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在低温两级流化床焚烧炉中共处理润滑油和重金属污染土壤
Ukrit Samaksaman a，彭环焕a，郭嘉红b，卢建新a，Ming
台湾台中市402中国中兴大学环境工程系b日本b台湾b广东工业大学环境科学与工程学院，广东广州510006
亮点
bull;采用低温两级流化床焚烧进行土壤修复。
bull;研究了聚乙烯与污染土壤的共聚物。
bull;聚乙烯在土壤修复中的共同作用可以促进残留物的质量。
bull;重金属的可浸出性通过了监管门槛值。
关键词：污染土壤；垃圾焚烧；低温；两级流化床；热处理
摘要：
本文研究了土壤中低温两段流化床中污染物的应用。该系统设计用于控制气态污染物和重金属燃烧时的排放。考察了污染严重污染的钢铁和重金属废渣，铬，铜和铅。通过估算各种参数进行实验，如第一阶段反应器（500-700℃）的操作温度，第二阶段反应器中的沙床高度/直径比（H / D：3,4,6），和气体速度（0.21-0.29m / s）。在与聚乙烯污染的土壤共同作用过程中，还研究了重金属和气态污染物的排放。实验结果表明，经处理的土壤产品中润滑油的破坏和去除效率介于98.27％至99.93％之间。另一方面，底灰的浸出试验表明，渗滤液中的铬，铜，铅等重金属符合规定。对于气体排放，一氧化碳浓度随着第二级反应器中沙床高度/直径比率的增加而明显下降。气体速度的增加对产生最低的一氧化碳和颗粒物排放具有显着的潜力。尽管如此，在与聚乙烯合作过程中，通过使用低温二级流化床焚烧系统，有机污染物如苯，甲苯，乙苯，二甲苯和多环芳烃的排放量减少。
1.介绍
受到石油烃，氯化溶剂，杀虫剂，除草剂和重金属等有害化学物质污染的土壤对环境构成威胁，可能成为公共卫生问题[1-3]。高含量的石油碳氢化合物（重质油和轻质油，例如原油，润滑油，燃料油，柴油和汽油）和重金属（砷（As），镉（Cd），铬（Cr），铜（Cu）汞（Hg），镍（Ni），铅（Pb）和锌（Zn））[3-8]。这些受污染的土壤受到事故发生的影响并从气体泄漏中受到影响以及储备库，废弃物，工业化区，铁路运输站和铁路，以前的土地和矿区[9-12]。虽然已经开发了一些土壤修复技术，但由于常用方法和有效去除污染物，热处理是一种可行的技术[10,13]。热解吸，焚烧，热解，气化，硫化，超临界水氧化和湿热氧化等热处理技术都可用于废物修复[14-16]。焚烧技术的应用可以有效地摧毁有毒有机物和防止金属[17-19]。流化床焚烧炉被认为是低热值材料的有益处理方法，如污泥和污染土壤[20-22]。流化床中的高度传热和传质与快速固体混合和均匀燃烧相关[23,24]。流化床燃烧器也可以二氧化碳形成环状污泥[25,26]。然而，一些研究已经对油泥或油渣进行了燃烧，并可能导致污染物排放[23-27]。这些不必要的污染物，包括气体污染物，重金属，微量元素和燃烧过程中释放出的颗粒物必须妥善控制[28-31]。一般来说，污染土壤的热处理需要外部热量来源于电或燃料，以维持操作温度。 [32]报告指出，在石油加氢发电厂中，与石油加氢处理的煤炭相比，经济地利用石油与煤炭共燃（共燃）。在这方面，污染土壤与城市固体废物（MSW）联合污水处理的合作相对而言是新技术。因此，合作可能在这个领域很有意义，需要进一步研究。但是，当使用高含量的危险化学品污染土壤或污染土壤（CCS）时，考虑到CCS和MSW的污染，处理释放的污染物排放量是有限的。这些污染物排放的处理是有限的。低温两段流化床（LTTSFB）焚烧被开发出来并用于控制热处理期间不需要的气态污染物和重金属的排放。 Peng等人[37]报道，LTTSFB系统可以在400-700°C的低燃烧温度下运行。结果表明，在第一阶段反应堆的低温环境中，金属的选择受到有效控制。虽然有机污染物和一氧化碳（CO）的量显着增加，但它们在燃烧区第二级高温（800-1000°C）时分别被破坏和减少。此外，以前的研究表明，实验参数如第一阶段反应器的运行温度，气体速度，沙床粒径以及第二阶段反应器中沙床的高度等因素的影响都会影响污染物排放[38,39]。此外，在LTTSFB系统中，有机物和无机污染物的排放可以减少，而不是在高温一级流化床反应器中[37]。已经报道了使用传统流化床燃烧器对CCS进行修复[40]。尽管这一过程可以促进经过处理的土壤中石油碳氢化合物（润滑油）的破坏和去除效率，但有机污染物（如BTEX，PAHs），颗粒物质和重金属的排放量可能不会显着降低。因此，使用LTSTSFB incinerator来回收污染土壤可能实现许多目标，如燃烧效率高，固定在灰基质中的重金属，以及较低的排放。在这项研究中，所提议的程序可以应用于通过热处理基于与一般废物协调的可行性进行的土壤修复。 LTTSFB焚烧炉的使用被认为是一种可行的治疗策略。因此，本研究旨在利用中试规模的LTTSFB焚烧炉对土壤和镉（Cd，Cr，Cu和Pb）进行中和处理。评估的参数包括第一阶段反应器的温度，第二阶段反应器中砂层高度/直径比（H / D）和气体速度。聚乙烯（PE）用作PE和CCS（PE / CCS）的混合塑料和混合物的混合物。燃烧过程中的颗粒物，CO，BTEX和PAHs的排放量也在考虑之中。通过烧失量（LOI）分析研究处理过的土壤润滑油的破坏和去除效率（DRE）。此外，还研究了重金属浸出物对颗粒物的透析能力。LTTSFB在土壤热处理中的应用实验结果可作为研究流化床燃烧器运行的参考依据。
表1
ND =未检测到
2.材料和方法
2.1.人工CCS和PE / CCS的制备
本研究采用台湾台中市一个地区的土壤（沙质粘土壤土）。在室温下风干后，除去粗粒砾石和不需要的物质如植物和碎片。将土壤压碎，均化并分级分级。土壤颗粒大小的选择范围为53-300mu;m和75mu;m的平均值（通过筛分分析）。土壤被二元混合润滑油（Yamaha SAE 85W-140 G-130）和Cd（II），Cr（III），Cu（II）和Pb（II）的硝酸盐人为地污染。这些重金属（0.15wt。 ％，按土重）用250mL去离子水稀释。在通风橱下，将1kg土壤加入到混合物中。重金属污染土壤在110℃下干燥48h。随后，将润滑油（5重量％）在二氯甲烷（DCM）中以5:1的比例稀释，与重金属污染的土壤混合，并在75℃的真空干燥箱中干燥过夜。在测试之前，CCS被保存在封闭的塑料袋中2周。 CCS样品平均含有1435mg / kg的Cd，1326mg / kg的Cr，1212mg / kg的Cr和1256mg / kg的Pandack约50g / kg的润滑油。通过将1.5g的CCS封入PE袋（0.28g）中并用PE胶带（0.1g）覆盖来制备PE / CCS。
2.2. 材料的性质
土壤样品的化学成分通过电感耦合等离子体原子光谱法（Jarrellash ICAP 9000）进行检测。 结果如表1所示。 使用元素分析仪（Elementar vario EL III）来确定碳（C），氢（H），氮（N），氧（O）和硫（S）等物质中的元素。热重分析/差示扫描量热仪 TGA / DSC）（PerkinElmer STA-600）用于评估温度的影响。 在以下温度程序下分析CCS，PE和PE / CCS样品。 在大气中以15mL / min的流速从20℃/ min增加到800℃，流量为20mL / min。
表2
CCS，PE和PE / CCS的最终和近似分析结果。
ND =未检测到。 a以前的研究[40]提到的结果。
- PID控制器，（2）鼓风机，（3）流量计，（4）热电偶，（5）压力传感器，（6）压力传感器的原理图。图1低温两级流化床焚化炉示意图 （7）第二级反应器，（8）冷却套，（9）进料阀，（10）灰分取样器，（11）气体取样器，（12）数据采集系统，（13）监测和数据 录音机。
2.3. LTTSFB焚烧炉和实验程序
图1是本研究中使用的LTTSFB焚烧炉的示意图。 焚烧炉由第一级流化床反应器（FBR1）和第二级流化床反应器（FBR2）组成，FBR1和FBR2的相应高度分别为670和1400mm，内径为60mm。 两个反应堆都装有电加热器。 分销商安装在反应堆底部。热电偶用于测量沙床和干舷的温度。 设置比例积分微分（PID）控制器来控制设定温度。 压力检测器和压力变送器（Huba Control 692）已连接。使用数据采集系统（ADVANTECHPCLabCardPCL-711SandVisiDAQ Professional Version 3.1）记录压力信号。 选择密度为2600kg / m3的沙子，FBR1中的沙子和垫料为330g的实验。FBR1和FBR2砂床的颗粒大小分别为545和920mu;m。另外，通过计算确定并参考实验，计算得到的最小流动速度（Umf）为0.21m / swas。 CCS的热处理是在500,600,700°C的不同工作温度下进行的.FBR2在800°C的恒温下固定。此外，PE / CCS共烧过程的测试分别在恒温600°C和800°C（FBR1和FBR2）下进行。本研究在FBR2中通过H / Dof 3,4和6（沙床重量分别为550,660和990g）的不同比例进行了比较。气体速度分别为0.21,0.24,0.27和0.29m / s。对CCS的进一步处理，CCS的进料速率为6g / min，而PE / CCS共循环过程为PE 1.5g / min和CCS 6g / min 。表3显示了实验的细节。采用多功能气体分析仪（HoribaPG-250）在线监测CO，操作时间为40min。实验重复两次，以保证测定的可重复性。反应器冷却至室温后，收集FBR1和FBR2的混合样品（包括砂床和处理土）样品。
2.4.采样和分析
采用动力学取样方法，从反应器排气管采集颗粒和气态污染物排放物。采用玻璃微纤过滤器（Whatman GF / A 47mm）收集每10min采样一次的粉煤灰颗粒。在测试之前和之后测量过滤器的质量。重金属取样列车根据美国环保署方法5 [41]进行连接。使用Amberlite XAD-4吸收剂（Fluka）按照美国EPA修改方法5获得气相BTEX和PAH排放（每10分钟取样一次）[42]。取样后，将XAD-4样品置于低温环境中（〜4℃）。使用包含己烷:DCM（1:1，v / v）混合物的索氏提取方法提取XAD-4和其它组分，并使用Kuderna-Denish装置浓缩。用火焰离子化检测器（Agilent 6890N）进行气相色谱分析，对BTEX和PAHs进行定量。抽样和分析方法的细节可以参考以前的研究[40,43,44]。
采用毒性特征浸出程序（TCLP）评价底部标准物（flash）样品重金属的浸出率。样品与0.1N醋酸溶液混合，稀释比为1g样品重量至20mL溶液。将样品摇动24小时，并使用硝酸纤维素过滤器进行过滤。采用光学吸收光谱法（PerkinElmer利用五种金属硝酸盐溶液（JT Baker）测定Cd，Cr，Cu和Pb的校正曲线。测定的样品（R2）范围为0.959〜0.999。另外，在环境条件下，LOI法在600℃下处理4h，研究了处理后残留物中总有机物质的总有机碳含量TOC）使用前述程序[45]确定。润滑油的DRE计算如下：DRE（％）=（（TOCCCS-TOCBA）/ TOCCCS）times;100％，其中TOCCCS为CCS的总有机碳，TOCBA为底灰的总有机碳。
表3
润滑油的操作参数和CO排放量和DRE结果。
通过烧失量（LOI）分析研究总有机碳。
3.结果与讨论
3.1. TGA / DSC对人造废物进行热分析
图2说明了CCS，PE和PE / CCS在温度和重量损失方面的影响。图2（a）显示，CCS曲线由于土壤中的有机质从145℃逐渐下降[46,47]，而在高于360°C的温度下，土壤基质（碳氢化合物）从土壤基质中脱除。最终温度达到500℃以上。PE的温度曲线表明，降解从350℃开始至425℃。热裂解过程中PE结构的脱挥发现指示了温度极大地改变了曲线（垂直轴显示接近100％的斜率）。发现点火温度在450-475℃的范围内。在500℃的最终温度下曲线保持恒定。另外，混合PE / CCS的温度曲线与CCS和PE的温度曲线相似。最初，逐渐改变的曲线表示
有机物和润滑油的脱挥。在超过450℃时，观察到由PE断裂引起的重量损失发生了逐渐变化。图2（b）中，衍生重量更换的两种情况主要出现在混合PE / CCS热分析曲线内。
3.2. LTTSFB热处理期间有机污染物（BTEX和PAH）的排放
图3（a），实验结果表明，PE / CCS共沸物中气相中BTEX和PAHs的浓度低于CCS热处理。另外，图3（b）显示，当PE添加时PEA浓度降低，而BTEX浓度稍有增加。在CCS热处理下，BTEX和PAHs产生的气体和气体均产生了PE / CCS复合物。图4（a）证实BTEX和PAHs在气相中显着减少（在800°C的恒定温度下）.BTEX和PAHs的破坏效率分别为88.78％和87.51％。模拟实验发现，气体中BTEX和PAHs的破坏效率被控制在70-76％的范围内[39]。为了评估残留在底灰中的有机污染物，检查了BTEX和PAH的浓度。图4（b）所示，实验结果表明，FBR1和FBR2的底灰中残留有机污染物均较低。 BTEX和PAHs的浓度分别为0.26和0.78mg / kg FBR1，而FBR2的结果分别为0.18和0.19mg / kg。
图2.CCS，PE和PE /
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