水泥混凝土中垃圾焚烧飞灰连续毒性浸出研究

崔 鹏

(通辽市交通工程局,通辽 028000)

水泥混凝土中垃圾焚烧飞灰连续毒性浸出研究

崔 鹏

(通辽市交通工程局,通辽 028000)

水泥稳定/固化垃圾焚烧飞灰是一种成熟有效的危险废物处理方法,该文通过试验考察了掺入飞灰后的混凝土试件的抗压强度以及毒性浸出特性,评价了水泥稳定/固化技术的有效性以及飞灰自身胶凝活性特点,结果表明,飞灰的掺入明显降低了试件的抗压强度,经过水泥固化后飞灰中主要毒性元素除Cr和Ni外浸出能力明显下降,而Cr和Ni元素浸出浓度严重超过标准规定值,因此对于Cr和Ni元素的固化应考虑水泥联合重金属螯合剂复合固化手段加以固化处置。

垃圾焚烧飞灰; 混凝土; 抗压强度; 毒性浸出

随着社会和经济的发展,垃圾的排放量急剧增加。焚烧法是目前世界各国广泛采用的城市垃圾处理技术。垃圾经过焚烧后会产生一定数量的灰渣残余物(约占焚烧前重量的5%～30%),垃圾焚烧飞灰因为含有能被水浸出的毒性元素物质而被称为危险废物[1]。固化稳定技术是国际上处理有毒有害废物的主要方法之一,并且普遍认为水泥稳定固化是处理危险废物的最佳方法。我国普遍采用填埋或者固化方式来处理处置垃圾焚烧飞灰。有关焚烧飞灰的资源再利用的研究开展不多,主要原因是二次污染物的产生限制了飞灰的应用[2-4]。如何安全有效的处置和利用垃圾焚烧飞灰已经成为急需解决的社会和环境问题了。该文将垃圾焚烧飞灰作为原材料,以水泥稳定固化飞灰中的有毒有害物质为前提,通过研究掺入飞灰后的混凝土试件的强度以及毒性元素浸出特性,评价了垃圾焚烧飞灰在水泥混凝土中应用对环境潜在的冲击性。

1 试验方案

1)原材料 实验所采用的实验材料是南方某垃圾焚烧场用半干法收集的城市垃圾焚烧飞灰,水泥选用的是32.5级普通硅酸盐水泥。表1给出的是飞灰的主要物理性质。试验中所使用的砂石材料均取自本地。

表1 飞灰的物理性质

2)试验方法 表2给出的是电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)测定的飞灰样品的化学组成。表3给出的是选用的3种混凝土配合比方案,B:空白试验;F1、F2:飞灰分别替代15%和50%的水泥(按重量计)。试件成型后在20℃、100%相对湿度条件下养生90 d后进行相关试验。毒性元素浸出试验按照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》(HJ557—2009)进行,待测样品为破碎至粒径小于5 mm的养生28 d试件,蒸馏水作为浸出液,按照液固比10∶1振荡12 h,0.45 mm膜过滤后,用ICP-AES分析滤液中毒性元素含量。

表2 飞灰的化学组成与元素含量

表3 混凝土试验配合比

2 结果与讨论

2.1 混凝土拌合物性质

表4给出了新拌混凝土拌合物的性质,包括坍落度、容重和含气率。从中可以看出,飞灰替代水泥后,混凝土拌合物工作性发生变化,表现为随着飞灰替代量的增大而坍落度降低;飞灰替代水泥,对混凝土拌合物容重没有明显影响;混凝土拌合物含气量随飞灰的掺入而增加,对混凝土抗冻性有利。

表4 混凝土拌合物性质

2.2 抗压强度

图1显示的是混凝土试件养生期内的强度发展规律。图中显示结果与预期效果相符合,具体表现为飞灰的替代量增大,水泥含量减小,导致各龄期混凝土的强度降低。参照粉煤灰利用强度检验活性的方法[5],可以计算出飞灰的活性指数为55%,因此,在没有其他活化措施的情况下,飞灰的掺入会导致混凝土强度的降低。

2.3 浸出试验

由于在自然环境中,雨水对混凝土构造物的浸出作用是连续的,也就是说,在浸取剂作用于试样时,试样中含有的毒性元素应该是被连续不断的浸出的。因此,为模拟这一连续过程,该次试验采用了三次连续浸出试验程序来说明固化飞灰中的毒性元素渗滤特性,浸取剂不变,每次浸出振荡时间为12 h,表5和6给出的是毒性元素浸出试验结果。

表5 浸出试验结果一(未控制浸取液p H值)

表6 浸出试验结果二(控制浸取液p H=4.2±0.2)

由表中结果可以看出,随着浸出时间的增加,除了铬以外其他的毒性元素的浸出量均减少或者保持不变。随着飞灰掺入量的增加,Cr、Pb和As的浸出量显著增加,这是因为铬、铅和砷倾向于在碱性条件时表现出较强的溶出能力;Sn无论在酸性还是碱性条件下活动性都比较差;而与环境关系大的重金属元素Cd、Cu、Ni和Zn等元素在酸性条件下表现出较强的溶出能力,而在水泥水化后形成碱性环境中则能够有效地降低上述元素的浸出能力[6]。另外,试样溶解部分的质量则随着水泥用量的减少而减少,这是因为飞灰中可溶解性物质的量较水泥少。表7给出的是上述重金属毒性元素浸出结果与《危险废物鉴别标准—浸出毒性鉴别》(GB 5085.3—2007)所规定的法定限值。表7中试验结果表明,除了Cr、Ni元素浸出浓度在任何条件下均超过浸出毒性鉴别标准规定的法定阀值,这表明Cr在碱性条件下浸出较为活跃,浸出能力大;Ni虽然在碱性环境下固化效果好,但受酸性浸取液浸出作用影响较大,因此在酸性环境下表现出较大的浸出能力。Cu、Zn虽然在酸性条件下浸出能力较大,但单次浸出和连续浸出总量均未超过标准浓度值。上述试验结果说明酸性环境下,水泥对于Cr、Ni重金属元素含量较大的飞灰的固化效果不明显,应考虑加入其他的稳定化药剂对飞灰进行综合固化,例如加入重金属螯合剂等化学稳定药剂。其他重金属元素的一次浸出和三次连续浸出总量浓度均未超过毒性鉴别标准规定的浓度值,说明水泥对这些重金属元素的固化效果明显。

表7 含飞灰样品的毒性元素最大浸出浓度

3 结 语

垃圾焚烧飞灰可以作为原材料在水泥混凝土中加以使用。当飞灰替代水泥量为15%时,拌和物的工作性变化不大,硬化后混凝土试件的抗压强度随着飞灰替代量增加而降低。原状飞灰的主要毒性元素浸出能力很强,在被水泥稳定固化后,主要毒性元素除Cr和Ni外浸出能力明显下降,并且在模拟连续浸出条件下,浸出值仍然低于《危险废物鉴别标准—浸出毒性鉴别》所规定的限值。对于Cr和Ni元素的固化应考虑水泥联合重金属螯合剂复合固化手段加以固化处置。

[1] 杨福云,吴国防.城市垃圾焚烧飞灰理化性质及处理技术[J].重庆大学学报:自然科学版,2006,29(9):56-59.

[2] 施惠生,袁 玲.垃圾焚烧飞灰的胶凝活性和水泥对其固化效果的研究[J].硅酸盐学报,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,杨全兵.粉煤灰火山灰反应性及其反应动力学[J].硅酸盐学报,2004,32(7):892-896.

[6] 万 晓,王 伟.垃圾焚烧飞灰中重金属的分布与性质[J].环境科学,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 鹏(1975-),高级工程师.E-mail:578443@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.004