CN108994046A - 一种低渗透性高含水量废渣的原位脱水除盐碱方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低渗透性高含水量废渣的原位脱水除盐碱方法，属于废渣治理领域。将既可以导电又可以通水的U型电极，按设计的间隔和深度竖向插入废渣中；通过向电极施加直流电在废渣中产生电场，并经电极注入液体，在电场作用下，废渣中盐碱所含的可溶性离子向与其电性相反的电极迁移，并被液体经电极的通水管路带出，同时废渣中的水分向电极迁移，从电极的通水管路排出，从而实现废渣的脱水和盐碱清除。本发明可以同时实现大体量废渣中水和盐碱的原位脱除，治理过程占用场地少。
Description
技术领域
本发明涉及一种低渗透性高含水量废渣的原位脱水除盐碱方法。属于工业废渣处理与利用领域。
背景技术
一些工业生产过程排弃渗透系数低于10-4cm/s、细粒、含盐碱的废渣泥浆。通常这些废渣泥浆是存放于坝体拦截的废渣库中。由于废渣的低渗透性、高含盐量的特点，虽然经长期的沉积，含水率虽有所下降，但仍处于流态~流塑态，其含水率仍可高达100~380%。例如：生产纯碱过程排弃的碱渣，含有大量氯离子、钠离子、氢氧根离子等成分。颗粒粒径小于25μm的颗粒可占高达98%；富含易溶于水的盐类氯化钙、氯化钠和氯化镁等。由于氯化物盐类溶解度大，有较强的吸湿性，且水分蒸发缓慢，而致使碱渣长时间堆放后仍为膏状体，含水量可高达380%。用矾土提取铝的生产过程排弃赤泥，其颗粒粒径<80μm，其中含有氟和氢氧化钙等。由于这些废渣排弃量很大，有些生产厂已堆存高达数千万立方米。这些废渣的堆存占用土地、污染环境。
欲将这类工业废渣无害化处理或资源化利用，都必须去除有害离子（如氯离子、氢氧根离子、钠离子、硝酸离子、氟离子等），并脱水到适当的含水率。有些含盐碱废渣虽然含水量不高，但也必须去除有害离子。此外，当这些废渣移除后，长年淋渗使其下地基也被盐碱污染，属于污染土范畴，也需要进行除盐碱以及脱水处理。一些以这类废渣填筑的地基，由于其中的盐分对混凝土等建筑材料有腐蚀，或同时因为废渣含水量高、承载力不足，也需要进行脱水和除盐工作。
目前，对于这类大体量、低渗透系数、高含水量的废渣尚无经济有效的脱水方法和盐碱脱除方法。此外，对这样大体量的固体废渣在治理过程中，通常需要占用大面积场地、耗费相当长的时间，而且处理后的废渣也需要占用大面积临时堆场。这些条件常常难以得到满足。
发明内容
本发明的目的是克服上述不足，提出了一种低渗透性高含水量含盐碱废渣的原位脱水除盐碱方法，该法可以原位处理大体量的这类废渣，同时使废渣中的盐碱脱除并使含水率大幅度降低，是一种使废渣减量化和无害化的经济有效的手段。同时治理过程和治理后堆存占用场地少，且处理时间短。
本发明提出的一种低渗透性高含水量废渣的原位脱水除盐碱方法，其特征在于：将既可以导电又可以通水的U型电极，按设计的间隔和深度竖向插入废渣中；在与电极垂直的平面内，任意一支电极所接直流电源的极性与围绕其的电极中至少一支电极所接直流电源的极性相反；通过在电极中施加直流电使废渣中产生电场，并通过电极注入液体；在电场作用下，废渣中盐碱所含的可溶性离子向与其电性相反的电极迁移，并被液体经电极的通水管路带出，从而实现废渣中盐碱的清除；同时，废渣中的水分也向电极迁移，从电极的通水管路排出，从而减少废渣中水分。
所述的电极有以下四种构型：
1）由导电材料制成的管，管壁按设计的间隔和孔径带有可透水的小孔，小孔的几何形状不限，孔的直径或短边尺寸为0.1~50mm，小孔的总面积占管壁表面积的比例为5%~95%；管的横截面形式不限；
2）在导电材料线材（索、扁带、筋、杆等）外套水管构成，其截面形式不限；其中水管管壁按设计的间隔和孔径带有小孔，小孔的几何形状不限，孔的直径或短边尺寸为0.1~50mm，小孔的总面积占管壁表面积的比例为5%~95%；
3）在1或2所述构型的基础上再外包滤层构成（滤层是防止废渣细颗粒进入到电极）；
4）市售导电塑料排水板（由沿长方向带有凹型导水槽的导电材料带外包滤层构成）。
其中：
1）导电材料为公知的各种导电材料，包括但不限于：碳纤维、各种耐腐蚀的金属材料、石墨、导电聚合物，由碳纤维、各种金属材料、石墨等的一种或多种与聚合物复合构成的导电体；
2）水管为公知的各种不导电水管，包括但不限于：塑料管、各种不导电纤维材料编织成的管；可以是能够保持特定截面形状的管，也可以是截面形状不固定的管；
3）滤层为公知透水的柔性材料，包括但不限于：无纺布、植物纤维织成的布、化学纤维织成的布等。
所述U型电极，可以是由前述四种构型的电极弯折成U型；也可以是由前述四种构型的电极仅构成U型的一半，将管壁密闭的水管与之连接构成U型的另一半（目的是：导电材料可以深入到拟清除盐碱的深度，以保证在该深度提供电场，而U型水管保证其中液体的输入和流出）；在某些废渣的除盐或脱水过程中，对某一电极只需要注入液体、或只需要排出液体，而不需要构成液体的输入与输出完整的回路，则可以使用直通型电极。
接直流电正负极的电极，可以全部使用同一种电极，也可以接直流电正极的电极采用一种电极、接直流电负极的电极采用另一种电极。
将每U型电极的两个端口分别与进水分管和排水分管连接。将各连接电源正极的电极的进水分管A连接于通向供液源A的进水总管A，将连接电源负极的电极的进水分管负A连接于通向供液源负A的进水总管负A；将连接电源正极的电极的排水分管A连接于通向蓄液池A的排水总管A；将连接于电源负极的电极的排水分管负A连接于通向蓄液池负A的排水总管负A。
各电极连接电源极性的排列方式包括但不限于以下三种：1）每行电极接电源的同一极性，相邻行的电极接电源的相反极性；2）一行电极接电源的同一极性（下称为A组电极），一行电极中的相邻电极分别接电源的相反极性（下称为B组电极），A组电极和B组电极间隔排列；3）每一行电极的相邻电极分别接电源的正极和负极，每列电极的相邻电极也分别接电源的正极和负极，即在水平面内任意电极与的相邻电极分别接电源的正极和负极。接电源正极的电极称为阳极和接电源负极的电极称为阴极。
所述的废渣是渗透性低于10-4cm/s的细颗粒、流态或流塑态或软塑态的含盐碱的废渣；所拟去除的盐碱为可溶的（包括与所注入的液体反应之后可溶）。
所述直流电，电压为40V~300V，正负极电压梯度为0.3V/cm~3V/cm；所施加的电压可以是持续稳定的电压，也可以是间歇供给的电压。根据废渣物理化学性质经现场试验由设计确定。
电极间隔和插入废渣的深度，根据废渣物理化学性质和废渣处理目的，经现场试验由设计确定。 电极间隔一般在0.5m~4m。电极插入废渣的深度一般在1m~50m。
所述供液管注入的液体成分，根据盐碱成分经试验由设计确定。向电极中注入适当液体，一方面是为了将聚集于电极的盐碱离子带出；另一方面是可以调谐电场中的电化学环境。注入的液体可以是淡水，也可以是能够与废渣中离子通过酸碱中和等化学反应形成所希望成分的液体。水管管径、水压、水量经试验由设计确定，可根据测试排出水的离子浓度含量及设计给出的指标调整水量。
本技术的优点：
1、可以同时完成脱水和去除多种盐碱离子；
2、由于本发明采用原位处理方式，因此能够在受限的场地面积内，实施大体量废渣的脱水和清除盐碱；
3、由于本发明采用原位处理方式，免除了废渣挖运费用、工期和对环境的影响；
4、由于各处的废渣可大致同步进行排水和清楚盐碱，因此脱水和清除盐碱的时间周期短。
具体实施方式
1、将U型的管或带状电极以设计的间隔和深度竖向插入废渣中。在水平面内，任意一支电极所接直流电源的极性与围绕其的电极中至少一支电极所接直流电源的极性相反。各电极连接电源极性的排列方式包括但不限于以下三种：1）每行电极接电源的同一极性，相邻行的电极接电源的相反极性；2）一行电极接电源的同一极性（下称为A组电极），一行电极中的相邻电极分别接电源的相反极性（下称为B组电极），A组电极和B组电极间隔排列；3）每一行电极的相邻电极分别接电源的正极和负极，每列电极的相邻电极也分别接电源的正极和负极，即在水平面内任意电极与的相邻电极分别接电源的正极和负极。接电源正极的电极称为阳极和接电源负极的电极称为阴极；
2、将每U型电极的两个端口分别与进水分管和排水分管连接。将各连接电源正极的电极的进水分管A连接于通向供液源A的进水总管A，将连接电源负极的电极的进水分管负A连接于通向供液源负A的进水总管负A；将连接电源正极的电极的排水分管A连接于通向蓄液池A的排水总管A；将连接于电源负极的电极的排水分管负A连接于通向蓄液池负A的排水总管负A；
3、施加设计的电压；同时经进水管A和进水管负A供给适量的特定液体。开始废渣的脱水和清除盐碱过程；
4、当废渣中各目标离子浓度达到设计规定的指标后，可关闭供液源，在电场的作用下继续脱水过程；当废渣的含水量和各目标离子浓度均达到设计目标，可关闭电源和供液源，完成全部废渣的盐碱清除和脱水施工；
5、如果废渣中含水量低于设计目标值，而各目标离子浓度仍未满足设计目标，则可以暂停供电，通过进水管向废渣注入水分，或自废渣表面向废渣浇水，使废渣处于水饱和状态后，再按3和4的步骤进行清除盐碱和脱水过程；
6、所述电压为40V~300V，正负极电压梯度为0.3V/cm~3V/cm；所施加的电压可以是持续稳定的电压，也可以是间歇供给的电压。根据废渣物理化学性质经现场试验由设计确定；
7、电极间隔和插入废渣的深度，根据废渣物理化学性质和废渣处理目的，经现场试验由设计确定。 电极间隔一般在0.5m~3m。电极插入废渣的深度一般在1m~50m；
8、所述供液管注入的液体成分，根据盐碱成分经试验由设计确定。向电极中注入适当液体，一方面是为了将聚集于电极的盐碱离子带出；另一方面是可以调谐电场中的电化学环境。注入的液体可以是淡水，也可以是能够与废渣中离子通过酸碱中和等化学反应形成所希望成分的液体。水管管径、水压、水量经试验由设计确定，可根据测试排出水的离子浓度含量及设计给出的指标调整水量。
实施例
实施例一
碱厂生产过程排弃的碱渣，成分：干物质中：硫酸钙3%、碳酸钙64%、氯化钙6、氯化钠4%、氢氧化钙10%、氧化铝2%。颗粒细度：50%<13μm，98%<25μm；渗透系数 7.2410-7cm/s；pH值10.9。含水率167%。碱渣堆存场地面积200m×150m。
各指标目标值：氯离子去除90%，钠离子去除78%，pH值小于8，含水率降低至50%。
施工方法：
1、采用导电聚合物管作为电极，直径2cm，管壁沿横截面30°、沿长方向3cm分布ϕ2孔。电极长度10m，呈U型。电极垂直植入碱渣5m。先钻直径6cm深5m的孔，将电极放入，然后用细砂填充电极周围空隙，以防止碱渣细颗粒进入电极；
2、电极正交布置，各行各列电极的间隔均为1m。每一行电极的相邻电极分别接电源的正极和负极，每列电极的相邻电极也分别接电源的正极和负极，即在水平面内任意电极与的相邻电极分别接电源的正极和负极；
3、将每U性电极的两个端口分别与进水分管和排水分管连接。将各连接电源正极的电极的进水分管A连接于通向供液源A的进水总管A，将连接电源负极的电极的进水分管负A连接于通向供液源负A的进水总管负A；将连接电源正极的电极的排水分管A连接于通向蓄液池A的排水总管A；将连接于电源负极的电极的排水分管负A连接于通向蓄液池负A的排水总管负A；
4、施加设计的持续稳定的电压，正负电极之间的电压梯度为1.0V/cm。同时经进水管A和进水管负A供给适量的自来水，经对排出液的测定分析，保持供水管有连续细流即可满足设计要求。开始废渣的脱水和清除盐碱过程；
5、经试验确定，电极接通20天后，废渣的各目标离子浓度达到设计目标，可关闭供水源；电极接通30天后，废渣含水率也达到设计要求，关闭电源。完成全部废渣的盐碱清除和脱水施工。
实施例二
碱厂生产过程排弃的碱渣，成分：干物质中，硫酸钙5.59%、碳酸钙46.46%、氯化钙9.82%、氯化钠4.85%、氧化钙3.35%、氢氧化镁9.34%，二氧化硅2.52%，酸不溶物15.05%；含水率324%。颗粒细度50%<10μm，98%<20μm；渗透系数1.0510-6cm/s；pH值 11.6。碱渣堆存场地面积120m×200m。
各种指标目标值：氯离子去除90%，钠离子去除78%，pH值小于8。含水率降低至50%。
施工方法：
1、阴极为：直径1cm碳纤维索外套直径2cm的PVC管，管壁沿横截面30°、沿长方向间隔2cm分布1mm×100mm狭长孔，最外层包一层无纺布。阳极为1cm×0.5cm不锈钢条片，外套直径2cm的PVC管，管壁沿横截面30°、沿长方向间隔2cm分布1mm×100mm狭长孔，最外层包一层无纺布。电极长度20m，呈U型；其中阴极中导电材料碳纤维索和阳极中导电材料不锈钢条片长度均为10m，固定于电极的一端；
2、将电极竖直插入碱渣中10m。各行、各列电极的间隔均为1m。一行电极接电源的正极（下称为A组电极），一行电极中的相邻电极分别接电源的正极和负极（下称为B组电极），接电源正极的电极称为阳极和接电源负极的电极称为阴极；A组电极和B组电极间隔排列，两组电极平行错开0.5m，在水平面上电极的排列形成以阴极为中心、以阳极为六个顶角的六边形；
3、将每个U性电极的两个端口分别与进水分管和排水分管连接。将各连接电源正极的电极的进水分管A连接于通向供液源A的进水总管A，将连接电源负极的电极的进水分管负A连接于通向供液源负A的进水总管负A；将连接电源正极的电极的排水分管A连接于通向蓄液池A的排水总管A；将连接于电源负极的电极的排水分管负A连接于通向蓄液池负A的排水总管负A；
4、以间歇式供电方式施加设计的电压，供电15分钟，停歇15分钟。控制正负电极之间的电压梯度为1.5V/cm。同时对接阳极的进水管负A供给适量自来水，对连接阴极的进水管A供给浓度为0.5%醋酸溶液。两电极供液量均为能够使排水管水流保持连续的细流即可。开始废渣的脱水和清除盐碱过程；
5、经试验确定，电极接通26天后，废渣中各目标离子浓度达到设计目标，可关闭供液源；电极接通40天后，废渣含水量也达到设计目标值，可关闭电源。完成全部废渣的盐碱清除和脱水施工。
实施例三
铝厂生产排弃的赤泥，成分：干物质中：氧化钙40.88%、氧化铝7.48%、氧化硅 25.36、氧化铁 1.29%、氧化钠 3.19%、氧化钾 1.04%、氧化钛 1.72%、氧化镁 2.12%；氟含量3000.3mg/kg，其中可溶氟含量 425.1mg/kg；pH=10.9。含水率36%。颗粒细度：25%<10μm，60%<20μm，90%<50μm，渗透系数3.1510-5cm/s。赤泥堆存场地面积200×300m。
各种指标目标值：可溶氟去除率90%，pH值小于8。
施工方法：
1、阴极为：1cm×0.5cm镍合金条片外套直径2cm的PVC管，管壁为网状，最外层包一层无纺布。阳极为1cm×0.5cm不锈钢条片，外套直径2cm的PVC水管，管壁为网状，最外层包一层无纺布。电极长度6m，为直通型，电极底端连接管壁为密闭的PVC管，共同形成U型电极；
2、将电极竖直插入碱渣中6m。电极正交布置，各行各列电极的间隔均为1.6m。一行电极接电源的正极（下称为A组电极），一行电极接电源的负极（下称为B组电极），接电源正极的电极称为阳极和接电源负极的电极称为阴极；A组电极和B组电极间隔排列，两组电极平行错开0.8m；
3、将每个U性电极的两个端口分别与进水分管和排水分管连接。将各连接电源正极的电极的进水分管A连接于通向供液源A的进水总管A，将连接电源负极的电极的进水分管负A连接于通向供液源负A的进水总管负A；将连接电源正极的电极的排水分管A连接于通向蓄液池A的排水总管A；将连接于电源负极的电极的排水分管负A连接于通向蓄液池负A的排水总管负A；
4、先对连接阳极和连接阴极的电极的进水管供给自来水，向赤泥中注水至赤泥处于饱和状态；
5、以间歇式供电方式施加设计的电压，供电30分钟，停歇30分钟。控制正负电极之间的电压梯度为0.8V/cm。同时对连接阳极和连接阴极的电极的进水管继续供给适量自来水。两电极供水量均为能够使排水管中水流保持连续的细流即可。在停电期间仍保持供水。开始废渣的脱水和清除盐碱过程；
6、经试验确定，电极接通36天后，废渣中各目标离子浓度达到设计目标，可关闭供液源和电源。完成全部废渣的盐碱清除施工。
Claims (10)
1.一种低渗透性高含水量废渣的原位脱水除盐碱方法，其特征在于：将既可以导电又可以通水的U型电极，按设计的间隔和深度竖向插入废渣中，在与电极垂直的平面内，任意一支电极所接直流电源的极性与围绕其的电极中至少一支电极所接直流电源的极性相反；通过向电极施加直流电在废渣中产生电场，并经电极注入液体，在电场作用下，废渣中盐碱所含的可溶性离子向与其电性相反的电极迁移，并被液体经电极的通水管路带出，同时废渣中的水分向电极迁移，从电极的通水管路排出，从而实现废渣的脱水和盐碱清除。
2.权利要求1所述的电极有以下四种构型：
由导电材料制成的管，管壁按设计的间隔和孔径带有可透水的小孔；
在导电材料线材外套水管构成，其中水管的管壁按设计的间隔和孔径带有可透水的小孔；
在1）或2）所述构型的基础上再外包滤层构成；
市售导电塑料排水板；
其中，所述导电材料选自：碳纤维、各种金属材料、石墨、导电聚合物，以及由碳纤维、各种金属材料、石墨等的一种或多种与聚合物复合构成的导电体；所述导水管为不导电管，选自塑料管或纤维材料编织成的管；所述滤层为透水的柔性材料，选自无纺布、植物纤维织成的布、化学纤维织成的布。
3.根据权利要求1所述，接直流电正负极的电极，可以全部使用同一种电极，也可以接直流电源正极的电极采用一种电极，接直流电负极的电极采用另一种电极。
4.根据权利要求1所述，U型电极可以是由权利要求2所述的四种构型的电极弯折成U型；也可以是由权利要求2所述的四种构型的电极仅构成U型的一半，将管壁密闭的不导电管与之连接构成U型的另一半。
5.根据权利要求1所述，每支U型电极的两个端口分别与进水分管和排水分管连接，将各连接电源正极的电极的进水分管A连接于通向供液源A的进水总管A，将连接电源负极的电极的进水分管负A连接于通向供液源负A的进水总管负A；将连接电源正极的电极的排水分管A连接于通向蓄液池A的排水总管A；将连接于电源负极的电极的排水分管负A连接于通向蓄液池负A的排水总管负A。
6.根据权利要求1，所述的废渣是渗透性低于10-4cm/s的、细颗粒、流态或流塑态或软塑态的含盐碱的废渣，所拟去除的盐碱为可溶的。
7.根据权利要求1，所述脱水除盐碱方法的施工方法的特征是：
按设计确定的间隔和深度将U型电极竖向插入废渣中；在垂直于电极的平面内，任意一支电极所接直流电源的极性与围绕其的电极中至少一支电极所接直流电源的极性相反；各电极连接电源极性的排列方式包括以下三种：a）每行电极接电源的同一极性，相邻行的电极接电源的相反极性；b）一行电极接电源的同一极性（下称为A组电极），一行电极中的相邻电极分别接电源的相反极性（下称为B组电极），A组电极和B组电极间隔排列；c）在垂直于电极的平面内，任意电极与相邻的任意电极分别接电源的正极和负极；
将每个U型电极的两个端口分别与进水分管和排水分管连接；
将各连接电源正极的电极的进水分管A连接于通向供液源A的进水总管A，将连接电源负极的电极的进水分管负A连接于通向供液源负A的进水总管负A；将连接电源正极的电极的排水分管A连接于通向蓄液池A的排水总管A；将连接于电源负极的电极的排水分管负A连接于通向蓄液池负A的排水总管负A；
施加设计的电压；同时经进水管A和进水管负A供给适量的特定液体；
开始废渣的脱水和清除盐碱过程；
当废渣中各目标离子浓度达到设计规定的指标后，可关闭供液源，在电场的作用下继续脱水过程；当废渣的含水量和各目标离子浓度均达到设计目标，可关闭电源和供液源，完成全部废渣的盐碱清除和脱水施工；
如果废渣中含水量低于设计目标值，而各目标离子浓度仍未满足设计目标，则可以暂停供电，通过进水管向废渣注入水分，或自废渣表面向废渣浇水，使废渣处于水饱和状态后，在按3）和4）的步骤进行清除盐碱和脱水过程。
8.根据权利要求1和权利要求7，所述电压为40V~300V，正负极电压梯度为0.3V/cm~3V/cm；所施加的电压可以是持续稳定的电压，也可以是间歇供给的电压。
9.根据权利要求1和权利要求7，电极间隔为0.5m~3m，电极插入废渣的深度为2m~50m。
10.根据权利要求1，所述供液管注入的液体为淡水或能够与废渣中离子化学反应形成所希望成分的液体。
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