（环境工程专业论文）垃圾渗滤液输送管道结垢堵塞的影响因素与防治研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 垃圾渗滤液是一种成分复杂的高浓度有机废水，处理难度较大，将其与 城市污水合并处理为目前一种经济的处理方案。在渗滤液通过管道送往城市 污水处理厂时由于物理、化学、生物等原因，易出现输送管道结垢堵塞问题。 为探究渗滤液输送管道结垢堵塞机理，本文先进行了结垢理论分析，然 后对长安垃圾填埋场( 四川最大的垃圾填埋场) 渗滤液水质和输送管道中垢 物组成做了分析，再通过室内静、动态实验研究影响结垢的主要因素，其中 静态实验通过测定渗滤液失钙率( 失钙率越大，表明沉淀生成越快，结垢程 度越大) 的大小、动态实验通过模拟渗滤液的输送并测定管道中的结垢量来 判断各影响因素对结垢堵塞的影响，最后提出结垢的评价方法和防垢除垢对 出 歹ro 对长安垃圾填埋场输送管道中垢物测定结果表明垢物主要组成为碳酸 钙，含量约8 4 2 。渗滤液水质分析发现渗滤液钙硬度高达4 5 5 4 5m g l ，碱 度( h c 0 3 ) 高达1 7 3 8 2m o l l ，过高的钙硬度和碱度为垢物的形成提供了 条件。 静态实验结果表明，在其他因素恒定时：失钙率随钙硬度的增大而增大， 钙硬度分别为3 0 8 7 8m g l 、4 9 4 0 4m g l 、6 9 4 7 5 m g l 和8 8 0 0 1m g l 时，失 钙率分别为3 9 6 3 、4 9 6 9 、5 8 7 2 和6 9 8 1 ；失钙率随碱度的增大而增大， 碱度( h c 0 3 。) 分别为8 9 7m o l l 、1 0 4 9 1m o l l 、1 1 4 8 6m o l l 、1 3 3 3 8m o l l 和1 7 0 0 4m o l l 时，对应失钙率分别为1 9 8 4 、2 4 9 6 、2 6 6 7 、3 1 7 8 和4 3 7 2 ；失钙率随p h 的升高而增大，当p h 分别为6 、7 、7 5 、8 和9 ， 对应失钙率分别为1 6 4 3 、1 9 8 4 、2 1 5 5 、4 0 3 1 和4 8 8 4 ；温度在1 5 和3 5 之间时，随着温度的升高，失钙率逐渐增大，且增大较缓慢：结垢 程度随时间的推移逐渐减小。 动态实验结果表明：同一管材的管道结垢量随流量的增大而增多；流量 相同时，p v c 管比p e 管结垢量稍大。 结垢的评价方法有饱和指数法、稳定指数法、结垢指数法和临界p h 值法 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 等，其中稳定指数法最常用，临界p h 值法最合理。可通过调节水质、改变外 界条件和加防垢剂等方法来防止结垢的发生。除垢对策中化学除垢技术应用 较广。 本文可为填埋场的正常运行和渗滤液的正常管道输送提供科学依据。 关键词：垃圾渗滤液；管道输送；碳酸钙；结垢 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 _ ll_l 一- i _ l - - _ _ _ _ _ i - - l _ - _ i _ _ _ _ l _ i l _ l - l i l l _ i _ l i - _ _ - - _ l a bs t r a c t l e a c h a t ei sat y p eo fo r g a n i c w a s t e w a t e rc o n t a i n i n gl a r g ea m o u n t so f p o l l u t a n tw i t hh i g hc o n c e n t r a t i o n ，a n dd i f f i c u l tt ot r e a t 。n o wa ne c o n o m i c a lw a y i s t ot r e a ti ti nc o m b i n a t i o nw i t hm u n i c i p a ls e w a g e o nt h ew a yo ft r a n s p o r t i n g l e a c h a t ei np i p e l i n e t om u n i c i p a ls e w a g et r e a t m e n tp l a n t ，t h ep i p ew o u l db e s c a l e da n dc l o g g e dd u et os o m ep h y s i c a l ，c h e m i c a la n db i o l o g i c a lr e a s o n s t or e s e a r c ht h es c a l i n gm e c h a n i s mo ft h el e a c a h t ep i p e ，t h ep a p e ra n a l y z e d t h es c a l i n gi nt h e o r yf i r s t ，t h e nm e n s u r a t e dt h el e a c h a t e sw a t e rq u a l i t ya n dt h e m a k e u po ft h ep i p es c a l i n gf r o mc h a n g a nw a s t el a n d f i l l ，w h i c hi st h eb i g g e s to n e i ns i c h u a n ，a n dt h e ns t u d i e dt h em a i nf a c a t o r si n f l u e n c i n gt h es c a l i n gb ys t a t i c a n dd y n a m i ce x p e r i m e n t s t h es t a t i ce x p e r i m e n tj u d g e dt h ei n f l u e n c eb y c a l c i u m s l o s i n gr a t e ( t h ef a s t e ro ft h ec a l c i u m sl o s i n gr a t e ，t h eq u i c k e ro f t h ed e p o s i t i n g ， a n dt h em o r es e r i o u so ft h es c a l i n gd e g r e e ) ，b ys i m u l a t i n gt h et r a n s p o r t a t i o no f t h el e a c h a t e ，t h ed y n a m i ce x p e r i m e n te s t i m a t e dt h ei n f l u e n c ew i t ht h es c a l i n g q u a n t i t yo ft h ep i p e a tl a s t ，t h ee v a l u a t i n gm e t h o d s ，p r e v e n t i o na n d c u r ea g a i n s t t h es c a l i n gw e r eb r o u g h tf o r w a r d t h es t u d yo ft h es c a l i n gf r o mc h a n g a nw a s t el a n d f i l l s l e a c h t ep i p e s h o w e st h a tt h em a i nm a k e u pi s c a l c i u mc a r b o n a t e ，w h o s ec o n t e n ti s a b o u t 8 4 2 t h ea n a l y z i n go ft h ew a t e rq u a l i t yi n d i c a t e st h a tt h ec a l c i u ms t r e n g t hi s 4 55 4 5m g l ，a n dt h ea l k a l i n i t yi s17 3 8 2m o l l ，w h i c hs u p p l i e st h es c a l i n gw i t h q u a l i f i c a t i o n t h ee x p e r i m e n ti sa i m i n ga tt h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r so ns a c l i n go fl e a c h a t e p i p es u c h a sc a l c i u ms t r e n g t h a l k a l i n i t y , p h ，t e m p e r a t u r e ，f l u x ，t i m e ，p i p e m a t e r i a la n ds oo n t h es t a t i cs t a t ee x p e r i m e n ts h o w st h a tw h e no t h e rf a c t o r sa r ei n v a r i a b l e t h e c a i c i u m ，sl o s i n gr a t ew i l li n c r e a s ew i t ht h ec a l c i u ms t r e n g t h sa u g m e n t w h e nt h e c a l c i u ms t r e n g t ha r e3 0 8 7 8m g l ，4 9 4 0 4m e g l ，6 9 4 7 5 m g la n d8 8 0 0 1m l ， t h ec a l c i u m sl o s i n gr a t ea r e3 9 6 3 ，4 9 6 9 ，5 8 7 2 a n d6 9 8 l ；a l s o ，t h e c a l e i u m ，sl o s i n gr a t ew i l lr i s ew i t ht h ea l k a l i n i t yo rp h si n c r e a s i n g w h e nt h e i l _ l _ _ - _ _ _ _ l - li l _ _ - _ _ l l i _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ l i i i l 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a l k a l i n i t ya r e8 9 7m 0 1 l ，1 0 4 9 1m o l l , 1 1 4 8 6m o l l ，3 3 ，3 8m o l la n d1 7 0 0 4 m o l l ，t h ec a l c i u m sl o s i n gr a t ea r e1 9 8 4 ，2 4 9 6 ，2 6 6 7 ，31 7 8 a n d 4 3 7 2 ；w h e np ha r e6 ，7 ，7 5 ，8a n d9 ，t h ec a l c i u m sl o s i n gr a t ea r e1 6 4 3 ， 1 9 8 4 ，2 1 5 5 ，4 0 3 1 a n d4 8 8 4 w h i l et h et e m p e r a t u r ec h a n g e sf r o m1 5 t o35 ，t h ec a l c i u m sl o s i n gr a t ew i l li n c r e a s ew i t ht h ea u g m e n to fc a l c i u m s t r e n g t hs l o w l y t h ec a l c i u m sl o s i n gr a t ew i l ld e c r e a s ea st h et i m eg o i n go n t h e d y n a m i ce x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tw h e nt h ep i p e sm a t e r i a li su n i f o r m ，t h es c a l i n g s t a t ew i l la u g m e n tw i t ht h ef l u x si n c r e a s i n g w h e nt h ef l u xi ss t e a d y , t h ep v c p i p e ss c a l i n gd e g r e ew i l ld e e p e rt h a nt h ep ep i p e s t h ew a y st oe s t i m a t ec a l c i u mc a r b o n a t e ss c a l i n ga r el a n g e l i e r s ，r y z n a r s ， p u c k o r i u s sa n df e i t l e r sm e t h o d s t h er y z n a r sm e t h o di si nc o m m o nu s e a n d t h em o s tr e a s o n a b l ei sf e i t l e r sm e t h o d b yc o n t r o l l i n gt h ew a t e rq u a l i t y ， c h a n g i n gt h eo u t s i d ec o n d i t i o n ，o ra d d i n gm e d i c a m e n tw h i c hc a np r e v e n t i n gt h e s c a l i n g s f o r m a t i o n ，w e c a r l a v o i dt h e s c a l i n g t h e c h e m i c a l d i s p o s i n g m e a s u r e m e n tw h i c hi sw i d e l yu s e dc a ng e tr i do ft h es c a l i n g t h ep a p e rc a ng i v es c i e n t i f i cr e f e r e n c et ot h ew a s t el a d f i u sn a t u r a l l yr u n n i n g a n dl e a c h a t e sf a v o u r a b l ep i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n k e yw o r d s ：l e a c h a t e ；p i p e l i n e ；c a l c i u mc a r b o n a t e ；s c a l i n g 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密b 磊用本二权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 静 ： 似 名 、 签占 师 d 老 ： 导期 指日 1 町舟 兹了 氰 签 仃 者 ， 能 以 文 沙 论 ： 位期学日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 国内对填埋场渗滤液输送管道结垢堵塞问题的研究十分有限，研究也只 局限于对结垢影响因素的理论分析，国外也只是对收集系统堵塞问题有相关 研究。 本论文针对四川长安垃圾填埋场渗滤液输送管道结垢堵塞问题，通过实 验研究其结垢堵塞的主要影响因素，并提出可行的防垢除垢措施，为填埋场 的正常运行、渗滤液的正常管道输送提供科学依据，具有一定的创新性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 城市生活垃圾产生及处理 随着我国社会和经济的持续发展，人民生活水平的不断提高，我国城市 生活垃圾产生量与日俱增。据统计，我国城镇垃圾的人均日产量为1 2 1 4 k g ，人均年产量为4 4 0 - - 一5 0 0k g ，目前全国生活垃圾的年产量已达2 亿t ，并 以每年1 0 的速度递增。可以预见，城市生活垃圾在较长的一段时间内仍 将保持较高的增长势头。这些垃圾的存在严重破坏了城市生态环境系统，成 为影响人们生存环境和可持续发展的重要因素。 我国城市生活垃圾处理以减量化、资源化、无害化为基本原则。为了实 现城市生活垃圾无害化、减量化、资源化的目的，目前国内成熟且常用的垃 圾处理方法有堆肥、焚烧和填埋三种。 堆肥处理只能处理垃圾中可腐有机成分，不能处理全部垃圾，而且处理 量小，不能满足日益增多的生活垃圾需求，并存在产品长期使用会造成“土 壤渣化 、质量不稳定、销路不畅等问题，所以堆肥处理不是目前我国城市生 活垃圾处理的主要方法【2 1 ；焚烧虽能回收热能，但烟气必须净化，残渣需填埋 处理【3 】，且焚烧对垃圾热值有一定的要求，运行成本和技术要求相当高，特别 是对有毒有害气体排放的控制【4 1 ，故焚烧法在我国应用不是很普及；填埋法具 有建设投资少、运行费用低、技术成熟、管理方便、可回收沼气、对垃圾热 值无特殊要求、封场稳定后土地可再利用、综合效益好等特点【5 6 】。综上，填 埋法比较适应我国这样一个地域广阔、资金不足的发展中国家，据中国环境 监测总站对国内3 2 9 个城市生活垃圾处理厂的调查表明，填埋场占垃圾处理 设施的8 7 5 【7 】。由建设部、国家环保总局和科学技术部联合发布的城市生 活垃圾处理及污染防治技术政策中明确指出，卫生填埋是垃圾处理必不可 少的最终处理手段，也是我国现阶段城市垃圾的主要处理手段碍】。 1 1 2 城市生活垃圾渗滤液水质特点 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 城市垃圾卫生填埋场具有众多优势，但其在填埋阶段以及填埋场封场后 监管期间产生的渗滤液却是一个比较棘手的问题。 渗滤液的产生主要有2 种来源：一是内部因素，即垃圾本身所含有的水 分在填埋过程中由于受挤压而产生的水分，垃圾中的有机组份在填埋场内经 厌氧分解生成的水分；二是外部因素，如降水、地表径流及地下水的入渗、 覆盖材料中含有的水分。渗滤液水质变化受垃圾组成、垃圾含水率、垃圾体 内温度、垃圾填埋时间、填埋规律、填埋工艺、降雨渗透量、当地气象、水 文条件等因素的影响，尤其是降雨量和填埋时间的影响【9 m 】。相关研究表明， 垃圾渗滤液水质成分复烈、水质水量变化大，浓度高，有机污染物和n h 3 一n 含量高、b c 逐渐降低1 3 , 1 4 】、重金属含量大，色度高且恶臭【1 5 】、微生物营 养元素比例失衡。 1 1 3 城市生活垃圾渗滤液的处理现状 由垃圾渗滤液水质特点可知，渗滤液是一种成分复杂的高浓度有机废水， 处理难度较大。目前填埋场渗滤液的处理已成为水处理领域和卫生工程领域 研究的热点。渗滤液的处理方案可以分为场内处理和场外处理两大类，具体 有3 种方案j 建设独立的场内处理系统；土地处理( 循环喷洒处理) ； 与城市污水处理厂进行合并处理【l6 1 。 场内处理系统即在填埋场内建设独立的渗滤液处理系统，由于渗滤液污 染负荷很高，尤其是有毒有害物含量较高，因而其处理工艺系统须为多种处 理方法的有机组合【 】。通常是以生物法为主工艺，其基建投资和运行成本较 低，但系统管理相对复杂，难以适应早期和中后期渗滤液水质的剧烈变化， 尤其当氨氮浓度较高时，生物处理过程易受到抑制：而物化法虽耐冲击负荷， 对重金属离子、氨氮和难降解有机物有较好的去除效果，但其处理成本较高， 不适用渗滤液的规模化处理。此方案最不利之处在于其运转维护费用缺乏经 济上的优越性，且随着填埋场的关闭，最终导致处理系统废弃。 循环喷洒是一种较为有效的处理方案。回喷可提高垃圾层的含水率增加 垃圾的湿度，增强垃圾中微生物的活性，加速产甲烷的速率、垃圾中污染物 溶出及有机物的分解；可降低渗滤液的污染物浓度，减少渗滤液的产生量， 对水量和水质起稳定化的作用。但是不能完全消除渗滤液：通过喷洒循环后 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的渗滤液仍需进行处理方能排放，尤其是由于渗滤液在垃圾层中的循环，导 致其n h 3 - n 不断积累，甚至最终使其浓度远高于其在非循环渗滤液中的浓度 1 8 , 1 9 】；除此，回喷过程中也会带来环境卫生问题、安全及设计技术问题【2 0 】。 因此渗滤液循环喷洒的场内处理方法在我国的应用并不多见。 合并处理即将垃圾填埋场的渗滤液引入城市污水处理厂与城市污水混合 后处理，是处理渗滤液最简便的方法。合并处理可以节省填埋场单独处理系 统的基建投资，降低填埋场日常运行的费用，简化了管理【2 ，利用污水处理 厂对渗滤液的缓冲、稀释作用和城市污水中的营养物质实现渗滤液和城市污 水的同时处理 16 1 ，从而从一定程度上解决了渗滤液因难生物降解物质浓度高 造成的单独处理出水很难达标的问题。 1 1 4 问题的提出 基于上述分析，垃圾渗滤液与城市污水的合并处理不失为一种经济的处 理方案。在我国目前尚无足够的经济实力建场内渗滤液处理厂的情况下，采 用此方案有重要的现实意义。 目前，国内的垃圾填埋场大多将渗滤液直接汇入城市污水处理厂进行合 并处理【1 7j 。四川省有垃圾填埋场3 0 座左右，其中垃圾渗滤液采用合并处理方 案的占到一半以上，在渗滤液通过管道送往城市污水处理厂时由于各种原因， 易出现输送管道结垢堵塞问题。长安垃圾填埋场是四川省最大的生活垃圾填 埋场，该场渗滤液经调节池调节后送往成都市三瓦窑污水处理厂与城市污水 进行合并处理。长安垃圾填埋场渗滤液输送管道( h d p e 管材) 0 4 年6 月份 建成，运行半年后发现管道结垢堵塞，特别是管道上坡、拐弯处，结垢堵塞 现象特别严重。堵塞导致管线内径变小，降低了水流截面积，增大了水流阻 力，减少了输送量( 经过对长安垃圾填埋场的资料调研，发现结垢使得渗滤 液输送量从原来的1 5 0 0 m 3 d ，降至现在的1 0 0 0 m 3 d 左右) ，特别是在雨季， 渗滤液量加大，渗滤液的正常输送更是无法保证。此外，更严重的是垢物堵 塞管道时，压力增加导致出现管道爆裂现象，后果不堪设想。国内的深圳下 坪垃圾填埋场、广州大田山垃圾填埋场和杭州天子岭垃圾卫生填埋场也出现 过渗滤液输送管道结垢堵塞问题。 目前，填埋场渗滤液与城市污水处理厂合并处理是一种经济的处理方案， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 对于垃圾填埋场与城市污水处理厂同时建设的城市，在规划与设计时应优先 考虑合并处理方案的可行性【i o t 。而将渗滤液送往城市污水处理厂时出现的管 道结垢堵塞问题，一方面会影响渗滤液的正常输送和处理；另一方面堵塞会 使输送量减少，从而导致填埋场内调节池中渗滤液量增多，渗滤液浓度增大 甚至溢出，存在一定的安全风险，所以要对调节池重新改建，需要较大的投 资和建设费用；再者，若对管道结垢堵塞不予以足够的重视，管道由于堵塞 压力增大导致爆管现象将造成安全事故和经济损失。因此，对渗滤液输送管 道堵塞结垢的主要影响因素进行研究，以期找到防堵措施，具有重要的现实 意义。 1 2 国内外研究现状 目前，国内外对渗滤液输送管道结垢的研究报道尚无几例。 国内的陈石等人对深圳市下坪垃圾填埋场渗滤液排污管道结垢现象进行 了研究，经过对垢物的分析，确定垢物中c a c 0 3 占到9 0 左右【2 2 1 ，分析了造 成结垢的直接原因是渗滤液总硬度过高，主要原因是管道设计不合理( 深圳 下坪垃圾填埋场采用u 型管道，u 型管道长期积水易产生结垢物堵塞管道) 。 满瑞林等人也是对深圳市下坪垃圾填埋场渗滤液输送管道结垢物进行剖 析，确定垢物的主要成分为c a c 0 3 ，含量为8 4 3 2 【2 引，结垢的主要原因是垃 圾所含水溶液的p h 值的变化( 垃圾在填埋过程中经过一系列生化和物理化学 变化，所含水溶液逐渐由酸性变为弱碱性，碳酸钙溶解度降低，从溶液中逐 渐析出，在管道中结垢) 。 国外的研究大多是对渗滤液收集和排水系统堵塞的研究。 德国的b r u n e t 2 4 】等人通过室内实验，得知填埋场渗滤液收集系统的堵塞物 主要包含生物膜，方解石和硫铁矿等( 这一发现与q u i g l e y 等人的发现一致) ， 并推测堵塞与有机质的负荷率和溶解的无机盐类有关。 加拿大在渗滤液收集系统堵塞方面研究较多。i r f l e m i n g 和r k r o w e 2 5 1 等人通过对多伦多的k e e l e v a l l e y 填埋场的渗滤液进行一系列的室内实验，发 现渗滤液中钙离子的量随着c o d 的减少而减少，每降解1 0 0 m g l 的c o d ， 钙的消耗率为7 5 m g l 。研究中也发现渗滤液中有机酸的消耗释放出二氧化 碳，使溶液p h 值增大，导致c a c 0 3 沉淀析出。r k e r r yr o w e ，m a r kd a r m s t r o n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 和d r o y c u l l i m o r e 等人【2 6 】通过对渗滤液收集系统进行室内模拟实验，得知负 荷最大的地方堵塞最严重。j a m i ee v a n g u l c k 等人【2 7 】通过室内实验，研究渗滤 液中的悬浮物对渗滤液收集系统堵塞的影响，发现堵塞是由生物，化学和物 理过程综合作用造成的。研究发现，醋酸盐的发酵与钙的沉淀有关，钙的沉 淀和有机悬浮物的滞留导致堵塞的加重。 综上，国内外在渗滤液输送系统结垢堵塞方面的研究微乎其微j 国内的 研究只是对管道堵塞的原因进行了理论分析，没有实验数据的支撑，国外也 不曾见到此方面的研究，因此在借鉴前人的研究基础上进一步开展此方面的 研究是很必要和可行的。 1 3 论文的研究目标、研究内容及技术路线 1 3 1 研究目标 本研究拟通过对长安垃圾填埋场渗滤液输送管道结垢堵塞物组成、渗滤 液水质进行研究，通过实验研究影响结垢堵塞的主要影响因素，最后对输送 管道结垢趋势进行评价并提出可行的防垢除垢对策，为填埋场的正常运行、 渗滤液通过管道顺利送往城市污水处理厂提供科学依据。 1 3 2 研究内容 1 结垢理论分析 2 】渗滤液输送管道结垢堵塞影响因素实验研究 3 】渗滤液输送管道结垢趋势评价及防治对策 1 3 3 技术路线 具体技术路线见图1 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图1 - 1 技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章结垢理论分析 从溶液中结晶，是自然界中大量存在的一种结晶方式。一般来讲，溶质 从溶液中结晶析出的过程可简略表示为： 水溶液溶解度过饱和度晶体析出晶体长大 2 1 结垢过程理论基础 2 1 1 水溶液 结晶析出的基本条件是水溶液( 本文指垃圾渗滤液) 中必须包含有成垢 离子，当离子反应平衡被打破时，这些成垢离子就会结合形成溶解度很小的 盐类分子。 2 。1 2 溶解度 结晶过程的产生决定于固体与其溶液之间的平衡关系。通常可以用固体 在溶剂中的溶解度来表示这种相平衡关系。物质的溶解度与它的化学性质、 溶剂的性质及温度有关，是一个状态函数【z 8 1 。一定物质在一定溶剂中的溶解 度主要是随温度的变化而变化，在一般情况下，压力的影响可以忽略不计。 因此溶解度数据通常用溶解度对温度所描绘的曲线来表示。图2 1 为几种难溶 盐溶解度随温度的变化曲线。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 备 囊 薹 2 1 3 过饱和度 淘泼 图2 1 几种难溶盐溶解度随温度的变化曲线 任何固体物质与其溶液相接触时，如溶液还未达到饱和，则固体溶解： 如溶液已经过饱和，则该物质在溶液中超过饱和量的那一部分迟早要从溶液 中沉淀出来；但如果溶液恰好达到饱和，则既没有固体溶解，也没有溶质从 溶液中沉淀出来。此时固体和它的溶液处于相平衡状态。所以，要想使固体 溶质从溶液中结晶出来，必须首先使溶液变成过饱和溶液，即必须产生一定 的过饱和度作为结晶过程的推动力。 一般来说，如果碳酸钙的离子积超过其溶度积，就有可能产生碳酸钙沉 淀，即开始产生碳酸钙沉淀的必要条件为： ic a 2 + l i 娼2 一i ( 2 - 1 ) 其中： c a 2 + 一钙离子浓度； c 0 3 扣 一碳酸根离子浓度： k 。，一在某一温度下碳酸钙的溶度积。 在实际生产中，物质的结晶受多种因素的影响，并不是满足了其离子积 大于溶度积时，溶液中就会有沉淀析出。其离子积超过特定的过饱和值时才 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 会产生沉淀。对于大多数化合物来说，溶液中有沉淀时所对应的过饱和度值 是非常高的，通常可以达到1 0 2 - - - - 1 0 3 之间【2 9 】。 c a c 0 3 的过饱和度s 可由( 2 2 ) 式计算： 。lc a 2 + l l 2 一 ( 2 2 ) s = l 一出一：一； 7 2 1 4 晶体成核 溶质从溶液中结晶析出，必须经历两个步骤：首先要产生微小的粒子作 为结晶的核心，这些核心称为晶核，然后晶核长大，成为可见晶体。产生晶 核的过程称为成核( 或晶核形成) 。由晶核再生长过程称为晶体生长 2 8 】( 或称 为晶粒长大) 。 在晶体开始生长之前，体系中必须存在一些可以成为结晶中心、种子、 胚胎或晶核的微小固体。亦即结晶过程中首先必须发生成核过程【3 0 1 。 从溶液中产生一个新相，其动力学依据就是溶质在溶液中并非完全均匀， 通过聚集，随之又分解，在溶液的另一处又发生聚集。在一定时刻聚集的溶 质会达到某一临界大小，达到这一大小的溶质不再解体且有可能继续生长【3 0 】。 由热力学知识可知，一个系统处于平衡状态时，系统的吉布斯自由能为 最小。如果系统处于过饱和状态，则系统处于非平衡态，吉布斯自由能不为 最小，所以系统有从非平衡态过渡到平衡态的趋势。这一转化一旦发生，必 然伴随有晶体的析出。晶体的析出首先要成核，然后才是成核基础上的生长。 晶核生成，就是旧相不断转变为新相的过程，或者说是晶核不断形成，形成 的晶核不断长大的过程。伴随着这一过程则是系统的吉布斯自由能降低的过 程 3 1 3 2 。 2 1 5 晶体生长 一旦晶核在溶液中生成，溶质分子或离子会继续一层层排列上去而形成 晶粒。这就是结晶成长。在化学工程中常引用的是较简单的结晶成长二步过 程学说【3 ”。按这学说，晶体成长第一步为溶质扩散，即待结晶的溶质借扩散 穿过靠晶体表面的一个静止液层，由溶液中转移至晶体表面；第二步为表面 反应，即到达晶体表面的溶质嵌入晶面，使晶体长大。在不同的物理环境下， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 这二步骤中的任一步都可能是过程的控制步骤。 2 2c a c 0 3 结晶规律理论分析 水垢一般都由具有反常溶解度的难溶或微溶的无机盐组成。水垢的种类 很多，最常见的水垢有碳酸盐垢，组成为c a c 0 3 、m g c 0 3 ，易被酸化去除， 危害相对较小；硫酸盐垢，组成为c a s 0 4 、b a s 0 4 、s r s 0 4 ，一般方法很难去 除，因此危害很大；铁化物垢组成为f e c 0 3 、f e s 、f e ( o h ) 2 、f e 2 0 3 ；还有 n a c i 垢。实际上，水垢在沉积过程中，常与淤泥、粘泥、微生物代谢物等混 合在一起成为污垢，并不是单一的组成，只不过是以某种垢为主而已1 3 4 。 碳酸钙是诸多常见钙盐中溶解度最小的一个，是渗滤液输送管结垢物最 主要的成分，所以本论文以碳酸钙垢的形成为研究对象。 由于垃圾渗滤液中同时存在大量的c a 2 + 与h c 0 3 。，h c 0 3 可离解生成 c 0 3 厶，一旦c a 2 + 浓度和c 0 3 2 浓度乘积达到其溶度积时，平衡会很快向生成 c a c 0 3 沉淀的方向移动，生成c a c 0 3 饱和溶液。c a c 0 3 经历饱和溶液、过饱 和溶液、结晶核及无定形物阶段，最后以c a c 0 3 结晶体的形式附着在管壁上 形成坚硬的碳酸钙垢。这一过程可用如下的方程式表示： h c 0 3 一一h + + c 0 3 2 。c a 2 + + c 0 3 2 一一c a c 0 3 c a 2 + + c 0 3 2 - 一一c a c 0 3 ( 饱和溶液) - 一c a c 0 3 ( 过饱和溶液) 一一c a c 0 3 ( 结晶核) 一一c a c 0 3 ( 无定形) 一一c a c 0 3 ( 结晶体) 结垢问题的研究，目前主要有两类方法：静态法与动态法。静态法是从 水溶液中生成沉淀结晶的角度来考察结垢问题的，而动态法则从管壁的结垢 来研究相关问题。 2 2 1 静态下c a c 0 3 的结晶特征 晶体生长理论认为 3 5 】，溶液中晶体的形成首先需要形成稳定的核- t l , ，其 后晶体生长才能发生。核晶作用可以通过溶液中反应物的偶然碰撞( 均相核 晶作用) 或者由于吸附及随后在固体表面形成核晶( 异相核晶作用) 而发生。 静态条件下，是以均相成核方式形成晶核并进而在初始晶核基础上长大的。 严格地讲，在天然体系中，由于难以避免的杂质的影响，c a c 0 3 在溶液中很 难按均相成核核化，而带有相当程度的非均相成核倾向。这些杂质能对核晶 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 反应起催化作用，降低核晶过程所需要的活化能( 从而降低过饱和度) 。 均相成核表达式【3 6 l 如下： j = a e x p l 一筹蔷i 沼3 ) 式中j 一成核速率，数目c m 3 s ； 卜指数因子： r 表面张力，j i m 2 ； v - 摩尔体积，c m 3 m o l ： k _ 玻耳兹曼常数； t 一绝对温度，k ； s 一碳酸钙钙过饱和度，计算见( 2 2 ) 式。 由( 2 3 ) 式可知，溶液初始浓度提高，过饱和度增大，沉积析出的成核 速率j 明显增大；溶液温度提高，c a c 0 3 的平衡溶度积降低，从而使过饱 和度s 提高，这将会加速成核过程。 晶核生长过程的一般方程3 6 1 如下： 华：渺+ 钟 一懈 ( 2 4 ) 其d p c a 2 + t 为总钙离子浓度，硒为结晶速率常数。 由( 2 4 ) 式知，溶液c a 2 + 或c 0 3 2 - 浓度提高，生长过程的推动力增大， 从而使沉积加速。温度提高，k s 口降低而杨加大，从而使晶核生长速率加快。 2 2 2 动态下c a c 0 3 的结晶规律 流体在管内流动，溶液中的溶质最终变为晶体结垢层的组成部分，首先 要从溶液本体扩散穿过垢层表面附近的层流扩散层到达晶体表面，然后在晶 体表面的适当位置参加到晶格中去，成为晶体的一部分。前一过程为扩散过 程，后一过程是表面反应过程。 对扩散过程，其通量 3 6 , 3 7 为： m d = 畅( g g ) ( 2 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 对表面反应过程，由晶体生长理论，其通量为： = 群( q c o ) “( 2 6 ) 式中i i l d 一通量，即晶体成核速率，k s m 2 h ； 豳一扩散传质系数： l o 一表面反应速率系数； c b 一溶液主体浓度； c 。一界面浓度： c o 一饱和浓度； 对c a c 0 3 结晶过程，可取n - - 2 联立以上两式，可求得沉积速率 ，竹d = 如 c c ：一c 。，+ 乏惫一j 1 ( 2 - 7 ) 若以总推动力即过饱和度c b c o 形式表达，则 朋d ：丁牛 ( 2 _ 8 ) 一+ k d墨( c ：f c o ) 若温度升高，c a c 0 3 溶解度降低，( 2 8 ) 式中c o 减小，c i c o 增大；反应 速率常数与温度的关系可用a r r b e n i u s 形式方程表达： 群= a e x p i - e ( r t ) i ( 2 9 ) k r 随t 增大而增大，故在流速不变即恒定时，由( 2 - 8 ) 式可知，c a c 0 3 的结垢沉积速率是提高的。 流速提高时，确增大，在温度不变的情况下，磁保持恒定，由( 2 7 ) 式 直接判断沉积速率变化困难，可将( 2 7 ) 式对求导，经整理得到： 锄鲁( g c o ) 3 1i!：=：!；：j：，：=：=：。一 蕊酚叫般阉g 卅怍隆闺g 卅慷) 2 噜睁c o ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 o m ， 由于茄 u ，流速提高，瞄增大，从而导致结垢沉积速率增大。 在以上关于流速影响的分析中，未考虑流速对结垢过程的抑制作用，事 实上流速虽然能加快结垢速率，但是随着垢层的逐渐增厚，流体剪力作用会 变得较为明显，从而抑制垢层生长。对于流体流动对垢层生长的抑制作用， t a b o r e k 等【3 8 】作了区分，认为：相对纯净的c a c 0 3 结晶沉积，垢层结合紧密， 抑制作用不明显；被杂质污染的c a c 0 3 结晶沉积，垢层结合较弱，存在一定 的流体剪力作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章渗滤液输送管道结垢堵塞影响因素实验研究 3 1 结垢危害 与渗滤液接触的设备及管道内表面结垢后，一方面会造成设备及管道不 同程度的堵塞，从而影响渗滤液的正常输送和处理；结垢也会使设备寿命缩 短，工作效率下降，增加了检修时间和费用； 另一方面结垢堵塞会使输送量减少，从而导致填埋场内调节池中渗滤液 量增多，渗滤液浓度增大甚至溢出，存在一定的安全风险，所以要对调节池 重新改建，需要增加投资和建设费用； 再者，若对管道结垢堵塞不予以足够的重视，管道由于堵塞压力增大导 致爆管现象将造成安全事故和经济损失。 结垢给填埋场的正常运行和渗滤液的顺利输送带来诸多不便，其危害是 不容忽视的。因此，有必要对渗滤液输送管道结垢堵塞机理进行研究，以期 找到有效的防垢除垢对策，使结垢造成的损失减d , n 最低程度，这就是本文 最大的目的。 3 2 垢样分析 管道中取回结垢样品成灰白色块状，平均厚度大约5 m m ，将样品粉碎磨 成粉状用酸处理后产生大量气泡，气泡无臭无味，用含铅试纸检测没有变黑， 说明该气体不是硫化氢。 为判断垢样化学组成，进行了x p s 能谱分析，结果如表3 1 。 表3 1 垢物化学组成 为判断垢样主要成分，进行了x r d 分析测定，结果表明管道结垢物主要 组成为碳酸钙，含量约8 4 2 。 3 3 水质分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 渗滤液输送管结垢与渗滤液水质有很大关系。为探索渗滤液水质对输送 管结垢堵塞的影响，以便从源头上尽量避免结垢的发生，本文分别对于0 7 年 1 1 月、0 8 年1 月及0 8 年3 月所采集的渗滤液水样进行分析，分析结果如表 3 2 。 表3 2 渗滤液水质分析结果 渗滤液各水质指标监测方法如下： p h 1 h 计法； 碱度电位滴定法； 硬度络合滴定法； s 0 4 = 。重量法： 总铁原子吸收法； c o d 。，一重铬酸钟法： n i l 3 一n _ 钠氏试剂分光光度法。 从表3 2 可看出，渗滤液p h 在8 左右，呈弱碱性，碱度、硬度、c o d 和n h 3 - n 较高，s 0 4 2 和总铁相对较低，过高的钙硬度和碱度为垢物的形成 提供了条件。 3 4 结垢影响因素分析 垢样分析结果表明，管道中垢物主要为碳酸钙，所以本文主要对碳酸钙 结垢机理进行研究，下面从渗滤液水质、环境条件、水流状态及管材等方面 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 以动静态实验相结合的方法对结垢原因进行剖析( 静态法实验结果不能全面 反映实际条件下c a c 0 3 的结垢规律，是一种实验室范围内的化学评价手段： 而动态法则是一种处于实验室和现场测试之间的工程化中介方法，将两者结 合能够较全面反映管道结垢状况。) 。 3 4 1 水质因素 3 4 1 1 硬度的变化对结垢堵塞的影响 ( 1 ) 实验设计 取4 个l l 的广口瓶，分别装入3 0 0 r a l 现场渗滤液，调节4 个广口瓶内 渗滤液钙硬度c o 分别为3 0 8 7 8 m g l 、4 9 4 0 4 m g l 、6 9 4 7 5 m g l 及8 8 0 o l m g l ， 其它因素恒定，将其于室温下放置3 0 天后取上层清液测定其钙硬度c 3 0 ，同 时收集瓶底沉淀烘干后称重并分析其组成。 ( 2 ) 实验数据 c ，。与失钙率计算结果如表3 3 ： 表3 3 硬度的不同对失钙率的影响 注：失钙率= ( c o c 3 0 ) c o 1 0 0 所收集沉淀重量如表3 4 ： 表3 4 沉淀重量 ( 3 )