水泥固化技術用于垃圾焚燒飛灰的處理

杜漸

太原師范學院化學系（030001）

水泥固化技術用于垃圾焚燒飛灰的處理

杜漸

太原師范學院化學系（030001）

用硅酸鹽水泥對城市垃圾焚燒產生的飛灰進行固化，分析了飛灰摻量對固化強度、重金屬浸出性能的影響，結果表明：飛灰經硅酸鹽水泥固化后，固化體抗壓強度隨飛灰摻量增大而減小；隨著硅酸鹽水泥用量的減少，Pb和Cd等重金屬離子更容易從固化體中浸出，為提高固化效果，需要進一步提高水泥漿體的密實度。

垃圾飛灰；水泥固化；重金屬浸出

0 引言

隨著我國城市現代化進程加速及城市人口的增長，城市生活垃圾的產生量每年呈現遞增趨勢。如何安全有效地處理、消減城市生活垃圾是我國城市發展及環境保護面臨的重要課題。目前，城市垃圾的處理方法主要有填埋、焚燒和堆肥等方式。其中焚燒技術對于固體廢棄物的減量減容效果顯著，能夠實現垃圾的無害化，且焚燒過程可以利用其熱量進行發電，該方法是一種先進的處理方式。但是，城市生活垃圾成分復雜，經過焚燒后的飛灰內重金屬(如鉛、鎘、鋅等)含量較高，對環境危害較大，屬于危險廢物，需要妥善處理。對于飛灰的處理方法主要有水泥固化、化學藥劑固化、熱處理(熔融和燒結)等方式。水泥固化技術因原料易得、操作簡便、處理成本低廉、無二次污染等特點，被美國環保局列為有毒有害廢物的最佳處理技術。摻入灰渣后水泥的物理強度及重金屬離子的浸出性能對水泥固化技術非重要。本論文以我國北方某垃圾焚燒廠飛灰為原料，用硅酸鹽水泥對焚燒飛灰固化進行研究，以期為城市垃圾焚燒飛灰的無害化、資源化利用提供一定的試驗基礎。

1 試驗部分

1.1試驗材料

1）飛灰樣品：取自我國北方某城市生活垃圾焚燒發電廠，焚燒飛灰的主要礦物成分為CaO、Cl、K2O、SO3、Al2O3、Fe2O3等，其它為重金屬或其它物質。

表1 生活垃圾焚燒飛灰的組成

2）固化材料：52.5 MPa硅酸鹽水泥，河南同力水泥有限公司生產。

3）儀器設備：NRJ-411A水泥膠砂攪拌機、YH-20B型標準恒溫恒濕養護箱、水泥壓力試驗機、50 mm×50 mm水泥試模。

1.2 試驗方法

1.2.1 固化體制備方法

飛灰和水泥按照20%，40%，60%，80%比例進行配比實驗，水灰比為0.425，先將飛灰與水泥、水的混合物放入攪拌機攪拌均勻后，再攪拌3～5 min后裝入50 mm×50 mm水泥試模，標準養護 (濕度95%，溫度(20±2)℃，24 h后脫模，將脫模后的固化體分別進行3 d、7 d和28 d標準養護后備用。

1.2.2 重金屬浸出濃度測量

按照 《固體廢物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T 299—2007)和《固體廢物浸出毒性浸出方法醋酸緩沖溶液法》(HJ/T 300—2007)規定的方法進行浸出實驗。所得固液混合物經壓力過濾器(微孔濾膜為0.6～0.8 μm)后，收集全部液體用于測試重金屬離子含量。

2 結果與討論

2.1 飛灰摻量對固化體抗壓強度的影響

采用水泥固化技術處理危險廢物，其固化體應具有一定的抗壓強度，以避免固化體受擠壓后破碎而造成更大環境危害。不同飛灰摻量固化體在標準養護不同齡期進行抗壓強度測量，結果如圖1所示。從圖1可知，固化體抗壓強度隨飛灰摻量增大而減小，其度隨著飛灰摻量20%提高到80%，其3天抗壓強由27.3 MPa降低至3.2 MPa，其28 d抗壓強由36.1.3 MPa降低至7.5 MPa。盡管文獻報道飛灰具有一定的潛在活性,但是飛灰活性很低、黏結性能差，當水泥含量較高時，其水化產物的鈣礬石和C-S-H凝膠數量增大，能提高固化體抗壓強度；但是，當飛灰摻量較高時，固化體抗壓強度顯著降低。為了保證固化漿體適當的28 d抗壓強度大于22.5 MPa，飛灰摻量在固化體中的摻量應不高于60%。

圖1 固化體抗壓強度隨飛灰摻量變化

2.2 不同飛灰摻量固化體浸出毒性分析

不同飛灰摻量下固化體中重金屬Pb和Cd浸出濃度如圖2所示。由圖2可知，隨著飛灰摻量的增加，固化體中Pb和Cd浸出濃度隨之增大，且浸出范圍分別為0.62～1.58 mg/L、0.06～0.36 mg/L，這主要是因為：一方面固化體中飛灰摻量越大，重金屬含量相對提高，固化體中重金屬質量濃度增大，致使重金屬浸出濃度增大；另一方面是隨著飛灰摻量加大，水泥量減少，影響水泥水化產物生成量減少，致使含飛灰固化體強度降低、結構松散，重金屬容易浸出。為提高固化效果，需要進一步改性成型工藝，如減小水灰比、摻適量外加劑等措施，提高水泥漿體的密實度，防止重金屬離子浸出。

圖2 不同飛灰摻量下固化體中重金屬Pb和Cd浸出濃度

2.3 水泥固化重金屬離子的機理分析

水泥對飛灰進行固化時，水泥水化后一般形成鈣礬石和C-S-H凝膠等,能夠將飛灰的的重金屬離子進行包裹固定;同時飛灰具有一定的潛在活性，也能夠參與到水化反應過程,同C-S-H凝膠結合形成網絡結構固定其中。另外，水泥漿體具有較強的堿性，使得飛灰中的重金屬離子能夠形成難溶的氧化物或碳酸鹽等，從而有效防止重金屬浸出。

3 結論

本研究采用硅酸鹽水泥固化城市生活垃圾焚燒飛灰，分析了飛灰摻量對固化強度、重金屬浸出性能的影響，得出以下結論：

固化體抗壓強度隨飛灰摻量增大而減小，為了保證固化漿體28 d抗壓強度大于22.5 MPa，飛灰摻量應不高于60%。

飛灰經硅酸鹽水泥固化后，隨著飛灰摻量的增加，固化體中Pb和Cd浸出濃度隨之增大，且浸出范圍分別為0.62～1.58 mg/L、0.06～0.36 mg/L,為提高固化效果，需要進一步提高水泥漿體的密實度。