基于危險廢物填埋新形勢下焚燒產生飛灰處置技術研究

梁朋曉,王倩琳, 劉庚, 李江超, 田雄盼

(渭南德昌環保科技有限公司,陜西 渭南 715500)

焚燒是一種高溫熱處理技術,可使可燃廢物經干燥、焚燒、燃盡后轉變為簡單無機物,具有處置物料范圍廣、有害物質破壞徹底、減量化效果好、資源可回收等優勢[1-3]。隨著我國城市化進程的加快,固體廢物產生量與日俱增,焚燒技術得到越來越多的應用[4]。中國對固體廢棄物的焚燒處置比例也在逐年上升,目前已經達到18%左右,焚燒已經成為了最具潛力的固廢處置方式[5-8]。

雖然焚燒處置技術的優勢很多,但是其二次污染產物焚燒飛灰在《危險廢物污染防治技術政策》中被劃為危險廢物,其處理處置是個難題[9-11]。目前常用的方法是化學藥劑穩定、水泥穩定固化、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,不可直接進入柔性填埋場,而剛性填埋場的處置成本是柔性填埋場處置成本的4倍,且水溶性鹽中的無機氯鹽會對飛灰處理處置的固化技術產生不利影響,導致固化體不穩定,提高了飛灰處置的難度和成本[15-17]。另外,隨著國家可持續性發展政策的提出,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降低資源化產品的質量,而且會破壞生產過程。因此,研究焚燒飛灰中水溶性鹽含量對焚燒飛灰處置至關重要。

本研究針對焚燒飛灰水洗進行了較為系統的研究,通過水洗將飛灰中的鹽類從固相轉移至水相,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理和規律,確定了最佳水洗參數,并進一步分析水洗產生的高鹽廢水中污染物的成分及含量,為后續處理做好準備。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用的焚燒飛灰于是渭南德昌環保科技公司的布袋除塵器排灰口(處理規模為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 實驗方法

1.2.1 混合飛灰入填埋場指標檢測

混合飛灰按照《危險廢物填埋污染控制標準》(GB 18598—2019)規定的危險廢物入填埋場要求進行烷基汞、汞、鉛、鎘、總鉻、六價鉻、銅、鋅、鈹、鋇、鎳、砷、無機氟化物、氰化物、水溶性鹽、有機質、pH值、含水率十八項檢測。

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定,設置攪拌器水洗時間為3 min,轉速設置為1 200 r/min。通過抽濾裝置進行抽濾,得到水洗濾液和水洗后的泥狀飛灰。泥狀飛灰進行水溶性鹽含量分析。再依次進行攪拌時間、攪拌溫度、攪拌速率單因素實驗。對最佳水洗工藝參數下得到的水洗液進行pH值、F-、Cl-、COD、氨氮項目檢測。

1.2.3 飛灰水洗液處置方法研究

對水洗飛灰后得到的水洗液進行水質檢測分析,用水洗液對新一批的飛灰進行水洗,研究水洗液的資源化利用,并對水洗后液體的處置方法進行研究。

1.3 分析方法

混合飛灰鉛、鎘、總鉻、銅、鋅、鈹、鋇、鎳測定采用電感耦合等離子體發射光譜儀(美國Thermo Fishier,iCAP Pro);汞、砷測定采用原子熒光光度計(湖南三德,SDAFS100);烷基汞測定采用氣相色譜儀(美國安捷倫,GC7890);含水率的測定采用鹵素水分測定儀(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定》(NY/T 1121.16-2006);pH值采用 pH 計(上海雷磁,PHS-3E)進行測定;有機質的測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-離子質量濃度的測定采用離子色譜儀(青島盛瀚,CIC-D100);水洗液中COD和氨氮測定采用COD多參數水質分析儀(連華科技,5B-6C(V8))。

2 結果與討論

2.1 混合飛灰入填埋場指標檢測

根據《危險廢物填埋污染控制標準》(GB 18598—2019)要求對飛灰進行浸出,浸出液測定結果如表1所示,與標準進行對比,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質分別為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定結果為53.42%,遠高于進柔性填埋場的要求。因此,降低飛灰中水溶性鹽含量顯得尤為重要。

表1 混合飛灰入填埋場指標檢測*

2.2 飛灰水洗除鹽影響因素研究

2.2.1 水固比

水固比單因素實驗對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,經固液分離后的濾餅水溶性鹽含量已從53.42%降低至10.67%,接近危廢填埋標準中要求的限值10%,說明水固比對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,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)時濾餅水溶性鹽含量最低,為2.93%,此時飛灰水溶性鹽去除效果最佳。當水固比由5∶1(mL∶g)繼續增加至15∶1(mL∶g),濾餅的水溶性鹽含量不降反增。說明當水固比小于5∶1(mL∶g)時,水洗過程以溶解為主;當水固比大于5∶1(mL∶g)時,水洗過程以脫附為主。但是當水固比為4∶1(mL∶g)時,已經達到柔性填埋廠填埋標準要求,結合生產成本考慮,將最適水固比定為4∶1(mL∶g)。

圖1 水固比對水洗飛灰中水溶性鹽含量的影響

2.2.2 攪拌時間

攪拌時間對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,在極短時間內,飛灰水溶性鹽含量在水固兩相中發生了迅速的遷移,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。增加反應時間,水溶性鹽含量下降明顯,攪拌時間3 min時達到最佳攪拌時間,此時濾餅水溶性鹽含量最低,為5.05%。延長攪拌時間,水洗5 min以后,水溶性鹽的溶出已趨于穩定,這與王雨婷[21]的研究結果一致,且濾餅的含水率保持在48%左右,滿足柔性填埋要求。

圖2 攪拌時間對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,低于臨界點時,濾餅的水溶性鹽含量升高,攪拌溫度超過臨界點時,濾餅的水溶性鹽含量迅速增加,在50 ℃時增長速率減小。由于在20～60 ℃范圍內進行水洗后,濾餅的水溶性鹽含量在4%～7%,結合實際生產要求及生產成本,可在室溫下進行水洗飛灰工序。

圖3 攪拌溫度對水洗飛灰中水溶性鹽含量的影響

2.2.4 攪拌速率

圖4顯示了攪拌速率對水洗飛灰中水溶性鹽含量的影響。圖4說明當攪拌速率為1 200 r/min時,一級水洗飛灰后的水溶性鹽含量最低,此時濾餅的水溶性鹽含量為3.98%。攪拌速率對飛灰脫鹽效果的影響程度不高,Chen[22]等通過正交實驗也得到了相關結論。

圖4 攪拌速率對水洗飛灰中水溶性鹽含量的影響

根據單因素實驗結果可以得到水固比和攪拌時間對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)、水洗攪拌時間為3 min、攪拌溫度為30 ℃、攪拌速率為1 200 r/min。此時得到的濾餅和水洗液相關參數如表2所示,可以看到經水洗后飛灰的質量減少了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%,可以直接進入柔性填埋場進行填埋。

表2 最佳工藝條件下濾餅和水洗液的相關參數

2.3 飛灰水洗液處置方法研究

飛灰水洗后的水洗液水質較差,不能滿足《污水排入城鎮下水道水質標準》,需進行進一步處理。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,可繼續運用到新一批飛灰的水洗過程中,嘗試直接用水洗液進行水洗,經水洗后的濾餅和水洗液相關參數見表4,水洗液進行二次水洗后,仍將飛灰的水溶性鹽含量從53.42%降低至20.35%,在后續研究中可向水洗液中增加水量后進行水洗。經水洗后的廢液可進入三效蒸發裝置進行水鹽分離,鹽分進入剛性填埋場處置,冷凝液pH值呈中性,COD和氨氮均在幾十毫克每升左右,經檢測合格后可直接回用于生產用水。

表3 水洗液水質分析

表4 濾餅和水洗液的相關參數

3 結論

本文針對焚燒飛灰水溶性鹽高的特點,采用水洗和安全填埋相結合的處置方式,優化水洗參數,最終降低了飛灰中水溶性鹽含量,達到降本增效的目的。同時,分析了水洗液中含鹽量、COD、氨氮質量濃度、pH值等水質控制項目,為后續水洗液的處置做好考慮。結果如下:

(1)水固比和攪拌時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水洗飛灰除鹽的影響效果不明顯。在實際生產中,可將水固比和攪拌時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,當水固比為4∶1(mL∶g)、水洗攪拌時間為3 min時,水洗攪拌溫度為30 ℃、水洗速率為1 200 r/min時,濾餅的水溶性鹽含量為3.98%,滿足《危險廢物填埋污染控制標準》(GB 18598—2019)規定的危險廢物入填埋場要求,可進入柔性填埋場處置。飛灰經水洗后,質量和體積分別減少了52.48%和33.85%,這在危廢處置行業具有明顯的社會和經濟效益。

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

4 不足與展望

通過水洗飛灰實驗實現了降低飛灰水溶性鹽的目的,符合了危險廢物填埋新形勢下對危險廢物處置行業提出的新要求。但在文中對二級水洗的研究不夠深入,可以在后續研究中繼續嘗試多級水洗,使水洗液的含鹽量達到飽和再進行處理,降低水洗液多次處置及大量用水帶來的成本問題。另外,可以對三效蒸發處置得到的水溶性鹽進行資源化處置研究,在尋找節約成本方式的同時增加危險廢物焚燒產生飛灰回收利用的可能性。