污泥焚烧灰分耦合海淡卤水生产混凝剂

[文章亮点]

• 剩余污泥焚烧灰分磷回收过程中伴随着（重）金属（Al³⁺和Fe³⁺等）去除。

• 海水淡化副产品——卤水中富含阴离子Cl^-与SO₄^2-。

• 灰分中阳离子（Al³⁺和Fe³⁺）与卤水中阴离子（Cl^-和SO₄^2-）耦合可以生产混凝剂。

• 将灰分中Al³⁺与卤水耦合获得液体聚合氯化铝（PAC），具有良好混凝效果。

• 不同废物利用创建一种新的资源回收模式。

[图文摘要]

[研究背景]

磷（P）是地球上所有生物均不可或缺的营养元素，它在自然界充当着物质交换及能量循环的角色。城市化打破了磷的有机循环（从农田到农田），取而代之的是磷的无机循环（从农田到海洋）。磷的可持续利用需要从污/废水中回收磷。焚烧已被确定为污泥终极处置方式，已成为国内外普遍实践。污水中约90%的磷最后进入剩余污泥，焚烧后全部聚集于灰分之中，使得灰分磷回收容易工程实现。

另一方面，海水淡化也逐渐成为解决沿海、近海地区缺水问题的有效途径。而海水淡化后的副产品——高盐浓缩液（卤水）因生态问题一般不能回海，这就需要妥善处置。卤水中含有丰富的钠、钙、氯、钾、镁、溴、硫、氯化物、硫酸根等元素与化合物，以及锂、铀、硼、碘、铯、氘等陆地紧缺微量元素，其实是一种可以利用的资源。

在污泥焚烧灰分P回收实践中，首先需要从灰分中去除重金属（Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Hg等）和普通金属（Al、Fe等），以获得相对纯净的磷酸盐化合物。与此同时，卤水中存在着大量阴离子（Cl^-、SO₄^2-）值得回收利用。如果将灰分中阳离子（Al³⁺、Fe³⁺）与卤水中阴离子（Cl^-、SO₄^2-）配对结合，有可能生产水处理专用混凝剂/絮凝剂。废物耦合利用则会形成一种新的资源化模式。

为此，进行一项初步实验，将灰分中撇除的阳离子（Al³⁺）和卤水直接耦合尝试生产液体聚合氯化铝（PAC）。

[污泥灰分]

灰分中P、Al和Fe元素含量分别为5~10 wt%（折标P2O5含量为11~23 wt%）、6.0~18.8 wt%、2.4~14.5 wt%。酸碱浸出和连续沉淀法等湿式化学法被广泛应用于回收无机磷和磷酸。但是，灰分中的Al³⁺、Fe³⁺等金属离子去除后形成的溶液需要妥善处置。Al³⁺和Fe³⁺主要来源于水处理过程中混凝剂/絮凝剂投加成分，将其回收再利用似乎天经地义，关键是为其找到“彩礼少”的“另一半”。

[海淡卤水]

据统计，全球目前约有15 906座运营海水淡化厂，生产约9 500 万m³/d的淡水和1.42 亿m³/d卤水。因此，利用卤水中元素与化合物势在必行。其中，阴离子（Cl^-和SO₄^2-）潜在的Al³⁺和Fe³⁺的“另一半”，可以尝试两者结合。

[主要结果]

尽管Al³⁺和Fe³⁺与Cl^-和SO₄^2-结合可以产生很多类型混凝剂，但是，PAC对水中悬浮物和溶解物质具有优异的吸附架桥和网捕能力，同时碱度消耗也低，可在不同温度和pH应用。

将灰分磷回收后得到的Al³⁺溶液与卤水直接耦合可以获得液态类PAC产品（合成类PAC）。

合成类PAC与商业PAC红外光谱图（图1a）揭示，在4 000-400 cm-1范围内两者主要吸收峰非常相似；其中，在3 600-2 800 cm-1范围是水分子的-OH和Al-OH振动吸收峰；在1 800-600 cm-1范围为-OH及水分子中-OH的弯曲振动产生的吸收峰，说明合成PAC中存在羟基，可能含有结构水和吸附水；在1 100 cm-1附近范围为Al-OH-Al伸缩振动吸收峰，是其聚合态的证明；此外，在876和877 cm-1处的吸收峰为Al-OH-Al面内弯曲振动，反映了PAC合成过程中，铝原子之间通过氧桥键合作用形成了多核羟铝聚合物；最后，在700-400 cm-1处有很强的吸收峰，是叠加在水分子吸收峰上的Al-OH整体弯曲振动，也说明合成PAC分子中含有羟基和聚合铝。因此，根据红外光谱分析，合成类PAC可以被确定为PAC产品。

两种PAC分别被用来测试其对于二级出水浊度去除能力（投加量均为50 mg/L），使用高岭土悬浮液（17 NTU）作为模拟出水浊度。反应条件为：T=25 ℃、pH=8.0，500 rpm快速搅拌30s、100 rpm慢速搅拌15 min，浊度去除效果如图1b所示。两种PAC在1 h内均可将出水浊度从17 NTU减低到1 NTU。在反应初始的10 min内，与合成PAC（62%，降低至6 NTU）相比，商业PAC表现出更好的除浊能力（92%，降低至2 NTU）。然而，合成PAC用于二级出水除浊目的性能足以，因为根据《城镇污水再生利用工程设计规范》（GB/T 50335-2016），出水浊度≤10 NTU即可满足道路清扫、城市绿化和建筑施工等用水需求。而在絮凝反应的10 min内，合成PAC表现出与商业PAC具有相同浊度去除效果。

合成PAC是直接用卤水进行混合反应，虽然会引入Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺和K+等金属离子（表1），但其含量均小于0.2%。后续研究中，需要从卤水中提取纯净Cl^-和SO₄^2-，从而避免杂质干扰。此外，还应对聚合反应总铝浓度、pH、温度、聚合时间和熟化时间等条件进行优化，以提高PAC合成质量。

[重要结论]

• 剩余污泥灰分磷回收被去除的金属离子可与海淡卤水相耦合资源化生产混凝剂；

• 撇除Al³⁺溶液与卤水直接结合可生成液体PAC，与商业PAC红外特征结构基本一致、浊度去除效果尚可；

• 合成PAC可以通过纯化Cl^-原料等手段来纯化质量。

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