加湿水类型和填埋方式对稳定...水分迁移和污染物浸出的影响_刘建.pdf

书书书文章编号:1009-6094(2023)07-2497-08加湿水类型和填埋方式对稳定化飞灰水分迁移和污染物浸出的影响*刘建1，冯艳平1，牟陈亚1，2(1 西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 610000;2 信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司，成都 610000)摘要:为研究不同加湿水类型和填埋方式对稳定化飞灰水分迁移和污染物浸出的影响，建立“去离子水+摊铺式填埋”(FL)、“去离子水+吨袋填埋”(FBL)和“膜浓缩液+摊铺式填埋”(FCL)3 个飞灰填埋柱，采用模拟酸雨淋滤 150d。结果显示，FL 柱、FBL 柱、FCL 柱产渗时间依次为试验开始后的第 60 d、73 d 和 68 d。FBL 柱产渗时间最晚的原因主要是吨袋填埋提高了飞灰的持水能力。试验期间，FL 柱、FBL 柱、FCL 柱在40 cm 处均出现了可溶盐的积累，FCL 柱由于采用膜浓缩液为加湿水，渗滤液中化学需氧量(COD)、氨氮(NH3 N)浸出质量浓度的 平 均 值 分 别 比 FL 柱 高31.55%和 242.08%;试验结束时，FL 柱、FBL 柱、FCL 柱 Pb浸出总量依次为 334.73 mg、327.62 mg 和 349.04 mg。FCL柱 Pb 浸出总量最高的主要原因是膜浓缩液携带的外源污染和膜浓缩液吸附/络合 Pb 在浸出过程中会重新溶出。研究成果可为飞灰填埋处置的环境安全提供依据。关键词:环境工程学;飞灰;填埋;膜浓缩液;重金属中图分类号:X799.3文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2022.0533*收稿日期:2022 04 11作者简介:刘建，副研究员，博士，从事固体废物处理与处置、工程水环境效应及其控制研究，liukai-102163 com。基金项目:国家自然科学基金项目(41602241);四川省重大科技专项(2019YFS0509)0引言焚烧已成为我国城市生活垃圾的主要处理方式。2020 年数据统计结果显示，焚烧处理垃圾量占总无害化处理量的 62.29%1。每焚烧 1 t 生活垃圾将产生 30 50 kg 飞灰(以炉排炉计)2，按照平均质量分数为 4%计算，则一年的飞灰产生量将近600 万 t。但飞灰富集重金属、二噁英等危害物质3 4，填埋前需进行固化稳定化预处理。2009 年，Mohan 等5 采用粉煤灰为吸附剂处理垃圾渗滤液中的 Zn、Pb、Cr 等重金属，表明了粉煤灰去除渗滤液中重金属的可行性，为垃圾焚烧飞灰与渗滤液膜浓缩液的协同处理提供了参考。2012 年，叶秀雅6 将垃圾焚烧飞灰和垃圾渗滤液膜浓缩液联合处理，结果显示飞灰对膜浓缩液中氨氮、溶解性总固体(TDS)和重金属等污染物具有较高的去除率。在此基础上，学者开始对飞灰与膜浓缩液协同处理产物的浸出毒性展开研究7 8，但尚未探索协同处理产物填埋后的环境安全问题。为解决膜浓缩液的去向，部分焚烧厂采用膜浓缩液作为飞灰稳定化预处理时的加湿水。但由于膜浓缩液中含有高浓度的氯盐、COD 和 NH3N，将其作为加湿水是否会导致飞灰填埋后渗滤液水质更加复杂和难于处理应值得关注 9。飞灰填埋作业工艺可分为摊铺式和吊装式。由于摊铺式填埋易产生高盐渗滤液和扬尘，因此目前多采用出厂袋装和进场吊装的作业工艺填埋飞灰9 11。飞灰包装袋一般选用疏水材质的吨袋，而填埋场内吨袋与吨袋间形成的裂隙将成为渗滤液快速迁移的主要通道12。与摊铺式填埋相比，吨袋吊装填埋形成优先流理论上有利于减少飞灰与渗滤液的接触，可降低飞灰中污染物质的释放速率13。但两种作业工艺相比，吨袋吊装填埋是否会减少污染物的浸出总量，还有待研究。本文考虑加湿水类型(去离子水/渗滤液膜浓缩液)和填埋方式(摊铺式填埋/吨袋填埋)两大影响因素，建立“去离子水+摊铺式填埋”(FL)、“去离子水+吨袋填埋”(FBL)和“膜浓缩液+摊铺式填埋”(FCL)3 个飞灰填埋柱，研究不同工艺条件对填埋飞灰水分迁移及污染物浸出的影响，为飞灰填埋处置的环境安全提供依据。1材料与方法1.1试验材料与设备原灰取自成都市某大型城市生活垃圾焚烧发电厂的布袋除尘器集灰斗，该厂采用机械式炉排炉和“半干法+干法+活性炭吸附+布袋除尘”尾气处理工艺。试验采用该焚烧发电厂所用的有机螯合剂对飞灰进行稳定化处理(其有效成分为 1，4 哌嗪二硫代羧酸二钾盐、二钾哌嗪 1，4 二硫代羧酸，体积分数约为 35%45%)。加湿水分别选用去离子水和渗滤液膜浓缩液，添加量为原灰质量的30%。稳定化处理后的飞灰满足 GB 168892008生活垃圾填埋场污染控制标准 入场标准。原灰及渗滤液膜浓缩液污染物含量见表 1。试验采用 pH 计测定 pH 值，采用 X 射线衍射仪7942第 23 卷第 7 期2023 年 7 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 7Jul，2023测定飞灰及渗滤液污染物组分，采用原子吸收分光光度计测定飞灰及渗滤液中重金属质量浓度，采用扫描电子显微镜分析飞灰表面特征，采用水分监测仪检测填埋柱中的含水率。试验使用的主要仪器见表2。表 1原灰及膜浓缩液污染物含量Table 1Pollutant content of fly ash and membranted concentrated leachate污染物PbZnCuCrCdNiCODNH3 N原灰中污染物质量比/(mgkg1)1 195.0843 403.120394.995174.962182.19411.129膜浓缩液中污染物质量浓度/(mgL1)0.1480.0410.0270.4410.0051.0942 921.3901 133.734表 2主要试验仪器Table 2Main experimental instruments编号仪器名称仪器型号生产厂家1pH 计PH828+东莞万创电子制品有限公司2水分监测仪Watch Dog 2800美国光谱科技有限公司3原子吸收分光光度计SP 3803AA上海光谱仪器有限公司4X 射线衍射仪X pert PO荷兰帕纳科公司5扫描电子显微镜SU8010日本日立公司1.2试验设计FL、FBL、FCL 3 个飞灰填埋柱高度均为 75 cm(其中填埋层高度为 50 cm)、内径均为 20 cm，材质为亚克力，见图 1。填埋柱底部装填高 5 cm 的砾石用于渗滤液收集与过滤，中间装填 50 cm 高的稳定化飞灰(容重为1 g/cm3)，飞灰上装填高2 cm 的砾石促进淋滤液均匀下渗。装填完成后，试验柱在约 40 环境下自然养护3 d，随后开始试验。淋滤所使用的补给液采用 V(H2SO4)V(HNO3)=2 1的稀释溶液，调节 pH=5.6 以模拟酸雨。淋滤液配置参考酸雨 pH 值及其主控因子(SO2、NOx)，补给量参考四川省多年平均年降雨量并乘以入渗系数，约 82 mL/d。在飞灰填埋层设置固相取样口和水分传感器，间隔 10 cm 均匀布置。含水率由水分监测仪自动检测，频次为 1 次/10 min;固相样品采集后于 105 烘干后送检，取样频次为 1 次/30 d。试验时长共为 150 d。1.3试验方法化学需氧量、氨氮参照水和废水监测分析方法(第四版)方法进行测定;pH 值用 pH 计测定;氯化物采用 GB/T 118961989水质 氯化物的测定硝酸银滴定方法 测定;可溶性盐测定参考 NY/T1121.162006土壤检测 第 16 部分:土壤水溶性盐总量的测定;重金属含量根据 HJ 4912019土壤和沉积物 铜、锌、铅、镍、铬的测定 火焰原子吸收分光光度法 和 GB/T 171411997土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法 测定;重金属形态采用 Tessier 方法连续提取可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态 5种类型。均匀布水器，溢流口，固相取样口(1#4#)，水分传感器(a d)，飞灰填埋区，模拟吨袋(简称“吨袋”)，土工滤网，砾石，出水口，量杯。图 1飞灰淋滤装置Fig 1Fly ash leaching device8942Vol 23No 7安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 7 期2结果与分析2.1含水率及渗滤液产量2.1.1含水率变化情况从养护完成并开始补给时作为计时起点，3 个填埋柱含水率在试验期间均呈下降迅速上升缓慢上升或趋于稳定的变化趋势，见图2。前期含水率短暂下降是因为自然养护后，填埋柱两端的含水率比较低，水分在柱内进行均衡的结果;之后的快速上升是受到了上部补给的体现，而 FL 柱在试验中后期含水率出现缓慢下降可能是盐分流失导致持水能力变差所致。与 FL 柱相比，FBL 柱在 10 cm 位置处含水率高图 2不同工艺条件填埋柱含水率变化曲线Fig 2Variation curves of water content of fly ash columnunder different technological conditions3 百分点，但40 cm 处含水率对外界水补给的响应时间却长一倍，主要原因是吨袋方式填埋有助于增加飞灰的持水性能14 15 以减缓水分的下渗速度。与 FL 柱相比，FCL 柱含水率整体更低，原因可能是膜浓缩液中有机质、碳酸盐与飞灰中重金属、钙离子结合形成团粒状生成产物16，限制了水分向颗粒内部转移。2.1.2渗滤液产量FL 柱、FCL 柱、FBL 柱初次产渗时间依次为开始淋滤后的第60 d、68 d 和73 d，初次产渗量依次为13.8 mL/d、45.6 mL/d 和 76.4 mL/d;至产渗平稳时，3 者的产渗量均接近补给水量 82 mL/d，见图 3。3 者相比，FL 柱产渗时间最早，FBL 柱产渗时间最晚;FBL 柱初次产渗量就达到 76.4 mL/d，原因与FBL 柱采用袋装式填埋增加了飞灰的持水量且吨袋间形成了优先流有关17 18。FCL 柱产渗情况处于中间，原因为:1)膜浓缩液加入后造成颗粒团结影响水分进入颗粒内部;2)采用膜浓缩液作为加湿水处理的飞灰在一定程度上形成了非均匀流，但其对渗滤液产量的影响却又不及包装袋之间形成的优先流。2.2渗滤液中 COD 与 NH3N 质量浓度由于焚烧过程中部分未完全燃烧物质被灰分包裹并随烟气进入除尘装置中18，使飞灰填埋后的渗滤液中仍能检测出少量 COD 与 NH3 N，见图 4。相比于FL 柱，FCL 柱渗滤液中COD 与NH3N 的质量浓度明显更高，平均值分别高约 31.55%和 242.08%。主要是因为 FCL 柱采用膜浓缩液作为飞灰加湿水，图 3飞灰填埋柱渗滤液产生曲线Fig 3Leachate production curves of fly ash landfill column图 4渗滤液中 COD 与 NH3N 质量浓度曲线Fig 4COD and NH3N mass concentrationscurves in leachate99422023 年 7 月刘建，等:加湿水类型和填埋方式对稳定化飞灰水分迁移和污染物浸出的影响Jul，2023而膜浓缩液中 COD 和 NH3 N 质量浓度分别为 2921.390 mg/L 和 1 133.734 mg/L，无疑增加了渗滤液中 COD 和 NH3 N 的来源，同时也提高了渗滤液的处理难度与处理成本。2.3重金属浸出2.3.1渗滤液中重金属浸出试验期间，渗滤液中 Pb 质量浓度远高于 Zn、Cu等重金属，故以 Pb 为例分析飞灰中重金属的浸出行为，见表 3。由于试验期间水质监测频次为前期 1次/2 d、后期1 次/4 d，水量为每天测定，因此在计算Pb 的累积浸出量时为使二者匹配对浸出质量浓度做插值处理。渗滤液中 Pb 的浸出质量浓度及累积浸出量随时间变化情况分别见图 5 和 6。根据渗滤液中 Pb 浸出质量浓度和累积浸出量随时间的变化曲线(图 5 和 6)可知:Pb 的浸出主要发生在试验初期，因飞灰表面重