生活垃圾焚烧飞灰固化处理研究

彭华平,彭　佳,熊祖鸿*,鲁　敏　（.佛山市南海绿电再生能源有限公司,广东　佛山　585；.　中国科学院广州能源研究所,广州　50640）

生活垃圾焚烧飞灰固化处理研究

彭华平1,彭佳1,熊祖鸿*2,鲁敏2
（1.佛山市南海绿电再生能源有限公司,广东佛山528225；2.中国科学院广州能源研究所,广州510640）

对某生活垃圾焚烧厂的飞灰组分及浸出毒性进行了分析，飞灰中Pb、Cd的浸出浓度明显超过废物填埋浓度限值，填埋前需要固化处理。在不同配比条件下，制取了飞灰固化体，并分析了高压蒸养和自然养护固化工艺条件下，固化体的抗压强度及浸出毒性。在飞灰掺量为70%、蒸养压力0.5MPa的情况下，固化体仍能获得较高的抗压强度；飞灰固化体的各种重金属浸出浓度均低于废物填埋浓度限值，达到了进入填埋场填埋处置的要求，同时也具备了资源化利用的基础条件。

生活垃圾焚烧飞灰；固化；抗压强度；浸出毒性

世界各国城市生活垃圾的处理方式主要有填埋、堆肥、焚烧和气化熔融4种[1]。焚烧处理由于无害化彻底、减量显著等优点己成为当今世界经济发达国家广泛采用的城市垃圾处理技术[2]，伴随而来的焚烧飞灰的安全处置也成为热点问题[3]。焚烧法处理城市生活垃圾产生的飞灰富含重金属，如处理不当会造成极大的危害。随着焚烧处理的逐渐推广，焚烧飞灰的妥善处理已日益迫切，其中固化处理操作简单，是应用最普遍的方法[4]。

1　材料与方法

1.1样品采集与成分分析

垃圾焚烧飞灰样品采自广东某垃圾焚烧发电厂，分别于不同时间段采集多个样品，且于实验室混合均匀后备用。

样品成分采用X射线荧光光谱仪进行分析，采用160mA电流、4kW满功率激发，另配备5个分光晶体，对样品中的元素含量进行定量检测。

1.2浸出毒性的检测

采用《固体废物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》(HJ/T300-2007)对飞灰及其固化体进行浸出毒性实验。因飞灰及其固化体均有较强碱性，所以采用该方法中的浸提剂2#(用去离子水稀释17.25m l的冰醋酸至1L，配制后溶液的pH值应为2.64±0.05)作为重金属的浸出溶剂；旋转浸出时间为18±2h；静置3h至固液分离后采用0.45μm微孔滤膜过滤，收集全部滤液即为浸出液。然后采用美国PerkinElmer仪器公司的电感耦合等离子体发射光谱仪对浸出液中的Zn、Pb、As、Cd、Cr、Ni、Cu等元素的含量进行检测。

1.3 飞灰固化实验

1.3.1实验流程

采用图1所示的流程对焚烧飞灰进行固化处理。飞灰、水泥、硅质细料以及添加剂经搅拌机混匀后，注入标准试模成型。实验中使用40*40*160mm标准试模，以便对飞灰固化体进行抗压强度分析。

1.3.2实验方案

采用如表1所示6种不同配比的实验方案对飞灰进行固化处理。在6种不同的配比中，稳定剂用量均为飞灰量的3%，减水剂用量均为总粉末量的0.5%。其中1#与4#飞灰掺量为50%，2#与5#飞灰掺量为60%，3#与6#飞灰掺量为70%。

表1　飞灰固化实验方案

每种配比均制备出了5块固化体，其中3块固化体采用高压蒸养固化，蒸养压力分别为0.5MPa、1.0MPa和1.5MPa；其余2块固化体则采用自然氧护固化，养护时间分别为7d和28d。实验的目的在于比较不同配比的固化体在不同养护条件下的抗压强度和浸出毒性，为工业化应用提供借鉴。

高压蒸养过程采用陶瓷釉面砖抗龟裂实验仪（蒸压釜），型号为TKL-500，额定工作压力2.2Mpa，电阻丝加热，功率9KW。抗压强度采用电液式抗折抗压试验机(型号TSY-300)，最大实验压力300KN，精度等级为1级。

2　结果与讨论

2.1 垃圾焚烧飞灰组成

垃圾焚烧飞灰中重金属的成分和含量与焚烧的垃圾组分、焚烧炉炉型、焚烧条件和烟气处理工艺息息相关[5]，通过对广东某生活垃圾焚烧发电厂的飞灰取样分析，测得飞灰的元素组成主要包括Si、Ca、Al、Fe、O、Cl、S、Mg、Na、K、Ti等，飞灰与水泥一样均属于CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3体系。

2.2 飞灰浸出毒性

采用《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)规定的飞灰重金属浸出方法所得的浸出液中重金属浓度与相应的废物填埋浓度限值见表2。

表2　飞灰浸出毒性

由表2可知，飞灰中大部分重金属的浸出浓度均低于废物填埋浓度限值，但Pb和Cd的浸出浓度却明显超过废物填埋浓度限值，分别为废物填埋浓度限值的12倍和5.7倍。因此，该垃圾焚烧发电厂的飞灰在送至填埋场填埋处置之前，必须进行有效的固化/稳定化处理，使重金属的浸出浓度低于废物填埋浓度限值。

2.3 不同配比及养护条件下固化体的抗压强度

飞灰固化体最重要的工程性质就是抗压强度[6]。不同配比及养护条件下，固化体的抗压强度数据如表3所示。

表3　飞灰固化体抗压强度

由实验结果可知，飞灰掺量越高，固化体的抗压强度越低。飞灰掺量相同的情况下，硅灰的添加对固化体的抗压强度没有明显的影响，这是因为蒸养时间较短，水化反应不彻底，所生成的水化硅酸钙固化体只具备初步的强度。另外，蒸压养护压力对固化体的强度也有较大的影响，在0.5MPa的情况下，6种固化体均有较高的抗压强度。当蒸压养护压力增加至1.5MPa时，所有固化体的抗压强度则降至10MPa以下，从实验的结果就可以看出，直线升温情况下压力过高反而会降低固化体的强度，这是压力上升过快使固化体内外温度不均、内水逸出较快、固化体膨胀及剪应力降低所致。这说明在蒸养过程中，温度及压力的上升速度的减小应有利于固化体强度的提高。

较长时间的自然养护和高压蒸养，固化体都能达到较高的物理性能，自然养护28d后，固化体抗压强度最高可达24.45MPa，略高于蒸养条件下的固化体最高抗压强度22.8MPa。但是，由于自然养护所需时间太长，导致占地面积大，在工业应用中难以实现。0.5MPa压力下蒸养4h制取的固化体的抗压强度均高于自然养护7d制取的固化体的抗压强度，因此，高压蒸养工艺能够最大幅度地缩短飞灰固化时间，提高飞灰处理效率。

2.4 不同配比及养护条件下固化体的浸出毒性

飞灰固化体浸出毒性的高低决定了其能否进入填埋场填埋处置。不同配比的固化体在不同养护条件下的重金属浸出毒性如图2所示。

分析图2的实验结果可知，自然养护条件下固化体的浸出毒性普遍低于蒸养固化条件下固化体的浸出毒性，这可能是自然养护过程中固化体在水中浸泡过所致。

对比图2的结果与表2中的数据可知，自然养护和蒸压养护条件下制取的固化体的重金属浸出浓度远低于飞灰的重金属浸出浓度。另外值得注意的是，实验发现只有当固化体中飞灰的掺量达到70%时，Cd的浸出浓度才会超过废物填埋浓度限值。

另外由该图还可知，蒸养压力的大小对大部分重金属的浸出毒性影响不明显，只有金属Ba的浸出浓度随着蒸养压力的增加而增加。综上所述，固化处理对于降低飞灰的重金属浸出毒性有重要作用。在飞灰掺量不超过70%的条件下，经固化处理后，飞灰中各种重金属浸出浓度均低于废物填埋浓度限值，达到了进入填埋场填埋处置的要求。

3　结论

（1）该生活垃圾焚烧厂飞灰中的大部分重金属浸出浓度均低于废物填埋浓度限值，只有Pb和Cd的浸出浓度超出废物填埋浓度限值。

（2）在飞灰掺量70%，蒸养压力0.5MPa的情况下，固化体仍能获得较高的抗压强度，且蒸养处理能够大幅度地缩短飞灰固化时间，提高飞灰处理效率。

（3）固化处理对于降低飞灰中重金属的浸出毒性有重要的作用。在飞灰掺量不超过70%的条件下，经固化处理后，飞灰中各种重金属浸出浓度均低于废物填埋浓度限值，可满足进入填埋场填埋处置的要求。

[1] 宋丽芸.垃圾焚烧飞灰的资源化研究[D].上海:华东理工大学,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] 卢欢亮,黄晓文.生活垃圾焚烧飞灰固化处理的工程实践[J].环境卫生工程,2007,15(03):15-16.

[4] 彭雯.城市生活垃圾焚烧飞灰中重金属的浸出特性及沥青固化飞灰的实验研究[D].杭州:浙江大学,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] 池东华.垃圾焚烧飞灰在水泥中的固化稳定化研究[D].上海:东华大学,2003.

熊祖鸿(1975-)，高级工程师，从事固体废物资源化利用研究。

彭华平(1986-)，从事固体废弃物资源化利用工作。