城市垃圾焚燒飛灰水浸處理濾液的處置研究

陳雄飛，黃升謀

（湖北文理學(xué)院　化學(xué)工程與食品科學(xué)學(xué)院，湖北　襄陽　441053）

城市垃圾焚燒飛灰水浸處理濾液的處置研究

陳雄飛，黃升謀*

（湖北文理學(xué)院化學(xué)工程與食品科學(xué)學(xué)院，湖北襄陽441053）

水浸預(yù)處理是一種高效處理城市垃圾焚燒飛灰的工藝，以利于飛灰進(jìn)入水泥窯進(jìn)行協(xié)同處置.文章以城市垃圾焚燒飛灰水浸預(yù)處理過程中產(chǎn)生的水浸濾液作為研究對象，確定了批次逆流洗滌過程中產(chǎn)生的水浸濾液中的主要礦物成分為NaCl和KCl為代表的可溶性氯鹽，水浸濾液與制鹽鹵水的性質(zhì)較為接近，可通過鹽水分離方式達(dá)到水浸濾液的資源化利用，為飛灰水浸處理濾液的綜合利用提供了技術(shù)借鑒和參考.

飛灰；城市垃圾；水浸濾液；可溶性氯鹽

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，越來越多的大中城市傾向于采用焚燒這一減量化明顯的方式來處理大量的城市垃圾，然而城市垃圾焚燒過程中將產(chǎn)生被列為危險廢物的二次污染物飛灰［1］.目前飛灰的處置主要采用固化穩(wěn)定化后安全填埋的方式，但面臨著選址困難以及存在環(huán)境安全風(fēng)險隱患等諸多問題［2］.

水泥窯協(xié)同處置飛灰技術(shù)被視為能夠消納飛灰并實現(xiàn)資源化利用的有效處置措施，為保證水泥窯的安全運(yùn)行和水泥產(chǎn)品的質(zhì)量，必須采用水浸等高效經(jīng)濟(jì)的預(yù)處理技術(shù)脫除富集于飛灰中高含量的氯元素［3-4］.然而，水浸處理大量飛灰的同時不可避免地將產(chǎn)生大量過濾液廢水，實現(xiàn)該廢水的妥善處理是城市垃圾焚燒飛灰資源化處理全過程中必不可少的環(huán)節(jié).因此，本文在進(jìn)行相關(guān)批次處理飛灰獲取水浸濾液的基礎(chǔ)上，考察水浸處理濾液的性質(zhì)并就水浸濾液的資源化利用提出了相應(yīng)的解決方案，為水泥窯協(xié)同處置飛灰的全過程提供理論依據(jù)和技術(shù)參考.

1　材料與方法

1.1實驗材料及預(yù)處理

實驗所用的飛灰取自北京市某垃圾焚燒廠正常運(yùn)行時收集的飛灰，飛灰呈淺灰色，將飛灰樣品經(jīng)碾磨后過100目標(biāo)準(zhǔn)篩，篩下的飛灰粒徑分布接近正態(tài)分布，且主要粒徑大小范圍為10～63μm之間，粒徑在60μm以下的約占總量的80%.篩下飛灰于105℃下干燥8h達(dá)到恒重后（測得含水率為4.18%），儲存于棕色玻璃瓶中待測.

1.2實驗方法

以去離子水為浸提劑，研究水浸處理飛灰后產(chǎn)生的水浸濾液的性質(zhì).為了得到較高濃度的飛灰水浸濾液，實驗按照一定的水灰比將混合液置于恒溫水浴箱內(nèi)開展連續(xù)逆流水浸預(yù)處理搖瓶實驗，飛灰連續(xù)逆流水浸實驗示意圖如圖1所示.實驗過程按照批次進(jìn)行，每一批次內(nèi)部設(shè)置三級逆流洗滌，分別控制每步的操作條件為：振蕩頻率110±10次/min，水溫40℃，時間5min，水灰比6mL/g.經(jīng)過設(shè)定的試驗條件后，混合液經(jīng)0.45μm的濾膜真空抽濾后進(jìn)行性質(zhì)分析，濾餅在100℃下真空烘干24h.

1.3分析方法

1.3.1水浸濾液中氯元素濃度的測定

采用硝酸銀滴定法（GB 11896-89）測定水浸濾液中氯元素的濃度.

1.3.2飛灰礦物相組成XRD分析

采用X射線衍射分析儀XRD（XD-5A型X射線衍射儀）分析水浸處理前后飛灰的礦物相組成（Cu靶，管壓40kV，管流40mA，波長0.15418nm）.

圖1　飛灰連續(xù)逆流水浸實驗示意

1.3.3結(jié)晶鹽XRD分析

取水浸處理后的過濾液，利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器得到過濾液的結(jié)晶體，并在105℃下完全烘干，利用X射線衍射分析儀XRD分析結(jié)晶鹽的主要礦物組成.

2　實驗結(jié)果與分析

2.1水浸濾液的制備

取模擬連續(xù)逆流處理達(dá)到穩(wěn)定時（從第6批次開始達(dá)到穩(wěn)定）每批次內(nèi)部3級處理過程中每級處理完成后的過濾液，采用硝酸銀滴定法測定濾液中氯元素的量，實驗結(jié)果如圖2所示.

圖2　飛灰連續(xù)逆流水浸實驗結(jié)果

由圖2可知，實驗室條件下模擬連續(xù)逆流水浸處理達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，批次內(nèi)部每級處理完成后形成的水浸濾液中氯元素的含量變化呈現(xiàn)出了相同的變化規(guī)律，經(jīng)過第三級處理后，存在于第三級水浸濾液中氯元素的量則幾乎為零.出灰階段水浸濾液中氯元素的含量特征，同樣說明逆流水浸處理可以達(dá)到完全脫除飛灰中的可溶性氯鹽，更為重要的是整個過程中充分利用了飛灰中可溶解氯鹽的濃度差，促使可溶性氯鹽從飛灰中脫除并進(jìn)入液相中，且形成的水浸濾液的濃度較高.

2.2飛灰水浸前后礦物相變化

將水浸處理前后的樣品采用X射線衍射分析儀分析其所含有的主要礦物相.圖3（a）為水浸處理前的飛灰XRD圖.從圖3（a）中可以看出，水浸處理前的飛灰中主要礦物相為氯鹽（NaCl、KCl）、硅酸鹽（SiCl4）以及鈣鹽（CaCO3、CaSiO4），其中可溶性礦物相以可溶性氯鹽為主；同時XRD衍射圖譜上呈現(xiàn)出了較多較小的、波紋狀的峰，說明原樣飛灰中含有大量的非晶態(tài)的玻璃類物質(zhì)，大多數(shù)情況下，飛灰中的重金屬元素富集在非結(jié)晶相中，在晶體相中分布很少，故水浸處理對于飛灰中重金屬元素的脫除影響有限.

從水浸處理后的飛灰XRD譜圖3（b）可知，水浸處理后的飛灰礦物相組成主要為CaCO3、CaSO4以及SiO2，礦物相類別屬于鈣、硅的化合物及其結(jié)晶相的組合，同時XRD圖譜中仍然沒有發(fā)現(xiàn)與其他重金屬元素的結(jié)晶相相匹配的衍射峰.通過對比圖3（a）與圖3（b）可知，以NaCl、KCl為代表的氯鹽通過水浸處理已基本完全溶解進(jìn)入液相之中，說明水浸預(yù)處理方法可以較為方便的脫除飛灰中的可溶性礦物質(zhì)，且真空過濾得到的水浸濾液的成分較為單一，工業(yè)上通過蒸發(fā)結(jié)晶的方法也易于分離鹽水達(dá)到回收利用水資源和提純鹽類化合物的目的.

圖3　水浸處理前后飛灰XRD分析

2.3水浸濾液的基本性質(zhì)

取飛灰水浸處理后產(chǎn)生的水浸濾液進(jìn)行水質(zhì)分析，結(jié)果見表1.由表1可以看出，在本實驗設(shè)定的條件下，水浸處理后的水浸濾液呈現(xiàn)出高堿度、高鹽分的物理特征.高鹽廢水是指總含鹽量至少為1%的廢水，本實驗所取用的水浸濾液中的含鹽量約為4.1%，屬于高鹽廢水的范疇.

表1　水浸濾液水質(zhì)分析結(jié)果

圖4為水浸處理后的結(jié)晶鹽XRD衍射譜圖.從圖中可以看出，類似于水浸處理前飛灰XRD衍射圖譜上較多較小的、波紋狀的峰已基本消失，取而代之的是峰位、峰強(qiáng)和標(biāo)準(zhǔn)卡片NaCl及KCl圖譜相匹配的，峰形較尖銳的衍射峰，說明該結(jié)晶體為純凈度較高的結(jié)晶物質(zhì)（結(jié)晶鹽），其主要礦物相組成為NaCl及KCl，同時說明了水浸濾液的性質(zhì)近似于鹽溶液，由于水浸濾液中含有比較純凈的氯化物.

圖4　水浸處理后的結(jié)晶鹽XRD分析

對于后一步的處理，可以考慮利用NaCl以及KCl溶解度的差異使之分離，同時蒸發(fā)冷凝水可以收集回用于水浸處理工藝流程.

2.4水浸濾液的處置

因飛灰中的鹽分主要以NaCl、KCl為代表的可溶性氯鹽的形式存在，其性質(zhì)近似于制鹽工業(yè)中的原鹵水，故可采用制鹽過程中的多效蒸發(fā)技術(shù)或者機(jī)械式蒸汽再壓縮蒸發(fā)技術(shù)（MVR），水浸濾液通過后續(xù)的蒸發(fā)結(jié)晶達(dá)到鹽水分離，結(jié)晶鹽可外售作為工業(yè)用鹽［5］，同時蒸發(fā)冷凝進(jìn)入回用系統(tǒng)達(dá)到水資源循環(huán)利用的目的，同時降低了企業(yè)排污費(fèi)用和水資源的消耗費(fèi)用，見圖5.然而因鹵水的不斷蒸發(fā)濃縮，液相中的鈣鎂離子濃度將逐漸增加，極易在換熱器表面和蒸發(fā)罐壁產(chǎn)生致密而堅固的垢層.

隨著制鹽工業(yè)的不斷發(fā)展，研究者［6-9］對于輸送管道及蒸發(fā)器中的結(jié)垢現(xiàn)象均通過試驗研究和工程化應(yīng)用得出了切實可行的鹵水凈化防垢和除垢的解決方案，其基本的解決思路為：從改進(jìn)蒸發(fā)設(shè)備方面以及控制鹵水水質(zhì)方面達(dá)到阻垢的效果；通過控制pH、加入無機(jī)/有機(jī)阻垢劑、采用機(jī)械、超聲波等措施達(dá)到阻垢緩蝕的目的，故結(jié)垢問題不是水浸濾液進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶達(dá)到資源化利用的阻礙.

圖5　水浸濾液的處置流程

3　結(jié)論

1）水浸處理前后飛灰XRD分析結(jié)果顯示飛灰中主要礦物相為氯鹽（NaCl、KCl）、硅酸鹽（SiCl4）、鈣鹽（CaCO3、CaSiO4）等，通過水浸處理可以較為方便的脫除氯鹽，并得到的成分單一的水浸濾液，該濾液易于通過分離達(dá)到回收利用水資源和提純鹽類化合物的效果.

2）水浸處理后的結(jié)晶鹽XRD分析結(jié)果表明飛灰中的含氯化合物是以NaCl和KCl為代表的可溶性氯鹽，水浸濾液的性質(zhì)近似于鹽溶液，可通過鹽水分離方式達(dá)到水浸濾液的資源化利用.

3）水浸濾液的處置可以采用制鹽過程中的多效蒸發(fā)技術(shù)或者機(jī)械式蒸汽再壓縮蒸發(fā)技術(shù)（MVR），水浸濾液通過后續(xù)的蒸發(fā)結(jié)晶達(dá)到鹽水分離，結(jié)晶鹽可外售作為工業(yè)用鹽，同時蒸發(fā)冷凝進(jìn)入回用系統(tǒng)達(dá)到水資源循環(huán)利用的目的.

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Treatment of Water-Leaching Filtrate of Municipal Waste Incineration Fly Ash

CHEN Xiongfei，HUANG Shengmou

（School of Chemical Engineering and Food Science，Hubei University of Arts and Science，Xiangyang 441053，China）

Research shows that water-leaching pretreatm ent i s a highly efficient processing technology for municipal waste incineration fly ash，which facilitates its entry into the cement kiln for co-processing.This paper studied the filtrate of typical municipal waste incineration fly ash after water-leaching pretreatment and batches of countercurrent water-leaching treatment were conducted to confirm that the main mineral compositions were sodium chloride（NaCl）and potassium chloride（KCl）.And the properties between filtrates and salt brine were compared.The study would provide technical reference for resource utilization of water-leaching filtrates.

Fly ash；Municipal waste；Water-leaching filtrate；Soluble chloride salt

X705

A

2095-4476（2016）08-0016-04

2016-04-21；

2016-06-06

陳雄飛（1990—），男，湖北荊門人，湖北文理學(xué)院與武漢工程大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生.

（責(zé)任編輯：徐杰）