城市生活垃圾焚燒固體殘余物的處理研究

李　萍

摘 要：城市生活垃圾焚燒飛灰會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生危害，必須進(jìn)行無(wú)害化處理，而如何處理這些不斷增長(zhǎng)的焚燒固體殘余物便成為橫亙?cè)谌藗兠媲暗囊粋€(gè)難題，本文主要介紹一種水泥固化處理法。

關(guān)鍵詞：城市生活垃圾 焚燒 固體殘余物 水泥固化處理

城市生活垃圾焚燒所產(chǎn)生的固體殘余物中含有較高含量的重金屬、無(wú)機(jī)鹽類(lèi)和其它有機(jī)化合物。它們未經(jīng)處理便直接填埋時(shí)，其中的上述污染物會(huì)析出從而污染環(huán)境。例如：對(duì)人類(lèi)而言，砷、鎳以及它們的化合物等具有致癌性。六價(jià)鉻會(huì)引起細(xì)胞突變，吸入1~2gHgCl2是致命的。植物從城市生活垃圾焚燒灰中吸收重金屬，而過(guò)量的重金屬通過(guò)植物的吸收進(jìn)入食物鏈對(duì)人體健康產(chǎn)生危害。此外，更為嚴(yán)重的是某些種類(lèi)的城市生活垃圾焚燒固體殘余物的浸出毒性實(shí)驗(yàn)也表明它們具有一定的潛在毒性。因此，必須對(duì)城市生活垃圾焚燒所產(chǎn)生的固體殘余物進(jìn)行處理，本文中試采用水泥固化處理法。

一、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）實(shí)驗(yàn)材料

水泥固化實(shí)驗(yàn)中所使用的水泥為32.5復(fù)合硅酸鹽水泥（摻礦渣），即P·C·32.5。實(shí)驗(yàn)所使用的砂子為水泥強(qiáng)度試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)砂。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

制作凈漿實(shí)驗(yàn)時(shí)所采用的水泥凈漿攪拌機(jī)為雙轉(zhuǎn)雙速水泥凈漿攪拌機(jī)，并采用與之配套的雙轉(zhuǎn)雙速水泥凈漿攪拌機(jī)電腦程序控制器；制作砂漿實(shí)驗(yàn)時(shí)所使用的水泥膠砂攪拌機(jī)采用與之配套的水泥膠砂攪拌機(jī)程控器。

制成的水泥凈漿和砂漿在水泥砼標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)室的控制溫度和相對(duì)濕度采用溫濕度顯示控制儀控制。在本試驗(yàn)中，溫度控制在25℃（25.5～24.2℃），相對(duì)濕度控制在95％。之所以將相對(duì)濕度定為95%，是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)時(shí)較高的相對(duì)濕度有利于水泥固化產(chǎn)物的水合作用，從而避免浸出現(xiàn)象的發(fā)生。

測(cè)定固化產(chǎn)物（凈漿和砂漿）的抗壓強(qiáng)度采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，其最大負(fù)荷為10t，100kN材料試驗(yàn)機(jī)，分為三檔：A：0~20kN；A＋B：0~50kN；A＋B＋C：0~100kN。

（3）實(shí)驗(yàn)步驟

凈漿試驗(yàn)中制作凈漿的模子尺寸為2×2×2mm。實(shí)驗(yàn)中水與固體（包括水泥和焚燒固體殘余物）之比為0.3。所做的試驗(yàn)有：不加入殘余物，即原始控制實(shí)驗(yàn)；加入的殘余物代替部分水泥所需做的實(shí)驗(yàn)，其中包括有殘留物占10%的固體、殘留物占20%的固體、殘留物占30%的固體、殘留物占50%的固體和殘留物占80%的固體，編號(hào)分別為a1～a5，b1~b5等依次類(lèi)推。

砂漿試驗(yàn)中制作砂漿的模子尺寸為2×2×2mm。水與水泥之比為0.5。所做的實(shí)驗(yàn)有：不加入殘余物，即原始控制實(shí)驗(yàn)；加入的殘余物代替部分砂子所需做的實(shí)驗(yàn)，其中包括殘余物占5%的水泥、殘余物占10%的水泥、殘余物占15%的水泥、殘余物占25%的水泥和殘余物占40％的水泥，編號(hào)分別為b-1~b-5，c-1~c-5和d-1~d-5，a和e最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)未做，因此編號(hào)分別為a-1~a-4和e-1~e-4。

按照上述比例，將殘余物、水泥、水和砂子（凈漿實(shí)驗(yàn)中未加）在凈漿攪拌機(jī)（或砂漿攪拌機(jī)）充分混合，得到的泥漿按標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)，放入模子中，并進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)。然后模子的上表面用鋼片刮平。為防止水分散失，在20～25℃和90％濕度的飽和空氣中用聚乙烯膜蓋住并存放一天。成型后的模子在濕房間里（20±1℃）存放24小時(shí)，然后再脫模。脫模后的樣品存放在水泥砼標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，后測(cè)量上述兩種固化產(chǎn)物的3、7、28、91天強(qiáng)度，并對(duì)其中的某些固化樣品進(jìn)行浸出毒性的實(shí)驗(yàn)。

二、結(jié)果與分析

城市生活垃圾焚燒固體殘余物的固化和資源化利用必須滿(mǎn)足工程性質(zhì)要求和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)方面的規(guī)定。由于抗壓強(qiáng)度和浸出毒性是上述要求中的兩個(gè)典型特征，為此，需要對(duì)殘余物固化產(chǎn)物進(jìn)行強(qiáng)度分析和浸出毒性分析。

在制作凈漿的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著城市生活垃圾焚燒固體殘余物加入量的增加，固化產(chǎn)物得延遲作用（起始及最終硬化時(shí)間的延遲）會(huì)變得更明顯，尤其是焚燒爐A的飛灰和底灰。Mangialardi等人也認(rèn)為隨著城市生活垃圾焚燒飛灰和水泥混合物中加入飛灰的含量的增加，固化產(chǎn)物的延遲現(xiàn)象（起始及最終硬化時(shí)間的延遲）會(huì)變得更明顯。當(dāng)焚燒爐A的飛灰的加入量超過(guò)40%和焚燒爐A的底灰的加入量超過(guò)70％時(shí)，樣品在24小時(shí)后脫模時(shí)都沒(méi)有固化，因此焚燒爐A的飛灰的兩個(gè)樣品（b4和b5）和底灰的一個(gè)樣品（c5）未能進(jìn)行下面的實(shí)驗(yàn)分析。通過(guò)分析，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于它們含有的較高含量的硫酸鹽、氯化物、堿金屬（如K2O）和重金屬等，因而當(dāng)加入的殘余物的量較高時(shí)，使得殘余物和水泥混合物的硬化時(shí)間大大延遲，以至于根本無(wú)法脫模。

1、 抗壓強(qiáng)度

（1）凈漿

隨著城市生活垃圾焚燒固體殘余物的添加量的增加，殘余物與水泥所形成的凈漿的抗壓強(qiáng)度一直下降。所有用殘余物和水泥制成的凈漿的抗壓強(qiáng)度都低于控制樣品的抗壓強(qiáng)度，且隨著殘余物的添加量的增加，這一下降幅度更加明顯。因此影響殘余物制成的凈漿的抗壓強(qiáng)度的主要參數(shù)是殘余物的添加量。

殘余物與水泥形成的凈漿的抗壓強(qiáng)度在28天后增長(zhǎng)明顯，甚至到91天時(shí)才增長(zhǎng)較快，這表明殘余物的凈漿的早期抗壓強(qiáng)度的形成緩慢。因此加入殘余物的火山質(zhì)反應(yīng)一般一個(gè)星期后才開(kāi)始，而在這之前，殘余物的行為就象中性物質(zhì)那樣。

將城市生活垃圾焚燒固體殘余物加入水泥中制作凈漿的實(shí)驗(yàn)主要是考察殘余物的水泥特性，以及它們能否代替部分水泥而應(yīng)用于建筑行業(yè)中。有研究表明，殘余物的水泥特性隨三種主要氧化物（Al2O3、Fe2O3、SiO2）的減少而增強(qiáng)。而且，隨總Si、Al和Fe的氧化物的含量的增加，凈漿的抗壓強(qiáng)度下降。

由于加入了城市生活垃圾焚燒固體殘余物，致使其所制成的固化產(chǎn)物的Si含量的有所增加，便降低C-S-H（鈣硅水化物）的C/S（C為CaO，S為SiO2）摩爾比。而低C/S摩爾比的C-S-H比高C/S比的C-S-H能保留更多的用于惡性擴(kuò)展的堿金屬。相應(yīng)的，C-S-H保留的堿金屬的量越多，留下來(lái)用于惡性擴(kuò)展的堿金屬的量越少，因此也就降低了固化產(chǎn)物中的堿金屬量。從而，使得加入了殘余物的固化產(chǎn)物能更好地控制惡性堿金屬與粘結(jié)料間的反應(yīng)。

（2）砂漿

可以得到與凈漿所觀察到相類(lèi)似的結(jié)論，即殘余物所制成的砂漿的強(qiáng)度在28天以后才表現(xiàn)明顯，這同樣可以用殘余物制成的砂漿的早期抗壓強(qiáng)度的形成緩慢來(lái)解釋。

在殘余物制成的砂漿中，可以明顯看出殘余物的添加量并不是最主要的影響砂漿強(qiáng)度的因素。在我們研究所加入的添加量的范圍內(nèi)，一般都存在一個(gè)相對(duì)較大值，如焚燒爐A的飛灰和焚燒爐B的飛灰為15%，焚燒爐A的爐排灰則為5%，焚燒爐A的底灰和焚燒爐B的底灰為10%。相比較而言，飛灰制成的砂漿的抗壓強(qiáng)度比爐排灰和底灰制成的砂漿的抗壓強(qiáng)度要低。

2、浸出特性

當(dāng)城市生活垃圾焚燒固體殘余物被水泥固化后，固化產(chǎn)物中人們所關(guān)心的某些組分可能會(huì)通過(guò)浸出而進(jìn)入土壤和水體，這是一個(gè)十分重要的環(huán)境問(wèn)題。因此，為獲得有關(guān)固化城市生活垃圾焚燒固體殘余物中污染物的化學(xué)特性和它們的潛在環(huán)境危害，我們對(duì)某些焚燒固體殘余物固化產(chǎn)物的浸出特性進(jìn)行了研究。

垃圾焚燒底灰和爐排灰的浸出毒性較低，而且能夠達(dá)到直接填埋的目標(biāo)。水泥固化垃圾飛灰的固化產(chǎn)物（凈漿和砂漿）的浸出毒性很低，浸出液中大多數(shù)重金屬的含量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這說(shuō)明水泥固化能很好地固定重金屬。在固化過(guò)程中，水泥網(wǎng)格通過(guò)物理密封（固化產(chǎn)物較低的滲透性）和化學(xué)穩(wěn)定（水泥固相中溶液的高堿性使得重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢扇艿幕衔铮┒潭ㄖ亟饘佟Ｍ瑫r(shí)，由于固化產(chǎn)物中的重金屬的浸出被認(rèn)為是與pH值相關(guān)和受金屬氫氧化物溶解控制的過(guò)程。而在pH值為8～9時(shí)（浸出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中浸出液的pH值），很難溶解固化產(chǎn)物中以氫氧化物和碳酸鹽形式存在的重金屬。

隨著城市生活垃圾焚燒飛灰加入量的增加，固化產(chǎn)物的浸出毒性也有所增加。這是因?yàn)闅堄辔飼?huì)降低水泥固化產(chǎn)物的堿性和酸緩沖能力，從而增加了固化產(chǎn)物中重金屬的浸出特性。

三、結(jié)論

本文對(duì)城市生活垃圾焚燒固體殘余物的處理試采用了水泥固化處理的方法，通過(guò)對(duì)固化產(chǎn)物（凈漿和砂漿）的抗壓強(qiáng)度和浸出毒性的分析，將殘余物代替水泥的做法基本上是不可行的，而在一定范圍內(nèi)用某些殘余物（如焚燒爐A的爐排灰和底灰以及焚燒爐B的飛灰和底灰）代替部分砂子是可能的。城市生活垃圾焚燒底灰和爐排灰之所以能代替部分砂子，主要是因?yàn)槠湮锢砗凸こ绦再|(zhì)與天然砂子相似，并且焚燒灰渣容易進(jìn)行粒徑分配，易制成商業(yè)化應(yīng)用的產(chǎn)品，因此使之成為一種適宜的建筑填料?！?/p>

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作者單位：寧波甬誠(chéng)建設(shè)檢測(cè)研究有限公司