城垃圾焚燒飛灰處理方法水泥固化

1、城市垃圾焚燒飛灰處理方法水泥固化Last revision on 21 December 2020城市垃圾焚燒飛灰處理方法水泥固化摘要：垃圾焚燒處理的廣泛應用使得飛灰引起的污染問題成為焦點，水泥固化是一種行 之有效的穩(wěn)定化方法。介紹了近年來國內外水泥固化垃圾焚燒飛灰的研究進展，并總結 了固化過程中需要注意的重金屬和安定性等問題，最后指出了水泥固化技術的發(fā)展方 向。關鍵詞：垃圾焚燒；飛灰；水泥；固化焚燒是一種高溫熱處理技術，由于焚燒處理可以實現城市垃圾熱能回收、減容、減重等 目的，因而得到較快發(fā)展。焚燒處理后產生的灰渣分為飛灰和底渣，后者已經被廣泛應 用于筑路、制磚、玻璃制造以及混凝土生產等方面

2、。然而產生的飛灰由于含有Zn、 Pb、Cu、Cr等重金屬和二惡英等劇毒有機污染物，對人體健康和生態(tài)環(huán)境具有極大的 危害性。故對于垃圾焚燒飛灰要求經過固化/穩(wěn)定化之后進行安全填埋。Masashi5研 究將飛灰和水泥混合，經水化作用形成堅硬的水泥固化體；Katsuno-ri采用高溫熔融工 藝固化垃圾焚燒飛灰；宋立杰還采用硫化鈉和硫脈對垃圾焚燒飛灰進行了化學藥劑穩(wěn)定 化處理。水泥固化與其他固化/穩(wěn)定化方法相比，在技術和經濟上更具可行性，具有操作管理簡 單、安全可靠、運行費用低廉等特點，國內外同行對此做出了許多卓有成效的工作。本 文對國內外水泥固化垃圾焚燒飛灰的研究進展進行了綜述。1垃圾焚燒飛灰的物理

3、化學性質物理性質飛灰是由煙器凈化系(Air pollution control system, APC)收集的細顆粒物質，大約占 灰渣總質量的1000-20%.剛捕集下來的飛灰通常是含水率較低的細小塵粒，顏色從白 色到灰色和黑色不等，其形狀有扁平和圓形的，也有球形的。化學性質無機化學性質垃圾焚燒飛灰中的主要元素為o、Si、Ca、Al、Cl、Na、K、S、Feo飛灰中可溶性鹽 含量較高，其總溶解鹽濃度比飲用水標準高出幾個數量級，因此飛灰在填埋時，需要注 意其溶解鹽問題。另外，由于垃圾成分的不確定性，不同焚燒廠產生的飛灰化學組成不 同，同一焚燒廠不同時間產生的飛灰，其化學組成的差別也較大。有機化學

4、性質飛灰中含有少量的二惡英和咲喃，含量見表1。通過電鏡觀察發(fā)現，其中大部分飛灰中 的有機物是未燃盡的城市固體廢物。表1垃圾焚燒渣中痕量有機污染物(ng/g)重金屬浸出特性飛灰中含有Zn、Pb、6、Cr等有害重金屬，這些元素主要來自居民垃圾(如小型鉛蓄 電池、鎳鎘電池，含銅、鎘、碑的木材以及含銃的防火產品等)。如Hg、Cd等蒸氣壓 高、沸點低的易揮發(fā)元素，常常在飛灰中富集；Fe、Cu、Ni等難揮發(fā)的元素則滯留于 底渣中，它們在飛灰中的出現主要是靠飛灰顆粒的攜帶完成的。2水泥固化技術水泥固化是將垃圾焚燒飛灰和水泥按一定比例混合，加入適量的水，經水化反應后形成 堅硬的水泥固化體的方法，可以達到降低飛

5、灰中危險成分浸出毒性的目的?；驹碓?于通過固化包容，減少飛灰的表面積和降低其可滲透性，達到穩(wěn)定化、無害化的目的。 根據國內外學者所做的研究工作，筆者大致將其分為兩類。處理與處置Line研究了 3種不同的水泥對垃圾焚燒飛灰的固化作用。研究表明.飛灰摻量在10% 40%時，水泥的初凝和終凝時間會有不同程度的延長。另外，飛灰的引入會使試樣整體 強度的增長放緩，飛灰摻量在10%-20%時，混合體的強度與相應的純水泥的強度相比 沒有明顯下降，TCLP的測試也符合美國環(huán)保署的標準。Jasmine設法使用盡可能少的水泥將焚燒飛灰固化，焚燒飛灰取自我國東部某城市，采 用了飛灰比例分別為91%和77%的兩組

6、樣品試驗。在水灰比為時，試塊的重金屬浸出 濃度符合我國標準，強度值也符合垃圾填埋裝卸和運輸的標準。在水灰比為時，77%飛 灰摻量的水泥試塊對于Pb的固化效果有了顯著的提高，jasmine認為這是由于減少用水 量以后，水泥漿的密度提高進而使?jié){體結構更趨于緊密。水泥固化是對垃圾焚燒飛灰有效的處理處置方法之一，美國環(huán)保署已將水泥基材料固化 列為處理有毒有害廢物的最佳技術。目前國內外對垃圾焚燒飛灰的處置著重于無害化處 理后作為廢棄物進行填埋，但是這種處理處置方式存在如下問題：遼）處理后廢物體積增 加二新的填埋場有限；存在長期穩(wěn)定性問題，飛灰中特殊的鹽類和有機物的分解容 易造成固化體破裂，從而造成再次污

7、染。因此，根據循環(huán)經濟的理念，尋找合適的垃圾 焚燒飛灰資源化途徑，已經成為解決飛灰污染問題的當務之急。資源化利用垃圾焚燒飛灰的主要成分為SiCh、AbCh、FoOs和CaO等，與目前常用的高爐礦渣、 粉煤灰等輔肋性膠凝材料組成十分類似，而且飛灰顆粒微細，易與其他物質反應生成新 的物相，因此有望將垃圾焚燒飛灰開發(fā)成一種輔肋性膠凝材料與水泥共用，實現其資源 化利用，減輕填埋場的負扌日。針對垃圾焚燒飛灰與水泥共用過程中出現的諸如力學強度 不足、體積安定性不良、凝結時間增長等缺點，國內外學者在垃圾焚燒飛灰膠凝材料化 方面做了很多研究，為垃圾焚燒飛灰的資源化作出了努力。 同濟大學的岳鵬等利用城市垃圾焚燒

8、飛灰制備新型輔助性膠凝材料。研究結果表明，焚 燒飛灰可以延緩水泥的凝結硬化，具有一定的膠凝活性，但在水泥中的摻量不宜過大； 與礦渣復合后可以改善焚燒飛灰的膠凝活性，提高水泥漿體的強度；焚燒飛灰中的重金 屬可被固化于水泥水化產物中不會對環(huán)境造成污染。Shih采用篩分、研磨和磁性分離的方法對飛灰進行預處理，以去除其中的碎片、鹽類和 金屬成分。當處理后的飛灰摻量在5%以內時，水泥試樣的強度幾乎沒有變化（圖i）; 當摻量超過iO%時，由于飛灰含量增加引起的CaO成分不足導致了強度的下降；當飛 灰摻量為15%時，通過加入適量的CaO對混合物的化學成分作了彌補，使水泥的強度 滿足了要求。同濟大學的岳鵬等利

9、用城市垃圾焚燒飛灰制備新型輔肋性膠凝材料。研究結果表明，焚 燒飛灰可以延緩水泥的凝結硬化，具有一定的膠凝活性，但在水泥中的摻量不宜過大； 與礦渣復合后可以改善焚燒飛灰的膠凝活性，提高水泥漿體的強度；焚燒飛灰中的重金 屬可被固化于水泥水化產物中，不會對環(huán)境造成污染。Shih采用篩分、研磨和磁性分離的方法對飛灰進行預處理，以去除其中的碎片、鹽類和 金屬成分。當處理后的飛灰摻量在5%以內時，水泥試樣的強度幾乎沒有變化（圖i）； 當摻量超過10%時，由于飛灰含量增加引起的CaO成分不足導致了強度的下降；當飛 灰摻量為15%時，通過加入適量的CaO對混合物的化學成分作了彌補，使水泥的強度 滿足了要求圖3

10、 28天的SEM圖中有大的裂痕Polettini采用電除塵飛灰研究了使用外加劑來調整水泥漿體的凝結時間。結果表明.對于Si、Al含量高的電除塵飛灰，當摻量在30%時，所得混合物的凝結時間與水泥相比變化不大；當飛灰摻量達到50%時，水泥的硬化時間有所延遲。對于Na、K含量高的 電除塵飛灰，加入NazSiOs或CaCb可以有效地縮短混合物的凝結時間。3存在的問題重金屬控制垃圾焚燒飛灰中重金屬的控制是水泥固化中需要關注的問題。施惠生等發(fā)現，隨著pH 的升高，浸取液中重金屬濃度逐漸降低，當pH達到10以后，浸取液中重金屬的濃度迅 速降低。Arickx研究發(fā)現，高溫熱處理或者使用檸檬酸錢溶液處理可以有效

11、降低Cu和 其他重金屬的浸出。蔣建國等研究發(fā)現，在固化時加入Na2S對于Cd2+、62+和Zn2+ 等離子的穩(wěn)定化效果非常明顯，當投加Na2S、5%水泥時，上述3種離子的浸出濃度 分別只有L、"HL,遠遠低于國家控制標準。Aubert的研究表明，使用Na2CO3對飛 灰進行預處理或者采用Revasal方法處理后，固化體具有更高的力學強度，但是對Sb和 Cr等重金屬的固化效果不明顯。在水泥固化垃圾焚燒飛灰的過程中，對于重金屬的穩(wěn)定是通過多種途徑進行的。大體來 說有4種：大比表面積的水化產物對重金屬的物理吸附作用；凝膠中大量納米級微小孔 隙對重金屬的物理包容作用；重金屬離子與凝膠晶格中C

12、a2+、A13+、Si4+等離子產生 的同晶替代作用；以及高堿環(huán)境下重金屬離子的沉淀反應。對垃圾焚燒飛灰進行預處理 可以減少固化后重金屬的浸出，其關鍵在于選擇合適的預處理方法。提高PH值以及適 當的化學藥劑穩(wěn)定是比較有效的手段，此外還需要考慮由于飛灰中氯離子的存在而造成 的對控制重金屬浸出的副作用。安定性不良的原因在固化垃圾焚燒飛灰的過程中發(fā)現了安定性不良的現象產生膨脹的速度很快，并致使 試樣開裂、強度降低，甚至破壞。許多學者對飛灰膨脹原因進行了研究。Aubert的研究認為，Al在堿性環(huán)境下反應生成H2是飛灰產生膨脹的主要原因。Aubert通過測量A1氧化時產生的氫氣量來判定飛灰中A1的含量，

13、并且研究了當飛灰摻 量為25%時水泥試樣的膨脹程度。結果表明，在最初的幾個小時內，試樣體就有了明顯 的膨脹，力學性能測試也表明，膨脹產生的孔洞使固化體的力學性能降低。Pecqueur認為3種原因最終都可能引起固化體的膨脹：金屬A1被氧化；鈣磯石的 形成；CaO和MgO形成氫氧化物°通過對上述3種可能產生膨脹的原因進行對比研 究，Pecqueur發(fā)現Al所引起的膨脹比鈣磯石以及氫氧化物引起的膨脹更明顯而且產生 十分迅速，在幾個小時內就會對試塊的安定性產生嚴重影響。鈣磯石以及氫氧化物引起 的膨脹是緩慢而長期的，通常需要幾個月甚至幾年的時間。因此Pecqueur認為金屬Al 是試塊產生膨脹

14、的直接原因。金屬A1的存在給焚燒飛灰的處理處置以及再利用帶來了困難。焚燒底渣也由于含有A1 而存在類似的問題，Bertolini用水泥固化底渣的時候，發(fā)現將底渣濕磨處理后膨脹現象 會消失（圖4）,而將底渣干磨處理后，試塊表面仍會產生膨脹，H2產生氣泡的直徑在 幾毫米左右（圖5）。Bertolini的研究對于消除飛灰所引起的膨脹具有借鑒意義。圖5干磨底渣成型試塊中的凹陷孔洞4結語垃圾焚燒飛灰所引起的污染問題已經引起了人們的廣泛重視。要做到飛灰的無害化處理 及其資源化，必須從環(huán)境、技術和安全等角度進一步深入研究。水泥固化作為一種經濟 且行之有效的方法，已經從單純的固化后填埋發(fā)展到對飛灰的資源化利用上面，且垃圾 焚燒飛灰和水泥相近的組成也為其成為膠凝材料提供了可能。（1）目前得到的固化體大部分只能填埋，限制了固化技