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【分析】水泥类型对生活垃圾焚烧飞灰固化效果的影响

北极星环保网  来源:《环境化学》  作者:高亮 张曙光  2015/7/13 11:22:14  我要投稿  

北极星环保网讯:生活垃圾焚烧飞灰属于危险废弃物,在对其进行最终处置前需经无害化处理.水泥固化所需的设备和操作要求简单、价格合理,国内外许多学者对生活垃圾焚烧飞灰的水泥固化处理进行了研究,但研究中普遍使用的是硅酸盐类水泥,铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥分别称为第二、第三系列水泥,它们的化学成分、水化化学都与硅酸盐水泥相差较大。

本文分别采用硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥对生活垃圾焚烧飞灰进行固化研究,考察水泥类型对飞灰固化体的凝结时间、抗压强度和重金属浸出毒性等的影响。

1、实验部分

实验用垃圾焚烧飞灰为天津双港垃圾焚烧厂的布袋飞灰,硅酸盐水泥为天津水泥厂生产的骆驼牌P.O32.5普通,硫铝酸盐水泥为唐山六九水泥有限公司生产的42.5快硬硫铝酸盐水泥,铝酸盐水泥为郑州华兴特种水泥有限公司生产的CA-50铝酸盐水泥。

在飞灰中分别掺入质量分数为10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%的水泥,根据测量的标准稠度加入去离子水,将搅拌均匀的混合物料注入7.07cm×7.07cm×7.07cm的试模中,经振实后在室温下养生24h,成型后脱模对试块进行标准养护.试块在养护7d测量无侧压抗压强度,再浸入无水乙醇-丙酮的混合液中洗涤,结束其水化反应,然后在70℃—80℃的烘箱中放置4h,烘干后破碎到相应粒度,采用固体废物浸出毒性浸出方法-醋酸缓存溶液法测浸出浓度。

所测试的样品均设置3个平行样,取平均值作为结果。

测试仪器设备包括CBR-1型承载比实验仪、FZ-6翻转式振荡装置、AA800型原子吸收光谱仪、NJ-160B型水泥净浆搅拌机、YH-40B型恒温恒湿养护箱和水泥标准稠度凝结测定仪等。

2、水泥类型对固化体凝结时间的影响

在不同类型水泥的垃圾焚烧飞灰固化体中,初凝时间、终凝时间都随固化体中水泥掺量增加而缩短,尤其是终凝时间,这是因为焚烧飞灰的胶凝活性非常微弱,掺入飞灰后会一定程度上延缓水泥的水化,垃圾焚烧飞灰比例越大对固化体的凝结时间延迟作用越明显,同时,固化体中水泥比例相对较少,使得水泥浆体的浓度相对降低,水泥水化速率减慢,水泥基体系形成空间网状结构的速率也减慢,表现为固化体的初、终凝时间延长.3种类型水泥的飞灰固化体凝结时间均满足国外48h标准值的要求。

比较发现,除了水泥掺量10%的固化体外,硫铝酸盐水泥和铝酸盐水泥的飞灰固化体初凝时间、终凝时间及凝结时间均比同配比下硅酸盐水泥固化体短.这与硫铝酸盐水泥和铝酸盐水泥本身的快硬特性有关,纯硫铝酸盐水泥试体的初凝时间为52min、终凝时间为124min、凝结时间为72min,纯铝酸盐水泥试体的初凝时间为43min、终凝时间为82min、凝结时间为39min,而纯硅酸盐水泥试体的初凝时间却长达216min、终凝时间为421min、凝结时间为205min.另外,垃圾焚烧飞灰的复杂组分如重金属、碱金属氯化物及硫酸盐等成分均对水泥固化体凝结作用有不同程度的影响。

3、水泥类型固化体抗压强度

飞灰固化体抗压强度随水泥掺入量增加而明显增加,这是因为固化体的抗压强度主要由水泥的水化产物按照一定的方式靠引力相互搭接和联结形成整体结构而产生的,水泥掺量越高则固化体中水泥水化产物数量就越多,相应的强度就越高。

对于纯水泥试块而言,硫铝酸盐水泥7d的抗压强度达42.7MPa、铝酸盐水泥抗压强度为39.7MPa、硅酸盐水泥抗压强度为26.1MPa.硫铝酸盐水泥抗压强度最高,但相同水泥掺量的飞灰固化体中,硫铝酸盐水泥的飞灰固化体抗压强度却明显低于硅酸盐水泥、铝酸盐水泥的飞灰固化体.这可能与不同水泥的物相有一定关系,不同类型水泥熟料的化学和矿物组成不同,水化产物的组成和结构也不同.在硅酸盐水泥的飞灰固化体中,随着水化的不断进行,其主要矿物C3S水化不断生成的Ca(OH)2,溶液的碱度不断增加,使垃圾焚烧飞灰中的活性组分发生反应生成水分产物,从而增加抗压强度;而硫铝酸盐水泥水化过程中,其主要矿物C4A3S水化后不生成Ca(OH)2,早期溶液碱度非常低,不利于激发垃圾焚烧飞灰的活性,而C2S水化生成的Ca(OH)2量少,即使生成的Ca(OH)2又会参与低硫型水化硫铝酸钙(AFm)反应,用于激发矿渣的组分很少,导致其飞灰固化体抗压强度较低.铝酸盐水泥的水化过程较为特殊,其水化产物CAH10、C2AH8及AH3晶体呈片状或针状,大量水化产物互锁或结合在一起形成坚强的结晶合成体,从而提供机械强度的过程,具有合理而稳定的水化性能和优异的物理性能,因此,该类型水泥的垃圾焚烧飞灰固化体抗压强度较高。

值得注意的是,在硅酸盐水泥的飞灰固化体中,水泥掺量10%的固化体抗压强度为0.148MPa,未达到0.2MPa的限值,水泥掺量15%的固化体抗压强度为0.225MPa,超过该限值,表明若要满足飞灰固化的力学要求,硅酸盐水泥掺量需控制15%左右;在硫铝酸盐水泥的飞灰固化体中,水泥掺量10%、15%、20%中飞灰固化体抗压强度分别为0.078MPa、0.167MPa、0.195MPa,未达到0.2MPa的限值,而水泥掺量25%的固化体抗压强度为0.206MPa,超过该限值,因此,硫铝酸盐水泥掺量需控制25%左右;在铝酸盐水泥的固化体中,水泥掺量10%飞灰固化体抗压强度为0.341MPa,超过0.2MPa的限值,表明铝酸盐水泥掺量只需控制10%左右。

4、水泥类型对固化体重金属浸出毒性的影响

随水泥掺量增多,重金属渗沥浓度整体呈下降趋势,这一方面是因为水泥含量越高,水泥对重金属物理包容、替换、化学吸附及结晶等效果越好,另一方面水泥掺量高意味着固化体中飞灰掺量较少,导致固化体中所含重金属较少,则重金属渗沥浓度较低。

在相同水泥掺比下固化体重金属渗沥浓度整体上表现为:铝酸盐水泥固化效果最好,其次是硅酸盐水泥固化体,硫铝酸盐水泥固化效果最差.这与不同类型水泥的水化产物有关,水泥的水化产物中对重金属起固化作用的主要是钙矾石(AFt)、水化硅酸钙(C—S—H凝胶)等,铝酸盐水泥的水化产物中有大量的凝胶(如AH3凝结、C—S—H凝胶),且具有良好的化学稳定性和物理强度,因此其飞灰固化体有好的抗浸效果.而硅酸盐水泥的水泥水化物含有较多包括C—S—H凝胶和AFt,两者含量分别占0—10%、50%—60%,且水化体中存在大量Ca(OH)2和水化液相呈很高的碱性,因此其重金属浸出较少.尽管硫铝酸盐水泥水化早期生成大量AFt,但一定条件下容易转变为低硫型水化硫酸钙(AFm),同时硫铝酸盐水泥水化体中由于Ca(OH)2析出较少,在水化过程中被消耗殆尽,水化液相碱度较低,pH值通常在11—12之间,导致其飞灰固化体中重金属渗沥浓度较高.另外,在实验过程中观察到,硫铝酸盐水泥和铝酸盐水泥的飞灰固化体表面出现“起砂”现象或称“粉化”现象,这是因为表面失水过快而内部的水分来不及补充,以及该种水泥水化液相值较低。

硅酸盐水泥掺量低于35%的固化体中Pb的浸出浓度都超过0.25mg•l-1的限值,而掺量为35%和40%的固化体中Pb的浸出浓度0.227mg•l-1和0.210mg•l-1,均符合要求.同样,硅酸盐水泥掺量低于或等于25%固化体中Cd浸出浓度分别为均超过0.15mg•l-1的限值,水泥掺量达到后30%后固化体中Cd的浸出浓度均符合要求,可见,硅酸盐水泥的掺量需控制在35%左右;在硫铝酸盐水泥固化体中,掺量40%固化体中Pb的浸出浓度仍然高达1.114mg•l-1,超过0.25mg•l-1的限值,掺量30%的固化体中Cd中的浓度为0.75mg•l-1,超过0.15mg•l-1的限值,掺量35%以上的固化体才合格,可见,硫铝酸盐水泥掺量在40%时仍然无法满足生活垃圾填埋场污染控制要求;在铝酸盐水泥固化体中,掺量20%的固化体中Pb的浸出浓度为1.139mg•l-1,超过0.25mg•l-1的限值,但掺量25%的固化体中Pb的浸出浓度为0.182mg•l-1,掺量30%以上的固化体中Pb的浸出浓度均未检测到,掺量10%、15%的固化体中Cd的浸出浓度为0.91mg•l-1、0.32mg•l-1,超过0.15mg•l-1的限值,但水泥掺量增加后固化体中Cd的浓度均符合要求,可见,铝酸盐水泥的掺量需控制在25%左右。

对大多数生活垃圾焚烧飞灰而言,二噁英通常含量低于3ngTEQ•g-1,不需处理即能满足生活垃圾填埋场污染控制标准,若飞灰经水泥固化处理后会进一步降低飞灰中二噁英的浸出性,因此,本文未对飞灰中二噁英类物质的浸出浓度进行研究。

综上所述,硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥的飞灰固化体凝结时间均比硅酸盐水泥的飞灰固化体凝结时间短,要同时满足固化体抗压强度要求和生活垃圾填埋场污染控制标准中重金属浸出限值,硅酸盐水泥的掺量需控制在35%左右,铝酸盐水泥的掺量需控制在25%左右,硫铝酸盐水泥掺量至少应控制在40%以上。

原标题:水泥类型对生活垃圾焚烧飞灰固化效果的影响

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