水泥混凝土中垃圾焚燒飛灰連續毒性浸出研究

崔 鵬

(通遼市交通工程局,通遼 028000)

水泥混凝土中垃圾焚燒飛灰連續毒性浸出研究

崔 鵬

(通遼市交通工程局,通遼 028000)

水泥穩定/固化垃圾焚燒飛灰是一種成熟有效的危險廢物處理方法,該文通過試驗考察了摻入飛灰后的混凝土試件的抗壓強度以及毒性浸出特性,評價了水泥穩定/固化技術的有效性以及飛灰自身膠凝活性特點,結果表明,飛灰的摻入明顯降低了試件的抗壓強度,經過水泥固化后飛灰中主要毒性元素除Cr和Ni外浸出能力明顯下降,而Cr和Ni元素浸出濃度嚴重超過標準規定值,因此對于Cr和Ni元素的固化應考慮水泥聯合重金屬螯合劑復合固化手段加以固化處置。

垃圾焚燒飛灰; 混凝土; 抗壓強度; 毒性浸出

隨著社會和經濟的發展,垃圾的排放量急劇增加。焚燒法是目前世界各國廣泛采用的城市垃圾處理技術。垃圾經過焚燒后會產生一定數量的灰渣殘余物(約占焚燒前重量的5%～30%),垃圾焚燒飛灰因為含有能被水浸出的毒性元素物質而被稱為危險廢物[1]。固化穩定技術是國際上處理有毒有害廢物的主要方法之一,并且普遍認為水泥穩定固化是處理危險廢物的最佳方法。我國普遍采用填埋或者固化方式來處理處置垃圾焚燒飛灰。有關焚燒飛灰的資源再利用的研究開展不多,主要原因是二次污染物的產生限制了飛灰的應用[2-4]。如何安全有效的處置和利用垃圾焚燒飛灰已經成為急需解決的社會和環境問題了。該文將垃圾焚燒飛灰作為原材料,以水泥穩定固化飛灰中的有毒有害物質為前提,通過研究摻入飛灰后的混凝土試件的強度以及毒性元素浸出特性,評價了垃圾焚燒飛灰在水泥混凝土中應用對環境潛在的沖擊性。

1 試驗方案

1)原材料 實驗所采用的實驗材料是南方某垃圾焚燒場用半干法收集的城市垃圾焚燒飛灰,水泥選用的是32.5級普通硅酸鹽水泥。表1給出的是飛灰的主要物理性質。試驗中所使用的砂石材料均取自本地。

表1 飛灰的物理性質

2)試驗方法 表2給出的是電感耦合等離子體原子發射光譜(ICP-AES)測定的飛灰樣品的化學組成。表3給出的是選用的3種混凝土配合比方案,B:空白試驗;F1、F2:飛灰分別替代15%和50%的水泥(按重量計)。試件成型后在20℃、100%相對濕度條件下養生90 d后進行相關試驗。毒性元素浸出試驗按照《固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法》(HJ557—2009)進行,待測樣品為破碎至粒徑小于5 mm的養生28 d試件,蒸餾水作為浸出液,按照液固比10∶1振蕩12 h,0.45 mm膜過濾后,用ICP-AES分析濾液中毒性元素含量。

表2 飛灰的化學組成與元素含量

表3 混凝土試驗配合比

2 結果與討論

2.1 混凝土拌合物性質

表4給出了新拌混凝土拌合物的性質,包括坍落度、容重和含氣率。從中可以看出,飛灰替代水泥后,混凝土拌合物工作性發生變化,表現為隨著飛灰替代量的增大而坍落度降低;飛灰替代水泥,對混凝土拌合物容重沒有明顯影響;混凝土拌合物含氣量隨飛灰的摻入而增加,對混凝土抗凍性有利。

表4 混凝土拌合物性質

2.2 抗壓強度

圖1顯示的是混凝土試件養生期內的強度發展規律。圖中顯示結果與預期效果相符合,具體表現為飛灰的替代量增大,水泥含量減小,導致各齡期混凝土的強度降低。參照粉煤灰利用強度檢驗活性的方法[5],可以計算出飛灰的活性指數為55%,因此,在沒有其他活化措施的情況下,飛灰的摻入會導致混凝土強度的降低。

2.3 浸出試驗

由于在自然環境中,雨水對混凝土構造物的浸出作用是連續的,也就是說,在浸取劑作用于試樣時,試樣中含有的毒性元素應該是被連續不斷的浸出的。因此,為模擬這一連續過程,該次試驗采用了三次連續浸出試驗程序來說明固化飛灰中的毒性元素滲濾特性,浸取劑不變,每次浸出振蕩時間為12 h,表5和6給出的是毒性元素浸出試驗結果。

表5 浸出試驗結果一(未控制浸取液p H值)

表6 浸出試驗結果二(控制浸取液p H=4.2±0.2)

由表中結果可以看出,隨著浸出時間的增加,除了鉻以外其他的毒性元素的浸出量均減少或者保持不變。隨著飛灰摻入量的增加,Cr、Pb和As的浸出量顯著增加,這是因為鉻、鉛和砷傾向于在堿性條件時表現出較強的溶出能力;Sn無論在酸性還是堿性條件下活動性都比較差;而與環境關系大的重金屬元素Cd、Cu、Ni和Zn等元素在酸性條件下表現出較強的溶出能力,而在水泥水化后形成堿性環境中則能夠有效地降低上述元素的浸出能力[6]。另外,試樣溶解部分的質量則隨著水泥用量的減少而減少,這是因為飛灰中可溶解性物質的量較水泥少。表7給出的是上述重金屬毒性元素浸出結果與《危險廢物鑒別標準—浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)所規定的法定限值。表7中試驗結果表明,除了Cr、Ni元素浸出濃度在任何條件下均超過浸出毒性鑒別標準規定的法定閥值,這表明Cr在堿性條件下浸出較為活躍,浸出能力大;Ni雖然在堿性環境下固化效果好,但受酸性浸取液浸出作用影響較大,因此在酸性環境下表現出較大的浸出能力。Cu、Zn雖然在酸性條件下浸出能力較大,但單次浸出和連續浸出總量均未超過標準濃度值。上述試驗結果說明酸性環境下,水泥對于Cr、Ni重金屬元素含量較大的飛灰的固化效果不明顯,應考慮加入其他的穩定化藥劑對飛灰進行綜合固化,例如加入重金屬螯合劑等化學穩定藥劑。其他重金屬元素的一次浸出和三次連續浸出總量濃度均未超過毒性鑒別標準規定的濃度值,說明水泥對這些重金屬元素的固化效果明顯。

表7 含飛灰樣品的毒性元素最大浸出濃度

3 結 語

垃圾焚燒飛灰可以作為原材料在水泥混凝土中加以使用。當飛灰替代水泥量為15%時,拌和物的工作性變化不大,硬化后混凝土試件的抗壓強度隨著飛灰替代量增加而降低。原狀飛灰的主要毒性元素浸出能力很強,在被水泥穩定固化后,主要毒性元素除Cr和Ni外浸出能力明顯下降,并且在模擬連續浸出條件下,浸出值仍然低于《危險廢物鑒別標準—浸出毒性鑒別》所規定的限值。對于Cr和Ni元素的固化應考慮水泥聯合重金屬螯合劑復合固化手段加以固化處置。

[1] 楊福云,吳國防.城市垃圾焚燒飛灰理化性質及處理技術[J].重慶大學學報:自然科學版,2006,29(9):56-59.

[2] 施惠生,袁 玲.垃圾焚燒飛灰的膠凝活性和水泥對其固化效果的研究[J].硅酸鹽學報,2003,31(11):1021-1025.

[3] Johnson C A,Brandenberger S,Baccini P.Acid Neutralizing Capacity of Municipal Waste Incinerator Bottom Ash[J].Environmental Science Technology,1995,29:142-147.

[4] Stegemann J A,Schneider J,Baetz B W,et al.Lysimeter Washing of MSW Incinerator Bottom Ash[J].Waste Management Research,1995,13:149-156.

[5] 朱蓓蓉,楊全兵.粉煤灰火山灰反應性及其反應動力學[J].硅酸鹽學報,2004,32(7):892-896.

[6] 萬 曉,王 偉.垃圾焚燒飛灰中重金屬的分布與性質[J].環境科學,2005,26(3):173-176.

Investigation on Progressive Toxicity Leaching Characteristics of Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash in Concrete

CUI Peng
(Tongliao Transportation Construction Bureau,Tongliao 028000,China)

Cement solidification/stabilization is an efficient way to treat municipal solid waste incineration(MSWI) fly ash.This paper focused on cementitious activity and toxicity leaching ability of MSWI fly ash used in cement concrete.Test results showed that the compressive strength decreased with an increase of MSWI fly ash.All heavy metal elements were stabilized and solidified except Cr and Ni.Hence,it was very important to take stabilization and solidification treatment on Cr and Ni with other methods such as chemical chelating.

municipal solid waste incineration fly ash; concrete; compressive strength; toxicity leaching

2014-06-09.

崔 鵬(1975-),高級工程師.E-mail:578443@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.004