微波处理铅锌冶炼废水处理污泥试验研究

李 贞 张丽梅 何宗良

（云南省固体废物管理中心 昆明 650032）

1 引言

铅锌冶炼过程产生的酸性含重金属废水一般采用中和沉淀法进行处理，产生大量的含有铅、汞、镉、铬、砷等重金属元素的铅锌冶炼废水处理污泥，对环境具有很大危害[1]。该污泥中有价金属品位含量低，利用传统技术回收有价金属经济效益差、环境污染严重，导致综合利用率不高，目前主要采用堆存、填埋、固化等方式进行处置，不仅造成资源的浪费和流失，且对土壤和地下水的安全造成隐患[2]。提取有价金属及其它组分是污泥资源化利用的重要途径，主要有火法和湿法两种方式[3]。火法处理采用回转窑、蒸馏炉、竖炉工艺，使污泥中的铅、锌还原挥发生产次级氧化锌粉，缺点是需另外建设设备，且烟气中有硫排放，部分铅、镉、锌会挥发逸散；湿法处理充分利用原有设备和适当增加同类设备，回收率高，缺点是产生的二次污泥中仍然含有大量不稳定的重金属组分[4]，不能直接堆放或弃置，须进一步无害化处理。现有处理技术难以同时实现污泥中重金属的资源化和无害化，开发新工艺是解决污泥污染防治问题的有效途径。

微波是指频率为300MHz～300GHz的电磁波，广泛应用在材料科学、食品加工、有机合成等方面，具有加热速度快、加热均匀、能源利用率高、温度梯度小等优点，该技术已经扩展到环境污染的治理领域，如有机物污染土壤修复、污水处理、重金属污泥解、放射性废物玻璃化、医疗废物处置、焚烧飞灰处置及废气脱硫脱硝等[5]。微波处理后固体残渣的类玻璃基质有利于阻止重金属浸出，微波处理污泥稳定重金属的效果更加理想，且减少了污泥的体积，给后续处理带来了便利[6-9]，相较传统方法，微波技术有效地减少处理时间以及节省能源，具有能源利用率高、加热效率高、对环境友好等环保节能的优势。本研究采用微波工艺处理污泥，探索污泥的资源化和无害化处理新工艺研究，为铅锌冶炼废水处理污泥处置提供新方法路径。

2 样品与试验

2.1 样品

污泥样品采自云南省某铅锌金属冶炼企业，样品元素成分见表1。

表1 污泥成分分析表(%)

2.2 试剂与设备

试剂：Fe3O4，分析纯；SiC，分析纯。

主要设备：HY-GW6013微波实验工作站（湖南华冶微波科技有限公司，输出功率0.01～5.60KW、输出频率2.45GHz±25MHz、极限工作温度1500℃、额定工作温度1400℃、微波泄漏强度≤2mW/cm2、外形尺寸1200mm×1400mm×1600mm、加热空间160mm×160mm×150mm）；XPF型圆盘粉碎机（长沙顺泽矿冶机械制造有限公司）；Z06型全自动翻转式振荡器、JRY-S06型水平振荡器、Reax 20/4型翻转振荡器（湖南金蓉园仪器设备有限公司）；Optima 7000DV电感耦合等离子发射光谱仪（美国PerkinElmer公司）；LT1002电子天平（常熟市天量仪器有限责任公司）。

2.3 试验方法

污泥干燥微波输出功率为1200W，干燥时间为15min；辅料干燥微波输出功率为500W，干燥时间为8min。干燥后的污泥和辅料球磨后过180目筛，筛下物与Fe3O4比按质量比460/40进行配料，与SiC比按质量比475/25进行配料。对配料后的物料采用微波加热并搅拌，搅拌速率为180rmp，微波输出功率为5.5kW，反应器内温度为1000-1200℃，产生的烟尘采用重力沉降室和小型布袋收集。

3 结果与讨论

3.1 焙烧渣浸出毒性分析

对微波处理后的污泥焙烧渣进行浸出毒性分析，焙烧渣浸出液中各种重金属含量和pH分析检测结果见表2。

焙烧渣浸出液中各种重金属检测因子均未超过《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》（GB/T5085.3-2007）浓度限值；pH值未超过《危险废物鉴别标准腐蚀性鉴别》（GB/T5085.1-2007）浓度限值。焙烧渣的浸出液各项重金属浓度和pH值均低于危险废物标准，属一般工业固体废物，可直接堆放或用于生产，经微波高温处理焙烧后可显著降低污泥中有害元素对环境的影响。

3.2 物料表面形貌SEM分析

对污泥微波焙烧处理前后的物料表面形貌进行扫描电子显微镜（SEM）分析，不同处理条件下污泥SEM图像见图1、图2、图3。

表2 焙烧渣浸出液检测结果（单位：mg/L、pH无量纲）

图1 污泥原样SE M

图2 污泥/Fe3O4混合物料SEM（焙烧温度1000℃，放大倍数5000倍）

图3 污泥/SiC混合物料SEM（焙烧温度1200℃，放大倍数5000倍）

污泥原料为表面光洁的菱形或方形的片状物，微波高温处理使得污泥的表面形貌发生了巨大的变化。添加Fe3O4污泥焙烧渣表面凹凸不平，为团聚在一起的球形颗粒，并有大量的空隙分布在颗粒的表面，这种变化可能和高温条件下污泥分解时发生的反应有关。添加SiC污泥焙烧渣表面圆滑有光泽，物料呈小圆球形状团聚在一起，温度越高，团聚越紧凑，碳化硅的加入使得微波介质内的传热效率更高，铅锌污泥焙烧挥发更完全，碳化硅对微波介质内铅锌污泥焙烧过程的促进作用显著。

3.3 有价金属回收分析

通过微波处理使得污泥中锌、铅等有价金属以氧化物颗粒的形式挥发出来进入烟尘中，烟气进入重力沉降箱（沉降箱表面设置散热瓷片）冷却、沉降（温度低于110℃）后经小型布袋收尘外排，烟尘主要成分含量为见表3。

表3 烟尘主要成分含量（%）

单次投料1kg，收集烟尘重量为48.74g，烟尘中的有价金属含量高，锌回收效率为95%。1kg污泥微波处理电耗为4.5kW·h，按单位电价0.5元/kW·h计算，每吨污泥处理电价成本为2250元。污泥单独处理，按投入污泥平均含锌7%、回收率88%计算，每吨污泥处理后氧化锌烟尘含锌金属为0.0616吨，吨锌生产成本为3.65万元。污泥搭配氧化锌矿处理，按入炉物料含锌品位13.28%计算，氧化锌烟尘含锌金属0.116864吨，吨锌生产成本为1.92万元；当入炉物料含锌品位为19.69%时，金属锌价按2.2万元/t计，可实现微波焙烧方式的盈亏平衡，即产品价值和处理成本相等。

4 结论

采用微波处理工艺可以有效缩减污泥干燥时间，提升干燥效率，并且通过预处理可去除水分，对物料进行预热，可以保证有价金属的回收效率、工艺的稳定性和避免微波炉和收尘设备腐蚀。污泥经微波焙烧后焙烧渣浸出液各项重金属元素浓度均低于危险废物标准，属一般工业固体废物，可直接堆放或用于生产，微波处理可显著降低污泥中有害元素对环境的影响，为铅锌冶炼行业污泥处置提供了一种新的资源化处理途径。但微波处理污泥较高的能耗降低了该工艺的经济性，当含锌品位为19.69%时才能实现盈亏平衡，微波工艺不适用于处理有色金属元素含量低的污泥。