污泥是污水处理过程中产生的副产物,其高水分、多污染物(重金属、病菌体等)、低热值等特性成为其清洁利用的最大瓶颈。水热处理是一种能够实现污泥无害化处理的新技术,已成为当前研究的热点之一。本文基于水热处理方法,研究了不同水热条件(反应终温和反应停留时间)下,城市污泥水热处理前后液相和固相产物的理化特性及重金属的迁移与转化规律;探讨了水热处理促进城市污泥中重金属稳定化的机制;研究了水热固体产物的燃烧特性以及重金属析出特性;从而为城市污泥的高效清洁利用提供实验研究基础。采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射分析(XRD)、X射线荧光光谱分析(XRF)等仪器研究了不同水热条件下城市污泥水热处理后固相产物的理化特性。结果表明:污泥经过水热处理后具有较高的脱水率,特别是反应终温为280℃时,处理后的污泥含水率降低至50%以下。污泥中含有的一些含氮、硫和氯的化合物也被脱除,从而减少了后期热利用过程中污染物的生成。污泥经过水热后80%左右的矿物质元素保存在固体产物中(Na除外)。随着反应终温增加,污泥中矿物质元素更易于在液相产物中富集。延长反应停留时间则使得Al、Ca、Fe、Mg四种矿物质更易于在固相产物中富集,而Na、K矿物质更易于在液相产物中富集。采用欧盟提出的三态连续取样法(BCR)及重金属毒性浸出方法(TCLP),研究了污泥在水热过程中,重金属(As、Cd、Zn、Cr、Cu、Pb、Ni、Mn)迁移与转化的特性;探讨了污泥中重金属水热稳定化的机理。结果表明:水热处理后,污泥中大部分重金属保存在固体产物中,少量保存在液体产物中(As除外)。水热处理能够促进城市污泥中的重金属从不稳定形态(酸溶态+还原态)向相对稳定形态(氧化态)和稳定形态(残渣态)转化,从而实现重金属的稳定化。经过水热处理后,污泥中大部分重金属(Pb、Cd除外)的浸出毒性大幅下降,尤其在反应终温为280℃时,Ni、Cu、Zn、As的浸出浓度分别降低了 86.69%、97.18%、51.78%和75.9%。城市污泥中重金属在水热过程中的迁移分为三个过程:溶出或解吸过程、胞内吸附及螯合过程、沉淀过程,这三个过程受到城市污泥本身的理化特性、水热处理环境及重金属结合形态的影响。基于热重分析法研究了城市污泥水热处理前后固产物的燃烧特性及重金属的析出特性。结果表明:水热处理后,固产物的着火温度T1和燃烬温度Th均升高,燃烧过程延长,而峰值温度Tm则下降。经过水热处理后的城市污泥在挥发分燃烧阶段的活化能较原始污泥有所提高,在碳燃烧阶段的活化能低于原始污泥。重金属析出特性结果表明:水热固体产物经过焚烧后,其含有的重金属会更多的以相对稳定或者稳定形态存在于焚烧后残渣物中。