生活垃圾焚烧厂飞灰高压压制对重金属浸出毒性的影响研究
2017-07-26赵由才
蒲 敏 张 骏 赵由才
(1.上海市环境工程设计科学研究院有限公司/上海环境卫生工程设计院有限公司，上海 200232；2.同济大学环境科学与工程学院，上海 2000092)
生活垃圾焚烧厂飞灰高压压制对重金属浸出毒性的影响研究
蒲 敏1张 骏2赵由才3
(1.上海市环境工程设计科学研究院有限公司/上海环境卫生工程设计院有限公司，上海 200232；2.同济大学环境科学与工程学院，上海 2000092)
飞灰是生活垃圾焚烧的必然产物，其环境危害和对人们生活的影响巨大，安全填埋是我国生活垃圾焚烧飞灰最主要的处置方式，单位填埋体积较大已逐渐成为阻止安全填埋技术发展的重要因素。本文研究了生活垃圾焚烧厂飞灰高压压制对重金属浸出的影响，以及高压条件下降低飞灰重金属浸出毒性的变化趋势。结果表明，飞灰压制后，浸出毒性至少降低30%～70%。
飞灰；浸出毒性；高压
生活垃圾经焚烧后，会产生占垃圾总量23%左右的底灰及3%～5%的飞灰。其中，飞灰是由焚烧炉产生的烟气经反应塔进行中和、净化后，掺以一定量的吸附剂，再由高效除尘分离器分离而产生。飞灰主要包括SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3和硫酸盐、钠盐、钾盐等反应物，还有Hg、Mn、Mg、Sn、Cd、Pb、Cr等重金属元素以及痕量级二噁英类的有机物，另加其他种类污染物，属于危险废物。飞灰呈碱性，其形状像煤灰一样大小，粒径介于0.01～0.15mm范围内。飞灰有2/3以上的化学物质是硅酸盐与钙。另外，生活垃圾焚烧烟气中，含有一定量的未燃尽有机物，故飞灰中的热灼减量在10%左右[1-11]。
GB 18485—2001明确规定焚烧飞灰应按危险废物处理。2008年7月1日起实行的GB16889—2008生活垃圾填埋污染控制标准中明确规定：生活垃圾焚烧飞灰和医疗废物焚烧残渣(包括飞灰底渣)经处理后满足下列条件，可以进入生活垃圾填埋场单独分区填埋处置：①含水质量分数小于30%；②二噁英含量低于3μg/kg( 国际毒性当量值)；③按照HJ/T 300制备的浸出液中危害成分浓度低于国家规定的限值，即可送入生活垃圾填埋场进行分区填埋。
目前飞灰处理方式一般是采用有机多聚磷酸及其盐类化合物作为垃圾焚烧飞灰的稳定剂等方法类似，包括有机多聚磷酸及其盐类化合物为羟基亚乙基二膦酸、氨基三甲叉膦酸、乙二胺四甲叉膦酸钠、二乙烯三胺五甲叉膦酸或多元醇磷酸脂。稳定化处理方法的步骤一般是取一定量的上述稳定剂溶于适量水中，配成溶液，然后将该稳定剂水溶液加入到一定量的焚烧飞灰中，均匀搅拌，配成稳定的基质固体；稳定剂与垃圾焚烧飞灰的配合比例一般为1∶100～5∶100[2]。药剂的成本一般不低，故迫切的需要一种低成本、高效益的方法来解决上述问题。
1 实验装置
试验建立了一套飞灰压制装置，主要有定制的一副飞灰压制模具和500t的油压机组成，如图1、2所示，主要由五个部分组成，从上至下，上部的三个部件为压制的主体部分，推杆的主要作用是将压制好的飞灰模块送出来，底座的作用是承受巨大重量，保护上面的四个部件。
图1 高静压压制高密度飞灰模块飞灰压制模具
图2 高静压压制高密度飞灰模块500 t油压机
调试设备后分别用不同压强来压制原生飞灰，使其成为大比重模块，研究压强与飞灰密度变化之间的关系，共分为如下(表1)实验。
表1 高静压压制高密度飞灰模块中压强与飞灰密度变化实验组基本情况列表
原生飞灰中的重金属含量超标，混合固化飞灰可以降低浸出毒性，为研究原生飞灰与固化飞灰混合压制过程中的重金属浸出毒性的变化，设计了如表2实验组。
表2 高静压压制高密度飞灰模块原生飞灰与固化飞灰混合对重金属浸出毒性的影响实验组基本情况列表
2 实验结果与讨论
试验的原生飞灰与固化飞灰取自上海市老港固体废弃物处置公司，具体性质如表3、4所示。
表3 飞灰浸出毒性重金属含量分布表
表4 固化后飞灰浸出毒性重金属含量分布表
为了研究高静压压制飞灰模块中重金属浸出毒性的变化趋势，选取了As、Cd、Cr等8种重金属来代表其变化趋势，压强梯度压强梯度与原生飞灰重金属浸出毒性的具体数据如表5所示。
表5 高静压压制飞灰模块中重金属浸出浓度的变化
注：除最后一组实验使用的是固化飞灰外，其余皆为原生飞灰。
图3至7是不同压强下Cd、Cr、Hg、Pb、Zn的浸出毒性变化图。
图3 高静压压制飞灰模块中重金属Cr的浸出毒性与压强之间的关系
图4 高静压压制飞灰模块中重金属Cu的浸出毒性与压强之间的关系
图5 高静压压制飞灰模块中重金属Hg的浸出毒性与压强之间的关系
图6 高静压压制飞灰模块中重金属Pb的浸出毒性与压强之间的关系
图7 高静压压制飞灰模块中重金属Zn的浸出毒性与压强之间的关系
高静压压制飞灰模块中多种重金属的浸出毒性与压强之间的关系比较复杂，不同的重金属在不同压强时所表现的规律并不单一。(1)Cr、Pb、Zn在压力作用下浸出毒性明显降低，从0MPa(无压力状态)到加压，浸出毒性的浓度显著降低，但是只要有压力因素介入，有压力的各个状态之间，浸出毒性不随着压强变化而变化，高低变化没有趋势，呈现无关状态；(2)Cu的浸出毒性浓度与Cr、Pb、Zn类似，但是降低幅度不大以至于数据混乱；(3)Hg的浸出毒性浓度基本维持在一个水平范围上，与压强无关，其原因可能是因为：①浓度本身比较低，为0.05mg/L，去除空间不大；②Hg属于易挥发重金属，但压制过程中无大的温度变化；③重金属的测定需要将样品磨碎，Hg不易于飞灰中的其他物质发生反应，容易被浸出。
图8 高静压压制对于重金属浸出的影响示意图
由于飞灰的浸出毒性标准按照国标《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别(GB5085.3-2007)》中必须将飞灰研磨至100目，所以飞灰颗粒在体积上相差不大。如图8所示，A代表原生飞灰及其浸出过程，B代表压制飞灰及其浸出过程，首先B比A多了压制过程，压制过程中体积变为原来的1/2，质量不变，A的质量、重金属含量为m、n，B的质量、重金属含量为2m、2n，由于浸出过程是从表面开始的，A与B的表面积相同，所以相同时间内浸出的重金属的量相同[4-11]，假设浸出的重金属的质量为c，那么A的浸出率、浸出浓度为c/n，c/m，B的浸出率、浸出浓度为c/2n、c/2m。上述过程均建立在理想条件下，从表5-3中的数据可知，密度上升一倍，重金属浸出毒性下降的量达不到一半，这是因为重金属浸出量均为c的前提条件是飞灰颗粒在浸出过程中结构不被破坏，当结构被破坏时，A、B重金属的浸出量最大为n、2n，当浸出过程中飞灰的结构为部分破坏时，A的浸出率、浸出浓度为c/n～b/n，c/m～b/m，B的浸出率、浸出浓度为c/2n～b/n、c/2m～b/m，可以得到明显的结论：当飞灰结构被完全破坏重金属全部浸出时，A与B的浸出率、浸出浓度相同；A的浸出率≤B的浸出率，A的浸出浓度≤B的浸出浓度。以重金属Pb为例，可以估算得到飞灰在浸取过程中结构被破坏的占总量的30%～40%。所以总的来说，高静压对于飞灰重金属的固定有着一定的效果。
3 结 论
高静压压制飞灰大比重模块具有可行性，使用该工艺可以减少50%～80%飞灰的体积，增长填埋场的使用寿命。高压条件下，Cr、Pb、Zn在压力作用下浸出毒性明显降低，从0 MPa(无压力状态)到加压，浸出毒性的浓度显著降低，Cu的浸出毒性浓度与Cr、Pb、Zn类似，但是降低幅度不大；Hg的浸出毒性浓度基本维持在一个水平范围上，与压强无关。总体上讲，飞灰压制后，浸出毒性至少降低30%～70%。
[1]Zhao Youcai and Lou Ziyang，
[2]Zhao Youcai，
[3]Zhao Youcai and Zhang Chenglong.< Pollution Control and Resource Reuse for Alkaline Hydrometallurgy of Amphoteric Metal Hazardous Wastes>，Springer International Publishing AG.2017 (Gewerbestrasse 11 6330 Cham，Switzerland)
[4]赵由才等著，《可持续生活垃圾处理与处置》，化学工业出版社，北京，2007.
[5]赵由才，蒋家超，张文海编著，《有色冶金过程污染控制与资源化》，中南大学出版社，2012.
[6]赵由才，张承龙，蒋家超编著，《碱介质湿法冶金技术》，冶金工业出版社，北京，2009.
[7]赵由才主编，同济大学研究生教材《固体废物处理与资源化技术》，同济大学出版社，上海，2015.
[8]赵由才主编，《生活垃圾处理与资源化》，化学工业出版社，北京，2016.
[9]孙英杰，赵由才等编，高等学校教材《危险废物处理技术》，化学工业出版社，北京，2006.
[10]赵由才等著，《环境卫生工程丛书——可持续生活垃圾处理与处置》，化学工业出版社，北京，2007.
[11]柴晓利，赵爱华，赵由才，主编.《固体废物处理与资源化丛书——固体废物焚烧技术》，化学工业出版社，北京，2005.
[12]宋立杰，陈善平，赵由才，编.《可持续生活垃圾处理与资源化技术》，化学工业出版社，北京，2014.
Mechanical Compression of Refuse Incineration Fly Ash and Its Leaching Toxicity Reduction Using High Pressure Device
PU Min1ZHANG Jun2ZHAO Youcai2
(1.Shanghai Institute for Design & Research on Environmental Engineering Co.Ltd，Shanghai 200232； 2.Environmental Science and Technology College，Tongji University，Shanghai 200092)
The generation quantity in the world is huge and its recycling is an urgent task for the human being.In this work，the fly ash from refuse incineration plants was compressed so that the volume and leaching toxicity can be reduced considerably and the landfill capacity can thus be saved.When the fly ash was compressed using high pressure device，its leachability of toxicity of the resultant compressed fly-ash-bulk can be decreased by at least 30%～70% as the partial conversion of the solubles of heavy metals to the insolubles may occur due to the high pressure compression.
Fly ash；Extraction toxicity；High pressure
项目资助：污泥项目编号14DZ1208400；飞灰项目编号16DZ1202900
蒲敏，高级工程师，研究方向为环境保护
文献格式：蒲 敏 等.生活垃圾焚烧厂飞灰高压压制对重金属浸出毒性的影响研究[J].环境与可持续发展，2017，42(4)：61-64.
X21
A
1673-288X(2017)04-0061-04
