基于危险废物填埋新形势下焚烧产生飞灰处置技术研究

梁朋晓,王倩琳, 刘庚, 李江超, 田雄盼

(渭南德昌环保科技有限公司,陕西 渭南 715500)

焚烧是一种高温热处理技术,可使可燃废物经干燥、焚烧、燃尽后转变为简单无机物,具有处置物料范围广、有害物质破坏彻底、减量化效果好、资源可回收等优势[1-3]。随着我国城市化进程的加快,固体废物产生量与日俱增,焚烧技术得到越来越多的应用[4]。中国对固体废弃物的焚烧处置比例也在逐年上升,目前已经达到18%左右,焚烧已经成为了最具潜力的固废处置方式[5-8]。

虽然焚烧处置技术的优势很多,但是其二次污染产物焚烧飞灰在《危险废物污染防治技术政策》中被划为危险废物,其处理处置是个难题[9-11]。目前常用的方法是化学药剂稳定、水泥稳定固化、熔融固化法、提取处理法等,再配合填埋/安全填埋处置[12-14]。但是,焚烧飞灰中的水溶性盐含量大都在50%～70%左右,不可直接进入柔性填埋场,而刚性填埋场的处置成本是柔性填埋场处置成本的4倍,且水溶性盐中的无机氯盐会对飞灰处理处置的固化技术产生不利影响,导致固化体不稳定,提高了飞灰处置的难度和成本[15-17]。另外,随着国家可持续性发展政策的提出,资源化利用受到越来越多的重视。然而,飞灰中高浓度的水溶性盐不仅会降低资源化产品的质量,而且会破坏生产过程。因此,研究焚烧飞灰中水溶性盐含量对焚烧飞灰处置至关重要。

本研究针对焚烧飞灰水洗进行了较为系统的研究,通过水洗将飞灰中的盐类从固相转移至水相,并分析了水洗脱除焚烧飞灰中水溶性盐的影响因素,揭示了水溶性盐的脱除机理和规律,确定了最佳水洗参数,并进一步分析水洗产生的高盐废水中污染物的成分及含量,为后续处理做好准备。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所用的焚烧飞灰于是渭南德昌环保科技公司的布袋除尘器排灰口(处理规模为60 t·d-1) 5～7月的混合飞灰,放置在密封袋中保存,紧密堆积密度在65 g/cm3左右。

1.2 实验方法

1.2.1 混合飞灰入填埋场指标检测

混合飞灰按照《危险废物填埋污染控制标准》(GB 18598—2019)规定的危险废物入填埋场要求进行烷基汞、汞、铅、镉、总铬、六价铬、铜、锌、铍、钡、镍、砷、无机氟化物、氰化物、水溶性盐、有机质、pH值、含水率十八项检测。

1.2.2 飞灰水洗除盐影响因素研究

称取30 g的飞灰,按照3∶1,4∶1,5∶1,10∶1,15∶1(mL∶g)的水固比加入蒸馏水与飞灰混合,为了保证可溶性离子的溶出和稳定,设置搅拌器水洗时间为3 min,转速设置为1 200 r/min。通过抽滤装置进行抽滤,得到水洗滤液和水洗后的泥状飞灰。泥状飞灰进行水溶性盐含量分析。再依次进行搅拌时间、搅拌温度、搅拌速率单因素实验。对最佳水洗工艺参数下得到的水洗液进行pH值、F-、Cl-、COD、氨氮项目检测。

1.2.3 飞灰水洗液处置方法研究

对水洗飞灰后得到的水洗液进行水质检测分析,用水洗液对新一批的飞灰进行水洗,研究水洗液的资源化利用,并对水洗后液体的处置方法进行研究。

1.3 分析方法

混合飞灰铅、镉、总铬、铜、锌、铍、钡、镍测定采用电感耦合等离子体发射光谱仪(美国Thermo Fishier,iCAP Pro);汞、砷测定采用原子荧光光度计(湖南三德,SDAFS100);烷基汞测定采用气相色谱仪(美国安捷伦,GC7890);含水率的测定采用卤素水分测定仪(深圳分析,CSY-L5);水溶性盐含量的分析方法是《土壤水溶性盐总量的测定》(NY/T 1121.16-2006);pH值采用 pH 计(上海雷磁,PHS-3E)进行测定;有机质的测定采用热灼减率分析仪(湖南三德,SDLOI 1000);水洗采用磁力加热搅拌器(上海一恒,IT-09A12)搅拌;水洗液中 F-、Cl-离子质量浓度的测定采用离子色谱仪(青岛盛瀚,CIC-D100);水洗液中COD和氨氮测定采用COD多参数水质分析仪(连华科技,5B-6C(V8))。

2 结果与讨论

2.1 混合飞灰入填埋场指标检测

根据《危险废物填埋污染控制标准》(GB 18598—2019)要求对飞灰进行浸出,浸出液测定结果如表1所示,与标准进行对比,表中有害成分浓度均未超过允许填埋控制限值。飞灰的含水率和有机质分别为3.84%和3.78%,低于填埋控制限值的60%和5%。然而飞灰的水溶性盐含量测定结果为53.42%,远高于进柔性填埋场的要求。因此,降低飞灰中水溶性盐含量显得尤为重要。

表1 混合飞灰入填埋场指标检测*

2.2 飞灰水洗除盐影响因素研究

2.2.1 水固比

水固比单因素实验对水洗飞灰除盐效果的影响如图1所示。由图1可知水固比在3∶1(mL∶g)时,经固液分离后的滤饼水溶性盐含量已从53.42%降低至10.67%,接近危废填埋标准中要求的限值10%,说明水固比对飞灰水溶性盐的脱除具有显著影响。随着水固比的增加,滤饼的水溶性盐含量呈下降趋势,这是由于水量的增加使飞灰中的水溶性盐趋于完全溶解所致[18-20]。在水固比5∶1(mL∶g)时滤饼水溶性盐含量最低,为2.93%,此时飞灰水溶性盐去除效果最佳。当水固比由5∶1(mL∶g)继续增加至15∶1(mL∶g),滤饼的水溶性盐含量不降反增。说明当水固比小于5∶1(mL∶g)时,水洗过程以溶解为主;当水固比大于5∶1(mL∶g)时,水洗过程以脱附为主。但是当水固比为4∶1(mL∶g)时,已经达到柔性填埋厂填埋标准要求,结合生产成本考虑,将最适水固比定为4∶1(mL∶g)。

图1 水固比对水洗飞灰中水溶性盐含量的影响

2.2.2 搅拌时间

搅拌时间对水洗飞灰中水溶性盐含量的影响见图2。从图2中可以看到,在极短时间内,飞灰水溶性盐含量在水固两相中发生了迅速的迁移,仅搅拌1 min,滤饼水溶性盐就降至10%以下,滤饼的含水率为29.14%,具备可填埋的条件。增加反应时间,水溶性盐含量下降明显,搅拌时间3 min时达到最佳搅拌时间,此时滤饼水溶性盐含量最低,为5.05%。延长搅拌时间,水洗5 min以后,水溶性盐的溶出已趋于稳定,这与王雨婷[21]的研究结果一致,且滤饼的含水率保持在48%左右,满足柔性填埋要求。

图2 搅拌时间对水洗飞灰中水溶性盐含量的影响

2.2.3 搅拌温度

图3是搅拌温度对水洗飞灰中水溶性盐含量的影响。显然30 ℃是去除水溶性盐的临界点,低于临界点时,滤饼的水溶性盐含量升高,搅拌温度超过临界点时,滤饼的水溶性盐含量迅速增加,在50 ℃时增长速率减小。由于在20～60 ℃范围内进行水洗后,滤饼的水溶性盐含量在4%～7%,结合实际生产要求及生产成本,可在室温下进行水洗飞灰工序。

图3 搅拌温度对水洗飞灰中水溶性盐含量的影响

2.2.4 搅拌速率

图4显示了搅拌速率对水洗飞灰中水溶性盐含量的影响。图4说明当搅拌速率为1 200 r/min时,一级水洗飞灰后的水溶性盐含量最低,此时滤饼的水溶性盐含量为3.98%。搅拌速率对飞灰脱盐效果的影响程度不高,Chen[22]等通过正交实验也得到了相关结论。

图4 搅拌速率对水洗飞灰中水溶性盐含量的影响

根据单因素实验结果可以得到水固比和搅拌时间对水洗飞灰除盐的影响程度最大,最终拟采用的工艺条件是:水固比4∶1(mL∶g)、水洗搅拌时间为3 min、搅拌温度为30 ℃、搅拌速率为1 200 r/min。此时得到的滤饼和水洗液相关参数如表2所示,可以看到经水洗后飞灰的质量减少了52.48%,体积减少了33.85%。水洗后的滤饼含水率为44.27%,水溶性盐含量为3.98%,可以直接进入柔性填埋场进行填埋。

表2 最佳工艺条件下滤饼和水洗液的相关参数

2.3 飞灰水洗液处置方法研究

飞灰水洗后的水洗液水质较差,不能满足《污水排入城镇下水道水质标准》,需进行进一步处理。由表3可知,水洗飞灰后的水洗液含盐量为13.68%,COD为22 000 mg/L、氨氮质量浓度为179.05 mg/L、pH值为12.05,F-、Cl-分别为57.56 mg/L和3.85 mg/L。由于水洗液的含盐量不高,可继续运用到新一批飞灰的水洗过程中,尝试直接用水洗液进行水洗,经水洗后的滤饼和水洗液相关参数见表4,水洗液进行二次水洗后,仍将飞灰的水溶性盐含量从53.42%降低至20.35%,在后续研究中可向水洗液中增加水量后进行水洗。经水洗后的废液可进入三效蒸发装置进行水盐分离,盐分进入刚性填埋场处置,冷凝液pH值呈中性,COD和氨氮均在几十毫克每升左右,经检测合格后可直接回用于生产用水。

表3 水洗液水质分析

表4 滤饼和水洗液的相关参数

3 结论

本文针对焚烧飞灰水溶性盐高的特点,采用水洗和安全填埋相结合的处置方式,优化水洗参数,最终降低了飞灰中水溶性盐含量,达到降本增效的目的。同时,分析了水洗液中含盐量、COD、氨氮质量浓度、pH值等水质控制项目,为后续水洗液的处置做好考虑。结果如下:

(1)水固比和搅拌时间是影响水洗飞灰除盐的主要因素,搅拌温度和搅拌速率对水洗飞灰除盐的影响效果不明显。在实际生产中,可将水固比和搅拌时间作为首要考虑因子。

(2)水洗飞灰工艺可高效去除焚烧飞灰中的水溶性盐含量,当水固比为4∶1(mL∶g)、水洗搅拌时间为3 min时,水洗搅拌温度为30 ℃、水洗速率为1 200 r/min时,滤饼的水溶性盐含量为3.98%,满足《危险废物填埋污染控制标准》(GB 18598—2019)规定的危险废物入填埋场要求,可进入柔性填埋场处置。飞灰经水洗后,质量和体积分别减少了52.48%和33.85%,这在危废处置行业具有明显的社会和经济效益。

(3)水洗液中含盐量为13.68%、COD为22 000 mg/L、氨氮质量浓度为179.05 mg/L、pH值为12.05,F-、Cl-质量浓度分别为57.56 mg/L和3.85 mg/L,可再次资源利用于飞灰水洗工艺中。之后产生的废液可经过三效蒸发进行水盐分离,盐分进入刚性填埋场进行处置。

4 不足与展望

通过水洗飞灰实验实现了降低飞灰水溶性盐的目的,符合了危险废物填埋新形势下对危险废物处置行业提出的新要求。但在文中对二级水洗的研究不够深入,可以在后续研究中继续尝试多级水洗,使水洗液的含盐量达到饱和再进行处理,降低水洗液多次处置及大量用水带来的成本问题。另外,可以对三效蒸发处置得到的水溶性盐进行资源化处置研究,在寻找节约成本方式的同时增加危险废物焚烧产生飞灰回收利用的可能性。