一种缓解填埋场浓缩液蒸发设备结垢的方法和装置
阅读说明：本技术 一种缓解填埋场浓缩液蒸发设备结垢的方法和装置 (Method and device for relieving scale formation of concentrated solution evaporation equipment of landfill ) 是由 宫兆国 付友先 刘克琼 王华伟 孙英杰 王亚楠 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种缓解填埋场浓缩液蒸发设备结垢的方法和装置。包括药剂与浓缩液进行混合沉淀,药剂包括氢氧化钠溶液、石灰浆、碳酸钠溶液、硅藻土,混合沉淀的过程中同时加入四种药剂。通过药剂配合处理浓缩液的过程,能够有效的去除钙镁离子和其它金属离子,能够显著提升污泥的沉降性能,缩短沉降时间。减少结垢。(The invention relates to a method and a device for relieving the scaling of concentrated solution evaporation equipment in a landfill. Comprises mixing and precipitating the medicament and the concentrated solution, wherein the medicament comprises sodium hydroxide solution, lime slurry, sodium carbonate solution and diatomite, and four medicaments are simultaneously added in the process of mixing and precipitating. Through the process of treating the concentrated solution by matching the medicament, calcium and magnesium ions and other metal ions can be effectively removed, the settling property of the sludge can be remarkably improved, and the settling time is shortened. And the scale formation is reduced.)
技术领域
本发明属于废水中钙、镁离子的去除
技术领域
，具体涉及一种缓解填埋场浓缩液蒸发设备结垢的方法和装置。背景技术
公开该
背景技术
部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。近年来，随着我国城市化进程的不断加快，生活垃圾的产生量呈逐渐上升的趋势。目前，卫生填埋因技术成熟、处理费用低等优点，仍是生活垃圾的主要处置方式，特别是中西部地区。渗滤液是卫生填埋的主要次生污染物之一，主要来自于自然降雨、垃圾自身的水以及垃圾降解产生的水。垃圾渗滤液是一种高污染的有机废水，具有污染物种类多、COD浓度高、氨氮浓度高、含有重金属元素等特点。渗滤液的主要处理处置方式包括生物处理法、物化处理法、膜技术等。为满足严苛的渗滤液排放标准，大多数渗滤液处理厂采用预处理+生化+膜处理等组合工艺，如预处理MBR+NF+RO等。NF+RO等膜处理工艺产生25～40％的浓液(简称浓缩液)，其成分复杂，有机物浓度、无机盐分和金属离子相对较高。
目前，浓缩液的处理方法主要有回灌法、高级氧化法、混凝沉淀法及机械压缩蒸发等。长期回灌易导致溶解性盐类和有机污染物浓度的增加，影响后续生化处理单元，并导致膜结垢严重而降低其使用寿命。近年来，机械压缩蒸发技术广泛用于浓缩液的处理，其原理是将机械能转化为热能，通过机械压缩蒸汽从而提高温度，实现浓缩液的减量化。然而，在工程实践中发现，但因浓缩液含盐量较高，导致蒸发过程中产生大量结晶，蒸发过程中会出现严重的设备腐蚀和结垢现象，严重影响处理设备的运行及使用寿命。调查发现，浓缩液中的钙、镁离子是造成设备腐蚀和结垢的主要原因之一。
目前，废水中钙、镁离子去除方法主要有药剂法、离子交换法、膜分离法、电化学法和吸附法等。药剂法主要是投加大量有机阻垢剂，但这些成分对热敏感，蒸发过程中阻垢剂成分发生变化而影响其效果。离子交换法因其消耗成本较高，很少运用到工程实践当中。目前，在考虑经济性、可操作性和高效等前提下，仍需要进一步研发具有工程应用背景的浓缩液钙、镁离子去除技术。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是一种缓解填埋场浓缩液蒸发设备结垢的方法和装置。提高钙镁离子的去除效果，减少蒸发结垢量。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
第一方面，一种缓解填埋场浓缩液蒸发设备结垢的方法，包括药剂与浓缩液进行混合沉淀，药剂包括氢氧化钠溶液、石灰浆、碳酸钠溶液、硅藻土，混合沉淀的过程中同时加入四种药剂。
本发明中通过药剂配合处理浓缩液的过程，能够有效的去除钙镁离子和其它金属离子，能够显著提升污泥的沉降性能，缩短沉降时间。
氢氧化钠含有氢氧根离子，可以快速的提高液体中的pH，然后配合碳酸钠，进行钙离子和镁离子有效快速的形成沉淀，钙镁离子大多以碱式碳酸镁、氢氧化镁、碳酸钙等沉淀下来。
添加的硅藻土和石灰浆可增加污泥的颗粒大小和理化特性，可显著提升沉淀物的沉降性能，缩短沉降时间。
本发明在体系内引入硅藻土，是因为硅藻土具有天然“分子筛”状孔隙结构，比表面积很高，是活性碳的5000-6000倍，且具有较强的吸附性能，硅藻土作为载体，产生的钙镁沉淀物能够附着于硅藻土表面，阻止沉淀物以游离态形式存在。
石灰浆一方面可以去除浓缩液中过量的镁离子，另外其本身也具有良好的沉降性能，可与硅藻土发生协同作用，对碱式碳酸镁、氢氧化镁、碳酸钙等沉淀产生一定的“包裹”和“携带”作用，加速沉淀物的沉降，缩短沉降时间。
所以四种药剂进行配合，快速形成沉淀，然后沉淀快速沉降，固液分离效果好，提高浓缩液中的钙镁离子的去除效果。避免钙镁离子形成的沉淀造成设备的腐蚀和结垢。相比于单独加入氢氧化钠或碳酸钠的固液分离效果提高50％以上。
在本发明的一些实施方式中，硅藻土占浓缩液的质量百分数为0.5-1％；进一步为0.8-1％。硅藻土与沉淀物的结合，使沉淀物聚拢，使污泥的颗粒变大，最后形成的污泥中包含有一定量的硅藻土，改变污泥的理化特性。如果硅藻土的加入量超过上述范围会降低吸附性能，硅藻土悬浮在溶液中。
在本发明的一些实施方式中，氢氧化钠溶液、石灰浆、碳酸钠溶液的体积比10-20：5-10、2-4。氢氧化钠溶液、石灰浆、碳酸钠溶液的加入速度，影响浓缩液中的离子的沉降的速度、固化分离效果和钙镁离子和其它有毒金属离子的去除效果。同时加入四种药剂，每种药剂的加入速度进行配合，提高固液分离的效果。
在本发明的一些实施方式中，氢氧化钠溶液的质量浓度为25-35％；进一步为28-32％；更进一步为30-32％。氢氧化钠提高混合溶液中的pH，氢氧化钠提供氢氧根，一般用于钙、镁离子、氢氧根离子及碳酸氢根反应生成氢氧化镁和碳酸钙沉淀(方程1)；也能是镁离子、碳酸氢根及氢氧根离子反应生成碱式碳酸镁(方程2)，两个反应中，方程如下：
HCO3 -+3OH-+Ca2++Mg2+→Mg(OH)2↓+CaCO3↓+H2O (方程1)
4CO3 -+5Mg2++2OH-+4H2O→Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O↓ (方程2)
在本发明的一些实施方式中，石灰浆，石灰浆的质量浓度为70-80％。石灰浆主要成分即为熟石灰，熟石灰可去除镁离子，而且随着沉淀物一起进行沉降。
在本发明的一些实施方式中，碳酸钠溶液中碳酸钠的质量浓度为40-60％；进一步为50-55％。碳酸钠溶液提供碳酸根离子，形成碳酸钙、碳酸镁、碱式碳酸镁等。
在本发明的一些实施方式中，混合沉淀的过程中pH值控制范围为12-12.5。加入四种药剂的同时保持混合溶液中的pH为12-12.5的碱性环境下，使钙镁离子迅速形成沉淀。
在本发明的一些实施方式中，混合沉淀的时间为0.5-3h；进一步为1-2h；更进一步为1.2-1.8h。混合沉淀的时间，相比于单独加入氢氧化钠或碳酸钠的沉淀时间缩短50％。现有的利用碳酸钠或氢氧化钠和絮凝剂进行沉淀，絮凝剂的絮凝原理是使颗粒脱稳，但是这个过程与颗粒表面的性质和颗粒的运行状态有关系。本发明中利用硅藻土和石灰浆的吸附、包裹、携带的作用直接带动沉淀物，固液分离效果更好，利于缩短沉降时间。
在本发明的一些实施方式中，混合沉淀后得到混合液，混合液进行固液分离，固液分离后的上清液进行pH回调的过程。固液分离的上清液主要包括钠离子、氯离子钾离子还有部分氢氧根离子，进行pH回调，经过pH回调减少蒸发结垢量。
在本发明的一些实施方式中，pH回调中加入盐酸溶液，盐酸溶液的质量浓度为10-20％。加入盐酸，进行中和剩余氢氧根离子。
在本发明的一些实施方式中，pH回调至pH为4.0-5.0。调节到酸性条件下可降低后续蒸发过程中残渣量和矿物特性。
第二方面，一种缓解填埋场浓缩液蒸发设备结垢的装置，包括依次连接的搅拌池、沉淀池、pH回调池。
在本发明的一些实施方式中，沉淀池中设置10-20组竖向设置的折板；进一步，折板夹角θ为90-120°，波高h为0.3-0.4m，板宽d为0.5-0.8m。沉淀池中设置折板将沉淀池分为若干水力区域，有利于进行沉淀物的分离。
在本发明的一些实施方式中，还包括储水池，pH回调池的出水口与储水池连接。pH回调回调之后进入到储水池中进行存储。
在本发明的一些实施方式中，搅拌池与药剂储罐连接。搅拌齿用于不同药剂的混合，混合后的药剂通入到沉淀池中，使四种药剂均匀的进入到沉淀池中。
本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
1)能够有效去除浓缩液中钙镁离子及其他金属离子
本发明的药剂混合单元在一个单元内分别投加氢氧化钠溶液、石灰浆、硅藻土、碳酸钠溶液，投加氢氧化钠溶液可快速增加pH，并控制反应过程中pH值范围为12-12.5，能够有效去除不同浓度(如Ca＝400-1600mg/L；Mg＝800-2400mg/L)、不同比例(如高钙低镁、高镁低钙、钙镁相当等)条件下的钙镁离子，在斜板沉淀实现泥水分离，从而避免了管式膜的大量使用，整体上系统运行稳定，可大幅度降低运行费用和成本。此外，本发明在去除钙、镁离子的同时，也能去除大部分有毒金属离子，如Ni、Sr、Mn、Cr、Cd、Zn等。经过本单元的处理，钙镁离子大多以碱式碳酸镁、氢氧化镁、碳酸钙等沉淀下来，钙镁离子的去除效率在99％以上，出水钙、镁离子浓度一般＜2-5mg/L。
2)显著提升污泥的沉降性能，缩短沉降时间
本发明中添加的硅藻土和石灰浆可增加污泥的颗粒大小和理化特性，可显著提升沉淀物的沉降性能，缩短沉降时间。本发明在体系内引入硅藻土，是因为硅藻土具有天然“分子筛”状孔隙结构，比表面积很高，是活性碳的5000-6000倍，且具有较强的吸附性能，硅藻土作为载体，产生的钙镁沉淀物能够附着于硅藻土表面，阻止沉淀物以游离态形式存在。石灰浆一方面可以去除浓缩液中过量的镁离子，另外其本身也具有良好的沉降性能，可与硅藻土发生协同作用，对碱式碳酸镁、氢氧化镁、碳酸钙等沉淀产生一定的“包裹”和“携带”作用，加速沉淀物的沉降，缩短沉降时间。此外，碳酸盐的存在可以保证钙离子以碳酸钙形成沉淀，提高钙离子的去除效率。整体而言，较单独碱液法提高固液分离效率在50％以上，沉降时间缩短3h以上，沉降效果良好。
3)减少蒸发结垢量，改变蒸发残渣的矿物特性
目前，低温蒸发是浓缩液处理的重要单元，蒸发过程中设备表面的结垢情况影响着设备的正常运转，也决定这设备的腐蚀结垢情况。本发明固液分离后，可调节出水pH至4.0-5.0，经实验室模拟蒸发结果发现，本发明处理后可降低浓缩液模拟蒸发的结垢量。此外，本发明也可以改变蒸发残渣的化学组成和矿物特征，避免硫酸钙等结垢矿物的产生，使其转化为NaCl、KCl等氯盐，减缓蒸发设备结垢的现象。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明一种缓解填埋场浓缩液蒸发设备结垢的方法的工艺流程图；
图2是本发明一种缓解填埋场浓缩液蒸发设备结垢的方法的装置结构示意图；
图3是本发明实施例1中污泥的沉降性能；
图4是本发明实施例1中浓缩液处理前后模拟蒸发过程结垢质量变化；
图5是本发明实施例1中模拟蒸发结垢产物的X射线衍射谱图；
图6是本发明实施例1中模拟蒸发结垢产物透射电镜微观结构图：处理前(上)；处理后(下)；
其中，1、药剂储罐，2、搅拌器，3、搅拌池，4、沉淀池，5、pH回调池，6、储水池，7、溢流阀。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图2所示，缓解填埋场浓缩液蒸发设备结垢的装置，包括依次连接的搅拌池3、沉淀池4、pH回调池5、储水池6。搅拌池3与药剂储罐1连接，搅拌池3和pH回调池5内部设置搅拌器2，沉淀池4内设置折板，沉淀池4、pH回调池5、储水池6之间设置溢流阀7。
下面结合实施例对本发明进一步说明
实施例1
某填埋场浓缩液样品，具体水质参数为pH＝8.2，COD＝1340mg/L，Ca2+＝212mg/L，Mg2+＝849mg/L。
采用本发明的处理方法对浓缩液进行处理，向搅拌池依次投加30％的氢氧化钠溶液、质量百分比为75％的石灰浆、质量百分比为50％的碳酸钠溶液以及质量比0.8％的硅藻土，开启桨轴式搅拌器，搅拌3min，控制反应过程中pH值控制范围为12.5，开启排水阀，使混合液快速进入折板沉淀池，经1.5h的沉淀，上清液经斜板向上运动通过溢流阀1溢出，向池体加入浓度为15％的盐酸溶液，调节pH至5.0，出水进入储水水箱。
实验例
实施例1的浓缩液处理过程与单独的加入氢氧化钠溶液的浓缩液处理过程进行对比。
实施例1中污泥的沉降性能得以显著提升，较单独碱液处理沉降时间缩短50％以上(图3)，钙、镁离子的去除效率均在99.5％以上。在室内的条件下，对实施例1得到的上清液和未处理之前的浓缩液进行模拟蒸发发现，由图4可以看到，蒸发结垢量明显减少，由处理前的5.38g/100mL降至5.26g/100mL。钙镁离子多的时候结垢是硫酸钙，而没有钙镁离子则是氯化钠，后者易清除。
XRD分析结果表明(图5)，浓缩液原液模拟蒸发结垢产物主要为NaCl和CaSO4，而上清液的模拟蒸发结垢产物主要为NaCl和KCl，而且XRD谱图中32°和75°附近的晶体峰消失，45°附近的晶体峰强度显著增加，这也就意味着在钙镁离子去除的同时，氯盐的晶体结构也有所不同。主要是因为浓缩液原液中的氯盐还包括氯化钙和氯化镁等。
由图6透射电镜TEM结果可知，浓缩液原液模拟蒸发结垢产物(图6中的上面的图)主要为矩形、梯形、三角形、类球形等多种不规则矿物结合体，而上清液模拟蒸发结垢(图6中的下面的图)与之不同，大多是层状、椭圆、致密的矿物结构，说明碱液处理前后结垢产物的矿物特性发生显著变化。主要是因为浓缩液原液中包含多种不同的成分，上清液的物质大部分都为氯化钠和氯化钾，成分单一，所以产物的矿物特性差别较大。
实施例2
某填埋场浓缩液样品，具体水质参数为pH＝8.5，COD＝1980mg/L，Ca2+＝689mg/L，Mg2+＝182mg/L。
采用本发明的处理方法对浓缩液进行处理，向搅拌池依次投加32％的氢氧化钠溶液、质量百分比为70％的石灰浆、质量百分比为55％的碳酸钠溶液以及质量比1％的硅藻土，开启桨轴式搅拌器，搅拌5min，控制反应过程中pH值控制范围为12.3，开启排水阀，使混合液快速进入折板沉淀池，经1.2h的沉淀，上清液经斜板向上运动通过溢流阀1溢出，向池体加入浓度为18％的盐酸溶液，调节pH至4.7，出水进入储水水箱。经过实施例2的处理，污泥的沉降性能得以显著提升，钙、镁离子的去除效率均在99.4％以上。
实施例3
某填埋场浓缩液样品，具体水质参数为pH＝8.0，COD＝1571mg/L，Ca2+＝458mg/L，Mg2+＝484mg/L。
采用本发明的处理方法对浓缩液进行处理，向搅拌池依次投加32％的氢氧化钠溶液、质量百分比为80％的石灰浆、质量百分比为50％的碳酸钠溶液以及质量比1％的硅藻土，开启桨轴式搅拌器，搅拌4min，控制反应过程中pH值控制范围为12.5，开启排水阀，使混合液快速进入折板沉淀池，经1.8h的沉淀，上清液经斜板向上运动通过溢流阀1溢出，向池体加入浓度为15％的盐酸溶液，调节pH至5.0，出水进入储水水箱。经过实施例3的处理，污泥的沉降性能得以显著提升，钙、镁离子的去除效率均在99.8％以上。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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