生活垃圾焚燒爐渣集料環(huán)保特性分析及研究

張雪　何文政

摘要：為研究生活垃圾焚燒爐渣集料的環(huán)保特性，對(duì)爐渣集料的理化特性和浸出液特性以及用于道路基層后的爐渣混合料的浸出特性進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明：爐渣集料可以滿足規(guī)范中XG3（0～5）細(xì)集料的性能要求，具有一定的水硬性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，經(jīng)外力碾壓后，能夠具備一定的密實(shí)型和穩(wěn)定性，可以用作道路基層材料；而爐渣中重金屬浸出含量較低，滿足國(guó)家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)環(huán)境影響較小，環(huán)保性能較好。

關(guān)鍵詞：爐渣；理化性質(zhì)；重金屬含量；環(huán)保特性

中圖分類(lèi)號(hào)：X705

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）20009704

1引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市垃圾也隨之增加。由于生活垃圾成分的復(fù)雜性、差異性及有限的利用性[1]，給生活垃圾處理帶來(lái)了很大的困難。目前城市生活垃圾的處理方式主要有衛(wèi)生填埋、堆肥和焚燒，其中焚燒可以達(dá)到減量、回收能量、減少污染等效果，是許多國(guó)家和地區(qū)城市生活垃圾處理的首選方案[2]。垃圾經(jīng)焚燒后產(chǎn)生飛灰和底渣，已有大量研究表明，垃圾焚燒飛灰中含有大量重金屬和二噁應(yīng)等有毒物質(zhì)，在特定條件下會(huì)滲濾出來(lái)，造成環(huán)境污染[3～6]，而對(duì)于垃圾焚燒后爐渣相關(guān)污染情況及環(huán)保性能方面研究較少且絕大多數(shù)研究局限于爐渣作為集料或建材利用的相關(guān)工程性質(zhì)[7～9]，對(duì)爐渣中重金屬的來(lái)源、分布規(guī)律、浸出液的特性等方面在環(huán)保特性方面的影響研究尚少。筆者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)爐渣集料進(jìn)行了理化性質(zhì)分析，并研究了爐渣集料的浸出液特性，及其對(duì)環(huán)境的影響；同時(shí)對(duì)爐渣用于道路基層后的爐渣混合料的環(huán)保性能進(jìn)行了相關(guān)觀測(cè)及研究。

2爐渣集料的理化特性

試驗(yàn)原材料來(lái)自南京江北新區(qū)某垃圾焚燒發(fā)電廠，該焚燒發(fā)電廠年產(chǎn)生約10萬(wàn)t左右的焚燒爐渣，從爐渣表面形態(tài)來(lái)看，爐渣呈灰色、略潮，主要由鐵質(zhì)金屬、陶瓷、玻璃以及類(lèi)似于砂石的成分組成，雜質(zhì)含量多，其中鐵、鋁等金屬物質(zhì)約占爐渣總量的15%～20%；陶瓷、玻璃等制品約占爐渣總量的10%～15%；剩余部分為爐渣集料，約占爐渣總量的65%～75%，級(jí)配不均勻。為使?fàn)t渣集料能夠運(yùn)用于道路基層中，遂對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)加工處理，通過(guò)篩分、磁選、破碎、淘汰等處理方法，去除爐渣中的金屬、陶瓷、玻璃等雜質(zhì)，再經(jīng)過(guò)滾筒篩篩分得到0～4.75 mm爐渣集料。

2.1爐渣集料的物理特性

通過(guò)對(duì)取回的爐渣顆粒進(jìn)行篩分試驗(yàn)，得出其級(jí)配范圍，如圖1所示，可以看出爐渣集料粒徑基本處于0.074～5 mm，其中60%是砂子大?。?.074～2 mm），11.8%是粉煤大小的顆粒（0.002～0.074 mm）。而0.075 mm通過(guò)率為11.8%，滿足規(guī)范中XG3（0～5）細(xì)集料的要求。同時(shí)，對(duì)爐渣集料進(jìn)行了相關(guān)物理性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。與常規(guī)的石灰?guī)r細(xì)集料相比，爐渣細(xì)集料的表觀相對(duì)密度較小，吸水率較大。而從其塑性指數(shù)和含雜量來(lái)看，能夠符合用于水泥穩(wěn)定類(lèi)細(xì)集料的要求，因此，從爐渣集料的物理性質(zhì)來(lái)看，其具有用作道路基層材料使用的特性。

圖1爐渣集料的級(jí)配曲線

表1爐渣集料的物理特性

表觀相對(duì)密度/（g/cm3）毛體積相對(duì)密度/（g/cm3）吸水率/%

2.5682.04110.1亞甲藍(lán)/（g/kg）

塑性指數(shù)含鐵量/%輕飄物/%120.80.057.0

為了解爐渣集料的微觀特性，采用掃描電鏡法來(lái)觀察分析爐渣的微觀形態(tài)，從圖2中爐渣放大500倍的形態(tài)可以看出爐渣類(lèi)似于海綿狀，表面粗糙，呈不規(guī)則角狀且含有大量孔隙，孔隙直徑也較大，表明爐渣的吸水性較大；再將爐渣集料放大至5000倍，可以看出爐渣晶體成型良好，主要為針狀、棒狀和粒狀晶體，發(fā)育不均勻，可見(jiàn)爐渣集料在經(jīng)外力碾壓后，能夠具備一定的密實(shí)性和穩(wěn)定性。

圖2掃描電鏡下的爐渣形態(tài)

2.2爐渣集料的化學(xué)性質(zhì)

為了解爐渣的礦物組成成分，通過(guò)掃描電鏡（SEM）和光電子能譜（EDS）相結(jié)合的方式對(duì)爐渣的化學(xué)元素組成進(jìn)行分析，再采用X射線衍射儀（XRD）法研究爐渣集料的礦相組成。將爐渣集料制樣，粉碎至100目，通過(guò)SEM法選取試樣進(jìn)行元素檢測(cè)，測(cè)定爐渣的元素組成，測(cè)試部位及測(cè)得元素如圖3所示。

圖3爐渣（EDS）能譜圖

從爐渣試樣EDS能譜圖中可知，爐渣內(nèi)含有的元素有C、O、Si、Ca、Cr、Cd、Al、Zn、Pb等，其中主要元素為C、O、Ca，次要元素為Si，少量或者微量元素為Cr、Cd、Al、Zn、Pb等，可見(jiàn)這些留置的元素均屬于不易揮發(fā)的元素。再采用X射線衍射儀（XRD）法研究爐渣集料的礦相組成及含量，如表2所示，XRD譜圖如圖4所示。從中可以看出爐渣主要由SiO2、CaAl2SiO2O8、CaCO3、CaSO4和3Al2O3·2SiO2組成，其中，CaCO3、SiO2在爐渣中含量較高。而CaCO3、SiO2的存在使得爐渣材料具有一定的水硬性，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度有潛在的提升作用，且爐渣的化學(xué)性質(zhì)也比較穩(wěn)定，耐久性較好，具備道路基層材料使用的相關(guān)特性。

表2爐渣試樣礦物成分分析結(jié)果

序號(hào)123456

礦物成分CaCO3SiO2CaAl2SiO2O83Al2O3·2SiO2CaSO4未知物相總 計(jì)

含量29.58%26.93%10.13%5.65%8.99%18.73%100.00%

圖4爐渣試樣的XRD譜圖

張雪，等：生活垃圾焚燒爐渣集料環(huán)保特性分析及研究

環(huán)境與安全

3爐渣集料浸出液特性研究

垃圾中重金屬在燃燒過(guò)程中將發(fā)生遷移和轉(zhuǎn)化，其將經(jīng)歷揮發(fā)態(tài)化合物的蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)、顆粒的夾帶和揚(yáng)析、金屬蒸汽的冷凝等過(guò)程，最終將以不同的比例分布于垃圾焚燒后的各類(lèi)物質(zhì)中，如焚燒爐渣、飛灰和煙氣。其中，不易于揮發(fā)的重金屬將留置在爐渣中。為了解爐渣中存在的重金屬及其含量，同時(shí)對(duì)爐渣集料的環(huán)保特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，此次對(duì)爐渣集料的浸出液進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)定。endprint

3.1試樣制備

將爐渣制備成3 mm以下顆粒試樣，經(jīng)烘干測(cè)得含水率。根據(jù)樣品的含水率，按照固液比為1∶10（kg/L）的比例計(jì)算所需浸提劑的體積，加入浸提劑，蓋緊瓶蓋。調(diào)節(jié)水平振蕩裝置頻率為110±10次/min，振幅為40 mm，在室溫下振蕩8 h后取下提取瓶，靜置16 h。在振蕩過(guò)程中有氣體產(chǎn)生時(shí)應(yīng)定時(shí)在通風(fēng)櫥中打開(kāi)提取瓶，釋放過(guò)度的壓力；在壓力過(guò)濾裝置上裝好0.45 μm微孔濾膜，過(guò)濾并收集浸出液保存，進(jìn)行浸出液中重金屬含量檢測(cè)。

3.2浸出液濃度測(cè)定

采用微波消解法，對(duì)浸出液進(jìn)行消解。消解結(jié)束后，用少量試驗(yàn)用水將微波消解罐中全部?jī)?nèi)容轉(zhuǎn)移至100 mL聚四氟乙烯坩堝中，在電板上以180℃加熱消解1 h，取下坩堝稍冷。轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，用適量硝酸溶液淋洗坩堝，將淋洗液全部轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，用硝酸溶液定容至標(biāo)線，混勻，待測(cè)。固體廢物浸出液經(jīng)過(guò)酸消解后，進(jìn)入等離子體發(fā)射光譜儀的霧化器中被霧化，由氬載氣代入等離子體火炬中，目標(biāo)元素在等離子體火炬中被氣化、電離、激發(fā)并輻射出特征譜線。特征光譜的強(qiáng)度與試驗(yàn)中待測(cè)元素的含量在一定范圍內(nèi)呈正比，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3爐渣集料重金屬浸出含量分析

測(cè)定元素檢測(cè)結(jié)果/（mg/L）控制要求/（mg/L）

Zn 0.168 ≤100

Cd0.005 ≤0.15

Ni0.027 ≤0.5

Cr0.957 ≤4.5

Pb0.006 ≤0.25

Cu 0.079 ≤40

3.3試驗(yàn)結(jié)果分析

從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，爐渣中含有的重金屬有Cr、Zn、Cd、Ni、Pb、Cu，其中Cr、Zn的含量相對(duì)其他重金屬含量較高，圖5為各重金屬及其化合物的熔沸點(diǎn)，其虛線表示垃圾焚燒時(shí)的溫度在850～1200 ℃之間，從圖中可以看出，Cr的金屬單質(zhì)熔沸點(diǎn)和金屬氧化物熔點(diǎn)均較高，因此不易流失，從而導(dǎo)致?tīng)t渣中Cr的含量較高。因此可以把爐渣中重金屬按其揮發(fā)程度分為三類(lèi)，第一類(lèi)為易于揮發(fā)的，如Cd；第二類(lèi)為中等揮發(fā)性的，如Zn、Pb；第三類(lèi)為難于揮發(fā)的，如Cu、Cr、Ni，其大量存在于爐渣中。另一方面，從各類(lèi)重金屬含量來(lái)看，重金屬浸出值均小于國(guó)標(biāo)控制要求。因此爐渣集料對(duì)環(huán)境造成影響較小，滿足國(guó)家環(huán)保的要求，同時(shí)，如若在垃圾焚燒時(shí)提高焚燒溫度和焚燒時(shí)間，爐渣中重金屬的含量還將會(huì)降低。

圖5各重金屬及其化合物的熔沸點(diǎn)

4爐渣混合料浸出特性研究

從爐渣的物理性質(zhì)可以看出，爐渣可以作為集料使用；從其化學(xué)性質(zhì)來(lái)，其具有一定水硬性，而且材料較為穩(wěn)定，耐久性較好。因此將爐渣運(yùn)用到道路基層中，按照一定配比摻入水穩(wěn)材料中，具有一定可行性和適用性，但是從環(huán)保方面來(lái)看，爐渣中含有重金屬，對(duì)環(huán)境存在一定的影響。雖然已對(duì)爐渣集料的浸出液進(jìn)行了相關(guān)研究，但是并未對(duì)爐渣摻入水穩(wěn)后，與相關(guān)物質(zhì)摻雜反應(yīng)后的環(huán)保性能及長(zhǎng)期浸出情況進(jìn)行觀測(cè)。經(jīng)相關(guān)研究表明爐渣摻入20%～30%時(shí)，其路用性能和經(jīng)濟(jì)效益最佳。本次取爐渣摻量為30%，水泥摻量4.5%制備爐渣混合料試件。將制備好的爐渣混合料試件采用水平震蕩法進(jìn)行浸出液收集，在弱酸性的條件下浸泡試件，提取試件第1d、3d、5d、7d、9d、14d的浸出液，采用微波消解法處理浸出液后，再進(jìn)行重金屬含量測(cè)定，檢測(cè)如圖6所示，從圖中可以看出，Zn元素的含量較高，前9 d浸出值呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，在第9 d時(shí)達(dá)到峰值，之后浸出量急劇降低；而其他重金屬元素也呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后趨于平緩的趨勢(shì)，同時(shí)在一個(gè)星期后的浸出量趨于穩(wěn)定，且各重金屬浸出液濃度均未超過(guò)國(guó)標(biāo)限值。另一方面，也可以看出爐渣混合料重金屬的浸出液濃度從長(zhǎng)期穩(wěn)定性來(lái)看，浸出液的濃度是維持不變或有所降低的，因此，爐渣混合料對(duì)環(huán)境造成影響較小，可以用作道路基層材料使用。

圖6各重金屬浸出量隨時(shí)間的變化

2017年10月綠色科技第20期

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)爐渣的理化性質(zhì)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)分析，并對(duì)爐渣中重金屬含量進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)將爐渣用于道路基層材料后的重金屬浸出液環(huán)保特性對(duì)進(jìn)行了相關(guān)研究，得出以下結(jié)論。

（1）生活垃圾焚燒爐渣從其底渣中可以看出，其主要由鐵質(zhì)金屬、陶瓷、玻璃以及類(lèi)似于砂石的成分組成，雜質(zhì)含量多，其中爐渣集料約占爐渣總量的65%～75%，級(jí)配不均勻。

（2）從爐渣集料的物理性質(zhì)可以看出，其滿足作為集料的相關(guān)性能要求，通過(guò)掃描電鏡法對(duì)爐渣進(jìn)行觀測(cè)，爐渣類(lèi)似于海綿狀，爐渣表面很粗糙，呈不規(guī)則角狀且含有大量孔隙，孔隙直徑也較大，吸水性較大；同時(shí)爐渣晶體主要為針狀、棒狀和粒狀晶體，發(fā)育不均勻，可見(jiàn)爐渣集料在經(jīng)外力碾壓后，能夠具備一定的密實(shí)型和穩(wěn)定性，滿足道路材料的使用特性。

（3）從爐渣的化學(xué)組成成分得知，其主要由SiO2、CaAl2SiO2O8、CaCO3、CaSO4和3Al2O3·2SiO2組成，具有一定的水硬性，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度有潛在的提升作用，且爐渣的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，耐久性較好，滿足道路材料的使用特性。

（4）爐渣中重金屬主要為Cr、Zn，主要由于其熔點(diǎn)較高，不易揮發(fā)，導(dǎo)致其留置于爐渣中，經(jīng)相關(guān)研究表明提高垃圾焚燒溫度或延長(zhǎng)停留時(shí)間，均有利于垃圾中重金屬的揮發(fā)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)爐渣浸出液和爐渣水穩(wěn)浸出液的測(cè)定可知，各重金屬含量均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)環(huán)境影響較小，可以在道路基層使用。

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Analysis and Study on Environmental Protection Characteristics of Slag Aggregate From Solid Waste

Zhang Xue1， He Wenzheng2

（1. Nanjing Taierda Transportation Technology Industry Co.， Ltd.， Nanjing， Jiangsu， 210008， China；

2. Jiangsu Sinoroad Engineering Research Institute Co.， LTD， Nanjing， Jiangsu， 210000， China）

Abstract： To study environmental characteristic of slag aggregate from solid waste， the paper did a lot of research on physical properties， chemical properties and leaching solution properties of slag aggregate. The result showed that the slag aggregate can meet the performance requirements of XG3 （0～5） fine aggregate in the specification and it has certain hydraulic and good chemical stability. It has certain compactness and stability after rolling， so it can be used as subgrade filler. The content of heavy metal leaching in the slag was low， which satisfied the corresponding requirements. Meanwhile， it has little impact on environment has good environmental performance.

Key words： slag； physical and chemical properties；content of heavy metal； environmental characteristicendprint