

• 撇除Al³⁺溶液與鹵水直接結合可生成液體PAC，與商業PAC紅外特征結構基本一致、濁度去除效果尚可；

• 合成PAC可以通過純化Cl^-原料等手段來純化質量。

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