CN103638814A

CN103638814A - 电渗析移除垃圾焚烧飞灰中重金属的方法及装置

Info

Publication number: CN103638814A
Application number: CN201310681066.7A
Authority: CN
Inventors: 魏国侠; 刘汉桥; 孙磊; 武振华
Original assignee: Tianjin Chengjian University
Current assignee: Tianjin Chengjian University
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2014-03-19

Abstract

本发明公开了一种电渗析移除垃圾焚烧飞灰中重金属的方法及装置，电渗析槽为阴阳离子交换膜交替分隔成五个隔室的结构，依次排列为阳极隔室、阴离子浓缩隔室、电渗析隔室、阳离子浓缩隔室和阴电极隔室。将垃圾焚烧飞灰与助剂、水配制成灰浆，使得飞灰中重金属形成带电的重金属络合物，再将所述灰浆送入位于电渗槽中间的电渗析隔室并连续搅拌，在电场中重金属络合物带电后通过阳离子交换膜发生定向移动，大部分重金属浓集到阴、阳离子浓缩隔室。电渗析处理后降低了飞灰中重金属的浸出毒性，剩余飞灰过滤脱水后直接送生活垃圾填埋场填埋处置或再利用。本发明设备简单、操作方便，不仅降低了焚烧飞灰处理成本，而且解决了目前传统水泥固化法处理飞灰带来的增容量大的问题。

Description

电渗析移除垃圾焚烧飞灰中重金属的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种环境污染治理方法，特别涉及一种垃圾焚烧飞灰的处理方法。

背景技术

随着经济的高速发展和人们生活水平的不断提高，城市生活垃圾的数量逐年上升，截至2010年底，全国设市城市和县城生活垃圾年清运量2.21亿吨。生活垃圾焚烧发电技术具有环保和能源的双重效益，是未来垃圾处理的发展方向。目前，全国已经建成投用的有140家垃圾发电厂，在立项的垃圾焚烧厂总数已超过了400家。按照规划，到2015年全国城镇焚烧处理设施能力达到无害化处理总能力的35％以上，届时我国垃圾焚烧能力将超过每年7千万吨。此外，我国还有300多座医疗垃圾焚烧厂在运行。垃圾经焚烧后将产生约3～5％的飞灰，这些焚烧飞灰中含有相当数量的二恶英、重金属等毒性物质，危害极大，已被列入《国家危险废物名录》。重金属及二恶英不能化学分解或生物降解，同时具有很强的生物累积效应，二者一旦进入环境，将严重危害人类生存和健康。为控制垃圾焚烧飞灰带来的环境污染，国家环保部和国家质检总局联合发布了《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)，该标准规定生活垃圾焚烧飞灰和医疗垃圾焚烧飞灰经处理后满足二恶英含量低于3μg/Kg，同时重金属浸出浓度低于规定值才能进入生活垃圾填埋场填埋处置。国内大部分的垃圾焚烧飞灰尤其是生活垃圾焚烧飞灰的二恶英含量本身就低于3μg/Kg，但重金属浸出浓度通常超标，因此，垃圾焚烧飞灰处理的主要是围绕降低重金属浸出浓度展开的。

目前飞灰的无害化处理技术有水泥固化、药剂稳定、熔融、酸提取等，其中国内应用比较普遍的是水泥固化。水泥固化虽具有工艺设备简单、操作方便、处置费用低的优点，但为保证水泥固化体的足够强度及防止重金属重新释放到环境中，需要消耗大量的水泥，导致水泥/飞灰比增加，固化后增容量大。药剂稳定化是利用化学药剂通过化学反应，使有毒有害物质转变为溶解性、低迁移性及低毒性物质的过程。但药剂稳定会产生高浓度无机盐废水，需要进进行后序处理，增加处理费用。熔融是近年来发展的新技术，它能兼顾二恶英分解和重金属固化的处理要求，产生的熔渣还可综合利用，但熔融处理需消耗大量能源，运行成本高，飞灰处理成本超过1000元/吨，国内垃圾焚烧厂难以承受。前三种处理技术均以稳定重金属、降低其渗沥性为主要目标，且固化稳定化后有毒重金属最终积累在环境中，长期稳定性难以保证。酸提取是采用传统强酸作为浸出介质提取飞灰中重金属，将重金属溶解在溶液中后进行化学沉淀，沉淀后过滤分离残灰和废液。酸提取通常用于熔融后二次飞灰的重金属回收。该方法虽然操作简单，耗能低，且无明显的体积增加，但是由于飞灰颗粒非常细小、固液分离难，过滤不完全容易导致含高浓度重金属的废液混入残灰，且残灰在最终处置前还需要洗涤或稳定，工艺复杂。

电渗析是在外加直流电场的作用下，利用离子交换膜的选择透过性，使离子从一部分溶液中迁移到另一部分溶液的物理化学过程。电渗析装置基于离子膜在直流电场的作用下，对溶液中电解质的阴阳离子具有选择透过性，即阳离子可以透过阳膜、阴离子可以透过阴膜的原理制成的，阴阳离子分别通过阴阳离子交换膜发生定向移动，进入阴阳离子的浓缩室。电渗析技术已经广泛应用于废水的处理以及污染土壤中重金属的移除。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种安全有效的垃圾焚烧飞灰的处理方法，该方法能够通过电渗析将飞灰中重金属移除，同时脱氯，安全有效地实现飞灰的无害化处理。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种电渗析移除垃圾焚烧飞灰中重金属的方法及装置，电渗析槽为阴阳离子交换膜交替分隔成五个隔室的结构，依次排列为阳极隔室、阴离子浓缩隔室、电渗析隔室、阳离子浓缩隔室和阴电极隔室。将垃圾焚烧飞灰与助剂、水配制成灰浆，再将灰浆送入位于电渗槽中间的电渗析隔室并连续搅拌，在电场作用下形成带电络合物的重金属通过离子交换膜发生定向移动，这些重金属进入到阴、阳离子浓缩隔室，经电渗析处理后剩余飞灰过滤脱水后直接送生活垃圾填埋场填埋处置或再利用。

所述的助剂为柠檬酸钠、柠檬酸铵、葡萄糖酸钠中的一种或几种所组成的混合物。

所述的助剂与水配制的溶液质量浓度为3％～20％。

所述配制的灰浆中垃圾焚烧飞灰的浓度为50g/l～200g/l。

所述的阳极隔室、阴离子浓缩隔室阳离子浓缩隔室和阴电极隔室四个隔室中均注入硝酸钾或硝酸钠溶液作为电解质，所述电解质的浓度0.01～0.05mol/l。

所述电场的电流密度为6～30A/m²。

本发明具有的优点和积极效果是：(1)飞灰中部分重金属在颗粒飞灰表面且以可溶的氯化物形式存在有利于电迁移，另外，通过添加助剂在一定的pH值下将沉淀或吸附态的重金属转变为带电的络合物，可进一步促进飞灰中重金属在电场中的迁移分离，从而降低飞灰中重金属含量；(2)飞灰在电渗析处理的同时在洗脱氯，剩余的残灰中氯盐和重金属含量都非常低，且体积大幅度减小，可直接送入生活垃圾填埋场填埋实现其最终安全处置或作为水泥、铺路、陶瓷及玻璃等建材再利用。(3)浓集在阴离子浓缩隔室或阳离子浓缩隔室的可通过传统重金属废水的处理方法回收重金属，重金属可作为冶炼厂原料回收；剩余废水可回用生产，排放或进行再处理。本发明克服了传统酸提取法处理飞灰中存在的重金属难彻底分离的缺点，具有设备简单、操作方便、占地面积小、环境污染小、成本相对低的优点。

附图说明

图1是本发明实施例的示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

图1是实现本发明实施例的处理系统示意图。

图中：1、电渗析槽；2、阳极隔室；3、阳电极；4、阳离子交换膜；5、阴离子浓缩隔室；6、阴离子交换膜；7、电渗析隔室；8、阳离子浓缩隔室；9、阴电极；10、阴电极隔室；11、机械搅拌器；12、直流电源

实施例1：

采用玻璃制作尺寸为30×12×10cm的长方体玻璃电渗析槽，通过阴阳离子交换膜交替布置将电渗析槽分隔成五个隔室，依次为阳极隔室、阴离子浓缩隔室、电渗析隔室、阳离子浓缩隔室和阴电极隔室，五个隔室之间分别固结有阳离子交换膜、阴离子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜，隔室的容积分别为500ml、300ml、600ml、300ml、500ml。两个外侧的阴阳电极隔室中分别布置两个石墨电极。在其它四个隔室中都充满了浓度为0.01mol/l、pH＝2的KNO₃溶液，各室分别采用蠕动泵循环液体。将柠檬酸钠与去离子水配成10％浓度的溶液600ml，120g垃圾焚烧飞灰加入到该溶液配制成灰浆，倒入2L容器浸泡并搅拌24小时，再将灰浆送入位于电渗槽中间的电渗析隔室，在电渗析隔室采用聚四氟乙烯搅拌器进行机械搅拌，搅拌转速500转/分钟，通电使重金属分别通过阴阳离子交换膜发生定向移动，进入阴阳离子浓缩室，电流密度为6A/m²，经过14天的电渗析处理后，收集各个隔室中的溶液与飞灰，利用原子吸收分光光度计进行重金属检测，并将电渗析隔室剩余残灰干燥后按照HJ/300进行浸出毒性测试。结果发现电渗析处理后Cu、Pb、Zn、Cd等重金属的移除率分别达到38.1％、3.3％、24.3％、50.5％，飞灰中氯移除了61.5％，残灰中Cu、Pb、Zn、Cd等重金属的浸出浓度分别为0.11mg/L、1.37mg/L、2.44mg/L、0.07mg/L，均低于《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)，符合直接进入生活垃圾填埋场填埋的标准。

实施例2：

电渗析槽装置同实施例1。在其它四个隔室中都充满了浓度为0.03mol/l、pH＝2的NaNO₃溶液，各室分别采用蠕动泵循环液体。将柠檬酸铵与去离子水配成3％浓度的溶液600ml，30g垃圾焚烧飞灰加入到该溶液配制成灰浆，倒入2L容器浸泡并搅拌24小时，再将灰浆送入位于电渗槽中间的电渗析隔室，在电渗析隔室采用聚四氟搅拌器进行机械搅拌，搅拌转速500转/分钟，通电使重金属分别通过阴阳离子交换膜发生定向移动，进入阴阳离子浓缩室，电流密度为15A/m²，经过21天的电渗析处理后，收集各个隔室中的溶液与飞灰，利用原子吸收分光光度计进行重金属检测，并将电渗析隔室剩余残灰干燥后按照HJ/300进行浸出毒性测试。结果发现电渗析处理后Cu、Pb、Zn、Cd等重金属的移除率分别达到35.4％、4.2％、31.6％、52.8％，飞灰中氯移除了68.1％，残灰中Cu、Pb、Zn、Cd等重金属的浸出浓度分别为0.10mg/L、1.32mg/L、2.89mg/L、0.06mg/L，均低于《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)，符合直接进入生活垃圾填埋场填埋的标准。

实施例3：

电渗析槽装置同实施例1。在其它四个隔室中都充满了浓度为0.05mol/l、pH＝3的NaNO₃溶液，各室分别采用蠕动泵循环液体。将葡萄糖酸钠与去离子水配成20％浓度的溶液600ml，90g垃圾焚烧飞灰加入到该溶液配制成灰浆，倒入2L容器浸泡并搅拌24小时，再将灰浆送入位于电渗槽中间的电渗析隔室，在电渗析隔室采用聚四氟搅拌器进行机械搅拌，搅拌转速700转/分钟，通电使重金属分别通过阴阳离子交换膜发生定向移动，进入阴阳离子浓缩室，电流密度为30A/m²，经过14天的电渗析处理后，收集各个隔室中的溶液与飞灰，利用原子吸收分光光度计进行重金属检测，并将电渗析隔室剩余残灰干燥后按照HJ/300进行浸出毒性测试。结果发现电渗析处理后Cu、Pb、Zn、Cd等重金属的移除率分别达到36.8％、4.8％、29.8％、49.9％，飞灰中氯移除了63.5％，残灰中Cu、Pb、Zn、Cd等重金属的浸出浓度分别为0.12mg/L、1.02mg/L、3.19mg/L、0.08mg/L，均低于《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)，符合直接进入生活垃圾填埋场填埋的标准。

上述实施例阐述的是医疗垃圾焚烧飞灰无害化处理及资源化利用新工艺，本发明并不局限于生活垃圾焚烧飞灰、医疗垃圾焚烧飞灰，还适用于造纸厂焚烧飞灰、秸秆焚烧飞灰等。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电渗析移除垃圾焚烧飞灰中重金属的方法及装置，电渗析槽为阴阳离子交换膜交替分隔成五个隔室的结构，依次排列为阳极隔室、阴离子浓缩隔室、电渗析隔室、阳离子浓缩隔室和阴电极隔室。将垃圾焚烧飞灰与助剂、水配制成灰浆，再将灰浆送入位于电渗槽中间的电渗析隔室并连续搅拌，在电场作用下形成带电络合物的重金属通过离子交换膜发生定向移动，这些重金属进入到阴、阳离子浓缩隔室，经电渗析处理后剩余飞灰过滤脱水后直接送生活垃圾填埋场填埋处置或再利用。

2.根据权利要求1所述的电渗析移除垃圾焚烧飞灰中重金属的方法及装置，其特征在于所述的助剂为柠檬酸钠、柠檬酸铵、葡萄糖酸钠中的一种或几种所组成的混合物。

3.根据权利要求1所述的电渗析移除垃圾焚烧飞灰中重金属的方法及装置，其特征在于所述的助剂与水配制的溶液质量浓度为3％～20％。

4.根据权利要求1所述的电渗析移除垃圾焚烧飞灰中重金属的方法及装置，其特征在于所述配制的灰浆中垃圾焚烧飞灰的浓度为50g/l～200g/l。

5.根据权利要求1所述的电渗析移除垃圾焚烧飞灰中重金属的方法及装置，其特征在于电渗析前在所述的阳极隔室、阴离子浓缩隔室阳离子浓缩隔室和阴电极隔室四个隔室中均注入硝酸钾或硝酸钠溶液作为电解质，所述电解质的浓度0.01～0.05mol/l。

6.根据权利要求1所述的电渗析移除垃圾焚烧飞灰中重金属的方法及装置，其特征在于所述电场的电流密度为6～30A/m²。