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典型西部粉煤灰中重金属元素淋滤特性研究

龚勋  
【摘要】:西部大开发在加速煤炭资源转换利用的同时,也引发了严重的生态环境问题。燃煤污染物已经对广大西部人民的身体健康造成了直接危害,并为国内外所普遍关注。煤灰废弃物的危害性主要有两方面:一为扬尘污染,二为重金属元素浸溶污染水源。相比扬尘污染,重金属元素浸溶污染更难引起人们的重视。国内外学者在此方面已经开展了大量的研究工作,主要问题在于淋滤试验往往不能有效预测实际粉煤灰堆放时重金属元素的迁移,缺乏针对西部典型粉煤灰中重金属元素淋滤特性以及无害化处置方法系统研究。有鉴于此,本论文将以粉煤灰中重金属元素淋滤特性为主线,目标是揭示西部典型粉煤灰中重金属元素的赋存形态以及影响其浸溶特性的内在及外在因素,在同时考虑环境因素和经济因素的前提下,提出绿色、经济的排放控制方法。 通过对贵州省某燃煤电站的干式储灰场的灰仓粉煤灰、堆放粉煤灰、周边土壤、地表水、地下水的采样及分析,证实了粉煤灰的堆放会对周边环境造成一定影响。所研究灰场堆放的粉煤灰中的重金属元素的迁移率大小关系为:Cd Zn Cu Pb CrCo,其中Cd的迁移率高达52%;利用Nemerow指数分析了不同区域土壤中重金属元素的污染情况,距离灰场较近的土壤受污染程度较高,Cd在土壤中具有最高的单污染指数;灰场的排水具有较高的pH值、电导率以及较高的重金属元素浓度,除Cu以外,所研究的重金属元素在附近河流下游中的含量都显著高于上游中的含量,并造成下游水样中Cd、Cr和Pb的含量超过了地表水质量标准。值得关注的是,粉煤灰中Cd的较大迁移率影响了其在周围土壤及水环境中的浓度分布。 利用逐级提取技术研究了静电除尘器不同电场及不同工况下,典型西部粉煤灰中重金属元素的赋存形态。对于所研究煤灰中的重金属元素,残渣态的Cr、Cu和Cd含量均超过80%,性质较为稳定;末级电场的粉煤灰中的V、Cr、Cu和Cd在较易发生迁移的(离子交换态和酸溶态之和)形态中的分布较高,说明其更容易在自然环境中发生迁移。当锅炉负荷增加时,粉煤灰中的易迁移形态的重金属元素主要受到飞灰粒度变小以及未燃碳减少两个方面的影响。 针对典型的西部燃煤电站粉煤灰,研究了其中部分重金属元素在不同pH值、液固比、淋滤温度、淋滤时间条件下的淋滤特性。对于所研究的粉煤灰,淋滤液pH值是影响其中主要重金属元素淋滤特性的主要因素。Visual MINTEQ模拟结果表明淋滤液pH会影响Cd、Ni和Pb的主要沉淀相Cd4(OH)6SO4和Cd(OH)2、Ni(OH)2和PbO·PbSO4的含量。随着淋滤液固比的增大,重金属元素的淋出率增大,当淋滤液固比大于30:1时,元素的淋出率增加变缓,趋于稳定。在15℃-45℃范围内,淋滤温度对Cr和Cd元素的淋出率影响并不显著,但有一定增加的趋势。不同的淋滤时间对各元素的影响并不一致,在168小时时间中,Cr和V元素的淋出率基本趋于稳定,而Cd与Pb的淋出率还呈现上升的趋势。 采用下流式循环柱淋滤系统研究了典型西部粉煤灰中不同重金属元素的动态淋滤特性。Cd在柱淋滤16天以后,Co在柱淋滤9天以后的浓度增加速度减缓,有趋于稳定的趋势,而对于Pb和Zn在淋滤40天时间后的浓度依然未达到平衡。锌元素在较大粒径的粉煤灰淋出液中浓度较大,而铅元素则在较小颗粒粒径的粉煤灰淋出液中浓度较大。实际灰场堆放的灰样中重金属元素的滤出比例比柱试验中的高出一个数量级左右,但都存在Co Cr Pb Zn Cd的规律,说明通过修正,柱淋滤试验能够比批淋滤试验更好反映实际淋滤过程中不同元素的淋出特性。 提出了一种利用低浓度硫酸亚铁溶液处理电厂粉煤灰的方法。对于Co、Cr和Cu元素,能较好控制其在酸性淋滤液条件下的迁移。主要机理在于氢氧化铁的物理吸附作用以及(CrxFe1-x)(OH)3和尖晶石型化合物CuxFe3-xO4等稳定二次矿物生成。处理液固比为5:1时,对三种粒径粉煤灰中Cr的控制率分别达到48.17%、40.38%和49.11%;处理后和未处理粉煤灰的柱淋滤试验的结果显示,粉煤灰中所研究元素的迁移控制率较批淋滤低,主要由于部分二次矿物的生成受到了抑制。硫酸亚铁处理方法并不能较好控制Cd、Ni和Pb在酸性条件下的迁移。


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