生活垃圾焚燒廠飛灰高壓壓制對重金屬浸出毒性的影響研究

蒲 敏 張 駿 趙由才

(1.上海市環境工程設計科學研究院有限公司/上海環境衛生工程設計院有限公司，上海 200232；2.同濟大學環境科學與工程學院，上海 2000092)

生活垃圾焚燒廠飛灰高壓壓制對重金屬浸出毒性的影響研究

蒲 敏1張 駿2趙由才3

(1.上海市環境工程設計科學研究院有限公司/上海環境衛生工程設計院有限公司，上海 200232；2.同濟大學環境科學與工程學院，上海 2000092)

飛灰是生活垃圾焚燒的必然產物，其環境危害和對人們生活的影響巨大，安全填埋是我國生活垃圾焚燒飛灰最主要的處置方式，單位填埋體積較大已逐漸成為阻止安全填埋技術發展的重要因素。本文研究了生活垃圾焚燒廠飛灰高壓壓制對重金屬浸出的影響，以及高壓條件下降低飛灰重金屬浸出毒性的變化趨勢。結果表明，飛灰壓制后，浸出毒性至少降低30%～70%。

飛灰；浸出毒性；高壓

生活垃圾經焚燒后，會產生占垃圾總量23%左右的底灰及3%～5%的飛灰。其中，飛灰是由焚燒爐產生的煙氣經反應塔進行中和、凈化后，摻以一定量的吸附劑，再由高效除塵分離器分離而產生。飛灰主要包括SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3和硫酸鹽、鈉鹽、鉀鹽等反應物，還有Hg、Mn、Mg、Sn、Cd、Pb、Cr等重金屬元素以及痕量級二噁英類的有機物，另加其他種類污染物，屬于危險廢物。飛灰呈堿性，其形狀像煤灰一樣大小，粒徑介于0.01～0.15mm范圍內。飛灰有2/3以上的化學物質是硅酸鹽與鈣。另外，生活垃圾焚燒煙氣中，含有一定量的未燃盡有機物，故飛灰中的熱灼減量在10%左右[1-11]。

GB 18485—2001明確規定焚燒飛灰應按危險廢物處理。2008年7月1日起實行的GB16889—2008生活垃圾填埋污染控制標準中明確規定：生活垃圾焚燒飛灰和醫療廢物焚燒殘渣(包括飛灰底渣)經處理后滿足下列條件，可以進入生活垃圾填埋場單獨分區填埋處置：①含水質量分數小于30%；②二噁英含量低于3μg/kg( 國際毒性當量值)；③按照HJ/T 300制備的浸出液中危害成分濃度低于國家規定的限值，即可送入生活垃圾填埋場進行分區填埋。

目前飛灰處理方式一般是采用有機多聚磷酸及其鹽類化合物作為垃圾焚燒飛灰的穩定劑等方法類似，包括有機多聚磷酸及其鹽類化合物為羥基亞乙基二膦酸、氨基三甲叉膦酸、乙二胺四甲叉膦酸鈉、二乙烯三胺五甲叉膦酸或多元醇磷酸脂。穩定化處理方法的步驟一般是取一定量的上述穩定劑溶于適量水中，配成溶液，然后將該穩定劑水溶液加入到一定量的焚燒飛灰中，均勻攪拌，配成穩定的基質固體；穩定劑與垃圾焚燒飛灰的配合比例一般為1∶100～5∶100[2]。藥劑的成本一般不低，故迫切的需要一種低成本、高效益的方法來解決上述問題。

1 實驗裝置

試驗建立了一套飛灰壓制裝置，主要有定制的一副飛灰壓制模具和500t的油壓機組成，如圖1、2所示，主要由五個部分組成，從上至下，上部的三個部件為壓制的主體部分，推桿的主要作用是將壓制好的飛灰模塊送出來，底座的作用是承受巨大重量，保護上面的四個部件。

圖1 高靜壓壓制高密度飛灰模塊飛灰壓制模具

圖2 高靜壓壓制高密度飛灰模塊500 t油壓機

調試設備后分別用不同壓強來壓制原生飛灰，使其成為大比重模塊，研究壓強與飛灰密度變化之間的關系，共分為如下(表1)實驗。

表1 高靜壓壓制高密度飛灰模塊中壓強與飛灰密度變化實驗組基本情況列表

原生飛灰中的重金屬含量超標，混合固化飛灰可以降低浸出毒性，為研究原生飛灰與固化飛灰混合壓制過程中的重金屬浸出毒性的變化，設計了如表2實驗組。

表2 高靜壓壓制高密度飛灰模塊原生飛灰與固化飛灰混合對重金屬浸出毒性的影響實驗組基本情況列表

2 實驗結果與討論

試驗的原生飛灰與固化飛灰取自上海市老港固體廢棄物處置公司，具體性質如表3、4所示。

表3 飛灰浸出毒性重金屬含量分布表

表4 固化后飛灰浸出毒性重金屬含量分布表

為了研究高靜壓壓制飛灰模塊中重金屬浸出毒性的變化趨勢，選取了As、Cd、Cr等8種重金屬來代表其變化趨勢，壓強梯度壓強梯度與原生飛灰重金屬浸出毒性的具體數據如表5所示。

表5 高靜壓壓制飛灰模塊中重金屬浸出濃度的變化

注：除最后一組實驗使用的是固化飛灰外，其余皆為原生飛灰。

圖3至7是不同壓強下Cd、Cr、Hg、Pb、Zn的浸出毒性變化圖。

圖3 高靜壓壓制飛灰模塊中重金屬Cr的浸出毒性與壓強之間的關系

圖4 高靜壓壓制飛灰模塊中重金屬Cu的浸出毒性與壓強之間的關系

圖5 高靜壓壓制飛灰模塊中重金屬Hg的浸出毒性與壓強之間的關系

圖6 高靜壓壓制飛灰模塊中重金屬Pb的浸出毒性與壓強之間的關系

圖7 高靜壓壓制飛灰模塊中重金屬Zn的浸出毒性與壓強之間的關系

高靜壓壓制飛灰模塊中多種重金屬的浸出毒性與壓強之間的關系比較復雜，不同的重金屬在不同壓強時所表現的規律并不單一。(1)Cr、Pb、Zn在壓力作用下浸出毒性明顯降低，從0MPa(無壓力狀態)到加壓，浸出毒性的濃度顯著降低，但是只要有壓力因素介入，有壓力的各個狀態之間，浸出毒性不隨著壓強變化而變化，高低變化沒有趨勢，呈現無關狀態；(2)Cu的浸出毒性濃度與Cr、Pb、Zn類似，但是降低幅度不大以至于數據混亂；(3)Hg的浸出毒性濃度基本維持在一個水平范圍上，與壓強無關，其原因可能是因為：①濃度本身比較低，為0.05mg/L，去除空間不大；②Hg屬于易揮發重金屬，但壓制過程中無大的溫度變化；③重金屬的測定需要將樣品磨碎，Hg不易于飛灰中的其他物質發生反應，容易被浸出。

圖8 高靜壓壓制對于重金屬浸出的影響示意圖

由于飛灰的浸出毒性標準按照國標《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別(GB5085.3-2007)》中必須將飛灰研磨至100目，所以飛灰顆粒在體積上相差不大。如圖8所示，A代表原生飛灰及其浸出過程，B代表壓制飛灰及其浸出過程，首先B比A多了壓制過程，壓制過程中體積變為原來的1/2，質量不變，A的質量、重金屬含量為m、n，B的質量、重金屬含量為2m、2n，由于浸出過程是從表面開始的，A與B的表面積相同，所以相同時間內浸出的重金屬的量相同[4-11]，假設浸出的重金屬的質量為c，那么A的浸出率、浸出濃度為c/n，c/m，B的浸出率、浸出濃度為c/2n、c/2m。上述過程均建立在理想條件下，從表5-3中的數據可知，密度上升一倍，重金屬浸出毒性下降的量達不到一半，這是因為重金屬浸出量均為c的前提條件是飛灰顆粒在浸出過程中結構不被破壞，當結構被破壞時，A、B重金屬的浸出量最大為n、2n，當浸出過程中飛灰的結構為部分破壞時，A的浸出率、浸出濃度為c/n～b/n，c/m～b/m，B的浸出率、浸出濃度為c/2n～b/n、c/2m～b/m，可以得到明顯的結論：當飛灰結構被完全破壞重金屬全部浸出時，A與B的浸出率、浸出濃度相同；A的浸出率≤B的浸出率，A的浸出濃度≤B的浸出濃度。以重金屬Pb為例，可以估算得到飛灰在浸取過程中結構被破壞的占總量的30%～40%。所以總的來說，高靜壓對于飛灰重金屬的固定有著一定的效果。

3 結 論

高靜壓壓制飛灰大比重模塊具有可行性，使用該工藝可以減少50%～80%飛灰的體積，增長填埋場的使用壽命。高壓條件下，Cr、Pb、Zn在壓力作用下浸出毒性明顯降低，從0 MPa(無壓力狀態)到加壓，浸出毒性的濃度顯著降低，Cu的浸出毒性濃度與Cr、Pb、Zn類似，但是降低幅度不大；Hg的浸出毒性濃度基本維持在一個水平范圍上，與壓強無關。總體上講，飛灰壓制后，浸出毒性至少降低30%～70%。

[1]Zhao Youcai and Lou Ziyang，，Elsevier Publisher Inc.2017 (Oxford OX5 1GB，United Kingdom and Cambridge，MA 02139，United States)

[2]Zhao Youcai，，Elsevier Publisher Inc.2017 (Oxford OX5 1GB，United Kingdom and Cambridge，MA 02139，United States)

[3]Zhao Youcai and Zhang Chenglong.< Pollution Control and Resource Reuse for Alkaline Hydrometallurgy of Amphoteric Metal Hazardous Wastes>，Springer International Publishing AG.2017 (Gewerbestrasse 11 6330 Cham，Switzerland)

[4]趙由才等著，《可持續生活垃圾處理與處置》，化學工業出版社，北京，2007.

[5]趙由才，蔣家超，張文海編著，《有色冶金過程污染控制與資源化》，中南大學出版社，2012.

[6]趙由才，張承龍，蔣家超編著，《堿介質濕法冶金技術》，冶金工業出版社，北京，2009.

[7]趙由才主編，同濟大學研究生教材《固體廢物處理與資源化技術》，同濟大學出版社，上海，2015.

[8]趙由才主編，《生活垃圾處理與資源化》，化學工業出版社，北京，2016.

[9]孫英杰，趙由才等編，高等學校教材《危險廢物處理技術》，化學工業出版社，北京，2006.

[10]趙由才等著，《環境衛生工程叢書——可持續生活垃圾處理與處置》，化學工業出版社，北京，2007.

[11]柴曉利，趙愛華，趙由才，主編.《固體廢物處理與資源化叢書——固體廢物焚燒技術》，化學工業出版社，北京，2005.

[12]宋立杰，陳善平，趙由才，編.《可持續生活垃圾處理與資源化技術》，化學工業出版社，北京，2014.

Mechanical Compression of Refuse Incineration Fly Ash and Its Leaching Toxicity Reduction Using High Pressure Device

PU Min1ZHANG Jun2ZHAO Youcai2

(1.Shanghai Institute for Design & Research on Environmental Engineering Co.Ltd，Shanghai 200232； 2.Environmental Science and Technology College，Tongji University，Shanghai 200092)

The generation quantity in the world is huge and its recycling is an urgent task for the human being.In this work，the fly ash from refuse incineration plants was compressed so that the volume and leaching toxicity can be reduced considerably and the landfill capacity can thus be saved.When the fly ash was compressed using high pressure device，its leachability of toxicity of the resultant compressed fly-ash-bulk can be decreased by at least 30%～70% as the partial conversion of the solubles of heavy metals to the insolubles may occur due to the high pressure compression.

Fly ash；Extraction toxicity；High pressure

項目資助：污泥項目編號14DZ1208400；飛灰項目編號16DZ1202900

蒲敏，高級工程師，研究方向為環境保護

文獻格式：蒲 敏 等.生活垃圾焚燒廠飛灰高壓壓制對重金屬浸出毒性的影響研究[J].環境與可持續發展，2017，42(4)：61-64.

X21

A

1673-288X(2017)04-0061-04