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随着城市生活污水与工业废水排放量的日益增加，城市污水污泥的迅速增长与污泥处置能力和处置成本之间的矛盾日益突出。同时，城市垃圾焚烧飞灰作为危险废物，填埋场的填埋能力和使用期限受到限制，垃圾焚烧飞灰的处理处置同样非常棘手。因此，探索低成本下两种废物协同共处置以及资源化利用具有多重重大意义。本文通过系统研究城市污水污泥和焚烧飞灰中重金属的形态特征与高温挥发特性、污泥焚烧飞灰共处置对污泥脱水性能的改善以及污泥焚烧飞灰混合物的重金属挥发特性，初步建立了城市污水污泥与焚烧飞灰协同共处置的应用理论体系，开展了污泥飞灰协同共处置资源化制备水泥熟料的产业化工程示范应用。主要研究结论如下：1.研究了上海市15家典型城市污水厂污泥重金属化学形态与高温挥发及其形态转变特性。城市污水脱水污泥中Cu的形态主要是以可氧化态(OX)存在；而污泥中Pb的残渣态都在70%以上；Cd主要与铁锰氧化物相结合，可还原态为50%～70%；Ni主要以醋酸可提取态和可氧化态存在，共占80%以上；重金属Cr形态主要是残渣态与可氧化态；污泥高温焚烧过程中Cu可氧化态、醋酸可提取态和可还原态主要转变为Cu的残渣态；重金属Zn的挥发率在焚烧10min后基本维持不变，醋酸可提取态、可还原态和可氧化态的Zn都转变为了残渣态；重金属Pb的形态几乎全是残渣态，随着焚烧时间的延长，几乎没有Pb挥发；高温焚烧过程中Ni所有的醋酸可提取态、可还原态和可氧化态（包括新生成的醋酸可提取态和可还原态）主要转变为残渣态；2.研究了垃圾焚烧飞灰高温重金属挥发特性与焚烧飞灰重金属形态的分布特征，重点探讨了湿法水洗预处理、湿法水洗稳定化处理对焚烧飞灰重金属形态转化和高温挥发抑制的影响。研究发现：原焚烧飞灰试样经1000℃高温灼烧后，Pb的含量从2000mg/kg以上降到了470mg/kg，挥发率达到了78wt%；Cd、Zn和Cr挥发率达到80wt%、26.5wt%和7.8wt%。飞灰原灰中重金属的非稳定形态比例很高，Zn、Pb、Cd与Cr的醋酸可提取态分别为65%、63%、86%和25%。湿法水洗预处理后焚烧飞灰中重金属Pb、Zn和Cd的醋酸可提取态由原来的63%，65%和86%降低至接近0%；水洗焚烧飞灰中重金属的浸出浓度显著降低，Pb由15.45mg/L降至0.229mg/L，Cd由2.31mg/L降至0.018mg/L，远低于EPA标准和国家标准。湿法稳定处理后焚烧飞灰中重金属Zn、Pb、Cr、Cd残渣态所占的比例均有不同程度的升高；3.研究了利用焚烧飞灰对城市污泥调理脱水效果的改善效应。研究发现焚烧飞灰的高钙、高pH和高盐度特征使城市污水污泥的调理、脱水性能得到明显改善。污泥焚烧飞灰共调理过程中，三种因素（钙离子、钠离子和pH）复合调理时，钙离子和pH值影响最为显著。随着焚烧飞灰投加量的增加，剩余污泥体系pH从原污泥的中性环境转变为强碱性环境，pH最高达到12.5，体系盐度呈直线上升趋势和Zeta电位发生显著改变，促进了污泥颗粒的混凝絮凝；高pH下污泥中可提取EPS量增加，污泥上层悬浊液的Zeta电位升高。钙离子投加使得污泥SRF、脱水后含水率和滤液浊度均有改善；盐度的增加使得污泥SRF和脱水程度均有改善；焚烧飞灰中氧化铝、氧化铁和氧化硅等对污泥化学调理效果不明显；4.研究了污泥焚烧飞灰协同处置后混合物的重金属形态特征及其高温重金属挥发特性。研究发现：利用98%剩余污泥协同处置焚烧飞灰混合物的重金属实际挥发率明显低于理论挥发率。与原焚烧飞灰和污泥重金属形态比较，协同处置后混合物Cu、Pb、Zn、Ni、Cr等重金属的稳定形态提高显著；随着焚烧飞灰添加量升高，Cu残渣态逐渐升高，可氧化态逐渐降低；Pb表现为可还原态逐渐降低，残渣态含量增加。当污泥焚烧飞灰混合物中焚烧飞灰投加量为6%时，Pb、Cr、Zn残渣态含量分别达79.8%、77.41%和62.9%。污泥与预处理焚烧飞灰协同处置可以明显降低重金属的浸出毒性，焚烧飞灰投加量为6%时，Zn、Pb的浸出毒性分别由3.06mg/L、0.034mg/L降低至2.55mg/L和0.025mg/L。5.进行了焚烧飞灰协同除氯预处理-污泥高效脱水工程、污泥焚烧飞灰处置后低温干燥工业试验和污泥焚烧飞灰协同处理处置产物制备硅酸盐水泥熟料产业化试验，焚烧飞灰协同除氯预处理-污泥高效脱水工程示范试验中，焚烧飞灰剩余污泥协同处理调理后混合物经真空带式过滤脱水混合物污泥含水率可以从98%降低至42.8%，且脱水产品经过6天的自然干燥后含水率降低至16.1%。6.利用石洞口焚烧飞灰水洗预处理生产的焚烧飞灰、污泥焚烧飞灰混合物（干基比污泥：焚烧飞灰=1：3）分别按3%的比例代替水泥原料石灰石，在水泥厂进行了为期四天的生产试验。制备的水泥熟料3天强度为7.2MPa，28天强度为57MPa，水泥熟料的抗压强度高于水泥厂生产质量控制要求。同时，水泥熟料的氯离子浓度为0.015%，远低于水泥标准中氯离子浓度必须低于≤0.06%的要求。