机械金属表面酸洗污泥的资源化梯级利用新工艺

季爱兵

（江苏柏瀚环境科技有限公司，江苏 南京 210000）

1 概述

近年来我国金属资源产量逐年增加，2019年我国金属材料产量2940万吨，2020年达3013.9万吨，同比增加73.9万吨，增长2.51%[1]。金属表面酸洗污泥的堆积量将会越来越多。随着资源的日益枯竭和环保要求的不断提高，金属行业的资源化利用面临严峻的挑战。机械金属表面酸洗产生的污泥量约为金属产量的3%～5%，污泥中含有Ni、Cr、Fe等有价金属元素，同时含有CaF2、CaO、SiO2、CaSO4等物质；污泥中的Cr6+如不妥善处理会对环境产生潜在的危害[2]。

2 机械金属表面酸洗污泥传统处置工艺及不足

针对金属表面污泥的处置方法，目前传统的处置工艺主要分为3种：减量化、无害化和资源化处置利用。

2.1 金属表面酸洗污泥无害化处置工艺[3-5]

酸洗污泥的无害化处理的主要方法是还原法。还原法又可分为火法还原和湿法还原两种。

（1）火法还原是将污泥与还原剂按照一定的比例混合后进行高温还原，使Cr6+还原成不溶性的Cr2O3（Cr3+）。火法还原工艺的可操作性较强，但是不能将Cr6+的含量完全还原成Cr3+，且生产过程中能耗过大，污泥量处置量较小。

（2）湿法还原就是将污泥溶解在酸液或者碱液之中。再向混合液中加入FeSO4、Na2S等还原剂使得Cr6+还原成为Cr(OH)3或者Cr3+。湿法还原工艺生产费用高，污泥量处置量较小。

2.2 金属表面酸洗污泥减量化处置工艺

金属表面酸洗污泥减量化处置工艺主要是将污泥固化处置后进行填埋；目前最主要的固化剂有水泥、石灰等，污泥固化后进行堆积填埋，此法简单快捷，成本低廉，但会造成金属材料资源被占用，同时，在对金属材料进行加工时，对环境产生潜在的危害，后期危害性较大，不推荐使用。

2.3 金属表面酸洗污泥的资源化处置工艺

金属表面污泥的资源化利用主要分为无机物利用和金属回收利用。

2.3.1 建材产品

机械金属表面污泥制作建材产品，主要是将表面污泥中的有害物质固化在建材（砖、搅拌料）内，但由于污泥中存在Cr3+极有可能被氧化为Cr6+存在于工程材料中，在后期使用过程中存在污染地下水的可能性，而且添加比例不宜过大，否则会影响建材质量；因此污泥制作工程产品受到使用范围和使用量的限制。

2.3.2 污泥中金属回收利用

机械金属表面污泥中主要存在Ni、Cr、Zn等有价金属；污泥的金属回收主要是回收相关金属，回收工艺主要分为火法还原和湿法浸出两种。

（1）湿法浸出工艺

湿法浸出工艺分为酸浸法和氨浸法。湿法浸出污泥中金属元素的缺点是工艺流程复杂，设备较多，浸出液消耗量很大，操作很复杂。因此湿法回收污泥中的金属作为大规模工业化处理污泥的方法存在很大的局限性。

（2）火法还原工艺

火法还原工艺主要采用高温还原设备进行处置，高温是火法还原的重要因素，由于污泥中存在大量硅酸盐、硫酸盐、氢氧化物等成分，导致火法回收金属元素成本高，能耗大，经济效益较差；极大的限制了火法还原工艺的发展。

3 机械金属表面酸洗污泥资源化梯级利用新工艺

3.1 机械金属表面酸洗污泥特性

采用X射线荧光光谱仪（美国Thermo Fisher Scientific公司）对金属表面酸洗污泥的化学成分进行分析，采用D8 Advance多晶X-射线衍射仪（德国Bruker AXS公司）对酸洗污泥的矿物组成进行分析，结果表1和图1。

表1 污泥原始物料化学成分

图1 金属表面酸洗尘泥原始物料XRD图谱

从表1和图1可以看出，机械金属表面酸洗污泥中含有大量的水合硫酸钙，铬（Cr）、镍（Ni）等金属元素赋存于复杂的酸式盐中。

根据所研究的污泥成分和物相分析，污泥中的氧化钙主要以硫酸钙（石膏CaOSO4·2H2O、CaOSO4·0.5H2O）形式存在，总量约67.02%；将污泥中的镍等金属类的物质分离将会大幅提升污泥处置能力并有效的降低后期处置难度。

3.2 机械金属表面酸洗污泥资源化梯级利用工艺

根据金属表面污泥的成分和物相特点，污泥资源化梯级利用工艺的分为污泥预处置工段、还原焙烧工段和熔分冶炼工段。

图2 机械金属表面酸洗污泥梯级利用工艺流程图

（1）污泥预处置工段

此工段主要流程为：定量给料→细磨→调浆→浮选→压滤脱水→出料储存。

（2）还原焙烧工段

此工段主要流程为：烘干→配料→混合造粒→还原焙烧→出料热送。

（3）熔分冶炼工段

3.3 机械金属表面酸洗污泥资源化梯级利用工艺成本分析

金属表面酸洗污泥年处理量：20万吨/年，总投资成本约1.2亿元；项目占地面积约70亩（约4.7万m2）；1吨酸洗污泥处置费用约1000元/年。

4 结语

本技术将矿物分选技术、直接还原技术和熔分冶炼进行耦合，形成了全新的机械金属表面酸洗污泥的资源化梯级利用新技术；本项目技术不仅可将污泥中的有价元素（Ni、Cr、Pb、Zn等）进行综合回收利用，而且可对危废中的硅酸盐、硫酸盐、氢氧化物进行无害化处理，生产水泥添加剂、建筑材料等物料。

本技术采用污泥预处理的方式，将污泥中的硫酸盐类和金属料进行分离，得到石膏产品和金属料半产品；金属料半产品进入后续的还原焙烧系统提炼有价金属，有效实现了污泥的分层梯级使用。

本技术中的直接还原+熔分冶炼技术是处理含金属粉尘、炉渣的特有技术，其主要特点是：在直接还原工段中，炉内1200℃～1300℃还原区内，可对碱金属进行还原回收，如铅（Pb）、锌（Zn）等进入熔分冶炼工段中，炉内1600℃ ～1300℃还原区内可对铬（Cr）、铅（Pb）、镍（Ni）等重金属进行还原回收原料，通过水淬后成为水渣，作为建材添加料。

本技术危废处理种类多：可处理污泥、粉尘、废渣等多种形式的原料；固废、危废比例随意匹配，可100%处理危废；处理能力大：单条生产线可年处理危废量30万吨；环保指标先进：配置先进的脱硫、脱销装置，烟尘排放中的粉尘、SO2、NOx、重金属排放指标均能满足超低排放标准，无生产废水外排。