在全球范围内,生物质能是第四大能源的来源,供应了大约14%的世界能源总需求量。众所周知,挥发分在生物质的燃烧过程中占主导作用,而固定碳的燃烧只占次要地位。尽管原始的生物质燃烧在全世界范围内分布广泛,但这是一种低效率且高污染的燃烧方式。与此同时,与传统的生物质燃料相比,生物成型燃料可以方便地在流化床和链条锅炉上使用,而且有以下优点：更低的运输和储藏成本、更高的能量密度、更低的粉尘浓度、更低的污染物排放、统一的标准尺寸与组成。同时,成型颗粒燃料使用起来与石油衍生产品一样方便且便于自动化,具有更低的燃烧残留物、更高的燃烧效率。不断增长的市政污水污泥(MSS)的产量对于一个社会的可持续发展来说是一个巨大的挑战。中国每年的污泥的产量超过8百万吨(干重)。由于快速的城镇化和工业化,污泥的产量正以8%-10%的年增长率增加。污泥的处理是非常复杂且困难的,主要原因是污泥中含有大量的有毒物质,例如重金属、内分泌干扰物、农药、多氯联苯、多环芳烃、二噁英、病原菌、其他微生物污染物、导致富营养化的氮和磷等等。燃烧既可以回收能源,也可以处理污泥。所以最近用燃烧处理污泥的方式快速增长。在污泥燃烧过程中,锅炉效率和二次污染物排放获得越来越多的关注。针对污泥与木屑混合成型燃料产品性状、锅炉效率、燃烧过程的二次污染物排放、灰渣中重金属的化学形态、移动性和植物可吸收性以及重金属风险评价,本文开展了四个方面的研究工作。第一个方面的工作是研究了不同污泥比例与木屑混合成型对得到的污泥与木屑混合成型燃料产品性状及其在链条炉中的燃烧情况。随着污泥比例的增加,成型燃料的热值随着降低,而且燃料的颜色也随之加深。燃料的密度也增大,直径减少。30%污泥的污泥与木屑混合成型燃料(30% MSS PF)的Meyer强度最小,而破碎率最大,50%污泥的污泥与木屑混合成型燃料(50% MSS PF)则反之。10%污泥的污泥与木屑混合成型燃料(10% MSS PF)和30%MSS PF两种成型燃料的密度、含水率、热值均达到北京市地方标准(DB11/T 541-2008),而50% MSS PF的热值低于该标准。10% MSS PF、30% MSS PF粒在链条炉中燃烧时,均能替代5000大卡左右的煤达到生产所需的蒸汽压,且燃烧完全。50%MSS PF产生的蒸汽压略低于生产所需,且有少量颗粒未燃烧完全,这可能是50%MSS PF热值较低造成的。50% MSS PF由于热值低而导致其燃烧性能不佳。而10% MSS PF虽然燃烧性能好,但处理污泥量有限。故在大规模生产的情况下,应该用30% MSS PF最为合适,燃烧性能又好,又能大量处理污泥。第二个方面的工作是对比研究了10%和30% MSS PF在链条炉燃烧过程中的锅炉效率,常规污染物的排放,二噁英和重金属的排放、分布特征和质量平衡。10%和30% MSS PF的锅炉效率分别是76.6%和75.9%。污泥与木屑混合成型燃料燃烧后的烟气中CO浓度(56-64mg Nm"3)非常低。10%和30% MSS PF炉渣的热灼减率分别只有0.66%和0.76%。10%和30% MSS PF燃烧后烟气中的二噁英当量毒性分别为0.191和0.157 ng I-TEQ Nm-3.尽管链条炉的运行温度介于653与667℃之间,这个温度区间值很容易产生二嗯英。但由于污泥与木屑混合成型燃料在燃烧过程中充分燃烧且稳定的燃烧过程以及相对低的氯含量促进了二噁英的排放降低；污泥中二噁英的PCDFs与PCDDs比值和同系物分布与燃烧后烟气、飞灰和炉渣中的不一致。与此同时,炉渣中二噁英的PCDFs与PCDDs比值和同系物分布与烟气和飞灰中的也不一致。本研究中重金属的分布特征主要取决于重金属本身的蒸发特性。污泥与木屑混合成型燃料在链条炉上燃烧产生的二次污染都达到了中国的相关标准(GB 18485-2014)。第三个方面的工作是定量地研究了污泥与木屑混合成型燃料燃烧前后重金属的化学形态、移动性和植物可吸收性的变化。飞灰和炉渣是成型燃料燃烧过程中产生的最主要副产物。由污泥、成型燃料、飞灰和炉渣的BCR结果可知,经过燃烧后,污泥中的生物有效态的重金属部分(可交换的和与碳酸盐态、可还原态和可氧化态)大部分转化为非常稳定的重金属部分(残渣态)。在未成型的医疗垃圾和市政固体废物焚烧产生炉渣中重金属的生物活性部分(F1+F2+F3)的比例要高于本研究中炉渣中的部分。与炉渣相比,飞灰中还有更高比例的可交换的和与碳酸盐态重金属(除As以外),这表明除了As以外,飞灰中的重金属比炉渣中的更具有生物可利用度和移动性。另一方面,TCLP法、二乙三胺五乙酸(diethylenetriamine pentaacetic acid, DTP A)法和HCl法的结果表明重金属的移动性和植物可吸收性在燃烧后都大大地降低了。BCR, TCLP和植物可吸收性的结果都表明炉渣中的重金属比飞灰中的更加稳定。飞灰和炉渣中重金属的直接和长期的生物可利用性和生态毒性都大大降低了。这表明成型后燃烧是一种有前景而且彻底安全的处理污泥方式。第四个方面的工作是定量地评价了污泥燃烧前后,污泥、飞灰和炉渣中重金属的环境风险。采用的方法有生物可利用度和生态毒性、地累计指数(GAI)、潜在生态风险指数(PERI)和风险评估模型(RAC)等四种方法。生物可利用度和生态毒性的结果表明除了飞灰中Pb和炉渣中的As的直接生物可利用度和生态毒性外,飞灰和炉渣中重金属的直接和长期的生物可利用度和生态毒性都显著地下降了(P<0.05)。地累积指数的结果表明燃烧显著地降低了重金属的污染水平。潜在生态风险指数的结果表明重金属的风险总量显著地下降了(P<0.05),由污泥中的777.07(极高风险)分别下降至飞灰中的288.72(中等风险)和炉渣中的64.55(低风险)。Cu和Cd占总的潜在生态风险指数的大部分。根据风险评估模型的结果,除了炉渣中的As以外,飞灰和炉渣中的七种重金属对环境只有很低甚至没有风险。总而言之,与污泥相比,飞灰和炉渣中重金属的环境风险都降了。然而,潜在生态风险指数的结果表明飞灰的风险等级为中等风险,所以,污泥与木屑混合成型燃料燃烧产生的飞灰在再利用或者填埋之前应该预处理或者改善。总之,污泥成型后燃烧,飞灰和炉渣中重金属的污染危害成都明显地下降。总的结果表明污泥与木屑成型后燃烧是一种合适的处理污泥方式。