响应曲面法优化垃圾焚烧飞灰水洗脱氯的研究*

2020-10-24邓会宁张少峰

环境污染与防治 2020年10期

王营刘燕邓会宁张伟张少峰

(河北工业大学化工学院，天津 300130)

垃圾焚烧飞灰中由于含有重金属、二噁英等有害物质，因此被列入《国家危险废物名录》。垃圾焚烧飞灰的无害化处理方式多种多样[1]，而水泥窑共处置技术[2]因同时拥有分解二噁英、固化重金属且无废渣的优势得到广泛关注，但飞灰中仍然存在氯离子，若用于制造混凝土会使钢筋锈蚀，同时也容易造成水泥窑结皮腐蚀[3]。

因此，在垃圾焚烧飞灰入水泥窑前应对其进行水洗脱氯处理，必须达到《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)中规定的氯离子质量分数不得大于0.06%的要求。经过水洗脱氯达标后的飞灰才可以投入水泥生产[4]。李小东等[5]、王旭等[6]、周建国等[7]对氯离子质量分数为10%～15%的飞灰水洗脱氯进行了参数优化，但都以单因素实验为主，没有考虑多因素之间的交互作用。本研究拟通过响应曲面法[8]对氯离子质量分数高于20%的飞灰进行水洗脱氯参数优化研究，以期对高氯飞灰的资源化利用提供指导。响应曲面法具有精准度高、实用性强等优点[9]，在许多领域得到了广泛的应用[10]。

本研究以北京市某垃圾焚烧发电厂的飞灰为研究对象，在单因素实验的基础上，采用响应曲面法中心组合设计对飞灰水洗脱氯参数进行优化。

1 实验部分

1.1 飞灰来源及性质

实验所用的飞灰取自北京市某垃圾焚烧发电厂，采集时处于稳定运行的周期内。飞灰粒径有75%分布在100 μm 以下，含水率为2.52%，pH为12.75。

通过X射线荧光光谱仪(ARL QUANT X型)对飞灰进行化学组成分析发现，飞灰中氯离子质量分数为22.6%，超过GB 175—2007规定的水泥中氯离子质量分数不得大于0.06%的要求，无法直接投入水泥窑中用于生产水泥，因此需对飞灰进行水洗脱氯。

1.2 单因素实验

本研究首先选取了影响飞灰水洗脱氯的4个因素(水洗时间、水洗温度、搅拌转速、水洗液固比)进行飞灰一次水洗的单因素实验。实验操作步骤如下：称取30 g飞灰，将飞灰和去离子水按照一定水洗液固比混合后置于数显智能控温磁力搅拌器(SZCL-2型)上，在设定好的水洗温度和搅拌转速下水洗一定时间，然后用0.45 μm滤膜进行真空抽滤，最后将水洗后的飞灰置于电热恒温鼓风干燥箱(DH-101型)中烘干，用X射线荧光光谱仪分析烘干后飞灰中氯离子含量。单因素实验设计见表1。

1.3 响应曲面法优化实验

在单因素实验的基础上，继续以这4个因素为变量，以氯离子洗脱率为响应，对飞灰进行一次水洗实验，考察4个因素存在交互作用情况下的参数优化条件。响应曲面法采用中心组合方式进行实验设计[11]。

每个因素分5个水平，实验因素及水平设计结果如表2所示。

1.4 二次水洗实验

由于实验所用飞灰中氯离子含量较高，一次水洗无法达标，因此进行二次水洗实验。二次水洗的水洗温度、水洗时间、搅拌转速、水洗液固比使用一次水洗的优化条件。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果分析

图1(a)反映了水洗温度对氯离子洗脱率的影响。当水洗温度低于30 ℃时，氯离子洗脱率随水洗温度的升高而升高；而当水洗温度高于30 ℃时，氯离子洗脱率反而低于30 ℃时，因而30 ℃宜作为响应曲面法的0水平，然而由于温度过低不好控制，因此响应曲面法水平设计时以30 ℃为-1水平，50 ℃为0水平。

图1(b)反映了搅拌转速对氯离子洗脱率的影响。搅拌转速由0 r/min提高到300 r/min时，氯离子洗脱率有明显上升的趋势，搅拌转速由300 r/min继续提高到500 r/min时，氯离子洗脱率仍有一定的上升趋势，但当搅拌转速超过500 r/min后，氯离子洗脱率几乎不再变化。因此，选择搅拌转速在300～500 r/min之间的400 r/min作为响应曲面法水平设计时的0水平。

图1(c)反映了水洗时间对氯离子洗脱率的影响。当水洗时间为30～45 min时，氯离子洗脱率相对较高。考虑到单因素实验的偶然性，水洗时间太短可能会水洗不充分，因此选择水洗时间为45 min作为响应曲面法水平设计时的0水平。

图1(d)反映了水洗液固比对氯离子洗脱率的影响。随着水洗液固比的增加，氯离子洗脱率不断上升，但当水洗液固比增加到10 mL/g后，氯离子洗脱率上升趋势明显变缓。从工业应用的角度而言，水洗液固比大意味着用水量多，也就意味着废水处理量和工业用水量增加。因此，综合考虑，水洗液固比的5个水平分别为4、6、8、10、12 mL/g。

2.2 响应曲面法实验结果分析

根据表2中的影响因素及水平，用 Design-Expert 8.0.6软件设计实验，所得到的实测值见表3。对实验数据进行二次回归拟合，得到氯离子洗脱率的预测模型(见式(1))。

表1 单因素实验设计

表2 因素水平表

图1 单因素实验结果Fig.1 Single-factor experiment results

表3 响应曲面法实验设计及实验结果

表4 回归模型的方差分析结果

R=39.443-0.082A+0.067B-0.500C+2.243D+0.057AB+0.076AC-0.383AD+0.032BC+0.087BD-0.326CD-0.060A2-0.008B2-0.404C2+0.041D2

(1)

式中：R为氯离子洗脱率，%；A为水洗温度，℃；B为搅拌转速，r/min；C为水洗时间，min；D为水洗液固比，mL/g。

利用式(1)得到响应值R的预测值也列于表3中。方差分析的结果见表4，回归模型的P<0.000 1，并且失拟项P>0.050 0，说明模型与实际情况拟合程度较好，实验误差小[12]。由图2可以更加直观地看出，氯离子洗脱率实测值与预测值吻合程度良好，相对误差较小，说明可以通过响应曲面法预测得到氯离子洗脱率，该方法准确可靠。根据方差分析的F可以得出，各因素影响的大小为水洗液固比>水洗时间>水洗温度>搅拌转速。

图2 氯离子洗脱氯预测值与实测值对比Fig.2 Comparison of predicted and experimental values of chloride ion removal rate

同时，由Design-Expert 8.0.6软件得到的最优水洗条件为：水洗温度30 ℃、搅拌转速450 r/min、水洗时间28 min、水洗液固比12 mL/g，此时飞灰一次水洗后的氯离子洗脱率预测可以达到76.53%，实验验证的氯离子洗脱率为77.55%，与预测值非常接近。

在实验过程中发现，将水洗液固比改为10 mL/g进行一次水洗实验，氯离子洗脱率就能达到76.37%。考虑到用水量的增大会加大后期废水处理量和工业用水，造成水资源浪费和工程运行成本的上升，因此水洗液固比建议调整为10 mL/g。

在水洗温度30 ℃、搅拌转速450 r/min、水洗时间28 min、水洗液固比10 mL/g的条件下经过一次水洗后，飞灰中氯离子质量分数仍然高达5.5%，远远超过GB 175—2007规定的水泥中氯离子质量分数不得大于0.06%的要求，难以通过调节飞灰的添加量来达标。因此，必须进行飞灰的二次水洗。

2.3 飞灰二次水洗实验结果

在水洗温度30 ℃、搅拌转速450 r/min、水洗时间28 min、水洗液固比10 mL/g的条件下进行二次水洗，经过二次水洗后飞灰中的氯离子洗脱率可以达到93.3%，与一次水洗相比大有提高，而二次水洗废水可以再次用于一次水洗实验，不会明显影响一次水洗效果，用水量也不会有大的增加。此时，用飞灰代替3%(质量分数)的水泥原料生产的水泥产品，氯离子质量分数低于0.06%，可以达到水泥产品的要求。