我国《“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》中明确提出“城镇污水处理设施产生的污泥应进行稳定化、无害化处理处置,鼓励资源化利用”。污泥的焚烧处置由于具有高减量率,处理速度快,破坏一切有机污染物等优点,逐渐成为主流污泥处置方式。但是城市污泥的含水率高、热值低,使得在焚烧时不得不投加大量的化石燃料来维持稳定燃烧。同时我国《可再生能源发展“十三五”规划》确立了大力发展生物质能发电的方向,稻壳作为一种典型的农业生物质废弃物,热值高且氮硫含量低,被广泛应用于生物质发电领域。如果能在900℃下实现污泥与稻壳的协同焚烧处置,并充分利用焚烧过程中所产生的热量进行发电。既解决了污泥的处置问题,又降低了处置过程中的能耗,同时实现了固体废弃物的能源化利用。本文以经过预处理的城市污泥及稻壳为对象,研究污泥-稻壳混合物的热利用特性及残渣的熔融特性,讨论混烧灰的物化性质及重金属的迁移转换规律,揭示混烧灰自固化/稳定化的反应机理,主要研究内容和成果如下:(1)利用热分析法研究污泥与稻壳的热利用特性,讨论混烧过程中污泥与稻壳的相互作用,并建立“双伪组分四阶段半全局燃烧反应动力学模型”。结果表明,污泥-稻壳混合物的燃尽温度在490-710℃之间,通过低温焚烧(800℃)混合物中可燃质、有机污染物及病原微生物即可完全反应。从能源化利用的角度出发,对污泥与稻壳进行协同处置时,污泥掺量可达30%。污泥-稻壳混合物的热反应动力学过程可按控制机理分为四阶段:一维扩散→三级化学反应→一维扩散→三维扩散。(2)于不同灰化温度下制备污泥-稻壳混烧灰,研究混烧灰的物化性能,讨论化学组分、矿物组分对灰熔融特性的影响,结合三元相图法与烧结指数法,并参考常规的结渣性能指标,判别能否实现污泥-稻壳混合物的低温熔融。结果表明,混烧灰的主要化学成分为SiO2,A12O3,CaO。混烧灰的主要矿物组分为玻璃体,石英及斜方钙沸石。灰的化学组分及矿物组分是影响灰熔融特性的内部因素。Si02含量的增加显著提高了混烧灰的熔点,CaO、A12O3含量的增加降低了混烧灰的熔点;玻璃体含量的增加提高了混烧灰的熔点,而晶体含量的增加降低了混烧灰的熔点。综合考虑根据常规结渣性能预测指标、三元相图法与烧结指数法所预测的结果可知,在低于900℃协同焚烧处置污泥与稻壳,混烧灰不会发生熔融。(3)通过对混烧灰中重金属形态分布的研究,探究重金属的迁移转换规律,讨论污泥-稻壳的协同作用对重金属迁移转换规律的影响,评价混烧灰的生态环境风险。结果表明,混烧灰中的目标重金属元素含量较高,且随初始污泥掺量的提高而增加。混烧灰中Mn,Zn,Cu元素的累计浸出浓度超过污水综合排放标准,因而污泥-稻壳混烧灰属于第Ⅱ类一般工业固体废物。混烧灰中Cr,Fe,Ni元素主要以残渣态存在,即主要存在于稳定的矿物晶格内,而Mn,Zn元素主要以弱酸提取态存在,即主要以吸附/沉淀/共沉淀的形式存在。所以Cr,Fe,Ni的可迁移能力弱,相反Mn,Zn具有极强的迁移性。污泥与稻壳的协同作用抑制了重金属向气相环境及液相环境的迁移转换,表明一定量污泥的掺入有利于重金属稳定存在于混烧灰中。根据RAC指数,混烧灰表现出较高的生态环境风险。(4)对混烧灰进行固化处理,研究自固化体的固化/稳定化机理,探讨固化体中重金属的长期浸出行为。结果表明,自固化体的水化反应在不同的反应阶段,控制因素有所不同:前期由随机成核然后生长过程控制,中后期由扩散过程控制。根据水化动力学参数,混烧灰的加入降低了浆体的扩散系数,阻碍了自固化体早期的水化/硬化反应。因此混烧灰的加入降低了自固化体早期的抗压强度。随着养护龄期的延长,固化体微观结构逐渐致密,并且混烧灰参与到胶凝材料的水化硬化反应中,促进了自固化体中稳定型C-S-H等水化产物的生成,所以混烧灰的加入提高了自固化体中后期的抗压强度。相较混烧灰,自固化体中重金属弱酸提取态的减少,表明重金属的可浸出性减弱。但参考污水综合排放标准可知,自固化体中的Mn元素的浸出浓度仍超标。复合固化体中Ba,Ni,Zn元素的浸出浓度/长期浸出浓度均低于地下水地下水三级标准。而Mn的长期浸出浓度超过地下水地下水四级标准,但仍远低于污水综合排放标准。表明对混烧灰进行水泥-沥青复合固化/稳定化处理能在长时间尺度内阻止重金属元素向环境的释放。