一种垃圾焚烧飞灰水洗废水处理反应装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及垃圾焚烧飞灰的无害化处理和资源回收技术领域，尤其涉及一种垃圾焚烧飞灰水洗废水处理反应装置及其使用方法。

背景技术

在现有的城市固体废物处理技术中，垃圾焚烧处理技术具有减量化、无害化和回收热量等显著优点，已经成为了最常用的城市固体废物管理策略之一(J.Hazard.Mater.2022,423,127025)。但是，焚烧烟气污染控制措施在净化酸性焚烧烟气过程中也产生了大量副产品-垃圾焚烧飞灰(以下简称“飞灰”)。飞灰通常富集了高浓度的二噁英、重金属、可溶盐以及氧化钙等多种毒害因子，连续被列入中国《国家危险废物名录》，按照我国《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2014)规定“生活垃圾焚烧飞灰应按危险废物管理”。尤其是我国飞灰的年产量超过1200万吨，并以10％的速度逐年增加。综合城市建设管理、生态环境保护和资源回收等需求，探索科学处理处置飞灰的技术方法是当前亟需解决的关键问题。目前，水洗飞灰是最常用的飞灰预处理方式(Environ.Technol.2014,35(21-24),2863-2869；Chemical Engineering Journal,2020,387,124053)，但飞灰水洗废水存在高浓度重金属离子、高碱性pH值和钙元素回收等新的问题亟需探索解决。

目前，传统的化学方法在固化/稳定化重金属并中和pH值等方面已经非常成熟且具有设备简单、操作灵活等显著优点，但该技术的经济可行性较低，后续的二次环境污染问题使得该技术无法广泛用于处理飞灰水洗废水(Crit.Rev.Environ.2011,41,1111-1172)。已有研究报道，将二氧化碳通入飞灰水洗废水中可以显著降低废水中残留重金属的浓度和溶液pH值，还能同时封存二氧化碳(RSC Adv.2016,6,20173-20186)。特别值得关注的是，全球范围内仅煤电厂的二氧化碳排放量在2021年就达到了10.5Gt，这使得封存燃煤发电等工业活动排放的二氧化碳越来越受到全球的广泛关注(International Energy Agency,https://www.iea.org/reports/global-energy-review-co2-emissions-in-2021-2)。因此，迫切需要开发一种具有较高经济技术可行性的新技术方法，能够通过以废治废有效处理飞灰水洗废水达标排放同时也实现资源的循环利用。

发明内容

本发明的目的是提供一种处理垃圾焚烧飞灰水洗废水的反应装置及其使用方法，通过该反应装置和方法能够显著降低飞灰水洗废水中的目标重金属浓度(如铅、铜、锌)以及溶液碱性，还能获得碳酸钙沉淀，从而能够实现飞灰的水洗废水的无害化处理、资源化利用。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

本发明提供一种利用工业排放的废气治理垃圾焚烧飞灰水洗废水中的污染因子并回收碳酸钙的反应装置，其包括：飞灰水洗装置、气体混合加热装置、曝气反应装置、废液回收装置。

所述飞灰水洗装置包含飞灰水洗反应器以及溶液静置容器，飞灰水洗反应器1与溶液静置容器2相连，溶液静置容器2出口连接曝气反应装置顶部的进水口。

所述曝气反应装置顶部设有排气口3，曝气反应装置腔体外缠绕有加热管，确保曝气反应在设定的温度条件下进行；内部设置水平带孔隔板7，隔板上铺有鹅卵石6；曝气反应腔体两侧设有温度传感器及pH计在线探头，可以实时监测反应器监测点的温度和pH值随时间的变化。

所述曝气反应装置腔体下部设有气体进气管，进气管末端设有曝气砂头10，进气管与气体混合加热装置相连。所述曝气反应装置腔体下部还设有废液出口，废液出口与废液回收装置相连。曝气反应装置腔体底部设有沉淀回收装置11。

所述模拟气体混合加热装置的氮气瓶15、二氧化碳瓶14均连接气体质量流量计13和气体混合加热器12，再与曝气反应装置腔体下方的进气口相连。通过设置所述气体混合加热器将混合气体加热至设定的温度，以实现不同设定实验温度条件的气体-液体非均相反应。

所述废液回收装置包括蠕动泵和废液储存罐，处理过的废液经蠕动泵作用进入废液储存罐。废液储存罐主要对废液进行收集，便于后续开展目标重金属浓度测定。

具体的，所述鹅卵石密集放置于每层的带孔隔板上，其直径略大于隔板的孔径。在曝气过程中，放置鹅卵石有助于气体与液体的非均相反应充分。

具体的，所述飞灰水洗反应器还包括搅拌器，搅拌器置于飞灰水洗反应器的内部；所述搅拌器还包括驱动器、搅拌轴和搅拌叶，驱动器与搅拌轴传动连接，搅拌叶与搅拌轴连接以一定速率搅动飞灰与自来水，使飞灰与自来水可以充分接触，保证飞灰粉体的清洗效率。

具体的，飞灰与自来水按一定比例混合置于飞灰水洗反应器中进行搅拌水洗，水洗完成后经浆料泵抽入溶液静置容器中的过滤罐中过滤残留的粉体；滤下的浆液在溶液静置容器中进行一定时间的静置，以进一步沉降其中残留的部分飞灰细颗粒。静置后的废水进入曝气反应装置的进水装置。具体的，氮气瓶15中的氮气和二氧化碳瓶14中的二氧化碳分别经气体阀门进入对应的质量流量计13，利用质量流量计确定气体的配比；然后气体以一定流量进入气体混合加热器；两种气体在所述气体混合加热器中进行充分混匀，并且通过加热装置将混合气体加热到所需的温度。混匀加热后的混合气体经过出气端、气体阀门，最终进入曝气反应装置。

具体的，飞灰水洗废水进入曝气反应腔体的同时，加热后的混合气体通过腔体下方的曝气砂头进入反应腔体。气体经由隔板的小孔、鹅卵石缝隙自腔体下方往上持续不断曝气，最终经由排气口排出。曝气反应期间，腔体内产生白色沉淀。产生的沉淀通过隔板小孔沉积至腔体底部。持续观测腔体内溶液的pH值变化，待溶液pH值降至8左右，停止供气。反应结束后打开沉淀回收装置的阀门回收沉淀，打开出水装置的阀门回收处理后废液。

本发明还提供上述装置的使用方法，其包括：

步骤S101，将自来水与焚烧飞灰以8mL：1g(L：S)的比例置于飞灰水洗反应器中进行洗涤，洗涤频率为1次。搅拌条件包括：搅拌时间20min，室温。将飞灰水洗废水通入溶液静置容器进行过滤和静置，最终通入曝气反应腔体。

步骤S102，将氮气瓶和二氧化碳气瓶分别连接到气体质量流量计上，再用气体质量流量计(D07-7B)按比例控制两种气体的流量(CO

步骤S103，将充分混合和加热的模拟废气以设定的流速经由曝气砂头通入曝气反应腔体，与飞灰水洗废水进行曝气反应。将曝气反应腔体外的加热管温度设置为与混合气体一致的温度，保证整个曝气过程中反应温度的恒定。混合气体经过曝气反应腔体中的带孔隔板不断往上曝气，而放置的鹅卵石能够保证气体与水洗溶液充分接触，实现气相-液相间非匀相传质反应。在线pH计传感器探头和温度传感器探头同时浸入飞灰水洗废水中，以记录溶液pH值和温度的连续变化。当pH值变为预设值(pH＝8左右)时，停止气体的供应。

步骤S104，停止曝气后，废液经蠕动泵的作用进入储存罐。将定量的悬浮液从储存罐中取出，同时记录pH值变化和曝气反应时间。用0.45μm的过滤器过滤悬浮液，从滤液中采集样品收集到50mL比色管中并进行酸化预处理(最终pH值<2)。用电感耦合等离子体-发射光谱仪测定滤液中残留的重金属浓度。再打开沉淀回收装置以回收曝气反应产生的沉淀，最后进行冻干处理(80℃，24小时)以便于进一步表征分析。

更优选地，所述步骤S102中二氧化碳和氮气的比例为15％：85％和33％：67％；步骤S102气体加热温度和S103曝气过程温度分别设定为25℃，50℃，80℃。所述步骤S103中曝气速率为10和15mL/min。

由上述本发明的技术方案可以看出，本发明具有如下技术效果：

(1)本发明通过将模拟的工业排放烟气通入飞灰水洗废水中，最后实现了水洗废水中主要重金属浓度以及废水最终pH值基本满足《污水综合排放标准(GB8978-1996)》要求。

(2)本发明所回收的沉淀粉体，经后续表征，确认主要成分为碳酸钙，本发明能够实现碳酸钙的回收。

(3)本发明所需的温度低，反应时间短，能源利用率高，重金属的去除率高，实现了以废治废，以排放烟气治理飞灰水洗废水的污染，捕捉二氧化碳的同时完成了水洗废水的无害化和资源化。尤其是针对飞灰脱毒减害过程带来的二次污染问题，本发明解决提供了一种新处理工艺。

附图说明

图1为垃圾焚烧飞灰水洗废水处理反应装置图。

其中：飞灰水洗反应器1、溶液静置容器2、排气口3、pH计4、温度传感器5、鹅卵石6、带孔隔板7、废液储存罐8、蠕动泵9、曝气砂头10、沉淀回收装置11、气体混合加热器12、气体质量流量控制器13、二氧化碳气瓶14、氮气瓶15、气体阀门16。

图2为CO

图3为CO

图4为CO

图5为CO

图6为CO

图7为CO

图8为CO

图9为CO

图10为CO

图11为回收颗粒XRD分析。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

本发明提供一种利用工业排放的废气治理垃圾焚烧飞灰水洗废水污染并回收碳酸钙的反应装置，其结构如图1所示，包括：飞灰水洗反应器1、溶液静置容器2、排气口3、pH计4、温度传感器5、鹅卵石6、带孔隔板7、废液储存罐8、蠕动泵9、曝气砂头10、沉淀回收装置11、气体混合加热器12、气体质量流量计13、二氧化碳瓶14、氮气瓶15、气体阀门16。

实施例2

利用实施例1所述装置处理垃圾焚烧飞灰水洗废水的使用方法，其包括：

步骤S101，将自来水与焚烧飞灰以8mL：1g(L：S)的比例置于飞灰水洗反应器1中进行洗涤，洗涤频率为1次。搅拌条件包括：搅拌时间20min，室温。将水洗废水通入溶液静置容器2进行过滤和静置，最终通入曝气反应腔体。

步骤S102，将氮气瓶15和二氧化碳气瓶14分别连接到气体质量流量计13，用气体质量流量计(D07-7B)按比例控制两种气体的流量，以模拟两种工业排放的废气。然后，在气体混合加热器12中将气体充分混合，并将混合气体加热到设定的温度。

步骤S103，将充分混合和加热的模拟废气以设定的流速经由曝气砂头10通入曝气反应腔体，与废水进行曝气反应。将曝气反应腔体外的加热管温度设置为与混合气体一致的温度，保证整个曝气过程中温度的恒定。混合气体经过曝气反应腔体中的带孔隔板7不断往上曝气，而鹅卵石6设置保证了模拟气体与废水溶液的充分接触。在线pH计探头和温度传感器同时浸入废水中，以观察废水溶液pH值和温度变化。当pH值变为预设值(pH＝8左右)时，停止气体的供应。

步骤S104，停止曝气后，废液经蠕动泵9的作用进入储存罐8。将定量的悬浮液从储存罐中取出，同时记录pH值和曝气反应时间。用0.45μm的过滤器过滤悬浮液，收集滤液样品到50mL比色管中并进行酸化预处理(最终pH值<2)。用电感耦合等离子体-发射光谱仪测定滤液中重金属浓度。打开沉淀回收装置11，回收曝气反应产生的沉淀。

本发明的效果通过如下实施例来验证。

实施例3

某生活垃圾焚烧飞灰的主要元素组成见表1。

将自来水与上述垃圾焚烧原始飞灰按8mL：1g的比例投加到飞灰水洗反应器中并进行充分搅拌混匀，测定飞灰水洗废水在曝气处理前的重金属初始浓度以及水洗废水溶液的初始pH值(详见表2)。再将水洗废水通过泵转移并从顶端通入曝气反应腔体中(详见图1)。其次，将15％：85％模拟比例混合的CO

回收沉淀的XRD分析如图11所示，主要成分为碳酸钙的两种晶体(方解石和球霰石)。

可见，本发明对于解决焚烧飞灰水洗废水二次污染的效果较好。

表1某生活垃圾焚烧飞灰的化学成分分析(％)

表2某生活垃圾焚烧飞灰水洗废水处理前的典型重金属浓度(mg/L)及pH值

实施例4

某生活垃圾焚烧飞灰的主要元素组成见表1。

将自来水与上述垃圾焚烧原始飞灰按8mL：1g的比例投加到飞灰水洗反应器中并进行充分搅拌混匀，测定水洗废水在曝气处理前的重金属初始浓度以及水洗废水溶液的初始pH值(详见表2)。再将水洗废水通过泵转移并从顶端通入曝气反应腔体中(详见图1)。其次，将15％：85％模拟比例混合的CO

可见，本发明对于解决焚烧飞灰水洗废水二次污染的效果较好。

实施例5

某生活垃圾焚烧飞灰的主要元素组成见表1。

将自来水与上述垃圾焚烧原始飞灰按8mL：1g的比例投加到飞灰水洗反应器中并进行充分搅拌混匀，测定水洗废水在曝气处理前的重金属初始浓度以及水洗废水溶液的初始pH值(详见表2)。再将水洗废水通过泵转移并从顶端通入曝气反应腔体中(详见图1)。其次，将15％：85％模拟比例混合的CO

可见，本发明对于解决焚烧飞灰水洗废水二次污染的效果较好。

实施例6

某生活垃圾焚烧飞灰的主要元素组成见表1。

将自来水与上述垃圾焚烧原始飞灰按8mL：1g的比例投加到飞灰水洗反应器中并进行充分搅拌混匀，测定水洗废水在曝气处理前的重金属初始浓度以及水洗废水溶液的初始pH值(详见表2)。再将水洗废水通过泵转移并从顶端通入曝气反应腔体中(详见图1)。其次，将33％：67％模拟比例混合的CO

可见，本发明对于解决焚烧飞灰水洗废水二次污染的效果较好。

实施例7

某生活垃圾焚烧飞灰的主要元素组成见表1。

将自来水与上述垃圾焚烧原始飞灰按8mL：1g的比例投加到飞灰水洗反应器中并进行充分搅拌混匀，测定水洗废水在曝气处理前的重金属初始浓度以及水洗废水溶液的初始pH值(详见表2)。再将水洗废水通过泵转移并从顶端通入曝气反应腔体中(详见图1)。其次，将33％：67％模拟比例混合的CO

可见，本发明对于解决焚烧飞灰水洗废水二次污染的效果较好。

实施例8

某生活垃圾焚烧飞灰的主要元素组成见表1。

将自来水与上述垃圾焚烧原始飞灰按8mL：1g的比例投加到飞灰水洗反应器中并进行充分搅拌混匀，测定水洗废水在曝气处理前的重金属初始浓度以及水洗废水溶液的初始pH值(详见表2)。再将水洗废水通过泵转移并从顶端通入曝气反应腔体中(详见图1)。其次，将33％：67％模拟比例混合的CO

可见，本发明对于解决焚烧飞灰水洗废水二次污染的效果较好。

实施例9

某生活垃圾焚烧飞灰的主要元素组成见表1。

将自来水与上述垃圾焚烧原始飞灰按8mL：1g的比例投加到飞灰水洗反应器中并进行充分搅拌混匀，测定水洗废水在曝气处理前的重金属初始浓度以及水洗废水溶液的初始pH值(详见表2)。再将水洗废水通过泵转移并从顶端通入曝气反应腔体中(详见图1)。其次，将33％：67％模拟比例混合的CO

可见，本发明对于解决焚烧飞灰水洗废水二次污染的效果较好。

实施例10

某生活垃圾焚烧飞灰的主要元素组成见表1。

将自来水与上述垃圾焚烧原始飞灰按8mL：1g的比例投加到飞灰水洗反应器中并进行充分搅拌混匀，测定水洗废水在曝气处理前的重金属初始浓度以及水洗废水溶液的初始pH值(详见表2)。再将水洗废水通过泵转移并从顶端通入曝气反应腔体中(详见图1)。其次，将33％：67％模拟比例混合的CO

可见，本发明对于解决焚烧飞灰水洗废水二次污染的效果较好。

实施例11

某生活垃圾焚烧飞灰的主要元素组成见表1。

将自来水与上述垃圾焚烧原始飞灰按8mL：1g的比例投加到飞灰水洗反应器中并进行充分搅拌混匀，测定水洗废水在曝气处理前的重金属初始浓度以及水洗废水溶液的初始pH值(详见表2)。再将水洗废水通过泵转移并从顶端通入曝气反应腔体中(详见图1)。其次，将33％：67％模拟比例混合的CO

可见，本发明对于解决焚烧飞灰水洗废水二次污染的效果较好。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本发明。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此，本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。