基于危險(xiǎn)廢物填埋新形勢(shì)下焚燒產(chǎn)生飛灰處置技術(shù)研究

梁朋曉,王倩琳, 劉庚, 李江超, 田雄盼

(渭南德昌環(huán)保科技有限公司,陜西 渭南 715500)

焚燒是一種高溫?zé)崽幚砑夹g(shù),可使可燃廢物經(jīng)干燥、焚燒、燃盡后轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單無機(jī)物,具有處置物料范圍廣、有害物質(zhì)破壞徹底、減量化效果好、資源可回收等優(yōu)勢(shì)[1-3]。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快,固體廢物產(chǎn)生量與日俱增,焚燒技術(shù)得到越來越多的應(yīng)用[4]。中國(guó)對(duì)固體廢棄物的焚燒處置比例也在逐年上升,目前已經(jīng)達(dá)到18%左右,焚燒已經(jīng)成為了最具潛力的固廢處置方式[5-8]。

雖然焚燒處置技術(shù)的優(yōu)勢(shì)很多,但是其二次污染產(chǎn)物焚燒飛灰在《危險(xiǎn)廢物污染防治技術(shù)政策》中被劃為危險(xiǎn)廢物,其處理處置是個(gè)難題[9-11]。目前常用的方法是化學(xué)藥劑穩(wěn)定、水泥穩(wěn)定固化、熔融固化法、提取處理法等,再配合填埋/安全填埋處置[12-14]。但是,焚燒飛灰中的水溶性鹽含量大都在50%～70%左右,不可直接進(jìn)入柔性填埋場(chǎng),而剛性填埋場(chǎng)的處置成本是柔性填埋場(chǎng)處置成本的4倍,且水溶性鹽中的無機(jī)氯鹽會(huì)對(duì)飛灰處理處置的固化技術(shù)產(chǎn)生不利影響,導(dǎo)致固化體不穩(wěn)定,提高了飛灰處置的難度和成本[15-17]。另外,隨著國(guó)家可持續(xù)性發(fā)展政策的提出,資源化利用受到越來越多的重視。然而,飛灰中高濃度的水溶性鹽不僅會(huì)降低資源化產(chǎn)品的質(zhì)量,而且會(huì)破壞生產(chǎn)過程。因此,研究焚燒飛灰中水溶性鹽含量對(duì)焚燒飛灰處置至關(guān)重要。

本研究針對(duì)焚燒飛灰水洗進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,通過水洗將飛灰中的鹽類從固相轉(zhuǎn)移至水相,并分析了水洗脫除焚燒飛灰中水溶性鹽的影響因素,揭示了水溶性鹽的脫除機(jī)理和規(guī)律,確定了最佳水洗參數(shù),并進(jìn)一步分析水洗產(chǎn)生的高鹽廢水中污染物的成分及含量,為后續(xù)處理做好準(zhǔn)備。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的焚燒飛灰于是渭南德昌環(huán)?？萍脊镜牟即龎m器排灰口(處理規(guī)模為60 t·d-1) 5～7月的混合飛灰,放置在密封袋中保存,緊密堆積密度在65 g/cm3左右。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 混合飛灰入填埋場(chǎng)指標(biāo)檢測(cè)

混合飛灰按照《危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18598—2019)規(guī)定的危險(xiǎn)廢物入填埋場(chǎng)要求進(jìn)行烷基汞、汞、鉛、鎘、總鉻、六價(jià)鉻、銅、鋅、鈹、鋇、鎳、砷、無機(jī)氟化物、氰化物、水溶性鹽、有機(jī)質(zhì)、pH值、含水率十八項(xiàng)檢測(cè)。

1.2.2 飛灰水洗除鹽影響因素研究

稱取30 g的飛灰,按照3∶1,4∶1,5∶1,10∶1,15∶1(mL∶g)的水固比加入蒸餾水與飛灰混合,為了保證可溶性離子的溶出和穩(wěn)定,設(shè)置攪拌器水洗時(shí)間為3 min,轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 200 r/min。通過抽濾裝置進(jìn)行抽濾,得到水洗濾液和水洗后的泥狀飛灰。泥狀飛灰進(jìn)行水溶性鹽含量分析。再依次進(jìn)行攪拌時(shí)間、攪拌溫度、攪拌速率單因素實(shí)驗(yàn)。對(duì)最佳水洗工藝參數(shù)下得到的水洗液進(jìn)行pH值、F-、Cl-、COD、氨氮項(xiàng)目檢測(cè)。

1.2.3 飛灰水洗液處置方法研究

對(duì)水洗飛灰后得到的水洗液進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)分析,用水洗液對(duì)新一批的飛灰進(jìn)行水洗,研究水洗液的資源化利用,并對(duì)水洗后液體的處置方法進(jìn)行研究。

1.3 分析方法

混合飛灰鉛、鎘、總鉻、銅、鋅、鈹、鋇、鎳測(cè)定采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國(guó)Thermo Fishier,iCAP Pro);汞、砷測(cè)定采用原子熒光光度計(jì)(湖南三德,SDAFS100);烷基汞測(cè)定采用氣相色譜儀(美國(guó)安捷倫,GC7890);含水率的測(cè)定采用鹵素水分測(cè)定儀(深圳分析,CSY-L5);水溶性鹽含量的分析方法是《土壤水溶性鹽總量的測(cè)定》(NY/T 1121.16-2006);pH值采用 pH 計(jì)(上海雷磁,PHS-3E)進(jìn)行測(cè)定;有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用熱灼減率分析儀(湖南三德,SDLOI 1000);水洗采用磁力加熱攪拌器(上海一恒,IT-09A12)攪拌;水洗液中 F-、Cl-離子質(zhì)量濃度的測(cè)定采用離子色譜儀(青島盛瀚,CIC-D100);水洗液中COD和氨氮測(cè)定采用COD多參數(shù)水質(zhì)分析儀(連華科技,5B-6C(V8))。

2 結(jié)果與討論

2.1 混合飛灰入填埋場(chǎng)指標(biāo)檢測(cè)

根據(jù)《危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18598—2019)要求對(duì)飛灰進(jìn)行浸出,浸出液測(cè)定結(jié)果如表1所示,與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比,表中有害成分濃度均未超過允許填埋控制限值。飛灰的含水率和有機(jī)質(zhì)分別為3.84%和3.78%,低于填埋控制限值的60%和5%。然而飛灰的水溶性鹽含量測(cè)定結(jié)果為53.42%,遠(yuǎn)高于進(jìn)柔性填埋場(chǎng)的要求。因此,降低飛灰中水溶性鹽含量顯得尤為重要。

表1 混合飛灰入填埋場(chǎng)指標(biāo)檢測(cè)*

2.2 飛灰水洗除鹽影響因素研究

2.2.1 水固比

水固比單因素實(shí)驗(yàn)對(duì)水洗飛灰除鹽效果的影響如圖1所示。由圖1可知水固比在3∶1(mL∶g)時(shí),經(jīng)固液分離后的濾餅水溶性鹽含量已從53.42%降低至10.67%,接近危廢填埋標(biāo)準(zhǔn)中要求的限值10%,說明水固比對(duì)飛灰水溶性鹽的脫除具有顯著影響。隨著水固比的增加,濾餅的水溶性鹽含量呈下降趨勢(shì),這是由于水量的增加使飛灰中的水溶性鹽趨于完全溶解所致[18-20]。在水固比5∶1(mL∶g)時(shí)濾餅水溶性鹽含量最低,為2.93%,此時(shí)飛灰水溶性鹽去除效果最佳。當(dāng)水固比由5∶1(mL∶g)繼續(xù)增加至15∶1(mL∶g),濾餅的水溶性鹽含量不降反增。說明當(dāng)水固比小于5∶1(mL∶g)時(shí),水洗過程以溶解為主;當(dāng)水固比大于5∶1(mL∶g)時(shí),水洗過程以脫附為主。但是當(dāng)水固比為4∶1(mL∶g)時(shí),已經(jīng)達(dá)到柔性填埋廠填埋標(biāo)準(zhǔn)要求,結(jié)合生產(chǎn)成本考慮,將最適水固比定為4∶1(mL∶g)。

圖1 水固比對(duì)水洗飛灰中水溶性鹽含量的影響

2.2.2 攪拌時(shí)間

攪拌時(shí)間對(duì)水洗飛灰中水溶性鹽含量的影響見圖2。從圖2中可以看到,在極短時(shí)間內(nèi),飛灰水溶性鹽含量在水固兩相中發(fā)生了迅速的遷移,僅攪拌1 min,濾餅水溶性鹽就降至10%以下,濾餅的含水率為29.14%,具備可填埋的條件。增加反應(yīng)時(shí)間,水溶性鹽含量下降明顯,攪拌時(shí)間3 min時(shí)達(dá)到最佳攪拌時(shí)間,此時(shí)濾餅水溶性鹽含量最低,為5.05%。延長(zhǎng)攪拌時(shí)間,水洗5 min以后,水溶性鹽的溶出已趨于穩(wěn)定,這與王雨婷[21]的研究結(jié)果一致,且濾餅的含水率保持在48%左右,滿足柔性填埋要求。

圖2 攪拌時(shí)間對(duì)水洗飛灰中水溶性鹽含量的影響

2.2.3 攪拌溫度

圖3是攪拌溫度對(duì)水洗飛灰中水溶性鹽含量的影響。顯然30 ℃是去除水溶性鹽的臨界點(diǎn),低于臨界點(diǎn)時(shí),濾餅的水溶性鹽含量升高,攪拌溫度超過臨界點(diǎn)時(shí),濾餅的水溶性鹽含量迅速增加,在50 ℃時(shí)增長(zhǎng)速率減小。由于在20～60 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行水洗后,濾餅的水溶性鹽含量在4%～7%,結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)要求及生產(chǎn)成本,可在室溫下進(jìn)行水洗飛灰工序。

圖3 攪拌溫度對(duì)水洗飛灰中水溶性鹽含量的影響

2.2.4 攪拌速率

圖4顯示了攪拌速率對(duì)水洗飛灰中水溶性鹽含量的影響。圖4說明當(dāng)攪拌速率為1 200 r/min時(shí),一級(jí)水洗飛灰后的水溶性鹽含量最低,此時(shí)濾餅的水溶性鹽含量為3.98%。攪拌速率對(duì)飛灰脫鹽效果的影響程度不高,Chen[22]等通過正交實(shí)驗(yàn)也得到了相關(guān)結(jié)論。

圖4 攪拌速率對(duì)水洗飛灰中水溶性鹽含量的影響

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到水固比和攪拌時(shí)間對(duì)水洗飛灰除鹽的影響程度最大,最終擬采用的工藝條件是:水固比4∶1(mL∶g)、水洗攪拌時(shí)間為3 min、攪拌溫度為30 ℃、攪拌速率為1 200 r/min。此時(shí)得到的濾餅和水洗液相關(guān)參數(shù)如表2所示,可以看到經(jīng)水洗后飛灰的質(zhì)量減少了52.48%,體積減少了33.85%。水洗后的濾餅含水率為44.27%,水溶性鹽含量為3.98%,可以直接進(jìn)入柔性填埋場(chǎng)進(jìn)行填埋。

表2 最佳工藝條件下濾餅和水洗液的相關(guān)參數(shù)

2.3 飛灰水洗液處置方法研究

飛灰水洗后的水洗液水質(zhì)較差,不能滿足《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》,需進(jìn)行進(jìn)一步處理。由表3可知,水洗飛灰后的水洗液含鹽量為13.68%,COD為22 000 mg/L、氨氮質(zhì)量濃度為179.05 mg/L、pH值為12.05,F-、Cl-分別為57.56 mg/L和3.85 mg/L。由于水洗液的含鹽量不高,可繼續(xù)運(yùn)用到新一批飛灰的水洗過程中,嘗試直接用水洗液進(jìn)行水洗,經(jīng)水洗后的濾餅和水洗液相關(guān)參數(shù)見表4,水洗液進(jìn)行二次水洗后,仍將飛灰的水溶性鹽含量從53.42%降低至20.35%,在后續(xù)研究中可向水洗液中增加水量后進(jìn)行水洗。經(jīng)水洗后的廢液可進(jìn)入三效蒸發(fā)裝置進(jìn)行水鹽分離,鹽分進(jìn)入剛性填埋場(chǎng)處置,冷凝液pH值呈中性,COD和氨氮均在幾十毫克每升左右,經(jīng)檢測(cè)合格后可直接回用于生產(chǎn)用水。

表3 水洗液水質(zhì)分析

表4 濾餅和水洗液的相關(guān)參數(shù)

3 結(jié)論

本文針對(duì)焚燒飛灰水溶性鹽高的特點(diǎn),采用水洗和安全填埋相結(jié)合的處置方式,優(yōu)化水洗參數(shù),最終降低了飛灰中水溶性鹽含量,達(dá)到降本增效的目的。同時(shí),分析了水洗液中含鹽量、COD、氨氮質(zhì)量濃度、pH值等水質(zhì)控制項(xiàng)目,為后續(xù)水洗液的處置做好考慮。結(jié)果如下:

(1)水固比和攪拌時(shí)間是影響水洗飛灰除鹽的主要因素,攪拌溫度和攪拌速率對(duì)水洗飛灰除鹽的影響效果不明顯。在實(shí)際生產(chǎn)中,可將水固比和攪拌時(shí)間作為首要考慮因子。

(2)水洗飛灰工藝可高效去除焚燒飛灰中的水溶性鹽含量,當(dāng)水固比為4∶1(mL∶g)、水洗攪拌時(shí)間為3 min時(shí),水洗攪拌溫度為30 ℃、水洗速率為1 200 r/min時(shí),濾餅的水溶性鹽含量為3.98%,滿足《危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18598—2019)規(guī)定的危險(xiǎn)廢物入填埋場(chǎng)要求,可進(jìn)入柔性填埋場(chǎng)處置。飛灰經(jīng)水洗后,質(zhì)量和體積分別減少了52.48%和33.85%,這在危廢處置行業(yè)具有明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

(3)水洗液中含鹽量為13.68%、COD為22 000 mg/L、氨氮質(zhì)量濃度為179.05 mg/L、pH值為12.05,F-、Cl-質(zhì)量濃度分別為57.56 mg/L和3.85 mg/L,可再次資源利用于飛灰水洗工藝中。之后產(chǎn)生的廢液可經(jīng)過三效蒸發(fā)進(jìn)行水鹽分離,鹽分進(jìn)入剛性填埋場(chǎng)進(jìn)行處置。

4 不足與展望

通過水洗飛灰實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了降低飛灰水溶性鹽的目的,符合了危險(xiǎn)廢物填埋新形勢(shì)下對(duì)危險(xiǎn)廢物處置行業(yè)提出的新要求。但在文中對(duì)二級(jí)水洗的研究不夠深入,可以在后續(xù)研究中繼續(xù)嘗試多級(jí)水洗,使水洗液的含鹽量達(dá)到飽和再進(jìn)行處理,降低水洗液多次處置及大量用水帶來的成本問題。另外,可以對(duì)三效蒸發(fā)處置得到的水溶性鹽進(jìn)行資源化處置研究,在尋找節(jié)約成本方式的同時(shí)增加危險(xiǎn)廢物焚燒產(chǎn)生飛灰回收利用的可能性。