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《市政污泥焚烧灰资源化利用技术》系统阐述市政污泥焚烧灰（ISSA）的资源化利用技术，旨在解决其传统填埋处置导致的资源浪费与潜在环境风险。《市政污泥焚烧灰资源化利用技术》*先剖析ISSA 的理化特性、环境行为与火山灰活性等基础性质；进而重点介绍从中回收磷元素并制备磷肥的先进技术，及其作为环境修复材料在吸附重金属、稳定污染土壤和固化河湖底泥中的应用；*后深入探讨ISSA基胶凝材料的制备、活性激发及其在海水环境中的长效性能。《市政污泥焚烧灰资源化利用技术》融合作者团队科研实践成果，内容系统全面，兼具理论深度与工程实用性。
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目录第1章 绪论 11.1 污泥焚烧灰的产生 11.2 市政污泥焚烧灰的资源化利用现状 31.2.1 市政污泥焚烧灰在土木工程中的应用 41.2.2 市政污泥焚烧灰应用于土壤的固化 71.2.3 市政污泥焚烧灰在环境修复中的应用 91.2.4 市政污泥焚烧灰在农业中的应用 10 参考文献 16第2章 市政污泥焚烧灰特性 222.1 市政污泥焚烧灰理化特性 222.1.1 市政污泥焚烧灰的物理特性 222.1.2 市政污泥焚烧灰的化学特性 242.2 市政污泥焚烧灰环境特性 252.2.1 TCLP测试 262.2.2 SPLP测试 262.2.3 SBET浸出测试 272.2.4 顺序提取 272.3 市政污泥焚烧灰火山灰活性 28 参考文献 29第3章 市政污泥焚烧灰提取磷与磷肥制备 303.1 市政污泥焚烧灰中的磷及其富集形态 303.1.1 污泥焚烧灰中磷的富集 303.1.2 湿法回收磷 333.1.3 热处理法回收磷 363.1.4 电透析法回收磷 373.2 市政污泥焚烧灰提取磷 373.2.1 磷在不同酸液中的浸出效果 383.2.2 污泥焚烧灰中重金属在不同酸液中的浸出效果 393.2.3 乙二胺四乙酸对磷和重金属的浸出 413.2.4 硫酸对磷和重金属的浸出 423.2.5 浸出后的市政污泥焚烧灰残余物的表征 443.3 磷肥制备技术 473.3.1 鸟粪石制备 473.3.2 生物炭磷肥制备 533.3.3 钙-磷肥制备 613.3.4 磷肥农业效应评价 71 参考文献 78第4章 市政污泥焚烧灰制备环境修复材料 834.1 背景和可行性 834.2 市政污泥焚烧灰吸附水溶液重金属 844.2.1 市政污泥焚烧灰对Pb（II）的吸附 844.2.2 市政污泥焚烧灰对Cd(II)、Cu(II)、Zn(II)的吸附 894.2.3 两步改性法制备市政污泥焚烧灰对As(V)的吸附 934.2.4 提磷市政污泥焚烧灰同木质素共热解制备Cr(VI)的吸附 994.3 市政污泥焚烧灰稳定化污染土壤 1064.3.1 利用焚烧污水污泥灰固化/稳定化铅污染土壤 1064.3.2 草酸活化污泥焚烧灰固化/稳定化高铅污染土壤 1134.3.3 使用改性市政污泥焚烧灰稳定高浓度砷污染土壤 1184.4 市政污泥焚烧灰固化稳定化污染河湖底泥 1244.4.1 高掺量市政污泥焚烧灰代替水泥固化污染海洋沉积物 1244.4.2 石灰激发市政污泥焚烧灰固化污染海洋沉积物 1324.4.3 市政污泥焚烧灰生物炭水泥基材料固化污染海洋沉积物 138 参考文献 152第5章 市政污泥焚烧灰制备建筑材料 1595.1 市政污泥焚烧灰胶凝材料的设计与制备 1595.1.1 污泥焚烧灰与粉煤灰对水泥水化及砂浆性能影响 1595.1.2 用污泥焚烧灰和胶凝废物制备冷黏结轻骨料 1695.1.3 污水污泥焚烧灰及水泥砂浆中阴极射线管漏斗玻璃的共同回收利用 1785.2 市政污泥焚烧灰活性的激发 1845.2.1 污泥焚烧灰与偏高岭土复合地质聚合物绿色产品的设计优化与表征 1845.2.2 利用石灰活化法回收污水污泥焚烧灰作为新型胶凝材料 1915.2.3 污水污泥灰与粉煤灰用作石灰-火山灰黏合剂的比较评价 1985.2.4 高炉矿渣和污泥焚烧灰为原料合成干混地质聚合物膏体的抗压强度和微观结构性能 2075.3 海水环境下市政污泥焚烧灰胶凝材料性能 2165.3.1 NaCl和MgCl2对污泥灰回收石灰-火山灰混合物水化的影响 2165.3.2 海水对石灰焚烧污水污泥灰分膏体力学和微观结构性能的影响 2245.3.3 海洋环境下焚烧污泥灰-石灰-混合材料的水化特性、力学性能及微观结构 231参考文献 238
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第1章绪论 污泥焚烧灰（incineration sewage sludge ash，ISSA）作为污水污泥焚烧处理的固体残留物，其资源化利用已成为环境工程与材料科学交叉领域的研究热点。随着城市化进程加速，全球每年产生数百万吨污泥焚烧灰，传统填埋处置不仅占用土地资源，还可能导致重金属和磷等成分的二次污染。本章系统梳理污泥焚烧灰的产生背景、理化特性及资源化途径，重点探讨其在土木工程材料（如水泥、混凝土、陶瓷）、土壤固化、环境修复（重金属吸附）和农业（磷回收）等领域的应用现状与技术挑战。通过分析不同利用方式的技术原理、经济效益与环境效益，揭示污泥焚烧灰从“废弃物”向“再生资源”转化的潜力，为可持续废物管理提供科学依据。这些研究不仅有助于缓解磷矿资源短缺问题，还能推动循环经济发展，对实现“双碳”目标下的固废减量化与高值化利用具有重要意义。 1-1污泥焚烧灰的产生 污泥是由水和污水处理过程所产生的固体沉淀物质。污泥作为城市污水常规处理的副产物，成分较为复杂，但一般而言，它是由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成，同时还含有难降解的有机物、重金属、无机盐及少量病原微生物和寄生虫等。因此，污泥中的有害物质会在不科学的处理方式下，通过降雨渗透到土壤或地下水中，对人类健康及生态环境造成危害。城市污泥的无害化处理处置已经成为保障生态环境安全的突出问题，因此，我国高度关注污泥处置问题。目前国内对污泥的主要处理方式为填埋法，但这种方式不仅会占用大量的土地资源，还会对环境产生极大的危害。图1-1统计了不同国家污水污泥焚烧的比例（Kleemann et al.，2017；Samolada et al.，2014；Fytili et al.，2008；Lundin et al.，2004）。由于部分国家和地区对垃圾和污水污泥的填埋处理有限制要求，同时多地政府对“绿色发展”有经济上的激励措施，这些举措推动了焚烧法处理垃圾和污水污泥（Fang et al.，2018a；Donatello et al.，2013）。 污泥焚烧是指污泥中的有机质在一定温度、气相充分有氧的条件下发生燃烧反应，并转化成C02和1120等相应的气态物质，包括蒸发、挥发、分解、烧结、熔融和氧化还原反应，以及相应的传质和传热的综合物理和化学反应过程，而污泥焚烧灰（ISSA）是污泥焚烧后留下的固体产物。污泥经焚烧处理后，体积减小约90%。我国每年产生约39.04mt（1mt=10000001）污泥，这些污泥的含水率约为80%，而其中26.07%的污泥是通过焚烧法处理的（Wei et al.，2020）。按焚烧后污泥的体积减小90%计算，我国每年大约产生0.2mt市政污泥焚烧灰。在美国，市政污泥焚烧灰的年产量在0.5～1.0mt（Chesner et al.，2002）。据统计，欧洲每年大约产生2650001市政污泥焚烧灰，而全球每年大约能产生约1.87mt市政污泥焚烧灰（Fang et al.，2018b）。预计这一数字在未来几年还会增长。尽管焚烧可以显著减少污水污泥的体量，但在大多数国家和地区，市政污泥焚烧灰的主要处理方式仍然是填埋法（Donatello et al.，2010a）。 污泥焚烧的初期研究是1959年美国的诺亚克（Noack）、1960年施莱辛格（Schlesinger）等在匹兹堡能源中心（Pittsburgh Energy Center）开始的，均是以回收能源为目的。世界上**台焚烧污泥的流化床锅炉于1962年在美国建造，至今仍在运行。自此，德国、日本、丹麦、瑞士和瑞典等发达国家的研究人员也先后进行了污泥焚烧的研究。从20世纪90年代起，随着污泥焚烧工艺逐渐成熟，发达国家逐渐把污泥焚烧工艺作为处理污泥的主要方法之一。德国有近40个污水处理厂采用焚烧工艺处理污泥，*开始的污泥焚烧炉是多段竖炉，而后被流化床锅炉逐渐取代。在丹麦，每年约有25%的污泥在超过30座焚烧厂中处理。污泥焚烧处置法在日本同样发展迅速，且日本是应用焚烧技术*广泛的国家之一，1984年，日本污泥焚烧处理量占污泥处置总量的72%，1992年焚烧处置法处理的污泥量占市政污泥处理总量的75%。现在日本规模较大的污水处理厂大都采用焚烧法处理污泥。在近年来各国对处理污泥的环保标准提髙的背景下，污泥焚烧法由于具有最大化的减容和无害化效果，越来越受到青睐。 就目前来说，流化床焚烧工艺技术相对成熟，能量回收潜力好，过程可控度高，活动部件少，启动和关闭方便，是目前应用*广泛的垃圾焚烧工艺。香港目前有世界上最大的污水污泥焚化炉T.Park，整个焚烧过程如图1-2所示。该工艺的三个主要部分是污水污泥的预处理、流化床焚烧和废气处理。脱水后的污水污泥*先在卸料仓内进行脱臭处理，然后由货车直接运输至焚烧厂。焚烧过程在超过850°C的流化床中进行，污水污泥至少在其中停留2s，产生的热量通过焚烧炉内壁的管道转移到回收锅炉内，用于蒸汽发电。焚烧后，颗粒物和污染物经烟气净化系统去除，该系统包括：多级旋风分离器（通过旋转作用去除大颗粒）、干式洗滤器（通过化学和物理过程发生中和反应，同时捕获包括酸性气体、重金属和二噁英在内的污染物）、袋式过滤器（通过过滤去除细颗粒）。相关研究中使用的市政污泥焚烧灰主要来自多级旋风分离器。 1.2市政污泥焚烧灰的资源化利用现状 市政污泥焚烧灰的特性由污水污泥的成分和焚烧过程（燃烧器技术、燃烧区温度和停留时间等）决定。焚烧技术的差异性导致污水污泥有不同的焚烧程度，而碳化程度与这种焚烧程度有关（Kriiger et al.，2014；Mattenberger et al.，2008）。尽管焚烧的污泥不同，但通过比较剩余含碳量可以估算污泥焚烧灰的焚烧程度，流化床反应器实现了较髙的焚烧程度（约0.2%的含碳量），而旋风炉实现了较低的焚烧程度（约6.0%的含碳量）。并且，流化床飞灰中硅（Si）的质量分数（16.0%）明显高于旋风炉飞灰的Si质量分数（6.8%）。除所使用的污泥原料的潜在差异外，额夕卜的Si可能是流化床材料中细砂的持续损失导致的（Mattenberger et al.，2008）。 Kruger等（2015）研究了德国24家工厂产生的市政污泥焚烧灰，占德国所有市政污泥焚烧灰的97%。研究发现，污水源主要决定了产生的市政污泥焚烧灰中的磷（P）质量分数，而燃烧技术主要影响市政污泥焚烧灰中的碳（C）质量分数。具体而言，城市污水污泥产生的市政污泥焚烧灰中的P质量分数（平均值为8.9%）比工业污泥产生的P质量分数髙7.5个百分点（平均值2.2%）。污泥焚烧灰中的重金属则主要因地区而异，例如，欧洲国家生产的市政污泥焚烧灰中，镍（Ni）和铅（Pb）是*主要的重金属，而亚洲国家的市政污泥焚烧灰中主要为镉（Cd）和砷（As）（砷为类金属，因砷物理性质和毒性与重金属相似，通常也被视作重金属）。 由于污泥焚烧灰是一种无定形玻璃状材料，含有结晶石英（Si02）和赤铁矿（Fe203）（Donatello，2009；Cyr et al.，2007），所以污泥焚烧灰可以用于建筑材料的生产，但这种再利用方式会造成P的浪费（Chen et al.，2018a，2018b；Li et al.，2017b；Donatello，2009；Franz，2008；Cheeseman et al.，2005；Lin et al.，2005b；Park et al.，2003）。 为实现可持续发展，许多学者已经研究出适用于市政污泥焚烧灰的回收和再利用的方法。目前主要分为土木工程、土壤固化、环境修复和农业4个方面。在物理性质上，市政污泥焚烧灰的颗粒大小与砂子相似。因此有学者直接使用它来替代砂或黏土（Anderson et al.，1996）。此外，市政污泥焚烧灰的物理化学性质与补充胶凝材料有部分相似性（Nakic et al.，2017）。因此，也有学者使用市政污泥焚烧灰来制备瓷砖、砖块、玻璃陶瓷、水泥和混凝土（Lynn et al.，2016；Jamshidi et al.，2012），其中在制备水泥净浆和砂浆时，可以用市政污泥焚烧灰部分替代水泥材料。近期也有学者研究了市政污泥焚烧灰与磨细的高炉矿渣一起制备地质聚合物（Chen et al.，2018）。 除上述提到的市政污泥焚烧灰在土木工程中的应用外，其在环境领域也有应用，如应用于制备处理污染水的重金属吸附剂和土壤稳定剂（Pan et al.，2003）。有研究表明，市政污泥焚烧灰在去除Pb、铬（Cr）、铜（Cu）和锌（Zn）方面效果显著（Wang et al.，2019b，2019c；Pan et al.，2003）。此外，市政污泥焚烧灰还可以用于处理软基土壤和沉积物（Li et al.，2017a；Lin et al.，2007b）。也有学者认为，由于市政污泥焚烧灰中还含有部分磷元素，通过从市政污泥焚烧灰中回收磷酸盐来制备肥料也是一种有潜力的做法（Fang et al.，2018b；Herzel et al.，2016；Franz，2008；Mattenberger et al.，2008），这种制备方法将在第3章详细描述。 1.2.1市政污泥焚烧灰在土水工程中的应用 1.石灰-火山灰水泥 天然火山灰材料，如火山喷发产生的灰分，是古老的建筑材料之一。在历史上，石灰-火山灰砂浆材料使用了很长时间，这种材料*早可以追溯到新石器时代（Shi，2001）。在古罗马时期，石灰-火山灰砂浆广泛应用于拱桥、渡槽、挡土墙和建筑物的砌筑施工中，许多罗马纪念碑仍屹立至今，因此可以很好地说明石灰-火山灰混凝土优异的性能。自古希腊和古罗马时代以来，石灰-苏尔克（烧制黏土/砖-土）混合物就一直被使用，至今在印度仍随处可见。在17世纪的英国，人们开始使用石灰-荷兰火山灰混合物，在荷兰也广泛应用于港口和海防建设（Shi et al.，1993b）。在早期的冰岛，大部分石质建筑都是用石灰和火山灰制成的砂浆建造的，这些建筑经久耐用（Larew，1976）。然而’19世纪波特兰水泥的出现使事件出现了转折点，由于波特兰水泥具有更短的凝结时间和更好的早强性，石灰-火山灰水泥的应用普遍性急速下降（Allahverdi et al.，2006）。火山灰材料不仅可以降低成本，还可以提高混凝土的性能，因此一经出现便普遍应用于水泥基材料中（Malhotra et al.，2004）。然而，火山灰材料的掺入也会导致一些新的问题产生，如降低凝结速度和抗压强度。但由于石灰-火山灰水泥具有低廉的成本和良好的耐久性，其在近几十年间建筑材料生产中得到了越来越多的关注，特别是在印度尼西亚等一些发展中国家（Shi et al.，1993b）。 天然火山灰、粉煤灰和矿渣是*常用的石灰-火山灰水泥材料。也有学者研究使用砖尘、稻壳灰和煅烧（烧结）黏土等其他材料制备（Al-Jumaily et al.，2015）。为了深入研究市政污泥焚烧灰的潜在火山灰活性，有学者探究了由T.Park焚化炉生产的市政污泥焚烧灰应用于石灰-火山灰水泥的性能，同时还对比了生石灰和熟石灰在其中的使用效果、石灰-市政污泥焚烧灰水泥的水化动力学、力学强度和微观结构。研究表明，生石灰水化释放的大量热量可以促进市政污泥焚烧灰、火山灰反应的进行，在石灰-市政污泥焚烧灰水泥中形成一种新的相——磷酸贺水化物，有研究表明这种水化产物很有可能对强度的发展有积极作用（Zhou et al.，2020a，2020b）。还有研究表明，石灰-市政污泥焚烧灰水泥具有稳定底泥的潜力。 1）反应原理 石灰和火山灰之间发生的主要反应是火山灰反应。一般来说，对于只含石灰、火山灰和水的体系，在使用生石灰的情况下，CaO先会与水反应生成Ca（OH）2，同时释放大量的热量。随着Ca（OH）2的溶解，溶液的pH开始升高： 在
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