杜漸

太原師范學(xué)院化學(xué)系（030001）

水泥固化技術(shù)用于垃圾焚燒飛灰的處理

杜漸

太原師范學(xué)院化學(xué)系（030001）

用硅酸鹽水泥對(duì)城市垃圾焚燒產(chǎn)生的飛灰進(jìn)行固化，分析了飛灰摻量對(duì)固化強(qiáng)度、重金屬浸出性能的影響，結(jié)果表明：飛灰經(jīng)硅酸鹽水泥固化后，固化體抗壓強(qiáng)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(jìn)一步提高水泥漿體的密實(shí)度。

垃圾飛灰；水泥固化；重金屬浸出

0 引言

隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化進(jìn)程加速及城市人口的增長(zhǎng)，城市生活垃圾的產(chǎn)生量每年呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。如何安全有效地處理、消減城市生活垃圾是我國(guó)城市發(fā)展及環(huán)境保護(hù)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(shù)對(duì)于固體廢棄物的減量減容效果顯著，能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾的無(wú)害化，且焚燒過(guò)程可以利用其熱量進(jìn)行發(fā)電，該方法是一種先進(jìn)的處理方式。但是，城市生活垃圾成分復(fù)雜，經(jīng)過(guò)焚燒后的飛灰內(nèi)重金屬(如鉛、鎘、鋅等)含量較高，對(duì)環(huán)境危害較大，屬于危險(xiǎn)廢物，需要妥善處理。對(duì)于飛灰的處理方法主要有水泥固化、化學(xué)藥劑固化、熱處理(熔融和燒結(jié))等方式。水泥固化技術(shù)因原料易得、操作簡(jiǎn)便、處理成本低廉、無(wú)二次污染等特點(diǎn)，被美國(guó)環(huán)保局列為有毒有害廢物的最佳處理技術(shù)。摻入灰渣后水泥的物理強(qiáng)度及重金屬離子的浸出性能對(duì)水泥固化技術(shù)非重要。本論文以我國(guó)北方某垃圾焚燒廠飛灰為原料，用硅酸鹽水泥對(duì)焚燒飛灰固化進(jìn)行研究，以期為城市垃圾焚燒飛灰的無(wú)害化、資源化利用提供一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)材料

1）飛灰樣品：取自我國(guó)北方某城市生活垃圾焚燒發(fā)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(zhì)。

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(chǎn)。

3）儀器設(shè)備：NRJ-411A水泥膠砂攪拌機(jī)、YH-20B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱、水泥壓力試驗(yàn)機(jī)、50 mm×50 mm水泥試模。

1.2 試驗(yàn)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(jìn)行配比實(shí)驗(yàn)，水灰比為0.425，先將飛灰與水泥、水的混合物放入攪拌機(jī)攪拌均勻后，再攪拌3～5 min后裝入50 mm×50 mm水泥試模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) (濕度95%，溫度(20±2)℃，24 h后脫模，將脫模后的固化體分別進(jìn)行3 d、7 d和28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后備用。

1.2.2 重金屬浸出濃度測(cè)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(guī)定的方法進(jìn)行浸出實(shí)驗(yàn)。所得固液混合物經(jīng)壓力過(guò)濾器(微孔濾膜為0.6～0.8 μm)后，收集全部液體用于測(cè)試重金屬離子含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 飛灰摻量對(duì)固化體抗壓強(qiáng)度的影響

采用水泥固化技術(shù)處理危險(xiǎn)廢物，其固化體應(yīng)具有一定的抗壓強(qiáng)度，以避免固化體受擠壓后破碎而造成更大環(huán)境危害。不同飛灰摻量固化體在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)不同齡期進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)量，結(jié)果如圖1所示。從圖1可知，固化體抗壓強(qiáng)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(qiáng)由27.3 MPa降低至3.2 MPa，其28 d抗壓強(qiáng)由36.1.3 MPa降低至7.5 MPa。盡管文獻(xiàn)報(bào)道飛灰具有一定的潛在活性,但是飛灰活性很低、黏結(jié)性能差，當(dāng)水泥含量較高時(shí)，其水化產(chǎn)物的鈣礬石和C-S-H凝膠數(shù)量增大，能提高固化體抗壓強(qiáng)度；但是，當(dāng)飛灰摻量較高時(shí)，固化體抗壓強(qiáng)度顯著降低。為了保證固化漿體適當(dāng)?shù)?8 d抗壓強(qiáng)度大于22.5 MPa，飛灰摻量在固化體中的摻量應(yīng)不高于60%。

圖1 固化體抗壓強(qiáng)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?yàn)椋阂环矫婀袒w中飛灰摻量越大，重金屬含量相對(duì)提高，固化體中重金屬質(zhì)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(chǎn)物生成量減少，致使含飛灰固化體強(qiáng)度降低、結(jié)構(gòu)松散，重金屬容易浸出。為提高固化效果，需要進(jìn)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(shí)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(jī)理分析

水泥對(duì)飛灰進(jìn)行固化時(shí)，水泥水化后一般形成鈣礬石和C-S-H凝膠等,能夠?qū)w灰的的重金屬離子進(jìn)行包裹固定;同時(shí)飛灰具有一定的潛在活性，也能夠參與到水化反應(yīng)過(guò)程,同C-S-H凝膠結(jié)合形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)固定其中。另外，水泥漿體具有較強(qiáng)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(jié)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(duì)固化強(qiáng)度、重金屬浸出性能的影響，得出以下結(jié)論：

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

飛灰經(jīng)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(jìn)一步提高水泥漿體的密實(shí)度。