城市垃圾焚烧飞灰水浸处理滤液的处置研究

陈雄飞，黄升谋

（湖北文理学院　化学工程与食品科学学院，湖北　襄阳　441053）

城市垃圾焚烧飞灰水浸处理滤液的处置研究

陈雄飞，黄升谋*

（湖北文理学院化学工程与食品科学学院，湖北襄阳441053）

水浸预处理是一种高效处理城市垃圾焚烧飞灰的工艺，以利于飞灰进入水泥窑进行协同处置.文章以城市垃圾焚烧飞灰水浸预处理过程中产生的水浸滤液作为研究对象，确定了批次逆流洗涤过程中产生的水浸滤液中的主要矿物成分为NaCl和KCl为代表的可溶性氯盐，水浸滤液与制盐卤水的性质较为接近，可通过盐水分离方式达到水浸滤液的资源化利用，为飞灰水浸处理滤液的综合利用提供了技术借鉴和参考.

飞灰；城市垃圾；水浸滤液；可溶性氯盐

随着我国城镇化进程的加快，越来越多的大中城市倾向于采用焚烧这一减量化明显的方式来处理大量的城市垃圾，然而城市垃圾焚烧过程中将产生被列为危险废物的二次污染物飞灰［1］.目前飞灰的处置主要采用固化稳定化后安全填埋的方式，但面临着选址困难以及存在环境安全风险隐患等诸多问题［2］.

水泥窑协同处置飞灰技术被视为能够消纳飞灰并实现资源化利用的有效处置措施，为保证水泥窑的安全运行和水泥产品的质量，必须采用水浸等高效经济的预处理技术脱除富集于飞灰中高含量的氯元素［3-4］.然而，水浸处理大量飞灰的同时不可避免地将产生大量过滤液废水，实现该废水的妥善处理是城市垃圾焚烧飞灰资源化处理全过程中必不可少的环节.因此，本文在进行相关批次处理飞灰获取水浸滤液的基础上，考察水浸处理滤液的性质并就水浸滤液的资源化利用提出了相应的解决方案，为水泥窑协同处置飞灰的全过程提供理论依据和技术参考.

1　材料与方法

1.1实验材料及预处理

实验所用的飞灰取自北京市某垃圾焚烧厂正常运行时收集的飞灰，飞灰呈浅灰色，将飞灰样品经碾磨后过100目标准筛，筛下的飞灰粒径分布接近正态分布，且主要粒径大小范围为10～63μm之间，粒径在60μm以下的约占总量的80%.筛下飞灰于105℃下干燥8h达到恒重后（测得含水率为4.18%），储存于棕色玻璃瓶中待测.

1.2实验方法

以去离子水为浸提剂，研究水浸处理飞灰后产生的水浸滤液的性质.为了得到较高浓度的飞灰水浸滤液，实验按照一定的水灰比将混合液置于恒温水浴箱内开展连续逆流水浸预处理摇瓶实验，飞灰连续逆流水浸实验示意图如图1所示.实验过程按照批次进行，每一批次内部设置三级逆流洗涤，分别控制每步的操作条件为：振荡频率110±10次/min，水温40℃，时间5min，水灰比6mL/g.经过设定的试验条件后，混合液经0.45μm的滤膜真空抽滤后进行性质分析，滤饼在100℃下真空烘干24h.

1.3分析方法

1.3.1水浸滤液中氯元素浓度的测定

采用硝酸银滴定法（GB 11896-89）测定水浸滤液中氯元素的浓度.

1.3.2飞灰矿物相组成XRD分析

采用X射线衍射分析仪XRD（XD-5A型X射线衍射仪）分析水浸处理前后飞灰的矿物相组成（Cu靶，管压40kV，管流40mA，波长0.15418nm）.

图1　飞灰连续逆流水浸实验示意

1.3.3结晶盐XRD分析

取水浸处理后的过滤液，利用旋转蒸发器得到过滤液的结晶体，并在105℃下完全烘干，利用X射线衍射分析仪XRD分析结晶盐的主要矿物组成.

2　实验结果与分析

2.1水浸滤液的制备

取模拟连续逆流处理达到稳定时（从第6批次开始达到稳定）每批次内部3级处理过程中每级处理完成后的过滤液，采用硝酸银滴定法测定滤液中氯元素的量，实验结果如图2所示.

图2　飞灰连续逆流水浸实验结果

由图2可知，实验室条件下模拟连续逆流水浸处理达到稳定状态后，批次内部每级处理完成后形成的水浸滤液中氯元素的含量变化呈现出了相同的变化规律，经过第三级处理后，存在于第三级水浸滤液中氯元素的量则几乎为零.出灰阶段水浸滤液中氯元素的含量特征，同样说明逆流水浸处理可以达到完全脱除飞灰中的可溶性氯盐，更为重要的是整个过程中充分利用了飞灰中可溶解氯盐的浓度差，促使可溶性氯盐从飞灰中脱除并进入液相中，且形成的水浸滤液的浓度较高.

2.2飞灰水浸前后矿物相变化

将水浸处理前后的样品采用X射线衍射分析仪分析其所含有的主要矿物相.图3（a）为水浸处理前的飞灰XRD图.从图3（a）中可以看出，水浸处理前的飞灰中主要矿物相为氯盐（NaCl、KCl）、硅酸盐（SiCl4）以及钙盐（CaCO3、CaSiO4），其中可溶性矿物相以可溶性氯盐为主；同时XRD衍射图谱上呈现出了较多较小的、波纹状的峰，说明原样飞灰中含有大量的非晶态的玻璃类物质，大多数情况下，飞灰中的重金属元素富集在非结晶相中，在晶体相中分布很少，故水浸处理对于飞灰中重金属元素的脱除影响有限.

从水浸处理后的飞灰XRD谱图3（b）可知，水浸处理后的飞灰矿物相组成主要为CaCO3、CaSO4以及SiO2，矿物相类别属于钙、硅的化合物及其结晶相的组合，同时XRD图谱中仍然没有发现与其他重金属元素的结晶相相匹配的衍射峰.通过对比图3（a）与图3（b）可知，以NaCl、KCl为代表的氯盐通过水浸处理已基本完全溶解进入液相之中，说明水浸预处理方法可以较为方便的脱除飞灰中的可溶性矿物质，且真空过滤得到的水浸滤液的成分较为单一，工业上通过蒸发结晶的方法也易于分离盐水达到回收利用水资源和提纯盐类化合物的目的.

图3　水浸处理前后飞灰XRD分析

2.3水浸滤液的基本性质

取飞灰水浸处理后产生的水浸滤液进行水质分析，结果见表1.由表1可以看出，在本实验设定的条件下，水浸处理后的水浸滤液呈现出高碱度、高盐分的物理特征.高盐废水是指总含盐量至少为1%的废水，本实验所取用的水浸滤液中的含盐量约为4.1%，属于高盐废水的范畴.

表1　水浸滤液水质分析结果

图4为水浸处理后的结晶盐XRD衍射谱图.从图中可以看出，类似于水浸处理前飞灰XRD衍射图谱上较多较小的、波纹状的峰已基本消失，取而代之的是峰位、峰强和标准卡片NaCl及KCl图谱相匹配的，峰形较尖锐的衍射峰，说明该结晶体为纯净度较高的结晶物质（结晶盐），其主要矿物相组成为NaCl及KCl，同时说明了水浸滤液的性质近似于盐溶液，由于水浸滤液中含有比较纯净的氯化物.

图4　水浸处理后的结晶盐XRD分析

对于后一步的处理，可以考虑利用NaCl以及KCl溶解度的差异使之分离，同时蒸发冷凝水可以收集回用于水浸处理工艺流程.

2.4水浸滤液的处置

因飞灰中的盐分主要以NaCl、KCl为代表的可溶性氯盐的形式存在，其性质近似于制盐工业中的原卤水，故可采用制盐过程中的多效蒸发技术或者机械式蒸汽再压缩蒸发技术（MVR），水浸滤液通过后续的蒸发结晶达到盐水分离，结晶盐可外售作为工业用盐［5］，同时蒸发冷凝进入回用系统达到水资源循环利用的目的，同时降低了企业排污费用和水资源的消耗费用，见图5.然而因卤水的不断蒸发浓缩，液相中的钙镁离子浓度将逐渐增加，极易在换热器表面和蒸发罐壁产生致密而坚固的垢层.

随着制盐工业的不断发展，研究者［6-9］对于输送管道及蒸发器中的结垢现象均通过试验研究和工程化应用得出了切实可行的卤水净化防垢和除垢的解决方案，其基本的解决思路为：从改进蒸发设备方面以及控制卤水水质方面达到阻垢的效果；通过控制pH、加入无机/有机阻垢剂、采用机械、超声波等措施达到阻垢缓蚀的目的，故结垢问题不是水浸滤液进行蒸发结晶达到资源化利用的阻碍.

图5　水浸滤液的处置流程

3　结论

1）水浸处理前后飞灰XRD分析结果显示飞灰中主要矿物相为氯盐（NaCl、KCl）、硅酸盐（SiCl4）、钙盐（CaCO3、CaSiO4）等，通过水浸处理可以较为方便的脱除氯盐，并得到的成分单一的水浸滤液，该滤液易于通过分离达到回收利用水资源和提纯盐类化合物的效果.

2）水浸处理后的结晶盐XRD分析结果表明飞灰中的含氯化合物是以NaCl和KCl为代表的可溶性氯盐，水浸滤液的性质近似于盐溶液，可通过盐水分离方式达到水浸滤液的资源化利用.

3）水浸滤液的处置可以采用制盐过程中的多效蒸发技术或者机械式蒸汽再压缩蒸发技术（MVR），水浸滤液通过后续的蒸发结晶达到盐水分离，结晶盐可外售作为工业用盐，同时蒸发冷凝进入回用系统达到水资源循环利用的目的.

［1］刘璇.垃圾焚烧飞灰的资源化分析［J］.科技展望，2015（15）:256.

［2］熊祖鸿，范根育，鲁敏，等.垃圾焚烧飞灰处置技术研究进展［J］.化工进展，2013（7）:1678-1684.

［3］郑元格，沈东升，陈志斌，等.固体废物焚烧飞灰水泥窑协同处置的试验研究［J］.浙江大学学报（理学版），2011（5）:562-569.

［4］朱芬芬，高冈昌辉，大下和徹，等.焚烧飞灰预处理工艺及其无机氯盐的行为研究［J］.环境科学，2013（6）:2473-2478.

［5］赵向东，练礼财，张国亮，等.国内首条水泥窑协同处置飞灰示范线技术研究［J］.中国水泥，2015（12）:69-72.

［6］李新奇，王军生，王军峰，等.浅谈制盐V效蒸发罐结垢堵管的原因及防治［J］.中国井矿盐，2009（2）:6-8.

［7］于剑峰，霍静，唐仕明，等.卤水管道中影响碳酸钙垢溶解度的因素及规律［J］.盐业与化工，2011（4）:20-23.

［8］戴小安.一种新型制盐专用阻垢剂［J］.中国井矿盐，2016（1）:13-15.

［9］冯金海，贝瑟尔夏洛特.钙型卤水不净化MVR制高纯盐案例分析［J］.中国井矿盐，2015（2）:1-4.

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

陈雄飞（1990—），男，湖北荆门人，湖北文理学院与武汉工程大学联合培养硕士研究生.

（责任编辑：徐杰）