一种基于垃圾渗滤液全量化处理的蒸发残渣固化工艺
技术领域
本发明属于固废治理领域，具体涉及一种基于垃圾渗滤液全量化处理的蒸发残渣固化工艺。
背景技术
垃圾填埋场渗滤液成分复杂，具有有机物含量高、SS含量高和电导高的特点。我国大部分垃圾填埋场均进入老龄化阶段，渗滤液生化差。目前，“预处理+生物处理+深度处理”组合工艺已广泛使用，深度处理多采用膜分离技术，包括纳滤和反渗透。组合工艺可保证出水达标排放，但随之产生20％～30％的膜滤浓缩液难以处置。目前浓缩液回灌是常见的处理方式，浓缩液长期回灌之后，对后续膜处理的压力也越来越大，成本越来越高。因为回灌未从根本上去除污染物，因此垃圾渗滤液的全量化处理工艺将是未来的发展趋势。浓缩液的处理作为全量化处理的关键一环，若采用喷炉焚烧法或干燥法处置，能耗和处理成本较高。蒸发技术处理垃圾渗滤液是一种利用物理分离原理实现污染物与水分离的垃圾渗滤液处理技术。垃圾渗滤液中溶于水的有机杂质的蒸发温度远高于纯水的蒸发温度，因此根据热力学原理，利用外加能量蒸发垃圾渗滤液，垃圾渗滤液中的水分会在一定的温度和压力下先于污染物被蒸发，冷凝后成为净化出水，而绝大部分污染物聚集在残余浓缩液中，从而达到减量化和脱盐的目的。对于残余浓缩液，若采用结晶工艺处置，残余浓缩液中的高浓有机物会影响结晶过程，而固化法利用固化剂将中蒸发残留液中的污染物束缚，稳定在固化体中，可有效防止盐分和有机物溢出。
常规的垃圾浓缩液蒸发残渣固化采用石灰和水泥复配，存在以下问题：其一，垃圾浓度液在蒸发过程为了抑制氨氮转入冷凝水中，会加入硫酸进行pH调整，这样导致蒸发残渣的pH在3～5，因此残渣直接加入石灰调整，会增加石灰的用量，再者会生成具有缓凝作用的硫酸钙，影响固化效果；其二，石灰的大量加入，会导致固化过程氨气的释放，既污染环境，又使得固化体有蜂窝状产生，造成固化体后期强度降低，甚至粉化，固化体强度丧失。
为了解决上述问题，只能大量加入石灰和水泥，文献资料《蒸发-固化法处理垃圾渗滤液反渗透浓缩液的研究》研究表明：混合料最佳水泥与石灰质量比约1:2，每100m L蒸发残留液(质量约为120g)最佳投加量为50g，固化体含水率高于30％。公开号为CN103910481A的中国专利公开了一种利用新型固化剂固化处置垃圾渗滤液膜浓缩液污泥的方法，在一定量垃圾渗滤液膜浓缩液污泥中加入一定量固化剂混匀，固化剂占总质量的5％至40％，垃圾渗滤液膜浓缩液污泥占总质量的95％至60％，根据污泥含水率加入一定量水使混合物含水率在80％～70％。由以上文献资料可以看出，仅从含水率这一点看，不符合GB 16889-2008《生活垃圾填埋场污染物控制标准》要求的含水率小于30％的要求。公开号为CN109909262B的中国专利公开了一种协同固化垃圾焚烧飞灰和垃圾浓缩液的处理方法，将垃圾焚烧飞灰、固化基料、固化剂投入干料混合器中进行混合搅拌，形成固体混合料；然后在固体混合料中加入垃圾浓缩液继续搅拌，最后将稳定剂加入浆状固液混合物中，搅拌均匀，并放入模具中，进行养护。上述固化方法中添加的固化基料、固化剂、稳定剂多达10种以上，且化学药剂添加量过大，虽采用工业固废做固化基料，但这在实际应用中添加装置将十分繁杂，大幅增加运行成本；垃圾浓缩液与所有固体材料的添加质量比为0.5:1～1:1，显然含水率大于30％；此外，稳定剂添加强碱性物质氢氧化钠，这势必和浓缩液中的氨氮反应释放氨气。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，本发明通过将垃圾渗滤液蒸发残渣与来自特定固废的中和固化剂混合，并优化技术参数，得到一种垃圾渗滤液蒸发残渣的固化工艺，在实际工程中得到有效应用，不仅有效降低了氨气的释放，同时避免大量使用石灰和水泥，获得了优良的垃圾处理效果。
本发明解决上述技术问题是采取以下技术方法实现的：
一种基于垃圾渗滤液全量化处理的蒸发残渣固化工艺，其特征在于，包括：将蒸发残渣与中和固化剂混合；所述中和固化剂选自由水淬渣、钢渣、炉渣组成的组。
水淬渣、钢渣、炉渣属于固废，本发明发现将它们与经全量化处理的垃圾渗滤液的蒸发残渣混合后可有效中和蒸发残渣的酸性并避免产生氨气，同时又可有效固化稳定蒸发残渣中的各污染物。
所述混合后所得的浆体中加入稳定剂；所述稳定剂为中强酸盐；
优选地，所述中强酸盐选自由草酸盐、亚硫酸盐、乙酸盐、硼酸盐、磷酸盐、马来酸盐、谷氨酸盐；
优选地，所述稳定剂与蒸发残渣的质量比以干料计为1:100～1:10；
采用这一质量比的好处是能使残渣中的重金属和铵根离子的稳定效果达到最佳。
稳定剂主要用于协助中和固化剂去除氨氮，机理如下：水淬渣、钢渣、炉渣与蒸发残渣中的游离的硫酸发生中和反应，产生钙、镁、锰等金属离子，这些金属离子与铵根离子、酸根离子形成稳定难溶的复合盐(例如：草酸铵钙、草酸铵钙、磷酸铵锰等)，从而解决了现有技术氨气的释放。稳定剂的作用在于协助中和固化剂促进垃圾渗滤液蒸发残渣中的氨氮转换为稳定的金属-铵类复合盐，阻止其向环境释放。在抑制氨气释放这方面，选自“水淬渣、钢渣、炉渣”的中和固化剂与稳定剂发挥了协同作用，水淬渣、钢渣、炉渣与蒸发残渣中的游离的硫酸发生中和反应，产生钙、镁、锰等金属离子，如前所述，这些金属离子与稳定剂提供的酸根离子形成金属-铵类复合盐，达到了铵根离子的稳定化，若不加稳定剂，固化过程中，这些铵根离子会与水泥中的碱性物质产生氨气，见具体实施方式部分的对比例1。
优选地，水淬渣、钢渣、炉渣的化学成分包括SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、MgO、MnO、P2O5、SO3、TiO2；
更优选地，水淬渣、钢渣、炉渣的粒度分布为粒径为200目以上的颗粒占比重质量的10％-50％。
进一步地，加入稳定剂后再依次添加水泥、调整剂混匀得到固化体系；
优选地，所述调整剂选自由聚羧酸、鼠李糖脂、偏硅酸组成的组；
加水泥的作用也是起一定的固化作用。
本领域目前还未见使用上述调整剂于垃圾处理领域，上述调整剂起到如下两方面的作用：第一，这些环保无毒的调整剂都能起到表面活性剂的作用，主要作用是调整固化体系在高质量浓度下的流动性，亦即在高质量浓度下还能搅拌。其二，这些物质对重金属也有稳定化作用。
优选地，所述调整剂与蒸发残渣的质量比以干料计为1:300～1:30。采用这一质量比的好处是：可以保证固化体系的流动性，且上述比例范围比较经济。
进一步地，将所述固化体系转移至成型模具内形成固化体。
优选地，所述稳定剂在搅拌状态下添加；
优选地，所述混匀指搅拌均匀。
具体地，所述垃圾渗滤液蒸发残渣的含水率在70％～90％，pH在3～5。
本发明工艺处理的蒸发残渣含水率较高，不要求蒸发残渣一定要蒸发的很彻底，比如含水率小于70％，甚至达到结晶状态，这样可以降低能耗。当然本发明的工艺也可以处理含水率低于70％的蒸发残渣。
进一步地，所述蒸发残渣与中和固化剂混合均匀得到的浆体含水率为30％～70％；优选地，所述中和固化剂与蒸发残渣的质量比以干料计为1:1～15:1。
控制在这个质量比的好处是：第一，充分中和残渣中的酸性物质，与残渣中的铵根离子反应，第二上述比例搭配可以起到提高固化体强度的作用，增加粗颗粒物质含量。
控制浆体上述范围的含水率的好处是：保证固化体系有一个比较好的流动性，易于充分搅拌，另外保证一定的含水率为了达到较佳的中和反应状态。
优选地，水泥的添加量为固化体系中总固体质量的5％～25％。
优选地，固化体系的含水率为15％～30％。
进一步地，将固化体系转移至成型模具内经自然条件养护后形成固化体。
优选地，所述自然条件养护指在室温环境下静置；
优选地，所述自然条件养护时间为2～7天。
本文中的“垃圾渗滤液全量化处理”具有本领域技术人员一般理解的常规技术含义，通常指采用膜浓缩技术处理垃圾渗滤液，也可指发明专利申请CN201910166431-“垃圾渗滤液全量化处理工艺”一文中记载的处理工艺。采用“垃圾渗滤液全量化处理”，势必产生浓缩液，本发明旨在解决浓缩液蒸发后所得残渣的固化问题，蒸发主要去除的是水分，剩下的有机物和重金属等污染物为残渣主要成分，因此，相比现有技术对于浓缩液主要采用回灌垃圾填埋场的方式，本发明的蒸发残渣固化工艺彻底解决了浓缩液去向的问题，使其达到真正的全量化处理。
一种垃圾渗滤液蒸发残渣的固化工艺，其特征在于，包括：步骤1，酸性垃圾渗滤液蒸发残渣与中和固化剂混合搅拌均匀，得到浆体；步骤2，在搅拌状态下向步骤1中添加稳定剂；步骤3，向步骤2中分别添加水泥、活化剂再次搅拌均匀；步骤4，将步骤3中的固化体系转移至成型模具内，最后通过压制成型得到符合安全填埋的固化体。
本发明先用酸性垃圾渗滤液蒸发残渣与中和固化剂混合搅拌，利用残渣中的酸性物质与中和固化剂中的金属氧化物反应，起到中和的作用，中和固化剂中的金属离子进入液相中，稳定剂的加入，促进了铵根离子与中和固化剂中的金属离子以及残渣中含有的金属离子结合成了稳定的复合盐，由此保证了铵根离子不会在后续反应中向环境的释放。混合后的浆体再加水调整剂和水泥进行再次搅拌，既可以强化重金属的稳定效果，由可以调整搅拌体系在较高质量浓度下的流动性，提高搅拌效果，保证了固化效果。
本发明还包括以下优选方案：
优选的方案中，垃圾渗滤液蒸发残渣的含水率在70％～90％，pH在3～5。作为更进一步的优选，残渣的含水率在80％～90％。
选自水淬渣、钢渣、炉渣的中和固化剂属于一般工业固废，作为固化体系的填充物，其中的粗颗粒成分对后续的固化非常有益，可以提高固化体系的强度。中和固化剂来源十分广泛，同时后续自身也得到了固化，使本发明实现了以废治废的目的。
优选的方案中，蒸发残渣与中和固化剂混合均匀得到的浆体含水率为30％～70％，所述中和固化剂与蒸发残渣的质量比以干料计为1:1～15:1，作为更进一步的优选，中和固化剂与蒸发残渣的质量比以干料计为5:1～15:1。
优选的方案中，稳定剂为专属产品，其作用在于促进垃圾渗滤液蒸发残渣中的氨氮转换为稳定的金属-铵类复合盐，阻止其向环境释放。
优选的方案中，稳定剂与蒸发残渣的质量比为1:100～1:10，作为更进一步的优选，稳定剂与蒸发残渣的质量比以干料计为1:100～1:50。
优选的方案中，调整剂为聚羧酸、鼠李糖脂、偏硅酸中的一种或几种，调整剂与蒸发残渣的质量比为1:300～1:30。作为更进一步的优选，调整剂与蒸发残渣的质量比以干料计为1:300～1:100。
优选的方案中，水泥的添加量为固化体系中总固体质量的5％～25％。
优选的方案中，固化体系的含水率为15％～30％。
优选的方案中，步骤1搅拌时间为1～5分钟，步骤3搅拌时间为3～5分钟，自然条件养护2～7天。
本发明涉及一种垃圾渗滤液蒸发残渣的固化工艺，包含以下步骤：①酸性垃圾渗滤液蒸发残渣与中和固化剂混合均匀，得到浆体；②在搅拌状态下向步骤①中添加稳定剂；③向步骤②中分别添加水泥、调整剂再次搅拌均匀；④将步骤③得到的固化体系转移至成型模具内，自然条件下养护后得到符合安全填埋的固化体。本发明利用来源广泛、易得的中和固化剂来中和蒸发残渣中的酸性物质，调整整个固化体系物料的粒径分布，达到了以废治废的效果。相比现有工艺，明显提高了固化效果及重金属稳定化效果，降低了后续固化成本。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过首先采用垃圾渗滤液蒸发残渣与中和固化剂混合，利用残渣中的酸性物质与中和固化剂中的金属氧化物反应，同时金属离子部分溶出，避免了直接与水泥反应，消耗水泥中的碱性物质；稳定剂的加入使得氨氮形成了金属-氨氮复合盐，稳定在固化体中，防止了氨气的释放，具有明显的环境效应。
2、中和固化剂的加入，对固化体系而言起到了填充作用，同时为固化体系增加了粗颗粒的含量，使其具有较好的抗压强度，这样可以替代现有工艺添加的石灰，降低水泥的添加量，从而降低原材料成本；本发明的固化工艺对蒸发工艺要求的浓缩倍数没有过高要求，残渣中的盐类勿需达到饱和状态，更勿需结晶，因而可以降低蒸发工艺的能耗，以上具有明显的经济效应。
3、调整剂加入固化体系后，既可以对蒸发残渣中的重金属进行稳定化，又可以保证固化体再较高质量浓度下保证较好的流动性，保证了固化体系在较高质量浓度下还能搅拌均匀，提高了固化效率，节约了水泥。
4、本发明所使用的稳定剂、调整剂均为环保无毒的产品，使用量少，固化过程亦不会产生二次污染；中和固化剂作为一种工业固废，来源广泛，与渗滤液蒸发残渣结合固化，可以达到“以废治废”的效果。
附图说明
图1为固化体在不同条件下的固化情况，A为实施例1制得的固化体表面形态，B为对比例1(未添加稳定剂)制得的固化体表面形态，C为实施例4现有工艺制得的固化体表面形态。B和C中的黑点为氨气释放产生的气孔，B由于没有加稳定剂，所以前期无气体释放，铵根离子还存在固化体系中，一旦加入水泥，这些铵根氯离子就和水泥中的碱性物质反应，产生了氨气(集中在此阶段产生)，此时氨气的溢出在固化体系中留下孔隙不均匀也不规则。而C中，由于先加石灰和残渣搅拌，此时大部分氨气在这个阶段剧烈产生并溢出了，后续再加水泥，此时固化体系含有的铵根离子已经不多了，所以氨气产生相对B而言温和很多，因此气孔相对较小也更均匀一些。
图2为实施例产生氨气测量装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步清楚、完整地描述，但并不以此限制本发明的保护范围。
实施例1
取含水率为85％的垃圾渗滤液蒸发残渣100kg，添加+200目含量为25.3％水淬渣200kg，稳定剂乙酸盐0.3Kg，搅拌2分钟后，加入60kgPC425硅酸盐水泥和聚羧酸0.1kg，继续搅拌3分钟，装入成型模具内，自然条件养护3天、7天、28天、60天。
对比例1：仅不添加稳定剂，其余条件与实施例1相同。
实施例2
取含水率为80％的垃圾渗滤液蒸发残渣100kg，添加+200目含量为35.6％钢渣180kg，稳定剂草酸盐0.25Kg，搅拌2分钟后，加入35kgPC425硅酸盐水泥和鼠李糖脂0.12kg，继续搅拌5分钟，装入成型模具内，自然条件养护3天、7天、28天、60天。
对比例2：仅不添加鼠李糖脂，稳定剂选用砷酸盐，其余条件与实施例2相同。
实施例3
取含水率为75％的垃圾渗滤液蒸发残渣100kg，添加+200目含量为31.3％炉渣130kg，稳定剂亚硫酸盐0.35Kg，搅拌3分钟后，加入40kgPC425硅酸盐水泥和偏硅酸0.15kg，继续搅拌5分钟，装入成型模具内，自然条件养护3天、7天、28天、60天。
对比例3：仅稳定剂硼酸盐添加量为0.15Kg，其余条件与实施例3相同。
对比例4：仅偏硅酸添加量为0.05Kg，稳定剂选用马来酸盐，其余条件与实施例3相同。
对比例5：将实施例3中的炉渣分级，使+200目含量为8.25％，稳定剂选用谷氨酸盐，其余条件与实施例3相同。
上述实施例和对比例中的稳定剂也可选用磷酸盐。
实施例4
取含水率为85％的垃圾渗滤液蒸发残渣100kg，添加+200目含量为25.3％石灰200kg，搅拌2分钟后，加入60kgPC425硅酸盐水泥，继续搅拌3分钟，装入成型模具内，自然条件养护3天、7天、28天、60天。
本发明采用的水淬渣、炉渣、钢渣为本领域技术人员可通过常规渠道就可获取的固废原料，例如通过工业采集或直接商购获得，它们的化学成分含量的变化并不影响本发明最终的固化效果，采用常规的水淬渣、炉渣、钢渣就可获得本发明声称的固化处理效果。
上述实施例中，各中和固化剂的化学成分见表1，固化体在养护时间完成后，进行3天、7天、28天、60天抗压强度测试及抗冲击剥落率的测试，结果见表2；参照HJ/T300的浸出方法检测浸出液，结果见表3。
上述实施例中，产生氨气的质量测试方法为：按图2装置，取将制备好的固化体系200g，转入锥形瓶中，采用20％稀硫酸吸收产生的气体，并确保吸收完全，通过测量稀硫酸增加的质量得到产生氨气的质量，结果如表4所示。
表1.实施例中水淬渣、钢渣、炉渣化学成分(单位：％)
表2.实施例固化试验结果(单位：Mpa)
表3.实施例浸出液试验检测结果(单位：mg/L)
以上结果显示：实施例1～3，含水率＜30％，3天强度＞1Mpa，后期强度稳定上升，未出现衰减，浸出液污染物浓度符合《生活垃圾填埋污染控制标准》(GB16889-2008)表1要求。
表4.各实施例、对比例产生氨气的质量(单位：g)
