固化工业危险废物焚烧飞灰重金属的研究

北极星环保网讯:该文对某危险废物处置中心工业危险废物焚烧产生飞灰的加速碳酸化过程进行了研究。测定飞灰中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Hg、Pb等重金属浸出浓度，其中Pb浸出浓度超过危险废物鉴别标准及填埋场入场控制标准限值，高达288.40mg/L。对飞灰进行碳酸化处理，探讨碳酸化反应时间、反应温度、液固比和CO2浓度等因素对飞灰中重金属Pb浸出特性的影响。

结果表明，在反应时间2～4h，反应温度10～50℃、液固比3∶1～5∶1，CO2浓度60%～100%范围内碳酸化效果显著。并通过正交实验得到最优反应条件为CO2浓度100%，反应时间3h，液固比4∶1，反应温度30℃。通过利用X射线衍射(XRD)，扫描电镜(SEM)对飞灰碳酸化前后进行表征。

结果表明，碳酸化后飞灰中Ca(OH)2、CaClOH消失，CaCO3增加明显，晶体吸附使得重金属浸出明显下降，飞灰颗粒表面生成了以CaCO3为主的片状和圆柱状的晶体物质。重金属浸出实验表明，飞灰经碳酸化处理后，重金属Pb浸出浓度由288.40mg/L降至0.02mg/L。碳酸化法处理工业危险废物焚烧产生飞灰可以有效控制重金属Pb的浸出以及降低体系的pH(由13～14降至7左右)，同时实现对温室气体CO2的固定，具有潜在的应用价值。

危险废物是指除了生活垃圾和放射性以外的具有化学反应性、急性毒性、易燃易爆性、腐蚀性等能引起对人类健康或环境危害的废弃物[1]。危险废物的产生途径大致可分为医疗废物、市政危险废物和工业危险废物3种，其中工业危险废物是危险废物最主要的产生途径。工业危险废物成分复杂，在产生、收集、运输、贮存、综合利用及处置等环节在时空上具有很大的不确定性，使其污染控制成为环境管理的一大难题，对环境以及人类健康有相当的安全隐患[2]。

根据2007年度第一次全国污染源普查公报，工业源中危险废物产生量4573.69万t;综合利用量1644.81万t(其中68.82万t为往年贮存量)，处置量2192.76万t(其中11.44万t为往年贮存量)，当年贮存量812.44万t(其中275.64万t符合环保要求贮存量)，倾倒丢弃量3.94万t[3]。根据2011—2014年《全国环境质量公报》数据，2014年我国工业危险产生量达到3633.5万t，综合利用量2061.8万t，贮存量690.6万t，处置量929.0万t[4]。

焚烧技术处理危险废物因处理效率高、危險废物能充分实现减容减量化、可回收部分能量等优点而得到广泛应用[5，6]。焚烧后从热回收利用系统、烟气净化系统收集的物质即为飞灰。垃圾焚烧产生飞灰量约占被焚烧垃圾量的3%～5%[7]。焚烧飞灰中含有重金属、二噁英、呋喃等有害物质，属重金属危险废物范畴，为避免二次污染，在对其进行最终处置前须经过无害化处理达到《生活垃圾填埋污染控制标准》(GB16889—2008)中的要求才可直接进行安全填埋[8]。

目前处理焚烧产生飞灰应用较多的技术主要有水泥固化、熔融玻璃化、化学稳定化等[9]。其中，水泥固化是将垃圾焚烧飞灰、水泥和水按照合适的配比进行混合拌料，把焚烧飞灰微粒分别包覆而逐渐硬化的过程[10]。刘彦博[11]等指出：水泥掺入量需35%以上，水泥飞灰固化体中重金属离子浸出浓度可达到填埋场污染控制标准。

水泥固化因成本低廉被广泛应用，其缺点是固化后增容明显，一般增容比达到1.5～2，固化体破碎易致重金属再次浸出。熔融固化处理焚烧飞灰主要是将飞灰与玻璃质粉料于1000～1400℃高温下熔融混合造粒成型，待混合料粒烧至一定程度后，降温使其固化，形成玻璃固化体，将还未气化的重金属和无机物包含在其中，从而达到稳定化的目的[12]，是目前稳定化最佳的方法。

日本学者Shin-ichi Sakai[13]对飞灰熔融前后二噁英类有机物含量变化的实验表明，在熔融以及氧化性气氛下，二噁英等有机物的分解率可达到99.93%，其缺点是在高温条件下能耗过高，烟气处理难度大。药剂稳定化法是通过利用化学药剂与飞灰中的重金属发生沉淀、螯合和絮凝等作用，降低飞灰中重金属的浸出毒性和迁移可能性[14]。徐颖等[15]研究表明，在加药量为1.5%时，药剂可对飞灰中Pb、Zn和Cd的稳定化率分别达到95.6%、85.5%和93.4%，浸出浓度均可满足危险废物填埋标准。

药剂稳定化的优点在于增容少，更大限度实现焚烧飞灰的减量化和无害化处理，缺点在于不同药剂对不同种重金属的稳定化都有一定的选择性，因此很难找到一种普遍适用的化学稳定剂[16]。综上所述，常规固化技术在技术或经济方面存在一定缺陷，因此，学者们做了相当的研究工作探讨开发新型的固化/稳定化技术。

金漫彤等[17]研究了利用地聚物固化垃圾焚烧飞灰的工艺及处理效果，并在其它条件相同下与水泥固化进行对比，结果表明，地聚物固化飞灰后固化体的抗压强度效果更高，且表现出早期抗压强度高的特点，固化体中重金属浸出毒性的效果更好。胡雨燕等[18]研究表明，焚烧飞灰吸收CO2后对重金属Pb、Cd具有稳定化效果。蒋建国等[19，20]研究表明加速碳酸化可以有效将生活垃圾焚烧飞灰中重金属进行稳定化，将飞灰中40%的可交换态的Pb质量转化成碳酸盐结合态。籍晓洋等[21]研究表明加速碳酸化在一定条件下单位质量飞灰可固定CO2为43.6mg/g。

本文对工业危险废物焚烧产生飞灰采用加速碳酸化法处理后重金属浸出特性进行研究。该方法通常是将二氧化碳通入盛装飞灰的容器中，利用CO2与飞灰中CaO、Ca(OH)2等含Ca物质在一定条件下反应生成CaCO3晶体，使其对飞灰中重金属进行固定，从而降低重金属的浸出。加速碳酸化法是近年提出的一种新型技术，飞灰经处理后，可以有效降低其中重金属的浸出毒性，并对温室气体CO2进行吸收和固定以达到减少温室气体排放的目的，具有值得期待的应用前景[22-24]。

1 材料和方法

1.1 实验材料

本研究所用焚烧工业危险废物飞灰样品取自安徽某危险废物处置中心，由布袋除尘器捕捉收集。飞灰呈灰白色，颗粒细小均匀。为了保证科学实验的严谨性，取样后飞灰样品与空气无长时间接触，并置于密封装置，用真空泵将其内空气抽干，放置阴凉干燥处密封储存。

延伸阅读：

垃圾焚烧飞灰无害化与资源化现状及发展趋势

生活垃圾焚烧飞灰的物理化学特性

垃圾焚烧发电厂飞灰处理技术

危险废物集中焚烧处置工程建设技术规范HJ/T176 2005