城市垃圾焚烧飞灰

城市垃圾焚烧飞灰（精选9篇）

城市垃圾焚烧飞灰 篇1

1 垃圾焚烧飞灰安全处置的需求

近20年来我国城市垃圾的产生量持续以每年8%~10%的速度增长。在国家《“十一五”全国城市生活垃圾无害化处理设施建设规划》指引下, 城市生活垃圾焚烧技术已经成为各地生活垃圾处置首选的无害化技术, 但生活垃圾在焚烧炉中焚烧会产生相应的焚烧飞灰。

垃圾焚烧飞灰是《国家危险废物名录》中规定编号为HW18的危险废物。国家环保局2001年《危险废物污染防治技术政策》规定“生活垃圾焚烧飞灰须进行安全填埋处置”。2002年7月1日开始实施的GB18598—2001《危险废物填埋污染控制标准》中规定, 垃圾焚烧飞灰等危险废物经稳定化预处理, 废物浸出液中总铅等重金属和无机氟化物、氰化物等满足控制限值后, 进入危废填埋场填埋。

随着垃圾焚烧飞灰的产量逐年增加, 危险废物填埋场地可利用的填埋容量相对减少, 为解决此矛盾, 2008年7月国家颁布的GB16889—2008《生活垃圾填埋污染控制标准》, 增加了垃圾焚烧飞灰有条件容许进入生活垃圾填埋场的新条款, 该标准规定:预处理后生活垃圾焚烧飞灰满足含水率小于30%、二恶英的含量低于3μg TEQ/kg及浸出液中重金属危害成分浓度低于规定浓度限值三个条件, 可以在生活垃圾填埋场中单独分区填埋。该标准的实施为垃圾焚烧飞灰的处理处置提供了一个新的平台, 也为其在建筑材料领域的资源化利用提供了依据。

生活垃圾焚烧飞灰中含有较高浓度的Pb、Zn、Cd、Hg和Cr等有害重金属物质和盐类, 二恶英和呋喃类有机污染物也在飞灰载体中富集存在。飞灰经水泥固化、化学螯合稳定化等方法固化稳定化进入填埋场填埋, 具有工艺成熟、操作简单的优点, 但存在着对土壤和地下水及周边环境的污染风险。目前, 国内外有识之士经大量研究后已基本达成共识, 垃圾焚烧飞灰资源化利用是突破垃圾焚烧飞灰填埋处置土地、环境风险等瓶颈的有效途径。

垃圾焚烧飞灰属于Ca O-Si O2-Al2O3-Fe2O3-Cl体系, 日本、德国和韩国等国家都积极开展垃圾焚烧飞灰资源化利用的工程实践, 将焚烧飞灰在建筑材料和土木工程领域应用是主要的资源化方向。我国对此也相当重视, 国家2012年度环保公益性行业科研专项中已经对“生活垃圾焚烧飞灰资源化与处置的环境安全评价研究”进行立项研究, 要求开展飞灰资源化与处置技术评价, 编制我国垃圾焚烧飞灰资源化与处置技术导则, 提出我国飞灰资源化产品环境保护标准等。国家环境保护部日前已经对《垃圾焚烧飞灰安全处置技术指南》正式立项并组织研究团队开始编制, 定于明年正式颁布并实施。这可为国家环境保护部门实施垃圾焚烧飞灰综合利用和处置提供科学依据和技术支持。而且, 基于水泥固化稳定化是垃圾焚烧飞灰最有效的无害化处置途径, 因此, 资源化处置的主要方向就是在建筑材料和土木工程中的应用, 尤其是水泥基材料中的应用。为此, 同济大学环境材料研究所在十多年研究的基础上, 在国家科技计划支持下, 联合相关单位开展了垃圾焚烧飞灰在水泥、混凝土中资源化的系统研究, 并参与了《垃圾焚烧飞灰安全处置技术指南》的编制。本文拟简要介绍预处理垃圾焚烧飞灰作水泥混合材的资源化利用, 期望为水泥企业处置利用垃圾焚烧飞灰提供有益启示。

2 垃圾焚烧飞灰的化学特征

垃圾焚烧飞灰颗粒细小, 形态多样且易团聚, 以聚合体常见, 规则的球形体较少;物相分析显示整齐的结晶体很少, 多以多晶聚合态出现[1,2,3]。89%~98%焚烧飞灰的颗粒粒径介于4~100μm之间;飞灰颗粒堆积比较松散, 颗粒与颗粒之间的空隙也较大[4]。从化学组成上看, 由于原料和焚烧方式不同, 飞灰的各氧化物成分也有较大差异, 但基本属于Si O2-Al2O3-Ca O-Fe2O3体系[5]。我国部分城市垃圾焚烧厂采集的飞灰样品化学组成见表1。从表1中可见飞灰不仅含有水泥原料成分, 也含有较多的有害物质, 比如高含量的氯和碱等, 这些物质的存在对飞灰的资源化处置十分不利, 也会对环境安全构成严重威胁。

%

此外, 垃圾焚烧飞灰中还有少量的重金属 (见表2) 和二恶英。重金属主要来源于垃圾中电子工业废料和颜料等。有研究表明[10,11], 飞灰中的二恶英浓度与其氯元素含量有关;二恶英种类与焚烧炉型有关, 炉排炉和流化床分别以PCDDs和PCDFs为主, 且前者二恶英总浓度及其毒性当量均高于后者, 见表3。

3 试验原料及方法

3.1 试验用原材料

本研究所用的垃圾焚烧飞灰原样取自上海浦东新区御桥生活垃圾焚烧厂, 由焚烧炉除尘器收集而来, 按不同预处理方式分为两种:一种是经化学水洗处理的飞灰 (后文统称为水洗飞灰) ;另一种是将上述水洗飞灰再置于工业窑炉600℃下处理的飞灰 (后文统称为水洗热处理飞灰) , 目的是为消除二恶英。垃圾焚烧飞灰的预处理由上海市固体废物处置中心完成。试验前将这两种预处理垃圾焚烧飞灰 (后文统称预处理飞灰) 干燥并细化。

试验用水泥系曲阜中联水泥有限公司生产的基准水泥。试验用粉煤灰为上海某发电厂生产的磨细一级粉煤灰 (FA) ;矿渣粉选用上海某建材公司生产的S95级矿渣粉。

各原材料的化学成分见表4。

%

3.2 试验方法

两种预处理飞灰粒度分布由LS230型激光粒度分析仪测定;烧失量参照GB/T 176—2008《水泥化学分析方法》测定;比表面积按GB/T 8074—2008《水泥比表面积测定方法勃氏法》测定;胶凝活性参照GB/T18046—2008《用于水泥中的粒化高炉矿渣》的化学成分分析法和GB/T 2847—2005《用于水泥中的火山灰质混合材料》的强度试验法评定。

水泥标准稠度用水量、凝结时间和安定性参照GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测定;强度参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》测定。

4 预处理飞灰物化性质

4.1 预处理飞灰的颗粒特征

两种预处理飞灰的粒度分布见表5。两种预处理飞灰颗粒细小, 主要分布在1~100μm之间。

预处理飞灰颗粒形态并不规则, 颗粒表面存在大量的褶皱部分 (见图1) , 导致飞灰比表面积较大, 也会使得飞灰表面物理吸附作用增强而易造成团聚, 从而出现筛余量亦较高的情况 (见表6) 。

4.2 预处理飞灰化学成分与矿物组成

预处理飞灰主要由Ca O、Si O2和Al2O3等组成 (见表4) , 两种预处理飞灰的烧失量均较大, 说明飞灰中的有机物成分含量较高, 是由于垃圾焚烧过程中一些未燃尽的细小颗粒吸附在飞灰表面而造成的。预处理飞灰中还有重金属存在 (见表7) 。

mg/kg

XRD分析 (见图2) 表明, 两种预处理飞灰主要的结晶相有Ca CO3、Ca (OH) 2、Si O2、Ca SO4及Ca2Al2Si O7, 经湿法预处理后的焚烧飞灰中未见明显的氯盐晶体, 说明水洗对飞灰原灰中的氯、碱去除效果较好, 而试样中存在的大量碳酸钙主要是由于水洗过程形成的氢氧化钙碳化所致。

4.3 预处理飞灰的胶凝活性及其与粉煤灰和矿渣粉的差别

1) 质量系数法

GB/T203—2008中对高炉粒化矿渣的质量系数 (K) 定义如下:

式中各氧化物代表各自的质量百分数, 分子代表成分中具有胶凝活性物质的总和, 分母则代表非活性物质的总和。国家标准中对活性混合材的判别阀值为1.2。参照该活性鉴别方法计算得到试验用水洗热处理飞灰、水洗飞灰、粉煤灰和S95矿渣粉的K值分别为:2.06、3.47、0.70和1.88。两种预处理飞灰均达到活性混合材的质量系数要求。

2) 比强度法

强度试验法可以较直观地反映活性混合材料对水泥强度的影响, GB/T2847—2005规定水泥胶砂28d抗压强度比不小于65%时才能称之为具有火山灰活性的混合材。

参照该方法, 对试验用两种预处理飞灰、S95级矿渣粉和粉煤灰胶凝活性测定结果见图3。试验结果表明, 经水洗处理焚烧飞灰具有较好的胶凝活性, 与质量系数法检测结果一致。

5 预处理飞灰作水泥混合材的试验研究

5.1 试样组成

试验按照掺入形式分为单掺和复掺两种。单掺试验时将两种预处理飞灰分别按0%、3%、5%、10%、15%、20%和30%的质量百分比例掺入到基准水泥中制成相关试样, 记为AX和BX, 其中A、B分别代表水洗热处理飞灰和水洗飞灰, X为内掺加入到水泥中的预处理飞灰质量占混合水泥总量的百分比;粉煤灰和矿渣粉内掺加入水泥中的质量百分比为5%、10%、20%和30%。

复掺试验是将两种预处理飞灰分别与粉煤灰和S95矿渣粉在控制混合材总量不变的情况下按一定比例两两复合掺加, 其中预处理飞灰-粉煤灰复合混合材替代水泥比例为30%, 预处理飞灰-矿渣粉复合混合材替代水泥比例为50%。

5.2 预处理飞灰单掺对混合水泥物理性能的影响

5.2.1 标准稠度用水量、凝结时间和体积安定性

掺入预处理飞灰的混合水泥的标准稠度用水量、凝结时间以及安定性结果见表8。

从表8可以看出, 随着水洗飞灰掺量的增大, 混合水泥浆体的标准稠度用水量较基准样略有增大, 凝结时间逐渐缩短, 在相同掺量下掺水洗热处理飞灰的水泥标准稠度用水量低于掺水洗飞灰的水泥, 凝结时间较之略短, 主要是因为前者灰中氯离子含量相对后者略高;预处理飞灰的掺入造成水泥标准稠度用水量增大的原因是飞灰具有较高的比表面积, 吸附水分能力较强所致;经水洗处理后的飞灰中仍残留少量的碱和氯离子, 对水泥水化具有促凝作用, 从而可能使水泥浆体的凝结时间明显缩短。试验表明, 预处理飞灰对水泥的体积安定性无不良影响。

5.2.2 强度

掺入水洗热处理飞灰、水洗飞灰、粉煤灰和矿渣粉的水泥抗压、抗折强度试验结果见图4和图5。

由图4和图5可见, 掺两种预处理飞灰的水泥胶砂强度变化趋势相近, 各龄期的抗压、抗折强度随着预处理飞灰掺量的增加而呈现下降趋势, 同掺量下试样强度随龄期的延长其增长速率减慢。但不同龄期飞灰掺量对强度的影响略有不同, 在3d龄期时, 两种飞灰掺量在20%以内的试样强度均优于基准样, 但在28d龄期时, 掺水洗热处理飞灰试样只有掺量在3%以内的抗折、抗压强度才优于基准试样, 5%掺量时抗压强度较基准样略低, 超过5%掺量时试样强度急剧下降, 当掺量为15%时试样抗压强度已低于42.5MPa;掺水洗飞灰试样强度表现优于掺水洗热处理飞灰试样, 28d龄期时掺量在5%以内抗折、抗压强度优于基准试样, 掺量在15%以内试样抗压强度仍高于42.5MPa。与掺预处理飞灰水泥试样相比, 掺粉煤灰和矿渣粉试样强度在7d内变化趋势较之相似, 3d龄期时掺量在20%以内的掺预处理飞灰试样抗压强度均高于掺粉煤灰、矿渣粉试样, 抗折强度高于掺粉煤灰试样, 略低于掺矿渣粉试样;7d龄期时掺量在30%以内的掺预处理飞灰试样强度略高于掺粉煤灰试样, 但低于同掺比的矿渣粉试样;水化28d时掺粉煤灰、矿渣粉试样表现出的强度增长性明显要高于掺预处理飞灰试样, 掺量在20%以内的掺预处理飞灰试样抗折、抗压强度与掺粉煤灰试样相差无几, 但当掺量为30%时粉煤灰试样强度则高于同掺比预处理飞灰试样, 而掺矿渣粉试样抗压强度均高于同掺比下预处理飞灰试样。

需要指出的是, 根据GB/T175—2007《通用硅酸盐水泥》对水泥中氯离子的要求 (Cl-≤0.06%) , 预处理飞灰在混合水泥中的掺比不能仅考虑满足强度要求, 还应考虑到飞灰中氯离子的不利影响, 须根据氯离子含量控制飞灰掺量。

5.3 预处理飞灰复掺对混合水泥强度的影响

5.3.1 预处理飞灰与粉煤灰复掺

预处理飞灰与粉煤灰复掺的水泥试样抗压、抗折强度试验结果分别见图6和图7。由图6和图7可见, 相比单掺30%的粉煤灰试样, 预处理飞灰的掺入有助于改善粉煤灰早期活性的不足, 提高复掺水泥试样早期强度;而复掺水泥试样后期的强度变化情况却与早期相反, 单掺30%粉煤灰后期强度增长性高于所有复掺组合, 且复合体系中飞灰掺入比例越大, 试样后期强度增长越缓慢, 强度值也越低。预处理飞灰对试样早期强度具有较好的激发效果, 但是对后期强度的发展贡献不足, 这与上节单掺对比试验研究结果一致。两种预处理飞灰对复掺体系性能的影响差别主要体现在强度增长速率和后期强度发展上, 同掺比下水洗飞灰的抗压强度增长速率和后期强度高于水洗热处理飞灰。研究表明, 适宜的复掺比例既能体现预处理飞灰对复合胶凝体系早期活性不足的改善作用, 也能使后期强度得到保证。根据试验结果可以确定, 两种预处理飞灰与粉煤灰的复配比例不宜超过2∶1。

5.3.2 预处理飞灰与矿渣粉复掺

预处理飞灰与矿渣粉复掺的水泥试样抗压、抗折强度试验结果分别见图8、图9。由图8和图9可见, 预处理飞灰-矿渣粉复掺体系强度变化趋势与预处理飞灰-粉煤灰复掺体系相近, 表现为飞灰掺入对早期强度激发效果明显, 后期强度增长随飞灰掺量增大而降低;在水化早期7d龄期内, 水洗热处理飞灰和水洗飞灰掺量分别在5%和10%以内的试样强度表现均优于单掺50%矿渣粉试样, 但随着龄期的延长预处理飞灰掺量越高的试样强度发展也越缓慢, 28d龄期时矿渣粉单掺试样抗压强度高于所有复掺试样。试验结果表明, 水洗飞灰与矿渣粉的复掺比例不宜超过1∶4, 水洗热处理飞灰与矿渣粉的复掺比例不宜超过1∶9。

6 结论

1) 预处理垃圾焚烧飞灰的资源化处置和国家环境保护新标准的实施为水泥行业提供了可持续发展的机遇, 预处理垃圾焚烧飞灰将成为水泥工业新的潜在原材料来源。

2) 随着水洗热处理飞灰和水洗飞灰掺量的增大, 混合水泥的标准稠度用水量增大, 凝结时间缩短, 同掺量下掺热处理水洗飞灰的水泥标准稠度用水量低于掺水洗飞灰的水泥, 凝结时间较之略短;预处理飞灰对混合水泥的体积安定性无不良影响。

3) 水洗飞灰在水化早期具有较好的火山灰活性, 单掺适量的预处理飞灰对混合水泥早期水化有促进作用, 但对后期水化促进作用明显不足。

4) 预处理飞灰与粉煤灰和矿渣粉复掺有助于改善粉煤灰和矿渣粉早期活性不足的缺点, 但对混合水泥后期强度的发展不利。在本研究条件下, 两种预处理飞灰与粉煤灰的复掺比例不宜超过2∶1;水洗飞灰与矿渣粉的复掺比例不宜超过1∶4, 水洗热处理飞灰与矿渣粉的复掺比例不宜超过1:9。

参考文献

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城市垃圾焚烧飞灰 篇2

垃圾焚烧飞灰熔融固化技术

介绍了目前公认的处理垃圾焚烧飞灰的最稳定、最安全的`熔融固化技术.论述了该技术的发展方向,并指出该技术能耗较大,而且在高温熔融过程中部分重金属会挥发迁移,导致二次污染;垃圾焚烧飞灰在较低温度下熔融,不仅节约了能耗,而且可以减少重金属的挥发;同时,将熔融固化后得到的玻璃制成高附加值的微晶玻璃,具有潜在的市场前景.

作 者：周敏 杨家宽 肖明丹 张杜杜 Zhou Min Yang Jiakuan Xiao Mingdan Zhang Dudu 作者单位：华中科技大学,环境科学与工程学院,湖北,武汉,430074刊 名：环境卫生工程 ISTIC英文刊名：ENVIRONMENTAL SANITATION ENGINEERING年，卷(期)：14(5)分类号：X705关键词：垃圾焚烧飞灰 熔融固化 重金属 低温 微晶玻璃

垃圾焚烧飞灰制备陶粒技术 篇3

1、概述

1.1 飞灰的性质

城市生活垃圾焚烧灰根据其收集位置的不同, 主要分为底灰和飞灰。飞灰是指在烟气净化系统和热回收利用系统中收集而得的残余物。飞灰包括烟灰、加入的化学药剂及化学反应产物。其物理和化学性质随焚烧厂烟气净化系统的类型不同而有所变化。

飞灰中融解盐含量很高, 可浸出重金属的浓度较大 (铅、铬、汞等) , 并且含有微量有机污染物 (二恶英、呋喃等) 因此必须对其进行无害化处理。同时, 飞灰具有较好的硅、铝比和适宜的钾、钠氧化物含量, 可以作为制作轻骨料的原料使用。

1.2 陶粒制备

陶粒原料的性能直接决定陶粒的性质。影响陶粒膨胀的因素很多, 主要因素是原料的化学成分, 矿物组成, 物理性能及焙烧工艺。

原料的化学成分是导致陶粒膨胀的主要因素。按其作用可分为3类:

﹝1﹞成陶成分, S i O2、A l2O3、Fe2O3占总原料的四分之三

﹝2﹞助熔成分, 主要是起助熔作用的氧化物, 有K2O、Na2O、Mg O、Ca O、F e O等;

﹝3﹞发气成分, 在物料高温时产生气体, 如H2O、O2、C O2、C O、H2等。

根据Riley&Wikson三角形理论, 原料的化学成分如果能够控制在表1所示范围内, 多数料球都能膨胀。而且硅、铝含量不宜过高, 硅铝含量过高导致焙烧温度升高;而助熔成分的含量对烧成是有利的。

2、实验方法

2.1 原材料

原料包括垃圾焚烧发电厂排出的飞灰, 膨润土、焦炭和赤铁矿。

2.2 实验仪器与设备

马弗炉、搅拌机、制粒机、筛分等

2.3 工艺流程

将以上各种原料按照一定的比例混合, 搅拌均匀, 制粒, 料球预热、焙烧、成品。

2.4 实验控制

陶粒膨胀的好与坏, 与烧成工艺有关。好的原料和配方, 若焙烧工艺不行, 也很难烧出超轻陶粒。其影响烧胀性能的主要工序有:料球 (粒) 的粒径与级配对烧胀性能很重要。粒径过大时, 或是烧胀不透, 或是膨胀过大超过标准要求, 料球粒径<3mm过多时, 易结窑或结块, 影响陶粒的质量和产量。原料成球前要求越细越好, 料球的含水率对陶粒的膨胀和表壳形状有影响。含水率过高则水分在窑的干燥和预热带排出不尽, 造成在焙烧时不能膨胀或膨胀产生炸裂, 使陶粒表壳有裂纹, 甚至裂开。故料球的含水率一般控制在20%以内;陶粒在造粒过程中要求料球的粘结要好, 否则容易造成料球在输送、干燥、预热时大量破碎, 产生过多粉料或破粒, 焙烧时易造成结块或结窑, 因此我们在原料中加入膨润土以增加其粘结性;料球进入膨胀带之前一定要经过300~800o C的温度干燥、预热约10~14min, 否则料球进入烧胀带不能很好的膨胀或炸裂、料球的焙烧温度和焙烧时间对陶粒膨胀起着重要作用。不同原料的焙烧温度和时间是不同的。

2.5 实验过程

按照实验要求将飞灰、粉煤灰和膨润土混合均匀, 加水适量, 搅拌均匀。成型。然后将成型的料球放入马弗炉焙烧。控制马弗炉的升温速度, 使料球在焙烧前有充分的干燥和预热时间。焙烧温度控制在1150±30o C。

由于实验室采用马弗炉作为焙烧设备, 故采用自然冷却机制, 使炉膛温度自然降至室温。

2.6 实验结果

3、结果讨论

陶粒的烧胀对原料有两个要求:一是料球表面在焙烧时产生液相, 有适当的粘度包裹料球;二是料球内产生气体, 在高温下膨胀。

原料的含量、含水率和焙烧温度控制是飞灰制陶粒的关键控制步骤。

焙烧法烧制飞灰陶粒可以有效的固化飞灰中的有毒物质:二恶英等剧毒有机物充分分解;铅、镉等重金属被固化在硅铝骨架的晶格中, 其浸出毒性远远低于国家标准。需要指出的是, 飞灰陶粒不宜作为最终产品使用, 最好作为免烧路面砖骨料使用, 这样就使得飞灰陶粒被水泥完全包裹固化, 其环境稳定性和安全性将进一步提高。

该法处理飞灰工艺简单, 附加值高, 是有效的飞灰资源化利用方法。生产的陶粒强性能与粘土陶粒相相似, 完全可以作为粘土陶粒的替代产品。这对于减少污染、保护耕地具有良好现实意义。每立方米陶粒的市场售价为80~150元, 结合生产实践, 综合计算可得出陶粒法飞灰处理技术的成本:炉排焚烧炉每吨飞灰处理成本约400~600元, 流化床焚烧炉每吨飞灰处理成本约300~400元。

城市垃圾焚烧飞灰 篇4

摘要：研究制备了1种具有多重作用效果的飞灰熔融复合型添加剂,并选用上海和福州2种典型飞灰,利用荧光光谱仪和电感耦合等离子体质谱仪等仪器,分析了添加剂对飞灰熔融过程中的挥发率,流动温度,重金属固定率以及熔融渣的重金属浸出特性的.影响.结果表明,添加10%添加剂可以将飞灰的流动温度降低150℃左右,挥发率降低10%～20%,重金属Cu和Pb的固定率提高了10%～20%,对重金属Zn的固定率可提高近40%;同时,采用我国毒性浸出方法和美国EPA的TCLP方法,分析测试熔融渣中重金属浸出量,结果证实几种重金属的浸出浓度均低于相应的标准限值.作 者：姜永海 席北斗 李秀金 王琪 张晓萱 魏自民 JIANG Yong-hai XI Bei-dou LI Xiu-jin WANG Qi ZHANG Xiao-xuan WEI Zi-min 作者单位：姜永海,JIANG Yong-hai(北京化工大学环境工程系,北京,100029;中国环境科学研究院,北京,100012)

席北斗,王琪,魏自民,XI Bei-dou,WANG Qi,WEI Zi-min(中国环境科学研究院,北京,100012)

李秀金,张晓萱,LI Xiu-jin,ZHANG Xiao-xuan(北京化工大学环境工程系,北京,100029)

生活垃圾焚烧飞灰处理方法综述 篇5

1 中国生活垃圾处理现状

1.1 露天生活垃圾堆放

根据有关数据统计, 中国城市生活垃圾从1998年至2008年的10年间, 生活垃圾有1.0×108t增长到超过1.5×108t。城市的垃圾普遍被运到城市周边地区, 使得整个城市几乎被垃圾袋所包围, 占有土地超过5×108m3, 不仅危害到城市周边的耕地质量, 而且还严重影响生态环境。根据2005年中国环境统计公报, 生活垃圾导致的环境污染以及所引起的破坏性事故已经达到了50次之多。这些露天堆放的垃圾危害性极大, 主要表现为: (1) 生活垃圾被露天堆放, 经过风吹日晒雨淋会发生物化反映, 经过化学分解之后, 会产生氨气、硫化物等等有害气体, 散发到空气中, 渗入到土壤中, 都会危害到自然生态环境。 (2) 生活垃圾经过长期堆放后, 会产生有机污染物, 一些难以分解的重金属物被析出, 与垃圾产生的病原微生物共同成为污染源, 伴随着雨水和雪水的渗入到土壤中, 严重污染地表水, 也会污染到地下水。 (3) 大量的生活垃圾一般会堆放在城市周边地区, 垃圾中所滋生的微生物会造成各种疾病蔓延, 也成为了苍蝇、蚊子、蟑螂和老鼠的孽生地, 导致疾病传染危机到城市居民的健康。

1.2 生活垃圾填埋

中国自20世纪90年代以来, 垃圾处理水平逐年提升, 特别是垃圾填埋技术的到广泛利用。但是, 城市垃圾产生在近些年来急剧增加, 使得垃圾填埋已经难以有效解决生活垃圾处理问题。根据中国城市生活阿拉基无害化处理调查统计数据显示, 2005年, 根据各个城市垃圾产量以及处理需要, 建垃圾填埋点464座, 填埋垃圾6505.4×104t;2006年, 根据各个城市垃圾产量以及处理需要, 建垃圾填埋点479座, 填埋垃圾6998.6×104t;2007年, 根据各个城市垃圾产量以及处理需要, 建垃圾填埋点372座, 填埋垃圾7632.7×104t;2008年, 根据各个城市垃圾产量以及处理需要, 建垃圾填埋点357座, 填埋垃圾6859.3×104t;2010年, 根据各个城市垃圾产量以及处理需要, 建垃圾填埋点325座, 填埋垃圾6407.4×104t。从2005年至2010年, 中国的城市垃圾以填埋为主, 其对于整个的生活垃圾处理能力超过80%。但是, 为了有效地处理生活垃圾, 垃圾处理厂往往是旧的场点管壁, 新的场点建成, 伴随着现代化先进技术被采用。相对于日渐增长的生活垃圾, 垃圾填埋处理已经难以满足环境保护需要。

1.3 生活垃圾焚烧处理

中国自2003年以来, 开始对部分生活垃圾焚烧处理, 且随着生活垃圾焚烧处理技术能力的加大, 生活垃圾填埋处理量相对减少。2010年至今, 生活垃圾焚烧场建设数量增多, 垃圾焚烧技术逐年增强, 且垃圾焚烧技术创新已经成为目前生活垃圾处理的重点的研究课题。原有的堆肥和填埋垃圾处理技术被焚烧技术所取缔, 使得焚烧技术成为目前重点垃圾处理技术。与其他的垃圾处理方法相比, 垃圾焚烧方法占地面积小、处理时间短, 而且还能够减量化处理, 做到减容化和无害化, 且运行稳定, 还能够创造可回收热量。比如, 一些国家和地区开始建设生活垃圾焚烧发电厂, 就是对焚烧垃圾所产生的热量的再利用。中国虽然引进生活垃圾焚烧技术多年, 并在各个地区应用, 但是由于资金短缺、焚烧处理技术缺乏可靠性和实用性, 且对于垃圾没有有效分类, 使得生活垃圾进行焚烧处理过程中, 不仅需要建设投资, 而且运行成本相对较高。特别是没有经过严格分类的垃圾, 经过焚烧后, 会产生大量的无机物和有害的有机物, 使得焚烧热值不够, 并释放出大量有毒物质, 导致环境二次污染。

2 生活垃圾焚烧处理的必要性

2.1 生活垃圾填埋处理的弊端

目前城市中, 对于生活垃圾的处理多采用垃圾填埋的方式。这种垃圾处理方法简单易行, 但是也会存在着很多问题, 比如, 垃圾腐烂后会污染土壤, 特别是进入高温季节, 臭气会扩散到空气中, 严重影响周围环境的空气质量。通常小区内对生活垃圾的处理会采用填埋方法, 垃圾的运输成本和技术成本都相对较低, 对于一些不可回收的垃圾, 采用这种垃圾处理方法则更为便利。当生活垃圾被填埋之后, 由于垃圾事先没有经过均似乎处理而填埋, 使得其中所存在的有毒物质无法对于其所处状态以及所发生的理化反应有效控制, 就会导致顽固有机污染物出现。

2.2 生活垃圾焚烧取缔填埋处理是城市发展的需要

中国城市人口密集度相对较大, 生活垃圾逐渐增多, 导致垃圾埋场有限, 使得生活垃圾处理成为目前重点研究课题。焚烧垃圾作为处理生活垃圾的另一种方式被普遍认可, 并逐渐被诸多城市所运用。相比较于填埋垃圾的方式, 采用垃圾焚烧的方法, 不仅可以将垃圾中所存有的顽固有机污染物消除, 而且还使垃圾的体积有所缩减, 经过技术可以后, 可以用于其它用途。

2.3 生活垃圾焚烧具有热能再利用价值

中国城镇化发展, 土地资源越来越珍贵, 加之生态环境保护意识的逐渐增强, 虽然城市生活垃圾的焚烧处理技术尚不成熟, 但是却成为有效处理生活垃圾的必然趋势。中国的耕地面积正逐渐减少, 选择合适的生活垃圾填埋场地很困难。随着垃圾填埋成本的提高, 要实现高效大规模地处理生活垃圾, 就要采用焚烧处理技术。中国生活质量的提高, 垃圾成分也相应地有所改变。突进垃圾分类收集, 提高燃气率, 使得生活垃圾含有更高的高热值可燃物, 其所释放出来热量可以回收再利用。

3 生活垃圾焚烧产生的飞灰

3.1 生活垃圾焚烧后的飞灰含量

生活垃圾经过焚烧后, 会有大量的固体残渣产生, 在垃圾中所占有的重量可以达到1/3左右, 底渣的含量占有1/4。也就是说, 生活垃圾经过焚烧处理后, 飞灰的含量占有8%左右。

3.2 生活垃圾焚烧后产生的有毒物质

生活垃圾经过焚烧后, 会产生一些不易熔解的重金属, 挥发性金属的含量极少。诸如Hg、Cd、Pd、Zn等挥发性金属在飞灰中会少量存在, 没有毒害的金属, 如Cr、Ni、Cu等都具有亲岩性。但是, 大量的垃圾经过焚烧后, 所扩散的面积相对较大, 当飞灰经过淹到就会吸附在烟道表面, 或者产生异相沉积。大量的飞灰经过烟道, 表面会富集高浓度的重金属, 特别是有毒的重金属Hg、Cd、Pd、Zn等伴随着飞灰在空气中得以挥发, 会造成严重的空气环境污染。此外, 在生活垃圾焚烧飞灰中, 还含有剧毒物质PCDDs以及PCDFs, 这两种物质都属于是剧毒物质二恶英, 虽然在飞灰中少量含有, 但是其污染程度是非常严重的。

3.3 生活垃圾焚烧后的有关处理规定

基于生活垃圾焚烧后, 会产生有毒物质, 中国环保总局发布的《危险废物污染防治技术政策》中, 要求生活垃圾焚烧后所产生的飞灰要注意收集, 且单独存放, 不可以与生活垃圾以及焚烧残渣等混合存放, 更不可以没有经过技术处理和检验后进行再利用。焚烧后的飞灰不能够长期贮存, 要进行必要的固化处理, 使其成分稳定后, 才可以有效利用[4]。

4 生活垃圾焚烧飞灰的处理方法

4.1 国外生活垃圾焚烧飞灰处理

不同的国家, 对于生活垃圾焚烧产生的飞灰处理技术各有不同。加拿大对于生活垃圾焚烧飞灰的处理通常会经过技术处理后运到危险废物处置场, 但部分地区也会选择其他方法, 比如, British Columbia州对于生活垃圾焚烧后产生的飞灰, 要通过试验检测, 如果重金属含量没有超标, 就会送往填埋场进行填埋处理。丹麦对于生活垃圾焚烧飞灰中所存在的危险物, 多为采用干法烟气净化系统或者半干法烟气净化系统所收集, 这些飞灰都要使用聚乙烯袋封装后送往专用的填埋场进行填埋处理。这些填埋场多设置有含渗滤液收集系统和底衬, 还要设计有防渗漏覆盖层。德国对于生活垃圾飞灰的处理, 会运输到指定的危险废物填埋场进行地下填埋, 为了避免飞灰被释放出来, 要将这些飞灰经过湿润、打包之后, 才可以被送往专用的处置场。日本对于生活垃圾焚烧后的飞灰处理, 不是采用直接填埋的方式, 而是要经过专业部门处理, 主要负责的部门为日本健康福利部通常会采用化学药剂稳定法、水泥固化法、熔融法、其他溶剂提取法等四种方法对于垃圾飞灰进行处理。经过化学浸出测试符合填埋标准后, 才可以将生活垃圾焚烧飞灰送往填埋场填埋。

在垃圾飞灰的再利用上, 由于飞灰成分不同, 使用方向和使用效果也会有所差异。欧美经济发达国家的生活垃圾焚烧飞灰中含有低水平的氯化物以及碱金属, 所以经过技术处理后, 就可以被加工为建筑材料。只要将检验合格的飞灰经过相应的固化技术, 就可以作为建筑材料中的少量成分。亚洲地区部分国家生活用品中氯化物含量较高, 生活垃圾中具有含量较高的塑料素质, 经过焚烧后所产生具有较高氯化物含量的飞灰很难固化, 且缺乏浸水的持久性, 固定效果差使其很难被用于混凝土材料中。因此, 亚洲国家对生活垃圾焚烧飞灰的处理, 多集中于采用高温处理措施, 加工成为熔融玻璃。

4.2 中国生活垃圾焚烧飞灰处理

生活垃圾经过焚烧处理后, 所产生的物质为焚烧残渣和所排放出来的烟气。生活垃圾经过焚烧后所形成的灰渣分为底灰和飞灰。底灰占有灰渣总量的80%以上, 主要为炉排渣, 部分为飞灰在炉排的过程中所掉落的灰。飞灰为采用烟气净化系统而收集的灰尘, 在灰渣中占有1/5的比例, 经过热回收利用系统将这些残余物收集起来, 可以对于热能进行再利用。采用烟气净化系统所收集的灰尘要将其中所含有颗粒物去除, 加入化学药剂, 对于飞灰进行处理。

5 生活垃圾焚烧飞灰处理方法

生活垃圾经过焚烧后, 其中所含有的重金属元素会在物化的作用下发生转化, 并使这些微量元素发生转移。由于这些金属元素的熔融性较差, 因此多会在高热环境下浓缩, 参杂在灰渣当中。由此可见, 生活垃圾经过焚烧处理后, 其中炉渣中所含有的重金属成分较之一般土壤要高, 特别是有毒元素的存在, 会间接性地危及到人类的生命安全。飞灰中所含有的重金属虽然属微量, 但是也会对自然环境产生不良影响。重金属的最大特点就是在环境中无法降解, 当其进入到水体或者土壤中, 而水体和土壤无法通过自我净化功能将这些污染物消除, 就会导致重金属元聚积到生物体中。当这些重金属元素在生物体中积累一定的量, 就会导致生物体异变, 或者是突然死亡, 或者是基因突变。在生物食物链的作用下, 这些重金属会间接地进入到人体中。人体内摄入大量的重金属元素, 就会危及到身体健康。

5.1 生活垃圾焚烧飞灰的水泥固化法处理

对生活垃圾焚烧飞灰采用水泥固化法进行处理, 是将固化剂混合到飞灰当中, 使飞灰形成固体, 其中的重金属难以溶出。目前常用的焚烧飞灰固化剂是水泥, 当飞灰渗入到水泥中后, 在理化作用下, 就会形成低荣分解性的金属氧化物, 从而降低重金属的迁移率。为了加快飞灰与固化剂的理化反应, 还可以加一些辅料, 使飞灰变成坚固的水泥块, 垃圾焚烧飞灰被固化后, 其中的重金属元素相对稳定。关于垃圾焚烧飞灰在混凝土中所占有的比例, 研究专家Hamernik和Frantz等对于飞灰的辅料作用进行了研究, 表明垃圾飞灰对混凝土的强度具有一定的影响, 可以作为混凝土中调和剂。如果在混凝土中含有40%至45%的飞灰, 其耐压强度与混凝土原初的耐压强度相当。但是其中所参如的飞灰要进行适当的技术处理, 诸如水洗或者将适量的添加剂溶入其中, 对于混凝土的强度会起到改善的作用。

5.2 生活垃圾焚烧飞灰的高温处理

对于生活垃圾焚烧飞灰进行高温处理, 是将飞灰放置在高温环境中, 使其熔融固化, 即为飞灰的玻璃化或者飞灰的玻璃陶瓷化。在生活垃圾的飞灰中含有二恶英这种毒性有机化合物, 采用高温处理技术可以促使二恶英有效分解。对于焚烧飞灰进行处理, 主要是改变其中所含有的重金属的移动性能, 高温下飞灰中如果添加适量的二氧化硅 (Si O2) , 这种晶状体会在高温环境中形成网格, 将飞灰中所含有的重金属在晶格中禁锢起来, 使得这些重金属元素与二氧化硅合成, 形成惰性熔渣, 并使飞灰的体积缩小, 重量减轻。Alexander Karamanova研究人员向垃圾焚烧飞灰中添加二氧化硅进行试验, 发现向飞灰中添加30 wt.%~40 wt.%的二氧化硅, 随着升温速度的不同, 颗粒的熔融效果也会有所不同。随着升温速率的提升, 当温度提升速率为20℃/Min~30℃/Min的时候, 此时颗粒的直径为1mm~2mm之间, 二氧化硅的表面晶体占有主导地位, 可以获得性能良好的力学性质, 即固化物的抗压强度可以达到360±100 Mpa, 抗弯强度可以达到48±13Mpa, 而且密度较高, 空隙较少。根据试验结果, Alexander Karamanova还提出了自己的看法, 认为如果对Si O2的添加量进一步研究, 特别是飞灰中Cu、Cd、Cr元素的含量较高的情况下, 研究其与Si O2混合后在高温状态下所产生的特性, 对于生活垃圾焚烧飞灰的高温处理技术的应用非常有意义。

5.3 生活垃圾焚烧飞灰的生物浸提法

生活垃圾焚烧飞灰的生物浸提法, 就是使用微生物对焚烧飞灰中的金属物质进行溶解或者浸取, 通过化学的氧化还原反应而形成酸性物质, 使配合物释放出来。通常对于飞灰中重金属的提取都会采用细菌或者真菌等等微生物。研究人员Hung-Yee Wu使用真菌A.Niger对焚烧飞灰中的重金属进行提取, 发现对于飞灰浆液使用A.Niger进行处理后, 其中的Mn、Zn、AI元素的浸提率可以达到75%以上, 如果浸提效果良好, 甚至可以100%提取出来。在飞灰中所含有的其它重金属进行浸提处理, Fe的浸提率为30%, Cu的浸提率为65%, Pb的浸提率为70%左右。为了加速焚烧飞灰中的重金属物提取, Krebs采用硫氧化菌对飞灰泥浆进行流感菌培养, 随着硫氧化菌快速生长, 且数量的增多, 泥浆的酸性度就会有所增加, 使其中所含有的金属物溶出。根据试验结果显示, 采用硫氧化菌的培养方式析出重金属元素, Cu和Zn元素的析出效果最好, 浸提率高达80%以上, Fe和Ni元素可以达到30%的浸提率, AI的浸提率可以达到60%。如果使用Tween-80, 当其质量浓度为1.2g/L~1.5g/L的时候, 硫元素的生物氧化还原速度会大大增加, 使得焚烧飞灰浆液的酸化速度加快, 其中所含有的重金属的溶出率会有所提高。但是, 并不意味着Tween-80的质量浓度越高越好, 当其质量浓度超过3.0g/L时, 随着流感菌的快速生长, 就会导致毒害效应发生。

6 结语

综上所述, 随着人们生活水平的提高, 所产生的生活垃圾越来越多。采用传统的填埋方法由于周期长, 且对于水体、土壤以及地下水都会造成不同程度的污染, 不利于自然生态环境的可持续发展。以焚烧方法取代填埋方法处理生活垃圾, 不仅可以加速垃圾处理速度, 而且还缩小了垃圾占用空间, 且垃圾焚烧过程中所产生的热能还可以回收再利用。但是, 在垃圾飞灰中会含有少量的重金属, 由于其难于降解而会伴随着飞灰严重地污染环境。采用水泥固化法、高温处理法和生物浸提法, 可以对飞灰中所含有的重金属以有效处理。

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垃圾焚烧飞灰混凝土试验研究 篇6

城市生活垃圾焚烧飞灰(简称飞灰)数量庞大，目前还没有既经济又环保的合理利用途径，虽然现今各国对飞灰的处置方法主要采用水泥固化后直接填埋的方式，但这种固化填埋方式不仅占用大量土地资源，而且飞灰中的有害重金属和有机物会渗入到土壤和地下水中，对土壤和地下水产生污染[1]。如果能将适当掺量的飞灰应用于普通建筑用混凝土的配制，将其应用于混凝土的生产中，变废为宝，既缓解了飞灰对环境的压力，又实现了建材产业循环发展，具有良好的经济、社会和环境意义[2]。因此，研究开发适宜的飞灰资源化利用的途径势在必行。

飞灰是生活垃圾经高温焚烧后，用烟气净化装置收集得到的残留物，其中含有高浸出浓度的重金属以及高毒性当量的二噁英等，属于危险固体废弃物，环境保护部门要求在对其进行最终处置之前必须先经过固化/稳定化处理[3]。本文以广州李坑垃圾焚烧发电厂生产的垃圾焚烧飞灰作为研究对象，研究了广州地区垃圾焚烧飞灰的物理化学性质;在此基础上，研究适当掺量的飞灰代替等质量水泥制备混凝土，并复掺了矿渣、稻壳灰等几种常见矿物掺合料制备混凝土，对制备的混凝土进行微观形貌、工作性能、力学性能、耐久性能、重金属浸出率的试验研究。

1 试验

1.1 试验原材料

水泥：广州某公司生产的42.5级硅酸盐水泥;飞灰：广州李坑垃圾焚烧发电厂垃圾焚烧炉烟气除尘设备生产的飞灰(未经任何处理);矿渣：广东某公司生产的S95磨细矿渣粉;稻壳灰：河南某啤酒厂生产的气化稻壳灰;细骨料：标准砂;粗骨料：增城石场产5～10mm瓜米石和大亚湾石场产5～20mm碎石，两级粗集料配成5～20mm连续级配骨料。

1.2 主要原材料化学成分及物理性能

各主要原材料的化学成分用日本岛津MFX2300型X-荧光测定,密度用李氏比重瓶测定,比表面积用电动勃氏透气比表面积仪测定，测试结果见表1和表2。

%

%

2 飞灰混凝土试验

试验水灰比为0.5，采用单掺10%飞灰等质量替代水泥以及复掺20%矿渣粉、稻壳灰(磨细及未磨)配制基体为C30的混凝土试件，共6组，具体配合比见表3。

2.1 飞灰混凝土工作性能研究

kg/m3

飞灰混凝土拌合物拌合试验参照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行,坍落度试验结果见图1。

由图1可知，A1组单掺10%飞灰混凝土，其坍落度值低于空白组试验，为空白组坍落度值的84.8%，原因是飞灰具有很大的比表面积，具有较强的吸水性，会大量吸收拌合物中的水分，导致坍落度降低。A2组坍落度稍优于空白组混凝土，是由于磨细矿渣的掺入具有减水作用，磨细矿渣颗粒细小，掺入水泥浆体后可充分发挥其物理的密实作用，置换出更多水泥颗粒间的填充水，使浆体流动性增大[4]。A3、A4、A5组均复掺了20%的稻壳灰，稻壳灰具有潜在的火山灰活性，比表面积大，会降低拌合物的流动度，这三组拌合物的坍落度值均低于前三组。

2.2 飞灰混凝土力学性能研究

抗压强度试验参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行,抗压强度试验结果见表4。

MPa

从表4看出，3d和7d龄期时，空白组的混凝土强度值最大，单掺10%飞灰的A1试件抗压强度次之。单掺飞灰的混凝土强度增长最快，到28d时A1在所有试验组试件中强度值最高，这是由于飞灰中钠盐含量较高，而钠盐对于混凝土早期强度的提高有促进作用。28d龄期时强度最低组是A4，原因是复掺了未经磨细处理的稻壳灰，而未磨细的稻壳灰粒径较大，直接影响了水泥浆基体、基体与粗骨料之间过渡区的孔隙率[5]，使过渡区界面的孔隙率增大，导致抗压强度降低。

2.3 飞灰混凝土耐久性能研究

分别采用NEL法和电通量法对飞灰混凝土氯离子渗透性进行评价，测试结果见表5。

由表5可知，和空白混凝土相比，单掺飞灰的试件A1、复掺矿渣的A2和复掺稻壳灰的A3总电量相近，其中单掺10%飞灰的A1组和复掺20%稻壳灰的A3组试件的总电量比空白组试件总电量有所下降，说明这些掺合料的加入使混凝土孔隙减少，结构变得密实。

而从28d的氯离子扩散系数的变化来看，空白组试件的氯离子扩散系数最小，其次是单掺10%飞灰的A1组试件。此外，和空白组比较接近的还有A2和A3组试件。氯离子扩散系数最大的是A4组试件，这是因为未磨稻壳灰颗粒粒径很大，增加了混凝土的孔隙，从而使该组试件的抗氯离子渗透性变差。

用电通量法[6]评价的6组混凝土试件的渗透性都很低，用NEL法测试混凝土渗透性的结果除A4和A5外，其余4组试件的渗透性都是低。从表5还可以看出，总体上来说，采用电通量法的测试结果要比NEL法偏小。然而，两种方法均说明飞灰混凝土的氯离子渗透性很低，具有良好的耐久性能。

3 飞灰混凝土微观形态分析

对各组配比混凝土进行扫描电镜(SEM)试验。SEM分析用混凝土试样的制备：混凝土样品在100mm×100mm×100mm模块中成型后在标准养护室养护至28d龄期,所有样品在压力试验机上测完强度后,取试样中心的混凝土碎块,用无水乙醇中止水化,60℃下干燥至恒重。选取混凝土中无集料的部分,制成5mm左右的小块,对新鲜的断面进行镀膜,镀膜后的试样于扫描电镜下观察，试验结果如图2。

图2(a)为28d龄期时空白混凝土SEM图，其胶凝材料结构较为密实，几乎没有针状或花朵状钙矾石的存在;图2(b)为28d龄期时单掺10%飞灰的混凝土SEM图，其表面也较平整密实，有针状和花朵状单硫型水化硫铝酸钙存在，还有其他一些未知形状的晶体，这些晶体是飞灰本身带有的多种复杂盐类晶体;图2(c)为复掺20%矿渣混凝土28d龄期SEM图，其混凝土的表面疏松，混凝土骨料周围的凝胶材料都是较疏松的结构，不存在致密的凝胶材料表面，图中左上角为骨料，骨料周围的凝胶材料孔洞明显，孔洞周围存在针状钙矾石晶体;图2(d)为复掺20%磨细稻壳灰混凝土28d龄期SEM图，混凝土的表面较为疏松，有大量片状胶凝材料晶体，胶凝材料晶体与晶体之间结合不紧密，在孔洞周围分布许多针状钙矾石晶体;图2(e)为复掺20%未磨稻壳灰混凝土28d龄期SEM图，片状胶凝材料晶体形状不规则，晶体之间连接不紧密，在孔洞周围也分布着大量的针状晶体;图2(f)为双掺20%矿渣和20%磨细稻壳灰混凝土28d龄期SEM图，混凝土表面疏松且有很多小孔洞存在，片状胶凝材料之间生长着针状晶体。

4 飞灰混凝土重金属浸出试验研究

只有微量重金属元素的可溶出，且含量不超过有关限量规定才能说明水泥或混凝土是符合环保要求的[7,8,9]。因此，对单掺飞灰混凝土试块进行重金属浸出试验，制作100mm×100mm×100mm试块，试块采用标准砂，石子粒径为小于4mm的碎石。试验用试块均在20℃、恒湿96%的条件下养护24h，脱模后立即放在温度为(20±3)℃，湿度96%以上的恒湿恒温养护箱内养护28d。由于重金属离子在水溶液中的浸出量是极其微小的，为了避免饮用水中金属离子对测试结果的影响，选用去离子水做浸出液，飞灰混凝土重金属浸出液浓度见表6。

除Cr元素外，其余重金属元素都被很好的固化在混凝土中，浸出量几乎均为零，固化率接近100%，飞灰混凝土中的Cr在1～16周总浸出量是0.007 mg/mL(浓度限值为0.01 mg/mL)，未超过国家标准，对环境无影响，符合废弃物制备混凝土的安全性要求。

mg/mL

5 结论

(1)垃圾焚烧飞灰具有很大的比表面积，吸水性强，会吸收大量拌合物中的水分，表现为坍落度较低，单掺10%飞灰的混凝土坍落度值低于空白组，但不影响混凝土的成型及其强度。

(2)单掺10%飞灰的混凝土抗压强度优于空白组和复掺矿物掺合料组混凝土的抗压强度，具有良好的力学性能，说明其作为掺合料是可行的。

(3)单掺飞灰的混凝土电通量比空白组试件电通量有所下降，说明飞灰的加入使得混凝土孔隙减少，结构变得密实。电通量法和NEL法的渗透性评价取得了一致性，所得飞灰混凝土的氯离子渗透性很低，说明飞灰混凝土具有良好的耐久性能，满足建筑用普通混凝土的耐久性要求。

(4)根据扫描电镜图可知，28d龄期单掺10%飞灰的混凝土表面较平整密实，存在着较多影响混凝土强度的针状钙矾石晶体，还有其他一些未知形状的晶体，这些晶体是飞灰本身带有的多种复杂盐类晶体。

(5)飞灰混凝土重金属浸出试验结果表明，除Cr元素外，其余重金属元素都被很好的固化在混凝土中，浸出量几乎均为零，固化率接近100%，飞灰混凝土中Cr在1～16周总浸出量是0.007 mg/mL(浓度限值为0.01 mg/mL)，未超过国家标准，对环境无影响，符合废弃物制备混凝土的安全性要求。

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城市垃圾焚烧飞灰 篇7

水泥窑协同处置垃圾焚烧飞灰是指把经过预处理的飞灰作为原料投加到水泥生产过程中, 替代了部分水泥原料的同时, 有效去除了飞灰中富集的二恶英等有机污染物, 实现了飞灰的资源化处置。由于飞灰中含有大量的Cl-和重金属元素, 为了避免对水泥生产工艺造成影响, 必须对其进行预处理。大量的研究表明, 采用水洗预处理的方法能够有效地去除飞灰中的Cl-, 避免因Cl-过高引起系统结圈、结球和堵料等问题。随着水泥窑协同处置技术的日趋成熟, 近年来, 该技术的推广越来越受到人们的重视。

1 垃圾焚烧飞灰的主要成分及危害

1.1 垃圾焚烧飞灰的主要化学成分

我国不同地区垃圾焚烧飞灰的化学成分见表1。

%

通过表1可以看出, 不同地区的垃圾焚烧飞灰组分大有不同, 这与当地生活垃圾的组分有着很大的关系。其中CaO约占13.13%~39.1%, SiO2约占12.03%~24.56%, Al2O3约占4.35%~10.03%, Fe2O3约占1.3%~12.39%。

1.2 垃圾焚烧飞灰的危害

生活垃圾在焚烧过程中会产生二恶英类有机污染物, 同时垃圾中所含有的重金属在焚烧过程中也会发生迁移转化作用, 除尘器中的飞灰作为焚烧炉排放二恶英和重金属等二次污染的主要载体, 其中含有大量的重金属、少量的二恶英、呋喃以及可溶性盐, 因此, 飞灰随意排放将对环境和人类造成严重的危害, 这也是其被列入《国家危险废物名录》的主要原因。何品晶[9]等人对我国垃圾焚烧飞灰的污染特性进行了分析, 其研究结果表明, 我国生活垃圾焚烧飞灰中主要重金属污染元素包括Pb、Cd、Hg和Zn, 这些重金属在酸性环境条件下的污染风险会显著增加。另外, 由于飞灰中溶解盐含量较高, 这大大增加其他污染物的溶解度。除了重金属, 垃圾焚烧飞灰中还含有少量的二恶英和呋喃, 不同国家和地区生活垃圾焚烧飞灰中的二恶英毒性当量 (TEQ) 不同, 基本上在10ng/g左右, 我国华北、华东和华南地区二恶英毒性当量 (TEQ) 分别为7.53ng/g、1.52ng/g和0.44ng/g[10], 其中上海地区二恶英毒性当量 (TEQ) 为0.98~4.40ng/g[11]。由于二恶英类有机污染物化学稳定性强, 一旦进入环境, 便可通过食物链不断富集。这类物质具有较高的亲脂性, 容易存在于动物脂肪和乳汁中, 进入人体后较难排出, 长此以往将对人类的健康构成危害。因此, 生活垃圾焚烧飞灰的运输、贮存和处置都有着极为严格的规定, 尽量避免对环境和人类健康构成危害, 减少二次污染的产生。

2 垃圾焚烧飞灰的处置方法和现状

在我国, 对于垃圾焚烧飞灰处置有着相当严格的规定。在GB18485—2001《生活垃圾焚烧污染控制标准》中要求对垃圾焚烧飞灰分别收集、贮存和运输, 并按危险废物处理。在环发[2001]199号《危险废物污染防治技术政策》第9.3条中对生活垃圾焚烧飞灰的收集与处置做出了明确的规定, 要求此类危险废物不能与其他类型的废物混合, 且不得在产生地长期贮存, 不得进行简易处置, 必须进行必要的固化和稳定化处理之后方可运输, 这大大提高了垃圾焚烧飞灰的处置难度。

目前, 对于垃圾焚烧飞灰常用的处置方法包括稳定化技术和资源化利用技术[12,13]。其中稳定化技术主要包括水泥固化、熔融固化、化学稳定化、酸和其他溶剂对重金属的提取等。其中水泥固化成本相对较低, 对飞灰中化学性质的变动具有相当的承受力, 且技术成熟, 设备简单;熔融固化可以实现二恶英的分解, 且不会产生重金属溶出现象;化学药剂稳定化以及酸和其他溶剂对重金属的提取方法能够在不改变飞灰的物理状态的条件下, 降低部分投资运行成本, 同样也不会产生重金属溶出。飞灰资源化利用的途径包括制作建筑材料, 如陶瓷和玻璃等;用于路基或者筑坝, 主要是代替部分砂作为填充层, 或掺入水泥中替代部分水泥生成水泥固化体作为道路支撑层, 但极易对土壤和地下水造成污染;飞灰中由于含有一定的K、P和Cu等元素, 因此, 还能用于治理酸性较强的土壤。除此之外, 飞灰还能用于污泥的调节和脱水, 取代粉煤灰用于烟气净化, 用作脱硫剂等。但是, 这些处置技术对于飞灰的消耗较少, 不能对飞灰的处置起到根本性的改观, 且极易造成土壤和地下水的污染。焚烧飞灰作为危险废物, 对其进行综合利用必须要满足无害化的前提, 处置过程不能带来二次污染。近年来国际上新兴的水泥窑协同处置技术, 在利用水泥窑高温环境将飞灰稳定脱毒的同时, 节约了部分水泥生产原料, 并且整个过程不会对生产系统和水泥熟料产品产生影响, 该项技术已逐步成为焚烧飞灰资源化利用新的重点发展方向之一。

3 垃圾焚烧飞灰在水泥窑协同处置过程中的优势和预处理技术

3.1 水泥窑协同处置垃圾焚烧飞灰的主要优势

1) 替代了部分原料

由于垃圾焚烧飞灰的主要成分与水泥生产所需的原料相差不多, 因此能够用于替代部分原料烧制水泥熟料。通过表1可以看出, 垃圾焚烧飞灰的主要成分是CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3、K2O和Na2O, 其中CaO的质量分数13.13%~35.56%之间, 其次是SO3和SiO2, 这使得在生料的成分调配上比较容易, 可以实现部分原料的替代。有研究人员将焚烧飞灰直接掺入已经按生产率值配好的水泥生料中, 发现当焚烧飞灰替代原料比例低于5%时, 不会影响熟料的抗压强度指标[14]。

2) 能够有效去除二恶英等有机污染物

水泥窑内温度较高, 其火焰温度在1 700~1 900℃, 大型预分解窑可高达2 100℃, 物料温度也达到1450℃, 这个温度要高于危险废物焚烧要求的1 100℃。有研究表明, 当物料在超过1 100℃的区域内停留时间长达8s时, 有害成分焚毁率可达99.99%以上, 二恶英和呋喃类有机物能够得到彻底分解, 同时由于水泥窑烟气在200~450℃区域冷却较快, 很大程度上降低了这类物质的再次合成[15]。

3) 减少酸性有害气体的排放

水泥窑中的碱性气氛有利于酸性气体的吸附, 特别是稳定性强的含Cl-有机物, 对SO2、HCl和HF有较强的中和作用, 有效抑制酸性物质的排放, 便于尾气的净化。

4) 将重金属的污染程度降至最低

将垃圾飞灰直接掺入水泥中替代部分水泥生成水泥固化体, 在使用过程中极易对土壤和地下水造成污染[12], 而经过水泥窑的强氧化气氛后, 可以有效避免重金属在还原性气氛下挥发, 并且在熟料煅烧过程中, 重金属能够固化在水泥熟料中, 有效阻止了飞灰中重金属的溶出, 整个过程也不会产生灰渣, 避免二次污染的产生, 窑灰的回用和烟气的循环能使重金属多次固化, 有效避免了污染的扩散[16]。掺杂了飞灰的矿渣硅酸盐水泥已经成为我国水泥行业的一个主要水泥品种, 并且得到市场的认可, 不仅避免了纯粹采用煅烧或熔融工艺的高能源消耗, 降低了飞灰的处理费用, 同时飞灰的加入也代替了日益短缺的水泥生产原材料。

5) 降低飞灰处置成本

采用水泥窑协同处置焚烧飞灰不需要建设成套的处理设备和烟气净化设施, 只需要在现有工艺基础上进行一定程度的调整, 这大大降低了飞灰的处置成本。

3.2 垃圾焚烧飞灰水洗预处理技术

从表1可以看出, 我国大部分地区垃圾焚烧飞灰中Cl-的含量在7.41%~15.21%之间, 若直接作为水泥工业原料, 极易引起窑系统结圈、结球和预热器堵料等事故, 影响设备运转率和水泥熟料质量。另外, 在我国GB175—2007《通用硅酸盐水泥》标准中增加了“水泥生产中允许加入≤0.5%的助磨剂和水泥中的氯离子含量必须≤0.06%”, 因此在进行协同处置前, 必须对飞灰中Cl-含量进行控制, 大量的研究表明, 水洗预处理技术能够很好地去除飞灰中的Cl-。

白晶晶[17]等人在水洗焚烧飞灰中Cl-的研究中发现, 当水灰比为8∶1时, Cl-的洗脱率变化趋于平稳, 在水洗时间10min、水洗温度50℃、水洗1次时, Cl-的去除率达93.71%以上。马保国[4]等人在不同水洗条件下对垃圾焚烧Cl-和硫的去除效果进行了比较, 结果表明, 采用水洗的方式既能有效去除飞灰中Cl-杂质又不会造成飞灰中钙质与硅质的流失, 并通过试验确定当水灰比为10∶1水洗时间为10min时, 飞灰中的Cl-含量降至0.76%, 水洗效果相对经济, 随着水灰比增大到20∶1和30∶1, 飞灰中的Cl-含量分别下降至0.71%和0.68%, 没有发生明显变化。李小东[18]等研究了不同水灰比水洗条件下对焚烧飞灰中Cl-洗脱效率的影响, 其结果表明, 当水灰比大于4∶1时, 水洗时间为10min时, 水洗1次, 飞灰中Cl-的洗脱率高达93%以上。水洗时间、温度以及水洗步骤对于飞灰中Cl-的洗脱效果影响较小, 而水灰比是影响飞灰中Cl-洗脱效果的最主要因素。水洗飞灰经烧结后其中的Pb、Cd和Ni的浸出浓度明显降低, 并且在800℃烧结温度下各项重金属浸出浓度都能达到相应的控制标准。芦澍[8]对垃圾焚烧飞灰采用二次水洗, 其中一次水灰比3∶1, 二次水洗分两级, 每级水灰比1.5∶1, Cl-的去除率达到了94.03%。李春萍和顾军[6]在水泥窑处置垃圾飞灰的中试试验中采用水灰比为3∶1, 1次顺流+2次逆流漂洗的方式对垃圾飞灰进行水洗预处理, 飞灰中Cl-的去除率达到了94.03%。

早在1997年, 日本小野田公司以城市垃圾焚烧飞灰为主要原料生产出了高强度水泥。2001年, 日本太平洋水泥株式会社建成了世界上第一条利用焚烧飞灰生产普通硅酸盐水泥的生产线。相比之下, 我国利用水泥窑协同处置飞灰的技术起步较晚。目前该项技术已经在北京琉璃河水泥厂得到成功的应用, 其飞灰处理量为6万吨/年, 该预处理工艺主要包括三级逆流漂洗除Cl-和废水处理两个阶段。经过预处理后的飞灰, 通过气力输送设备密封管道直接输送到窑尾1 000℃高温段, 进入水泥窑煅烧。处置过程中二恶英被完全分解, 重金属能被有效的固定在水泥熟料晶格中, 对熟料产质量及大气环境未造成影响, 并且有效缓解了结皮和腐蚀的问题, 实现了飞灰的无害化与资源化处置。该项技术已经在逐步的推广和使用, 其中, 清华大学也将与苏州某水泥有限公司建立一套年处理能力为1万吨的生活垃圾焚烧飞灰的示范工程。虽然该项技术已经逐步在水泥企业中推进, 但是由于在实际应用存在的一些问题而阻碍了其发展。

4 飞灰水洗工艺中存在主要问题

1) 水洗废水pH值相对较高

垃圾焚烧飞灰水洗废水呈碱性, 其pH值在11.0~12.2之间, 主要是由于飞灰中含有大量的CaO、K2O和Na2O, 遇水后能迅速反应生成碱, 这给水洗废水的处置带了一定的难度。

2) 水洗废水中离子浓度过高

飞灰水洗废水中除了含有大量的钠、钾和钙元素, 还含有铅和钡等重金属元素, 其中钙及重金属的存在会影响后续脱盐和结晶单元[8]。另外, 由于水洗飞灰的主要目的是脱除Cl-, 在水洗废水中Cl-的浓度含量高达10~20g/L[17]。如此高浓度的含氯废水直接排放对水体具有一定的危害性, 因此需要对其进行处置。目前, GB8978—1996《污水综合排放标准》中尚未对废水中的氯盐规定排放限值, 但是一些水环境质量标准如《农田灌溉水质标准》、《地下水质量标准》以及《集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准》和地方水污染标准中对排放水体或自然水体中氯盐含量进行了规定。

3) 水洗废水重金属含量超标

水洗在脱氯的同时, 重金属也有复杂的脱除行为, 其中Pb的洗脱率和在水洗液中的浓度较高。有研究发现, 当水灰比为3∶1时, 水洗液中Pb的浓度达到了20mg/L, 大大高于GB8978—1996中1mg/L的标准限值[17]。

4) 水洗废水处置技术成本相对较高

由于水洗液中Cl-和某些重金属严重超标, 这使得飞灰水洗废水的处置成本相对较高。目前对于重金属的去除方法一般采用化学沉淀法、絮凝法、电解法、吸附法、膜分离法和离子交换法等。而对于Cl-等溶解性盐类多采用化学除盐、热力除盐、电渗析法、压力-膜法除盐、电吸附法除盐[19]等。白晶晶等[20]研究了CO2对飞灰水洗废水中Pb和Zn的去除效果, 其结果表明, 在CO2浓度10%, 通入时间为80s, 流速为2mL/min, 体系温度为40~50℃条件下, Pb和Zn的残留率分别降至3%和0.1%以下。芦澍等[8]采用通入CO2的方式去除飞灰水洗废水的Ca2+, 并对pH起到了一定调节作用, 通过添加硫酸钠和硫酸亚铁溶液去除废水中Pb2+和Zn2+, 反应后加入碳酸钠溶液, 用以去除剩余的Ca2+和Ba2+。对于Cl-及盐类, 目前已经投入使用的北京市琉璃河水泥厂采用的是多效蒸馏的技术对预处理后飞灰水洗液中的Cl-进行结晶处理, 其出水不仅可以满足飞灰水洗的要求, 而且蒸发后的浓液经过离心分离后, 可以达到晶体回收的目的, 结晶盐可以作为工业盐使用, 但运行成本较高。

5 结论和建议

城市垃圾焚烧飞灰 篇8

1 试验方案

1) 原材料实验所采用的实验材料是南方某垃圾焚烧场用半干法收集的城市垃圾焚烧飞灰, 水泥选用的是32.5级普通硅酸盐水泥。表1给出的是飞灰的主要物理性质。试验中所使用的砂石材料均取自本地。

2) 试验方法表2给出的是电感耦合等离子体原子发射光谱 (ICP-AES) 测定的飞灰样品的化学组成。表3给出的是选用的3种混凝土配合比方案, B:空白试验;F1、F2:飞灰分别替代15%和50%的水泥 (按重量计) 。试件成型后在20℃、100%相对湿度条件下养生90d后进行相关试验。毒性元素浸出试验按照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》 (HJ557—2009) 进行, 待测样品为破碎至粒径小于5mm的养生28d试件, 蒸馏水作为浸出液, 按照液固比10∶1振荡12h, 0.45mm膜过滤后, 用ICP-AES分析滤液中毒性元素含量。

*在保持浸取液pH=7.0±0.2条件下, 对样品飞灰进行一次毒性浸出试验结果。

2 结果与讨论

2.1 混凝土拌合物性质

表4给出了新拌混凝土拌合物的性质, 包括坍落度、容重和含气率。从中可以看出, 飞灰替代水泥后, 混凝土拌合物工作性发生变化, 表现为随着飞灰替代量的增大而坍落度降低;飞灰替代水泥, 对混凝土拌合物容重没有明显影响;混凝土拌合物含气量随飞灰的掺入而增加, 对混凝土抗冻性有利。

2.2 抗压强度

图1显示的是混凝土试件养生期内的强度发展规律。图中显示结果与预期效果相符合, 具体表现为飞灰的替代量增大, 水泥含量减小, 导致各龄期混凝土的强度降低。参照粉煤灰利用强度检验活性的方法[5], 可以计算出飞灰的活性指数为55%, 因此, 在没有其他活化措施的情况下, 飞灰的掺入会导致混凝土强度的降低。

2.3 浸出试验

由于在自然环境中, 雨水对混凝土构造物的浸出作用是连续的, 也就是说, 在浸取剂作用于试样时, 试样中含有的毒性元素应该是被连续不断的浸出的。因此, 为模拟这一连续过程, 该次试验采用了三次连续浸出试验程序来说明固化飞灰中的毒性元素渗滤特性, 浸取剂不变, 每次浸出振荡时间为12h, 表5和6给出的是毒性元素浸出试验结果。

*1、2、3表示三次连续浸出试验;T表示三次浸出毒性元素总量;pH表示浸出终点时溶液的pH值;MS表示试样溶解部分质量占比。

由表中结果可以看出, 随着浸出时间的增加, 除了铬以外其他的毒性元素的浸出量均减少或者保持不变。随着飞灰掺入量的增加, Cr、Pb和As的浸出量显著增加, 这是因为铬、铅和砷倾向于在碱性条件时表现出较强的溶出能力;Sn无论在酸性还是碱性条件下活动性都比较差;而与环境关系大的重金属元素Cd、Cu、Ni和Zn等元素在酸性条件下表现出较强的溶出能力, 而在水泥水化后形成碱性环境中则能够有效地降低上述元素的浸出能力[6]。另外, 试样溶解部分的质量则随着水泥用量的减少而减少, 这是因为飞灰中可溶解性物质的量较水泥少。表7给出的是上述重金属毒性元素浸出结果与《危险废物鉴别标准—浸出毒性鉴别》 (GB 5085.3—2007) 所规定的法定限值。表7中试验结果表明, 除了Cr、Ni元素浸出浓度在任何条件下均超过浸出毒性鉴别标准规定的法定阀值, 这表明Cr在碱性条件下浸出较为活跃, 浸出能力大;Ni虽然在碱性环境下固化效果好, 但受酸性浸取液浸出作用影响较大, 因此在酸性环境下表现出较大的浸出能力。Cu、Zn虽然在酸性条件下浸出能力较大, 但单次浸出和连续浸出总量均未超过标准浓度值。上述试验结果说明酸性环境下, 水泥对于Cr、Ni重金属元素含量较大的飞灰的固化效果不明显, 应考虑加入其他的稳定化药剂对飞灰进行综合固化, 例如加入重金属螯合剂等化学稳定药剂。其他重金属元素的一次浸出和三次连续浸出总量浓度均未超过毒性鉴别标准规定的浓度值, 说明水泥对这些重金属元素的固化效果明显。

*15mg/L表示总铬的浸出浓度标准。

3 结语

垃圾焚烧飞灰可以作为原材料在水泥混凝土中加以使用。当飞灰替代水泥量为15%时, 拌和物的工作性变化不大, 硬化后混凝土试件的抗压强度随着飞灰替代量增加而降低。原状飞灰的主要毒性元素浸出能力很强, 在被水泥稳定固化后, 主要毒性元素除Cr和Ni外浸出能力明显下降, 并且在模拟连续浸出条件下, 浸出值仍然低于《危险废物鉴别标准—浸出毒性鉴别》所规定的限值。对于Cr和Ni元素的固化应考虑水泥联合重金属螯合剂复合固化手段加以固化处置。

参考文献

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城市垃圾焚烧飞灰 篇9

垃圾焚烧飞灰是指在烟气净化系统和热回收利用系统收集得到的残余物,一般由湿法/半干法除尘器灰、旋风收尘器灰、布袋收尘器灰、锅炉灰、省煤器灰、过热器灰等合并收集得到。飞灰产生量因焚烧工艺而不同,炉排炉和流化床焚烧炉的飞灰量分别为焚烧量的3%~5%、15%~20%。

1 物化特性

垃圾焚烧飞灰一般呈灰白色或深灰色,颗粒形态多样,一般为不规则形,呈棒状、扁平状、棉絮状、片状、球状或网状等,微观分析也可见光滑密实的玻璃相[2]。飞灰颗粒细小,颗粒间有较大的孔隙,比表面积较大,大部分焚烧飞灰颗粒粒径介于4~100μm,较小的粒径使单位面积飞灰的表面能较高,同时挥发性重金属及其化合物在烟气冷却过程中极易吸附在飞灰颗粒表面上。飞灰的热灼减率一般在0.35%~14.45%,热灼减率反应了飞灰中有机物的含量,与焚烧炉的燃烧条件有关。

焚烧飞灰的化学成分因垃圾种类、焚烧炉炉型、焚烧气氛、烟气处理工艺的不同而变化。来自北京顺义、上海浦东、上海御桥、北京高安屯、江苏盐城、云南的垃圾焚烧飞灰(编号分别为1#~6#)化学成分见表1[3,4]。

由表1可见,不同地区的飞灰成分差异较大,但主要成分均为Si O2、Al2O3和Ca O,与水泥原料的Si O2-Al2O3-Fe2O3-Ca O体系接近。部分地区垃圾中因含有大量的厨余垃圾和塑料,使得飞灰中氯盐含量较高,这也制约了飞灰的资源化利用。因含有Ca O、Mg O、K2O、Na2O等碱性氧化物,飞灰浸出液的p H值呈碱性,最高可达12.8,具有很高的酸缓冲能力和腐蚀性。矿相分析表明,飞灰的主要矿物成分为硅酸盐、氯盐、碳酸盐、硫酸盐等,也包含少量的重金属氧化物,玻璃相含量可达59%[2]。

%

2 污染特性

飞灰的污染特性主要体现在其含有的高浓度重金属、可溶盐和二噁英、呋喃等有机污染物。重金属在酸性环境中易溶出,若处理不当,易进入到环境中并逐步迁移和转化,污染地下水和空气,危害生态环境;可溶盐的存在会加剧重金属的浸出,同时影响飞灰的固化稳定化;二噁英类有机污染物化学稳定性强,进入环境后,可通过食物链不断富集,同时二噁英类物质具有较高的亲脂性,进入人体后难以排除,危害人体健康。

飞灰中的重金属主要来源于电池、电器、颜料、温度计、塑料、报纸杂志、半导体、橡胶镀金材料彩色胶卷、纺织品等[5]。部分地区飞灰中重金属含量见表2[6,7,8]。

mg/kg

由表2可见,焚烧飞灰中重金属含量差异很大,与垃圾种类、各种重金属的蒸发点和焚烧温度等因素有关。蒸发点低于焚烧温度的重金属元素可全部蒸发进入烟气,随烟气温度降低,重金属物质凝结于烟尘中,气态重金属物质部分吸附在烟尘上。

飞灰中可溶盐主要为K、Na、Ca的氯化物,含量最高可达20%,氯化物的存在将促进Pb、Zn等污染物的溶出。

焚烧飞灰中二噁英含量差别较大,毒性当量相差悬殊,且含量和毒性当量间没有必然联系[9]。垃圾特性、焚烧炉型、焚烧条件、除尘器类型都将影响二噁英含量和毒性当量。

3 固化稳定化技术

固化稳定化是垃圾焚烧飞灰主要的处理技术,普遍采用的包括水泥固化技术、熔融固化技术、化学药剂稳定化技术。

水泥固化技术是指将垃圾焚烧飞灰和水泥按一定比例混合,加入适量水,经水化反应后形成坚固的水泥固化体的方法,可以达到降低飞灰中危险成份浸出毒性的目的。该方法被美国环境保护署认为是处理有毒有害废物的最佳技术,其优势是成本低廉、工艺简单,但固化后增容较大,飞灰中含有的高含量氯离子降低固化体强度。目前研究主要集中在预处理方法(酸洗、水洗)、添加剂、水泥添加比例等因素对相应指标的影响效果,评价指标集中在凝结时间、抗压强度、重金属浸出率、膨胀率等[10,11]。

熔融固化技术[12]是指在高温条件下使飞灰中的有机物分解燃烧气化,无机物熔融成玻璃质熔渣技术,一般由电力、燃料燃烧提供热量,热处理温度维持在1400℃左右。熔融固化后,飞灰的晶体结构转变为玻璃体,重金属能够稳定固化于Si、O网状结构内[13],如图1所示。高温下飞灰中的二噁英等有机物充分分解。国内外主要研究热处理方式、熔融温度、冷却方式、重金属迁移特性等方面。通过直流非转移弧等离子炬、直流转移弧等离子炬等电路装置激发等离子体熔融热处理飞灰是重要的热处理方向。目前多尝试在熔融温度、冷却方式,添加其它成分等方面促进玻璃体的形成。研究发现,在飞灰中添加硼砂、废玻璃、Ca O等辅料,在1000℃以下可形成低温玻璃态物质,对重金属有良好的固化效果。

化学药剂稳定化是利用化学药剂将重金属离子转变为低溶解性、低迁移性及低毒性的沉淀物或稳定的络合物,具有添加量小、固化效果好、长期稳定性能高的优点。固化剂分为有机和无机2类,硫化物、亚铁盐、可溶性磷酸盐、乙二胺四乙酸二钠盐和螯合型化学稳定剂是主要的稳定化药剂,由于飞灰特性复杂多变,无机-有机药剂复配将是飞灰稳定化药剂重要的发展方向。水泥固化法与药剂稳定化等其它方法结合使用也逐渐引起关注。各种技术的主要特点如表3所示[14,15]。

4 资源化利用

从上述分析可知,各种固化技术均未完全实现飞灰的资源化、减量化和无害化处理。为合理处置垃圾焚烧飞灰,众多学者从资源利用和环境安全角度探索飞灰资源化利用的可能性,主要利用途径可分为建筑材料、土木工程、农业应用、其它行业4类[16,17,18],表4汇总了焚烧飞灰资源化利用途径。

鉴于水泥具有使用量大、应用范围广的优势,下面主要分析飞灰在水泥行业的具体应用。

4.1 用于水泥混合材

张文生[19]以低钙、高钙粉煤灰、矿渣为对比样,研究了不同掺量、煅烧制度、与其它混合材复配条件下的飞灰作为混合材对波特兰水泥强度、标准稠度、凝结时间的影响。研究发现,飞灰掺量低于20%时,其活性与低钙粉煤灰相似,掺量增加后,对28 d抗压强度产生不利影响,与矿渣、低钙粉煤灰复合能够改善单掺飞灰时水泥后期强度增长缓慢的情况。

施惠生等[20,21]以水洗飞灰为对象,开展了不同粉磨工艺(单独粉磨、共同粉磨)、粉磨时间及与其它混合材复合条件下水泥的力学性能、物理性能和环境安全性的研究。确定水洗灰采用单独粉磨10 min后再混合的粉磨工艺适于作为混合材制备混合水泥,与粉煤灰、矿渣粉复掺时可提高粉煤灰水泥各个龄期强度及矿渣水泥的早期强度,其浸出液中重金属浓度低于浸出毒性标准限值,环境安全性良好。

陈曦等[4]探索了不同热活化温度及掺量条件下飞灰的抗压强度、重金属浸出毒性。结果表明,掺加30%经800~900℃热活化预处理后的飞灰可明显提高试块抗压强度。原因在于,经过800~900℃加热活化,原有伊利石和α石英矿相被破坏,形成少量的铝酸钙类物质和无定形的非晶物质,提高飞灰反应活性。

张育才等[22]将垃圾焚烧炉底灰、飞灰以不同比例与硅酸盐水泥混合,研究其对水泥标稠用水量、凝结时间、安定性、强度等物理性能的影响,结果发现,掺加飞灰后水泥的标稠用水量大幅增加,安定性不良,对水泥强度也有较大影响。

李晶晶等[3]将飞灰水洗预处理后与矿粉、粉煤灰等活性掺合料复配为复合掺合料,取代水泥制备的水泥胶砂、混凝土都具有较好的物理力学性能。

从以上研究可见,飞灰作为水泥混合材直接参与水化过程具有较好的可行性,低掺量的原灰对水泥强度、安定性影响不大,经过水洗、热活化预处理或与活性混合材复配后可提高飞灰的掺量、促进水泥强度发展。

4.2 用于水泥原料

由于垃圾焚烧飞灰的化学成分与水泥硅质原料、钙质原料性质相似,众多学者开展利用垃圾焚烧飞灰代替原料制备水泥生料的探索研究。

飞灰中因含有大量氯盐、碱、重金属等物质,直接用作水泥原料易引起窑尾系统的结皮堵塞、同时影响熟料质量。水洗预处理因具有处理脱氯效果好,经济成本低的特点而备受关注,水洗预处理的工艺路线,如固液比、水质、水洗次数、搅拌时间、沉淀时间、水洗后重金属存在形态等指标是目前主要的研究内容。

施惠生等[20]使用垃圾原灰直接配制水泥生料,经低温烧成后发现,飞灰的掺入能够提高生料的易烧性,而掺入水洗飞灰对熟料游离氧化钙影响较小。煅烧过程飞灰的氯离子、碱、重金属等杂质造成钙流失,降低熟料率值,减少硅酸盐矿物的含量。

北京金隅集团琉璃河水泥有限公司已成功投产国内首条垃圾飞灰处置示范线,飞灰中70%组分用于水泥原料,高温处理过程将重金属固溶在水泥熟料中,同时分解二噁英,完全实现飞灰的减量化、无害化、资源化,然而飞灰的处理成本约为1500元/t,在水泥行业全面推广应用前景并不乐观。

4.3 制备特种水泥

为降低飞灰的预处理成本,充分利用其高氯特点,众多学者开展了直接应用飞灰原灰制备Alinite水泥、硫铝酸盐水泥等特种水泥的研究。

Alinite水泥熟料主要矿物成分为Alinite、C2S、C11A7Ca Cl2,与通用硅酸盐水泥熟料相比,Alinite水泥熟料制备时需要高含量的氯。利用飞灰制备Alinite水泥熟料,可充分利用飞灰高氯含量及重金属等其它组分的矿化作用,降低熟料烧成温度,实现飞灰的资源化利用和水泥行业的绿色发展。施惠生等[23,24]以飞灰为主要原料,在1200℃成功烧制Alinite水泥熟料,掺加石膏制备成的Alinite水泥,诱导期、加速期和减速期均短于普通硅酸盐水泥,水化速度快于硅酸盐水泥,可作为快硬型水泥使用。添加飞灰、矿粉作为混合材时,Alinite水泥具有较强的抗硫酸盐侵蚀能力。许航俊[25]探索了利用飞灰烧制Alinite水泥熟料的可行性,发现1150℃、飞灰掺量20%时烧制的Alinite水泥早期强度高、后期强度增进率大,添加Ca Cl2后,改善生料的易烧性,促进Alinite熟料的形成。

硫铝酸盐水泥熟料主要矿物为C2S、3Ca O·3Al2O3·Ca SO4,具有早强、快硬、低碱度的特点,适用于抢修工程、预制构件、低温施工、抗海水腐蚀工程。施惠生等[26]在生料中掺加少于30%的焚烧飞灰,控制碱度1.00~1.05,铝硫比2.5、铝硅比3,煅烧出以C4A3S和C2S为主要矿物的硫铝酸盐水泥熟料,掺入5%~10%石膏配制的水泥具有优异的物理性能,同时对Cd、Cr等重金属元素具有良好的固化效果。

5 结语