固体废物的物化处理技术

固体废物的物化处理技术2017年7月第一节溶剂浸出成分复杂、嵌布粒度微细且有价成分含量低的矿业固体废物、化工和冶金过程排出的废渣等，若要提取其中的有价成分或是去除其中的有害成分，采用传统的分选技术往往成效甚微，而常常采用化学浸出（溶剂浸出）技术。浸出是溶剂选择性地溶解固体废物中某种目的组分，使该组分进入溶液中而达到与废物中其他组分相分离的工艺过程。浸出过程所使用的药剂成为浸出剂，浸出后含目的组分的溶液成为浸出液，残渣成为浸出渣。一、浸出方法根据浸出药剂种类的不同，浸出分为：酸浸、碱浸、盐浸、水浸。酸浸常用的有稀硫酸、浓硫酸、盐酸、硝酸、王水、氢氟酸、亚硫酸等。凡废物中的某种组分可通过酸溶进入溶液的都可采用酸浸的方法。(1)简单酸浸用于：大部分金属的简单氧化物、金属铁酸盐、砷酸盐和硅酸盐，小部分金属硫化物(FeS、Ni2S、CoS、MnS、NiS)。OHOCuSOHCuOOHMeHMeO24422S2(2)氧化酸浸用于：大部分金属硫化物。氧化剂：Fe3+、Cl2、O2、HNO3、NaClO、MnO2、H2O2。(3)还原酸浸O44O8或氧化剂2氧化酸浸2氧化酸浸HCuHS2CuSOSMeHMeS22402-2OHHMnOHMeH232222F2F24还原剂氧化物化物变价金属的高价金属氧还原酸浸2还原酸浸eeO氢2、碱浸浸出能力一般比酸浸药剂弱，但选择性高，浸出液较纯净，且设备防腐蚀问题较易解决。碱浸药剂：碳酸铵、氨水、碳酸钠、苛性钠、硫化钠。浸出方法：氨浸、碳酸钠溶液浸出、苛性钠溶液浸出、硫化钠溶液浸出等。(1)氨浸：常用于铜、钴、镍及其氧化物的废物的浸出，属于金属的电化腐蚀过程。由于铜、钴、镍能与氨形成稳定的可溶络合物，扩大了铜、钴、镍离子在溶液中的稳定区，降低了铜、钴、镍的还原电位，使其较易转入浸液中。例如：黑铜矿O3HCO)Cu(NHCO)(NHOH2NHCuO23443244(2)碳酸钠溶液浸出：适用于能与碳酸钠反应生成可溶性钠盐的废物。主要用于浸出某些含钨废料、硫化钼氧化焙烧渣、含磷废物、含钒废物。例如：白钨矿(3)苛性钠溶液浸出：是生产氧化铝的主要浸出剂，也常用于含硅高的固体废物有价组分的浸出。例如：方铅矿342324CaCOWONaCONaCaWOOHSNaPbONaNaOHPbS2222(4)硫化钠溶液浸出:硫化钠可分解砷、锑、锡、汞等硫化物，使其生成可溶性硫代酸盐的形态转入浸出液中。fedcbaMeSyNaSxNaSMe3、盐浸利用无机盐的水溶液为浸出剂，常用的有氯化钠、高价铁盐、氯化铜、次氯酸钠。常用于浸出铁、铅、铋、锌、铜。)Na(PbClNP42aClbCl二、浸出效果衡量常用：浸出率、浸出过程的选择性、浸出药剂的用量衡量浸出过程。浸出率:转入浸出液中的溶质量与物料原含溶质总量的比值。选择性系数(β):当其他条件相同时,能产生相同电位的待测离子活度αi和干扰离子活度αj的比值,β愈接近1，则该两组分的浸出选择性愈差。三、浸出工艺为使废物中的目的组分充分暴露，增大浸出效果，浸出前一般须进行破碎处理，也可焙烧后浸出。1、根据浸出过程废物的运动方式，浸出分为渗滤浸出和搅拌浸出。渗滤浸出：浸出剂在浸出剂在重力作用下自上而下或在压力作用下自下而上通过固定废料层的浸出过程。搅拌浸出：将磨细的废物与浸出剂在搅拌槽中进行强烈搅拌的浸出过程，可浸出各种废物。浸出前废物磨细至0.3mm以下，采用连续操作制度。2、据浸出剂与被浸废料的相对运动方式的不同浸出工艺可分为顺流浸出、错流浸出和逆流浸出三种。浸出剂被浸物料送后续处理浸液浸渣物料新浸出剂顺流浸出工艺流程错流浸出工艺流程浸液浸渣被浸物料浸出剂逆流浸出工艺流程物料粒度及其特性一般来说，粒度细、比表面积大、结构疏松、组成简单、裂隙和孔隙发达、亲水性强的物料浸出率高。渗滤池浸出粒度以0.5-1.0cm为宜。四、影响浸出过程的主要因素浸出温度：大部分浸出化学反应和扩散速率随温度升高而加快。浸出压力：浸出速率随着压力增加而加快。搅拌速度：搅拌可减小扩散层厚度，有利于提高浸出过程中物料的扩散速率。其他因素：固液比、氧分压、溶剂浓度等。合适的固液比可通过实验确定；溶剂浓度过高，不仅不经济，而且杂质进入溶液的量增多，设备腐蚀程度增大；鼓入气体可提高料浆中氧分压，对一些特定的浸出反应有重要意义。第二节固化与稳定化处理一、固化（一）概述1.基本概念固化处理：是用物理-化学方法将有害废物固定或包封在惰性基材中，使之呈现化学稳定性或密封性的一种无害化处理方法。固化剂：固化所用的惰性材料。固化体：有害废物经过固化处理所形成的固化产物。目前已应用于处理电镀污泥、砷渣、汞渣、氰渣、铬渣和镉渣。2.固化处理的基本要求固化体应具有良好的抗渗透性、抗浸出性、抗干湿性、抗冻融性及足够的机械强度等，最好能作为资源加以利用。固化过程中材料和能量消耗要低，增容比要低。工艺过程简单、便于操作。固化剂来源丰富，价廉易得。处理费用低。3.固化处理的主要指标固化体的浸出速率：指固化体浸于水中或其它溶液中时，其中有害物质的浸出速度。Vn=(mt/m0)/((Ae/V)t)Vn——标准比表面的样品每天浸出的有害物质的浸出率，cm/d；mt——浸出时间内浸出的有害物质的量，mg；m0——样品中含有的有害物质的量，mg；Ae——样品暴露的表面积，cm2；V——样品的体积，cm3；t——浸出时间，d。增容比：指所形成的固化体体积与被固化有害废物体积的比值，即Ci=V2/V1Ci——增容比；V2——固化体体积，m3；V1——固化前有害废物的体积，m3。抗压强度：危险废物的固化体必须具有一定的抗压强度，在环境中才能安全贮存或处置。装桶贮存或进行处置时，其抗压强度控制在0.1~0.5MPa；如用作建筑材料，其抗压强度应大于10MPa；放射性废物固化体的抗压强度，苏联要求是5MPa，英国要求是达到20MPa。4、固化处理机理固化处理的机理十分复杂，目前理论阐述不明确。目前的方法主要两类：将污染物化学转变或者引入到某种稳定的晶格中；将污染物直接掺入到惰性材料中进行包封；二者单独或者结合使用。主要用于处理无机废物。5、固化处理分类按照原理分为(1)包胶固化：据固化剂类型分为水泥、热塑性材料固化（沥青、热塑性塑料）、石灰固化、热固性塑料(有机聚合物)固化；(2)玻璃固化；(3)自胶结固化；(4)水玻璃固化等。（二）包胶固化包胶固化是采用某种固化基材对于废物块或废物堆进行包覆处理。固化剂类型：水泥、石灰、热塑性材料固化热固性材料固化。1.水泥固化1）原理以水泥为固化剂将有害废物进行固化的一种处理方法。适于各种含重金属的污泥。重金属离子（高pH下）氢氧化物或碳酸盐↓（2）水泥与添加剂固化剂：硅酸盐、火山灰质硅酸盐水泥等添加剂：能够吸收有害物质并促进其凝固，可减少水泥用量，加强固化体的强度，降低有害组分的浸出率。常用有吸附剂（活性氧化铝、粘土等）、缓凝剂（酒石酸、柠檬酸、硼酸盐等）、促凝剂（水玻璃、铝酸钠、碳酸钠等）和减水剂（表面活性剂等）。（3）水泥固化工艺有害固体废物、水泥、添加剂+水→搅拌混合→养护→水泥固化体。要求：①pH8；②水灰比在1:2左右；③水泥与废物比：由实验确定。④凝固时间：初凝时间2h，终凝时间在48h以内；⑤选择适当的添加剂；⑥养护条件：室温、相对湿度80%、28天；（4）水泥固化法的应用电镀污泥固化处理（5）水泥固化的特点优点：固化工艺和设备比较简单，设备和运行费用低；水泥和添加剂便宜易得；对含水量较高的废物可以直接固化；固化产品经过沥青涂覆能有效地降低污染物的浸出，固化体的强度、耐热性、耐久性均好；产品适于投海处置，有的产品可作路基或建筑物基础材料。（5）水泥固化的特点缺点：产品一般都比最终废物原体积增大1.5~2.0倍；固化体中污染物的浸出率较高，须作涂覆处理；废物有的需作预处理或需要加入添加剂，因而可能影响水泥浆的凝固，并会使成本增加，废物体积增大；水泥的碱性能使铵离子变成氨气释出。特点：水泥固化法对含高毒重金属废物的处理特别有效。2.石灰固化（1）原理以石灰为固化剂，以粉煤灰、水泥窑灰为添加剂，粉煤灰和水泥窑灰所含有的活性氧化铝和二氧化硅与石灰、水反应→坚硬物质，将废物包容的方法。波索来反应：Ca(OH)2+SiO2+H2O(CaO)x(SiO2)y(H2O)zCa(OH)2+Al2O3+H2O(CaO)x(Al2O3)y(H2O)z（2）应用适用于固化钢铁、机械的酸洗工序所排放的废液和废渣、电镀污泥、烟道脱硫废渣、石油冶炼污泥等。固化体养护后可作为路基材料或砂坑填充物。（3）特点：优点：使用的添加剂本身是废物，来源广，成本低；操作简单，不需要特殊的设备，处理费用低；被固化的废渣不要求脱水和干燥；可在常温下操作，没有尾气处理问题等。缺点：石灰固化体的增容比较大；固化体容易受酸性介质浸蚀，需对固化体表面进行涂覆。3.热塑性材料固化（1）原理用热塑性物质作固化剂，在一定温度下将废物进行包覆处理。热塑性物质在常温下呈固态，高温时变成熔融胶粘性液体，故可用来包覆废物。常用的热塑性材料：沥青、石蜡、聚乙烯、聚丙烯等。（2）沥青固化以沥青为固化剂与有害废物在一定的温度、配料比、碱度和搅拌作用下产生皂化反应，使有害废物均匀地包容在沥青中，形成固化体。CH2COORCH2COORCH2COORNaOHCH2OHCH2OHCH2OH3COONa△沥青固化的基本方法先将废物脱水，再同沥青在高温下混合；或将废物与沥青共同加热脱水，再冷却、固化。①高温熔化混合蒸发法：将废液加入预先熔化的沥青中，在150~230℃下搅拌混合蒸发，待水分和其他挥发组分排出后，将混合物排至贮存器或处置容器中。②暂时乳化法：③化学乳化法：高温熔化混合蒸发法沥青固化流程暂时乳化法沥青固化流程沥青固化的优点及适应性：优点：沥青具有良好的粘结性、化学稳定性与一定的弹性和塑性；对大多数酸、碱、盐类有一定的耐腐蚀性。此外，它还具有一定的辐射稳定性。应用：一般用于中、低放射水平的蒸发残液，废水化学处理产生的沉渣，焚烧炉产生的灰烬、塑料废物、电镀污泥、砷渣等。（3）热塑性塑料固化以热塑性塑料为固化剂与有害废物按一定的配料比，并加入适量的催化剂和填料（骨料）进行搅拌混合，使其共聚和固化而将有害废物包容形成具有一定强度和稳定性的固化体。热塑性材料固化特点优点：固化产品空隙率低，致密度高；浸出率低于水泥法和石灰法；增容比小。固化基材对溶液或微生物具有强抗侵蚀性。固化体不需作长时间养护。缺点：废物必须预先冷冻、融解或离心脱水处理；基材具有可燃性，产品应有适宜的包装；热塑性材料价格昂贵，操作复杂，设备费用高。4、热固性塑料固化（1）原理将一种有机聚合物的单体与废物一个特殊设计的混合器里完全混合，然后加入一种催化剂搅拌均匀，使其聚合、固化。使废物被聚合物包胶。常用的有机聚合物：脲醛树脂和不饱和聚酯。不饱和聚酯树脂是由二元羧酸（或酸酐）与二元醇缩聚，并与乙烯基单体共聚形成的网状体型结构的材料。脲醛树脂是尿素和甲醛反应得到的聚合物。（2）应用在含有重金属、油及有机物的电镀污泥中加入碳酸钙，干燥以后与不饱和聚酯、催化剂、助凝剂、河沙等混合加热固化。（3）热固性塑料固化的特点优点：在常温下操作；添加的催化剂数量很少，终产品体积比其他固化法小；既能处理干渣，也能处理湿泥浆；固化体不可燃；固化体密度小。缺点：不够安全，有时包胶剂要求用强酸性催化剂，因而在聚合过程中会使重金属溶出，并要求使用耐腐蚀设备；固化体耐老化性差；固化体松散，需装入容器处置，增加了处置费用；此法要求操作熟练，以保证固化质量。（三）玻璃固化1.原理以玻璃为固化剂，将待固化的废物首先在高温下煅