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随着焚烧技术的广泛应用,垃圾焚烧飞灰产量不断增加。飞灰因含Cu、Pb和Zn等多种重金属而倍受关注,需要妥善处理。目前,国内外飞灰处理技术尚存在不足,需要不断改进、完善和创新。生物电化学系统(BioelectrochemicalSysem,BES)利用产电微生物将化学能转化为电能,近几年被应用于废水中重金属的去除和有机物的降解,实现了同步产电和污染物去除。应用双室BES反应器已经实现了金属Cu(Ⅱ)和Ag(Ⅰ)等金属离子的还原,但受反应器阴阳两极电位差范围限制,还原的重金属种类有限。传统电沉积技术(Traditional Electro-deposition,TED)利用直流电将重金属离子在电极表面还原而实现去除,由于可控电位差较大,可以将某些重金属离子如Zn(Ⅱ)等还原为单质,实现重金属的去除和回收,但耗能较大。本研究结合二者的优势,将两种技术偶联用于垃圾焚烧飞灰中重金属的去除,实现了多种重金属的分步去除,同时减少了能源消耗。 根据Nernst方程,理论分析了重金属在BES中自发还原的可能性并计算相应的电沉积电位。通过实验对比选择了以冰醋酸溶液为浸取剂的TCLP浸出方法,并优化浸出参数。最终确定最优浸出参数:液固比=14∶1,初始pH=1.0,浸出时间=10h。以最优参数进行浸出实验获得pH为2.0±0.2,Cu(Ⅱ)浓度为50~60 mg/L,Zn(Ⅱ)浓度为180~220 mg/L,Pb(Ⅱ)浓度为80~125 mg/L的浸出液。 应用“BES—TED”偶联体系可有效处理模拟飞灰浸出液中的重金属。BES处理模拟飞灰浸出液16 h,Cu(Ⅱ)的去除率可达98%以上,Zn(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)未被还原。Cu(Ⅱ)被还原为Cu和Cu2O沉积在阴极板表面,实现了铜的回收。TED通过电位调节,基本实现模拟飞灰浸出液中铅和锌的分步电沉积。反应结束后,Zn(Ⅱ)去除率可达98.5%,Pb(Ⅱ)去除率达99.5%,出水浓度均符合国家污水综合排放标准。BES还原Cu(Ⅱ)的过程无需外加电压,在获得Cu还原产物的同时,还可节省16.55 kW·h/[kg Cu(Ⅱ)]的电能,从而降低了偶联体系的总体能耗。 成功应用“BES—TED”偶联体系处理实际飞灰浸出液中重金属。BES处理实际飞灰浸出液36 h,Cu(Ⅱ)的去除效率为97.1%。TED处理收集液过程中,由于飞灰浸出液的复杂性和不稳定性,最终没有实现锌和铅的分步电沉积,但在6V电压下处理10h,Zn(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的总去除率分别为95.4%和98.1%,最终浓度均低于《危险废物鉴别标准—浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)。 实际飞灰浸出液的Cu(Ⅱ)在BES中的反应过程以及Zn(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)在电沉积中的去除过程均基本符合一级反应动力学。BES处理浸出液中的铜,可以节省6.37kW·h/[kg Cu(Ⅱ)]的电能,实现金属铜与其他金属的分离。电沉积过程平均每小时还原单位质量的金属需要消耗0.45 kW·h的电能。