生活垃圾焚燒飛灰資源化利用研究*

黃俊賓，陳 芳

(1 深圳能源集團(tuán)股份有限公司，廣東 深圳 518000；2 四川久遠(yuǎn)環(huán)保安全咨詢有限公司，四川 綿陽 621000)

近年來，隨著居民生活品質(zhì)水平的不斷提升、城市化率不斷提高、各個(gè)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，城市生活垃圾的產(chǎn)量也在逐年增加。生活垃圾焚燒發(fā)電具有減量化明顯、占用土地資源少及可實(shí)現(xiàn)能源化的優(yōu)勢，已逐漸成為我國生活垃圾處置的主流方式[1-2]。采用焚燒法處理城市生活垃圾時(shí)，垃圾中的重金屬在焚燒過程中難以被完全去除，大量的重金屬在高溫條件下?lián)]發(fā)進(jìn)入到煙氣，最終冷凝后在飛灰中富集[3-5]。飛灰作為危險(xiǎn)廢物，同時(shí)也是一種有用的資源。根據(jù)垃圾焚燒飛灰基本特性的研究，其與水泥生產(chǎn)原料成分接近。在傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)水泥需要耗費(fèi)大量的石灰石和能量，同時(shí)產(chǎn)生與水泥等量的CO2。將飛灰替代部分石灰石不僅可以節(jié)省資源減少CO2排放，同時(shí)在水泥煅燒還可以降解飛灰中二噁英等有毒有害物質(zhì)。由于飛灰中的 Cl-含量較多，對水泥的品質(zhì)會產(chǎn)生一定的影響，要確保水泥的性能和環(huán)保滿足要求，還需要對飛灰進(jìn)行一定的預(yù)處理。飛灰中的有害物質(zhì)被溶固在水泥熟料礦物中，是一種潛在的生產(chǎn)水泥的原材料[6-9]。因此垃圾焚燒飛灰作為一種有效的、可替代的水泥生產(chǎn)原料是可行的。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1)水泥

采用的水泥為重慶海螺水泥公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽P·O 42.5水泥。

(2)飛灰

采用來自深圳市能源環(huán)保有限公司垃圾焚燒飛灰經(jīng)過水洗預(yù)處理的水洗灰。其化學(xué)成分見表1。

表1 水洗垃圾焚燒飛灰的化學(xué)成分

(3)標(biāo)準(zhǔn)砂

選用來自廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本試驗(yàn)按照GB/T17671-1999水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)規(guī)定，按照水泥:標(biāo)準(zhǔn)砂=1:3，水灰比=0.5的膠砂配合比制備40 mm×40 mm×160 mm的標(biāo)準(zhǔn)水泥膠砂試件，其中垃圾焚燒飛灰按照一定比例替代水泥摻入，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、28 d，分別測定其抗壓強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度和浸出毒性。

(1)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

抗折強(qiáng)度Rf以牛頓每平方毫米(MPa)表示，按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中:Ff——折斷時(shí)施加于棱柱體中部的荷載,N

L——支撐圓柱之間的距離,mm

b——棱柱體正方形截面的邊長,mm

(2)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度RC以牛頓每平方毫米(MPa)為單位，按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中:FC——破壞時(shí)的最大荷載,N

A——受壓部分面積,40 mm×40 mm=1600 mm2

(3)浸出毒性試驗(yàn)

將28 d齡期的40 mm×40 mm×160 mm的棱柱形水泥膠砂試件敲碎，然后按照HJ/T 299-2007(固體廢物浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法)對試件進(jìn)行浸出毒性測試。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

(1)水泥膠砂配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)GB/T17671-1999(水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法))，設(shè)計(jì)水泥膠砂基準(zhǔn)組配比為水泥450 g，標(biāo)準(zhǔn)砂1350 g，水225 g。其中水泥選取P·O42.5普通硅酸鹽水泥是因?yàn)槟壳癙·O42.5水泥用途較為廣泛，對于探索飛灰資源化利用實(shí)用性有著較大的意義，實(shí)驗(yàn)組用水洗預(yù)處理垃圾焚燒飛灰按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)取代水泥用量摻入，具體水泥膠砂配比見表2。

表2 水泥膠砂配比

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 生活垃圾焚燒飛灰水泥膠砂抗折強(qiáng)度影響分析

圖1是預(yù)處理垃圾焚燒飛灰水泥膠砂飛灰摻入對水泥膠砂抗折強(qiáng)度的影響。從圖1中可以看出隨著預(yù)處理垃圾焚燒飛灰的摻入，相比于基準(zhǔn)組，所有對照組的水泥膠砂抗折強(qiáng)度都有所下降，這是因?yàn)殡S著水泥熟料的減少，摻飛灰水泥的膠凝性能降低，膠砂中水化產(chǎn)物也相應(yīng)的減少。相同摻量下抗折強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長其增長速率降低，但在相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，不同摻量的預(yù)處理飛灰對抗壓強(qiáng)度的影響不完全相同。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3d時(shí)，所有摻預(yù)處理飛灰的水泥膠砂試樣相比于基準(zhǔn)組試樣都明顯偏低，這是因?yàn)轭A(yù)處理飛灰對復(fù)合凝膠體系早期活性不足，隨著飛灰摻量的增加，水泥膠砂的抗折強(qiáng)度先下降，再上升最后再下降。當(dāng)飛灰摻量達(dá)到12.5%時(shí)，其抗折強(qiáng)度相比于其他摻量都要高，達(dá)到同期基準(zhǔn)組強(qiáng)度的86.8%。隨著齡期的延長，預(yù)處理飛灰的火山灰效應(yīng)逐漸明顯，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7d和28d時(shí)，預(yù)處理垃圾焚燒飛灰的摻量達(dá)到10%時(shí)，試件的抗折強(qiáng)度高于其他摻量試件的抗折強(qiáng)度，并且達(dá)到基準(zhǔn)組強(qiáng)度的93.9%。

表3 水泥膠砂抗折強(qiáng)度

圖1 不同飛灰摻量膠砂抗折強(qiáng)度

2.2 生活垃圾焚燒飛灰水泥膠砂抗壓強(qiáng)度影響分析

表4 水泥膠砂抗壓強(qiáng)度

圖2是預(yù)處理垃圾焚燒飛灰水泥膠砂飛灰摻入對水泥膠砂抗壓強(qiáng)度的影響。從圖中可以看出隨著預(yù)處理垃圾焚燒飛灰的摻入，相比于基準(zhǔn)組，所有對照組的水泥膠砂抗壓強(qiáng)度都有所下降，這可能使因?yàn)樗^程中生成氯鋁酸鈣膨脹物導(dǎo)致水泥膠砂被破壞。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3 d時(shí)，所有摻預(yù)處理飛灰的水泥膠砂試樣的抗壓強(qiáng)度變化不大。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d和28 d時(shí)，預(yù)處理垃圾焚燒飛灰的摻量為10%，其抗壓強(qiáng)度相比于其他摻量的飛灰都高，并且達(dá)到了普通硅酸鹽P·O 42.5水泥水泥膠砂抗壓強(qiáng)度大于42.5 MPa的要求。

圖2 不同飛灰摻量膠砂抗壓強(qiáng)度結(jié)果

2.3 生活垃圾焚燒飛灰水泥膠砂浸出毒性分析

對摻入垃圾焚燒水洗預(yù)處理飛灰所形成的水泥膠砂試件進(jìn)行浸出毒性檢測，可以分析其重金屬溶出效果，這是檢驗(yàn)飛灰能否作為替代水泥熟料作為混合材的重要指標(biāo)。試驗(yàn)選擇A15試樣對其進(jìn)行浸出毒性檢測，從表5可以看出，當(dāng)水泥膠砂中水洗預(yù)處理飛灰摻量達(dá)到15%時(shí)，重金屬Pb、Cr、Zn的浸出毒性顯著下降，達(dá)到了對飛灰無害化處理的要求，這是因?yàn)樗磻?yīng)生成的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠可以將重金屬固化包裹在內(nèi)，對重金屬的浸出起到了抑制作用。所以垃圾焚燒飛灰在經(jīng)過水洗預(yù)處理后作為水泥熟料的替代物是符合環(huán)境保護(hù)的要求的。

表5 水泥膠砂中重金屬的浸出濃度

2.4 飛灰及其資源化產(chǎn)物放射性核素分析

對飛灰和飛灰制備的水泥膠砂進(jìn)行放射性核素測試。結(jié)果見表6。

表6 飛灰及其資源化產(chǎn)物放射性核素

由表6可以得出，飛灰的放射性核素值達(dá)到《GB 6566-2010 建筑材料放射性核素限量》中內(nèi)照射指數(shù)以及外照射指數(shù)的限值，其資源化產(chǎn)物由于飛灰摻量較少，放射性核素較低，未能達(dá)到設(shè)備的檢出限，因此飛灰的資源化產(chǎn)物是符合建筑材料放射性核素限量以及環(huán)境保護(hù)的要求的。

3 結(jié) 論

(1)通過對水洗預(yù)處理垃圾飛灰水泥膠砂的力學(xué)性能分析得到：當(dāng)水泥膠砂中摻入水洗預(yù)處理垃圾飛灰時(shí)，其抗壓抗折強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)組。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到28 d時(shí)，摻量為10%的水洗預(yù)處理垃圾飛灰水泥膠砂試件抗壓抗折強(qiáng)度最好，且達(dá)到普通硅酸鹽P·O 42.5水泥膠砂強(qiáng)度國家標(biāo)準(zhǔn)要求；

(2)通過資源化途徑的產(chǎn)物進(jìn)行浸出毒性分析結(jié)果表明，水洗飛灰用于水泥膠砂，生產(chǎn)的制品浸出毒性都達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，并且遠(yuǎn)低于浸出限值，符合環(huán)境安全要求；

(3)垃圾焚燒飛灰摻雜制備水泥的放射性核素值低于內(nèi)照射指數(shù)以及外照射指數(shù)的限值，是符合建筑材料放射性核素限量以及環(huán)境保護(hù)的要求的。