城市垃圾焚烧飞灰处理方法水泥固化

1、城市垃圾焚烧飞灰处理方法水 泥固化城市垃圾焚烧飞灰处理方法水泥固化摘要：垃圾焚烧处理的广泛应用使得飞灰引起的 污染问题成为焦点， 水泥固化是一种行之有效的 稳定化方法。介绍了近年来国内外水泥固化垃圾 焚烧飞灰的研究进展， 并总结了固化过程中需要 注意的重金属和安定性等问题， 最后指出了水泥 固化技术的发展方向。关键词：垃圾焚烧；飞灰；水泥；固化 焚烧是一种高温热处理技术， 由于焚烧处理可以 实现城市垃圾热能回收、减容、减重等目的，因 而得到较快发展。 焚烧处理后产生的灰渣分为飞 灰和底渣，后者已经被广泛应用于筑路、制砖、 玻璃制造以及混凝土生产等方面。然而产生的飞 灰由于含有 ZnZn 、Pb

2、Pb、CuCu、CrCr 等重金属和二恶 英等剧毒有机污染物， 对人体健康和生态环境具 有极大的危害性。 故对于垃圾焚烧飞灰要求经过 固化/稳定化之后进行安全填埋。Masashi5Masashi5研 究将飞灰和水泥混合， 经水化作用形成坚硬的水 泥固化体；Katsuno-riKatsuno-ri 采用高温熔融工艺固化垃 圾焚烧飞灰；宋立杰还采用 硫化钠 和硫脉对垃圾 焚烧飞灰进行了化学药剂稳定化处理。 水泥固化与其他固化/稳定化方法相比， 在技术 和经济上更具可行性， 具有操作管理简单、 安全 可靠、运行费用低廉等特点， 国内外同行对此做 出了许多卓有成效的工作。 本文对国内外水泥固 化垃圾焚

3、烧飞灰的研究进展进行了综述。1 1 垃圾焚烧飞灰的物理化学性质1.11.1 物理性质 飞灰是由烟器净化系统 (Air(Air pollutionpollutioncontrolcontrol systemsystem APCAPC)收集的细颗粒物质，大约占灰渣总质量的 100010002020%。刚捕集下来的飞灰通常 是含水率较低的细小尘粒， 颜色从白色到灰色和 黑色不等，其形状有扁平和圆形的， 也有球形的。1.21.2 化学性质 无机化学性质 垃圾焚烧飞灰中的主要元素为 O O、SiSi、CaCa、AlAl、ClCl、NaNa、K K、S S、FeFe。飞灰中可溶性盐含量较高， 其总溶解盐浓

4、度比饮用水标准高出几个数量级， 因此飞灰在填埋时， 需要注意其溶解盐问题。 另 外，由于垃圾成分的不确定性， 不同焚烧厂产生 的飞灰化学组成不同， 同一焚烧厂不同时间产生 的飞灰，其化学组成的差别也较大。有机化学性质 飞灰中含有少量的二恶英和呋喃，含量见表 1 1。通过电镜观察发现，其中大部分飞灰中的有机物 是未燃尽的城市固体废物。表 1 1 垃圾焚烧渣中痕量有机污染物（ng/gng/g）PCDDsPCDFsPCRsStyle ofBottomFlyBottomFlyBottom FlyMMC ashashEshashashashashConcentration NIM. 4470NI0.53

5、1Q重金属浸出特性飞灰中含有 ZnZn、PbPb、CuCu、CrCr 等有害重金属， 这些元素主要来自居民垃圾（如小型铅蓄电池、 镍镉电池，含铜、镉、砷的木材以及含锑的防火 产品等）。如 HgHg、CdCd 等蒸气压高、沸点低的易 挥发元素，常常在飞灰中富集；FeFe、CuCu、NiNi 等 难挥发的元素则滞留于底渣中，它们在飞灰中的 出现主要是靠飞灰颗粒的携带完成的。2 2 水泥固化技术水泥固化是将垃圾焚烧飞灰和水泥按一定比例 混合，加入适量的水，经水化反应后形成坚硬的 水泥固化体的方法，可以达到降低飞灰中危险成 分浸出毒性的目的。基本原理在于通过固化包 容，减少飞灰的表面积和降低其可渗透性

6、，达到 稳定化、无害化的目的。根据国内外学者所做的 研究工作，笔者大致将其分为两类。2.92.9 处理与处置LineLine 研究了 3 3 种不同的水泥对垃圾焚烧飞灰的 固化作用。研究表明，飞灰掺量在1010%4040%时，水泥的初凝和终凝时间会有不同程度的延 长。另外，飞灰的引入会使试样整体强度的增长 放缓，飞灰掺量在 1010% 2020%时，混合体的强 度与相应的纯水泥的强度相比没有明显下降， TCLPTCLP 的测试也符合美国环保署的标准。JasmineJasmine 设法使用尽可能少的水泥将焚烧飞灰固 化，焚烧飞灰取自我国东部某城市， 采用了飞灰 比例分别为 9191%和 7777

7、%的两组样品试验。在水 灰比为 0.50.5 时，试块的重金属浸出浓度符合我国 标准，强度值也符合垃圾填埋装卸和运输的标 准。在水灰比为 0.40.4 时，7777%飞灰掺量的水泥试 块对于 PbPb 的固化效果有了显著的提高， jasminejasmine 认为这是由于减少用水量以后， 水泥浆的密度提 高进而使浆体结构更趋于紧密。 水泥固化是对垃圾焚烧飞灰有效的处理处置方 法之一，美国环保署已将水泥基材料固化列为处 理有毒有害废物的最佳技术 。目前国内外对垃圾 焚烧飞灰的处置着重于无害化处理后作为废弃 物进行填埋， 但是这种处理处置方式存在如下问 题：处理后废物体积增加；新的填埋场有限； 存

8、在长期稳定性问题， 飞灰中特殊的盐类和有 机物的分解容易造成固化体破裂， 从而造成再次 污染。 因此， 根据循环经济的理念， 寻找合适的 垃圾焚烧飞灰资源化途径， 已经成为解决飞灰污 染问题的当务之急。2.22.2 资源化利用 垃圾焚烧飞灰的主要成分为 SiOSiO2、AlAl2O O3、FeFe2O O3和 CaOCaO 等，与目前常用的高炉矿渣、粉煤灰等 辅助性胶凝材料组成十分类似， 而且飞灰颗粒微细，易与其他物质反应生成新的物相， 因此有望 将垃圾焚烧飞灰开发成一种辅助性胶凝材料与 水泥共用，实现其资源化利用， 减轻填埋场的负 担。针对垃圾焚烧飞灰与水泥共用过程中出现的 诸如力学强度不足

9、、体积安定性不良、 凝结时间 增长等缺点，国内外学者在垃圾焚烧飞灰胶凝材 料化方面做了很多研究， 为垃圾焚烧飞灰的资源 化作出了努力。 同济大学的岳鹏等利用城市垃圾焚烧飞灰制备 新型辅助性胶凝材料 。研究结果表明， 焚烧飞灰 可以延缓水泥的凝结硬化，具有一定的胶凝活 性，但在水泥中的掺量不宜过大； 与矿渣复合后 可以改善焚烧飞灰的胶凝活性，提高水泥浆体的 强度；焚烧飞灰中的重金属可被固化于水泥水化 产物中，不会对环境造成污染。ShihShih 采用筛分、研磨和磁性分离的方法对飞灰 进行预处理，以去除其中的碎片、盐类和金属成 分。当处理后的飞灰掺量在 5%5%以内时，水泥试 样的强度几乎没有变化

10、（图 1 1）;当掺量超过 1010 % 时，由于飞灰含量增加引起的 CaOCaO 成分不足导 致了强度的下降；当飞灰掺量为 15%15%时，通过 加入适量的 CaOCaO 对混合物的化学成分作了弥 补，使水泥的强度满足了要求。401-同济大学的岳鹏等利用城市垃圾焚烧飞灰制备 新型辅助性胶凝材料。研究结果表明，焚烧飞灰 可以延缓水461祈站丰敦翎&MR ash rrplacemtni/%-J day*7dflyi*28 days32O孟un泥的凝结硬化，具有一定的胶凝活 性，但在水泥中的掺量不宜过大；与矿渣复合后 可以改善焚烧飞灰的胶凝活性，提高水泥浆体的 强度；焚烧飞灰中的重金属可被

11、固化于水泥水化产物中，不会对环境造成污染。ShihShih 采用筛分、研磨和磁性分离的方法对飞灰 进行预处理，以去除其中的碎片、盐类和金属成 分。当处理后的飞灰掺量在 5%5%以内时，水泥试 样的强度几乎没有变化（图 1 1）;当掺量超过 1010 % 时，由于飞灰含量增加引起的CaOCaO 成分不足导致了强度的下降；当飞灰掺量为 15%15%时，通过 加入适量的 CaOCaO 对混合物的化学成分作了弥 补，使水泥的强度满足了要求Ageing Density Open Strength Surface area Poredays g/cn? porosity/% MPadiameter/nm1

12、L936.085938L771*8512.785士52910,928LS411.747士425忠L忙M图2 T天的M M图中苒矽小裂纽图 3 3 2828 天的 SEMSEM 图中有大的裂痕PolettiniPolettini 采用电除尘飞灰研究了使用外加剂来 调整水泥浆体的凝结时间。结果表明，对于SiSi、AlAl 含量高的电除尘飞灰，当掺量在 3030%时，所 得混合物的凝结时间与水泥相比变化不大；当飞灰掺量达到 5050%时，水泥的硬化时间有所延迟。 对于NaNa、K K 含量高的电除尘飞灰，加入 NaNa2SiOSiO3或 CaCSCaCS 可以有效地缩短混合物的凝结时间。3 3 存在

13、的问题3.13.1 重金属控制 垃圾焚烧飞灰中重金属的控制是水泥固化中需 要关注的问题。施惠生等发现，随着 pHpH 的升高， 浸取液中重金属浓度逐渐降低，当 pHpH 达到 1010以后，浸取液中重金属的浓度迅速降低。 ArickxArickx 研究发现，高温热处理 或者使用 柠檬酸铵溶液 处 理可以有效降低 CuCu 和其他重金属的浸出。蒋建 国等研究发现， 在固化时加入 Na2SNa2S 对于 Cd2+Cd2+、 Cu2+Cu2+和 Zn2+Zn2+等离子的稳定化效果非常明显，当 投加 0.5%Na2S0.5%Na2S、 5 5水泥时，上述 3 3 种离子的 浸出浓度分别只有0.117m

14、g/L0.117mg/L、 0.168mg/L0.168mg/L 和 1.004mg/L1.004mg/L,远远低于国家控制标准。AubertAubert 的 研究表明，使用 Na2CO3Na2CO3 对飞灰进行预处理或 者采用 RevasaRevasaI I 方法处理后，固化体具有更高的 力学强度，但是对 SbSb 和 CrCr 等重金属的固化效 果不明显。在水泥固化垃圾焚烧飞灰的过程中， 对于重金属 的稳定是通过多种途径进行的。大体来说有 4 4 种：大比表面积的水化产物对重金属的物理吸附 作用；凝胶中大量纳米级微小孔隙对重金属的物 理包容作用；重金属离子与凝胶晶格中 Ca2+Ca2+、

15、AI3+AI3+、Si4Si4+ +等离子产生的同晶替代作用；以及高碱环境下重金属离子的沉淀反应。对垃圾焚烧飞 灰进行预处理可以减少固化后重金属的浸出，其 关键在于选择合适的预处理方法。提高 PHPH 值以及适当的化学药剂稳定是比较有效的手段，此外 还需要考虑由于飞灰中氯离子的存在而造成的 对控制重金属浸出的副作用。3.23.2 安定性不良的原因 在固化垃圾焚烧飞灰的过程中发现了安定性不 良的现象，产生膨胀的速度很快，并致使试样开 裂、强度降低，甚至破坏。许多学者对飞灰膨胀 原因进行了研究。AubertAubert 的研究认为， AlAl 在碱性环境下反应生成 H2H2 是飞灰产生膨胀的主要原

16、因。2AH-2OH +2HiO-*2A(X十3出AuberAubert t通过测量A Al l氧化时产生的氢气量来判定 飞灰中AlAl 的含量，并且研究了当飞灰掺量为 2525%时水泥试样的膨胀程度。结果表明，在最初 的几个小时内，试样体就有了明显的膨胀，力学 性能测试也表明，膨胀产生的孔洞使固化体的力 学性能降低。PecqueuPecqueur r认为3 3种原因最终都可能引起固化体 的膨胀：金属 AlAl 被氧化；钙矶石的形成；CaOCaO 和 MgOMgO 形成氢氧化物。 通过对上述 3 3 种 可能产生膨胀的原因进行对比研究， PecqueurPecqueur 发现 AlAl 所引起的

17、膨胀比钙矾石以及氢氧化物引 起的膨胀更明显而且产生十分迅速， 在几个小时 内就会对试块的安定性产生严重影响。 钙矾石以 及氢氧化物引起的膨胀是缓慢而长期的， 通常需 要几个月甚至几年的时间。因此PecqueurPecqueur 认为 金属 AlAl 是试块产生膨胀的直接原因。金属 AlAl 的存在给焚烧飞灰的处理处置以及再利 用带来了困难。焚烧底渣也由于含有 AlAl 而存在 类似的问题， BertoliniBertolini 用水泥固化底渣的时候， 发现将底渣湿磨处理后膨胀现象会消失（图4 4），而将底渣干磨处理后，试块表面仍会产生膨胀， H2H2 产生气泡的直径在几毫米左右（图 5 5）。 BertoliniBertolini 的研究对于消除飞灰所引起的膨胀具 有借鉴意义。图i湛岸底養左1与干沪底渣右)成型对比图 5 5 干磨底渣成型试块中的凹陷孔洞4 4 结语垃圾焚烧飞灰所引起的污染问题已经引起了人 们的广泛重视。要做到飞灰的无害化处理及其资 源化，必须从环境、技术和安全等角度进一步深 入研究。水泥固化作为一种经济且行之有效的方 法，已经从单纯的固化后填埋发展到对飞灰的资 源化利用上面，且垃圾焚烧飞灰和水泥相近的组 成也为