生活垃圾焚燒飛灰固化處理研究

彭華平,彭　佳,熊祖鴻*,魯　敏　（.佛山市南海綠電再生能源有限公司,廣東　佛山　585；.　中國科學院廣州能源研究所,廣州　50640）

生活垃圾焚燒飛灰固化處理研究

彭華平1,彭佳1,熊祖鴻*2,魯敏2
（1.佛山市南海綠電再生能源有限公司,廣東佛山528225；2.中國科學院廣州能源研究所,廣州510640）

對某生活垃圾焚燒廠的飛灰組分及浸出毒性進行了分析，飛灰中Pb、Cd的浸出濃度明顯超過廢物填埋濃度限值，填埋前需要固化處理。在不同配比條件下，制取了飛灰固化體，并分析了高壓蒸養和自然養護固化工藝條件下，固化體的抗壓強度及浸出毒性。在飛灰摻量為70%、蒸養壓力0.5MPa的情況下，固化體仍能獲得較高的抗壓強度；飛灰固化體的各種重金屬浸出濃度均低于廢物填埋濃度限值，達到了進入填埋場填埋處置的要求，同時也具備了資源化利用的基礎條件。

生活垃圾焚燒飛灰；固化；抗壓強度；浸出毒性

世界各國城市生活垃圾的處理方式主要有填埋、堆肥、焚燒和氣化熔融4種[1]。焚燒處理由于無害化徹底、減量顯著等優點己成為當今世界經濟發達國家廣泛采用的城市垃圾處理技術[2]，伴隨而來的焚燒飛灰的安全處置也成為熱點問題[3]。焚燒法處理城市生活垃圾產生的飛灰富含重金屬，如處理不當會造成極大的危害。隨著焚燒處理的逐漸推廣，焚燒飛灰的妥善處理已日益迫切，其中固化處理操作簡單，是應用最普遍的方法[4]。

1　材料與方法

1.1樣品采集與成分分析

垃圾焚燒飛灰樣品采自廣東某垃圾焚燒發電廠，分別于不同時間段采集多個樣品，且于實驗室混合均勻后備用。

樣品成分采用X射線熒光光譜儀進行分析，采用160mA電流、4kW滿功率激發，另配備5個分光晶體，對樣品中的元素含量進行定量檢測。

1.2浸出毒性的檢測

采用《固體廢物浸出毒性浸出方法醋酸緩沖溶液法》(HJ/T300-2007)對飛灰及其固化體進行浸出毒性實驗。因飛灰及其固化體均有較強堿性，所以采用該方法中的浸提劑2#(用去離子水稀釋17.25m l的冰醋酸至1L，配制后溶液的pH值應為2.64±0.05)作為重金屬的浸出溶劑；旋轉浸出時間為18±2h；靜置3h至固液分離后采用0.45μm微孔濾膜過濾，收集全部濾液即為浸出液。然后采用美國PerkinElmer儀器公司的電感耦合等離子體發射光譜儀對浸出液中的Zn、Pb、As、Cd、Cr、Ni、Cu等元素的含量進行檢測。

1.3 飛灰固化實驗

1.3.1實驗流程

采用圖1所示的流程對焚燒飛灰進行固化處理。飛灰、水泥、硅質細料以及添加劑經攪拌機混勻后，注入標準試模成型。實驗中使用40*40*160mm標準試模，以便對飛灰固化體進行抗壓強度分析。

1.3.2實驗方案

采用如表1所示6種不同配比的實驗方案對飛灰進行固化處理。在6種不同的配比中，穩定劑用量均為飛灰量的3%，減水劑用量均為總粉末量的0.5%。其中1#與4#飛灰摻量為50%，2#與5#飛灰摻量為60%，3#與6#飛灰摻量為70%。

表1　飛灰固化實驗方案

每種配比均制備出了5塊固化體，其中3塊固化體采用高壓蒸養固化，蒸養壓力分別為0.5MPa、1.0MPa和1.5MPa；其余2塊固化體則采用自然氧護固化，養護時間分別為7d和28d。實驗的目的在于比較不同配比的固化體在不同養護條件下的抗壓強度和浸出毒性，為工業化應用提供借鑒。

高壓蒸養過程采用陶瓷釉面磚抗龜裂實驗儀（蒸壓釜），型號為TKL-500，額定工作壓力2.2Mpa，電阻絲加熱，功率9KW。抗壓強度采用電液式抗折抗壓試驗機(型號TSY-300)，最大實驗壓力300KN，精度等級為1級。

2　結果與討論

2.1 垃圾焚燒飛灰組成

垃圾焚燒飛灰中重金屬的成分和含量與焚燒的垃圾組分、焚燒爐爐型、焚燒條件和煙氣處理工藝息息相關[5]，通過對廣東某生活垃圾焚燒發電廠的飛灰取樣分析，測得飛灰的元素組成主要包括Si、Ca、Al、Fe、O、Cl、S、Mg、Na、K、Ti等，飛灰與水泥一樣均屬于CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3體系。

2.2 飛灰浸出毒性

采用《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB16889-2008)規定的飛灰重金屬浸出方法所得的浸出液中重金屬濃度與相應的廢物填埋濃度限值見表2。

表2　飛灰浸出毒性

由表2可知，飛灰中大部分重金屬的浸出濃度均低于廢物填埋濃度限值，但Pb和Cd的浸出濃度卻明顯超過廢物填埋濃度限值，分別為廢物填埋濃度限值的12倍和5.7倍。因此，該垃圾焚燒發電廠的飛灰在送至填埋場填埋處置之前，必須進行有效的固化/穩定化處理，使重金屬的浸出濃度低于廢物填埋濃度限值。

2.3 不同配比及養護條件下固化體的抗壓強度

飛灰固化體最重要的工程性質就是抗壓強度[6]。不同配比及養護條件下，固化體的抗壓強度數據如表3所示。

表3　飛灰固化體抗壓強度

由實驗結果可知，飛灰摻量越高，固化體的抗壓強度越低。飛灰摻量相同的情況下，硅灰的添加對固化體的抗壓強度沒有明顯的影響，這是因為蒸養時間較短，水化反應不徹底，所生成的水化硅酸鈣固化體只具備初步的強度。另外，蒸壓養護壓力對固化體的強度也有較大的影響，在0.5MPa的情況下，6種固化體均有較高的抗壓強度。當蒸壓養護壓力增加至1.5MPa時，所有固化體的抗壓強度則降至10MPa以下，從實驗的結果就可以看出，直線升溫情況下壓力過高反而會降低固化體的強度，這是壓力上升過快使固化體內外溫度不均、內水逸出較快、固化體膨脹及剪應力降低所致。這說明在蒸養過程中，溫度及壓力的上升速度的減小應有利于固化體強度的提高。

較長時間的自然養護和高壓蒸養，固化體都能達到較高的物理性能，自然養護28d后，固化體抗壓強度最高可達24.45MPa，略高于蒸養條件下的固化體最高抗壓強度22.8MPa。但是，由于自然養護所需時間太長，導致占地面積大，在工業應用中難以實現。0.5MPa壓力下蒸養4h制取的固化體的抗壓強度均高于自然養護7d制取的固化體的抗壓強度，因此，高壓蒸養工藝能夠最大幅度地縮短飛灰固化時間，提高飛灰處理效率。

2.4 不同配比及養護條件下固化體的浸出毒性

飛灰固化體浸出毒性的高低決定了其能否進入填埋場填埋處置。不同配比的固化體在不同養護條件下的重金屬浸出毒性如圖2所示。

分析圖2的實驗結果可知，自然養護條件下固化體的浸出毒性普遍低于蒸養固化條件下固化體的浸出毒性，這可能是自然養護過程中固化體在水中浸泡過所致。

對比圖2的結果與表2中的數據可知，自然養護和蒸壓養護條件下制取的固化體的重金屬浸出濃度遠低于飛灰的重金屬浸出濃度。另外值得注意的是，實驗發現只有當固化體中飛灰的摻量達到70%時，Cd的浸出濃度才會超過廢物填埋濃度限值。

另外由該圖還可知，蒸養壓力的大小對大部分重金屬的浸出毒性影響不明顯，只有金屬Ba的浸出濃度隨著蒸養壓力的增加而增加。綜上所述，固化處理對于降低飛灰的重金屬浸出毒性有重要作用。在飛灰摻量不超過70%的條件下，經固化處理后，飛灰中各種重金屬浸出濃度均低于廢物填埋濃度限值，達到了進入填埋場填埋處置的要求。

3　結論

（1）該生活垃圾焚燒廠飛灰中的大部分重金屬浸出濃度均低于廢物填埋濃度限值，只有Pb和Cd的浸出濃度超出廢物填埋濃度限值。

（2）在飛灰摻量70%，蒸養壓力0.5MPa的情況下，固化體仍能獲得較高的抗壓強度，且蒸養處理能夠大幅度地縮短飛灰固化時間，提高飛灰處理效率。

（3）固化處理對于降低飛灰中重金屬的浸出毒性有重要的作用。在飛灰摻量不超過70%的條件下，經固化處理后，飛灰中各種重金屬浸出濃度均低于廢物填埋濃度限值，可滿足進入填埋場填埋處置的要求。

[1] 宋麗蕓.垃圾焚燒飛灰的資源化研究[D].上海:華東理工大學,2011.

[2] HjelmarO.Disposal strategies for municipal solid waste incineration residues for financial surpor t[J]. Journal of Hazardous Material s.1996(47):345-368.

[3] 盧歡亮,黃曉文.生活垃圾焚燒飛灰固化處理的工程實踐[J].環境衛生工程,2007,15(03):15-16.

[4] 彭雯.城市生活垃圾焚燒飛灰中重金屬的浸出特性及瀝青固化飛灰的實驗研究[D].杭州:浙江大學,2004.

[5] Kyung-Jin Hong,Shuzo Tokunaga, Toshio Kajiuchi. Extraction of heavy metals from MSW ine ine rator fly ashes by chelating agent s[J]. Joumal of Hazardous Materials.2000(75):57-73.

[6] 池東華.垃圾焚燒飛灰在水泥中的固化穩定化研究[D].上海:東華大學,2003.

熊祖鴻(1975-)，高級工程師，從事固體廢物資源化利用研究。

彭華平(1986-)，從事固體廢棄物資源化利用工作。