水泥固化技术用于垃圾焚烧飞灰的处理

杜渐

太原师范学院化学系（030001）

水泥固化技术用于垃圾焚烧飞灰的处理

杜渐

太原师范学院化学系（030001）

用硅酸盐水泥对城市垃圾焚烧产生的飞灰进行固化，分析了飞灰掺量对固化强度、重金属浸出性能的影响，结果表明：飞灰经硅酸盐水泥固化后，固化体抗压强度随飞灰掺量增大而减小；随着硅酸盐水泥用量的减少，Pb和Cd等重金属离子更容易从固化体中浸出，为提高固化效果，需要进一步提高水泥浆体的密实度。

垃圾飞灰；水泥固化；重金属浸出

0 引言

随着我国城市现代化进程加速及城市人口的增长，城市生活垃圾的产生量每年呈现递增趋势。如何安全有效地处理、消减城市生活垃圾是我国城市发展及环境保护面临的重要课题。目前，城市垃圾的处理方法主要有填埋、焚烧和堆肥等方式。其中焚烧技术对于固体废弃物的减量减容效果显著，能够实现垃圾的无害化，且焚烧过程可以利用其热量进行发电，该方法是一种先进的处理方式。但是，城市生活垃圾成分复杂，经过焚烧后的飞灰内重金属(如铅、镉、锌等)含量较高，对环境危害较大，属于危险废物，需要妥善处理。对于飞灰的处理方法主要有水泥固化、化学药剂固化、热处理(熔融和烧结)等方式。水泥固化技术因原料易得、操作简便、处理成本低廉、无二次污染等特点，被美国环保局列为有毒有害废物的最佳处理技术。掺入灰渣后水泥的物理强度及重金属离子的浸出性能对水泥固化技术非重要。本论文以我国北方某垃圾焚烧厂飞灰为原料，用硅酸盐水泥对焚烧飞灰固化进行研究，以期为城市垃圾焚烧飞灰的无害化、资源化利用提供一定的试验基础。

1 试验部分

1.1试验材料

1）飞灰样品：取自我国北方某城市生活垃圾焚烧发电厂，焚烧飞灰的主要矿物成分为CaO、Cl、K2O、SO3、Al2O3、Fe2O3等，其它为重金属或其它物质。

表1 生活垃圾焚烧飞灰的组成

2）固化材料：52.5 MPa硅酸盐水泥，河南同力水泥有限公司生产。

3）仪器设备：NRJ-411A水泥胶砂搅拌机、YH-20B型标准恒温恒湿养护箱、水泥压力试验机、50 mm×50 mm水泥试模。

1.2 试验方法

1.2.1 固化体制备方法

飞灰和水泥按照20%，40%，60%，80%比例进行配比实验，水灰比为0.425，先将飞灰与水泥、水的混合物放入搅拌机搅拌均匀后，再搅拌3～5 min后装入50 mm×50 mm水泥试模，标准养护 (湿度95%，温度(20±2)℃，24 h后脱模，将脱模后的固化体分别进行3 d、7 d和28 d标准养护后备用。

1.2.2 重金属浸出浓度测量

按照 《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T 299—2007)和《固体废物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》(HJ/T 300—2007)规定的方法进行浸出实验。所得固液混合物经压力过滤器(微孔滤膜为0.6～0.8 μm)后，收集全部液体用于测试重金属离子含量。

2 结果与讨论

2.1 飞灰掺量对固化体抗压强度的影响

采用水泥固化技术处理危险废物，其固化体应具有一定的抗压强度，以避免固化体受挤压后破碎而造成更大环境危害。不同飞灰掺量固化体在标准养护不同龄期进行抗压强度测量，结果如图1所示。从图1可知，固化体抗压强度随飞灰掺量增大而减小，其度随着飞灰掺量20%提高到80%，其3天抗压强由27.3 MPa降低至3.2 MPa，其28 d抗压强由36.1.3 MPa降低至7.5 MPa。尽管文献报道飞灰具有一定的潜在活性,但是飞灰活性很低、黏结性能差，当水泥含量较高时，其水化产物的钙矾石和C-S-H凝胶数量增大，能提高固化体抗压强度；但是，当飞灰掺量较高时，固化体抗压强度显著降低。为了保证固化浆体适当的28 d抗压强度大于22.5 MPa，飞灰掺量在固化体中的掺量应不高于60%。

图1 固化体抗压强度随飞灰掺量变化

2.2 不同飞灰掺量固化体浸出毒性分析

不同飞灰掺量下固化体中重金属Pb和Cd浸出浓度如图2所示。由图2可知，随着飞灰掺量的增加，固化体中Pb和Cd浸出浓度随之增大，且浸出范围分别为0.62～1.58 mg/L、0.06～0.36 mg/L，这主要是因为：一方面固化体中飞灰掺量越大，重金属含量相对提高，固化体中重金属质量浓度增大，致使重金属浸出浓度增大；另一方面是随着飞灰掺量加大，水泥量减少，影响水泥水化产物生成量减少，致使含飞灰固化体强度降低、结构松散，重金属容易浸出。为提高固化效果，需要进一步改性成型工艺，如减小水灰比、掺适量外加剂等措施，提高水泥浆体的密实度，防止重金属离子浸出。

图2 不同飞灰掺量下固化体中重金属Pb和Cd浸出浓度

2.3 水泥固化重金属离子的机理分析

水泥对飞灰进行固化时，水泥水化后一般形成钙矾石和C-S-H凝胶等,能够将飞灰的的重金属离子进行包裹固定;同时飞灰具有一定的潜在活性，也能够参与到水化反应过程,同C-S-H凝胶结合形成网络结构固定其中。另外，水泥浆体具有较强的碱性，使得飞灰中的重金属离子能够形成难溶的氧化物或碳酸盐等，从而有效防止重金属浸出。

3 结论

本研究采用硅酸盐水泥固化城市生活垃圾焚烧飞灰，分析了飞灰掺量对固化强度、重金属浸出性能的影响，得出以下结论：

固化体抗压强度随飞灰掺量增大而减小，为了保证固化浆体28 d抗压强度大于22.5 MPa，飞灰掺量应不高于60%。

飞灰经硅酸盐水泥固化后，随着飞灰掺量的增加，固化体中Pb和Cd浸出浓度随之增大，且浸出范围分别为0.62～1.58 mg/L、0.06～0.36 mg/L,为提高固化效果，需要进一步提高水泥浆体的密实度。