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污水污泥(简称污泥)焚烧飞灰中磷的回收与利用已成为污泥处置技术发展的新趋势,然而飞灰中较高浓度的重金属是影响磷有效性的核心问题。在燃烧过程中实现重金属的源头控制和无害稳定化是突破污泥焚烧及磷利用技术瓶颈的关键。基于现有污泥焚烧利用技术,本论文提出在污泥焚烧过程中掺入生物质,利用生物质中的矿物质等有效成分为一种典型重金属砷(As)提供化学吸附位,在燃烧中促进砷的捕集及实现砷的价态转化,并协同提高磷生物有效性的新思路。本论文在5 kW鼓泡流化床及立式管式炉实验台上系统研究了污泥与生物质混烧过程中砷及磷的迁移转化规律,揭示生物质主要矿物质成分与污泥中砷及磷之间的相互作用原理,掌握降低污泥焚烧飞灰中砷毒性及提高磷生物有效性的方法。获得的主要研究结果如下:(1)城市污泥掺烧生物质能促进气态砷化合物固化在底渣中。生物质中的Ca、Fe和Al等化合物能为城市污泥焚烧飞灰中As3+向As5+的转化提供额外的反应活性位,且棉杆和玉米杆中这些矿物质活性位的可利用度比木屑和麦秆中的高。当棉杆掺混比≥40%时,混烧飞灰中的As3+被完全氧化为As5+,降低了飞灰中砷的毒性。混烧飞灰中形成的丰富孔隙结构能为砷的形态转化提供更多的反应接触面积,促进了多种砷酸盐化合物的形成。(2)考察了流化床运行参数对砷形态转化的影响机制。与烟气温度610℃和320℃相比,在460℃左右时砷更容易被捕集在飞灰中,而320℃的低温不利于对砷的捕集。烟气在610～320℃的冷却过程中,气态As203的化学氧化作用一直在进行。较高的焚烧温度促进砷迁移至飞灰和烟气中。在800℃至900℃的温度范围内,气态As2O3主要通过快速冷凝及物理吸附的方式富集在飞灰中;950℃高温促进了气态As203的化学氧化作用并生成相应的砷酸盐(As5+)。烟气中氧气浓度从1%增加至5%时,城市污泥原料中一些含砷化合物,如As2S3,能与氧气反应生成气态As2O3,产生的As203被燃料中固有的无机化合物(如CaO)通过冷凝及物理吸附的方式捕集在飞灰中;当氧气浓度大于5%时,充足的氧气能促进气态As203与各无机化合物之间的氧化反应并生成相应的砷酸盐。(3)在立式管式炉上验证了生物质中钙基化合物对砷形态转化的促进作用。与玉米杆相比,棉杆中钙基化合物能为砷的迁移转化提供更多的反应吸附位,促进焚烧底灰中As3+向钙结合态砷(As5+)转化。三种钙基化合物都能为城市污泥焚烧中砷的形态转化提供化学吸附位,其中对气态As203捕集及氧化能力的大小排序为CaO>CaSiO3>CaSO4。与CaO/CaSO4添加剂相比,CaO/CaSiO3添加剂能为砷的价态转化提供更多的钙基吸附位。与CaSi03和CaSO4相比,CaO与As203的反应速率较高。较高的焚烧温度和反应停留时间均能有效促进底灰中As3+向As5+的转化。(4)在鼓泡流化床实验台上,城市污泥掺烧生物质(特别是棉杆)能有效促进飞灰中非磷灰石无机磷(NAIP)向磷灰石无机磷(AP)转化,提高了飞灰中磷的生物有效性。生物质中的Ca,C1及Mg化合物为飞灰中NAIP(如AlP04)向AP(如Ca2P2O7、Ca5(PO4)3Cl及Ca10K(PO4)7)的转化提供额外的反应吸附位。随焚烧温度的升高,NAIP向AP的转化增加。在不同焚烧温度和停留时间下,城市污泥焚烧中添加CaO促进底灰中磷向Ca2P207和Ca3(PO4)2的转化;添加CaO/KCl混合物促进磷向Ca3(PO4)2、Ca5(PO4)3Cl和Ca10K(PO4)7的转化,验证了棉杆中CaO和KC1对城市污泥焚烧中磷形态转化的促进作用。900℃下AlP04能与CaO反应生成Ca2P207或Ca3(PO4)2,同时AlPO4也能与CaO及KC1反应生成Ca5(PO4)3Cl和Ca10K(PO4)7,揭示了棉杆中CaO和KC1与城市污泥中磷混烧过程中的主要反应路径。(5)与城市污泥相比,工业污泥中化学成分更为复杂。工业污泥单独焚烧过程中,原料中固有的Ca、Fe及A1等无机化合物为烟气中As203(g)的化学氧化作用提供足够的反应活性位,促使飞灰中As3+完全转化为As5+。生物质中Si和A1等成分促进飞灰中砷向稳定的硅铝酸盐形式转化,降低了飞灰中砷的毒性。工业污泥焚烧飞灰中磷主要以P-Ca/Mg化合物的形式存在,表现出较高的生物有效性。生物质中的Ca、C1和Mg化合物促进工业污泥焚烧中NAIP化合物(如AlP04)向AP化合物(Ca2P2O7、Ca5(PO4)3C1、Ca4Mg5(PO4)6和Mg3(PO4)2)转化。工业污泥掺烧不同生物质后飞灰中磷在2%柠檬酸溶液中的溶解度提高,且棉杆掺混比从0%增加到50%时,飞灰中磷的溶解度从78.33%增加到83.30%,有利于飞灰中磷的回收与再利用。