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城市垃圾焚烧底灰资源化处置综述
RSS 打印 复制链接 发布时间:2019-07-10 14:14:48

 焚烧作为一种新型城市固体垃圾处理技术,既能够有效减少城市垃圾的体积和质量,还能够在垃圾焚烧过程中产生电能,因此被世界各国广泛采用。多年实践表明,城市垃圾焚烧处理比垃圾填埋、生化和堆肥处理技术更加优越。垃圾焚烧后所产生的固体残渣(主要是底灰)约占原始垃圾质量的25左右。随着越来越多的垃圾采用焚烧处置,产生的大量固体残渣有待于进一步处置。与原始垃圾相比,垃圾焚烧底灰(以下简称焚烧底灰)中有毒元素的含量比一般土壤高10~100倍]。我国对焚烧底灰的处理主要采用填埋法和转化低端建筑材料,如路基填充材料、填埋场的覆盖层等,而焚烧底灰填埋正面临着土地空间紧张和污染环境的问题_3]。自20世纪7O年代,一些发达国家开始研究和推进焚烧底灰的无害化、资源化处理。在许多发达国家(如瑞士、德国、荷兰等),焚烧底灰中部分重金属和有机物的含量已远远超过其控制标准,因而很多国家将焚烧底灰归类为“危险固体废物”,并颁布了严格的环境保护法律法规控制焚烧底灰的最终处理,严禁直接填埋处置。如何利用焚烧底灰内在资源特性,开展最优的资源利用途径是各国固体废弃物资源化、无害化管理的研究重点。目前,世界多国均在积极开展利用焚烧底灰替代天然建筑材料的技术研发和工业化生产工作,并已取得了较好的进展。在一些欧洲国家,如丹麦和荷兰等,将粒径小于2mm的焚烧底灰用作沥青的细骨料或经处理后制备水泥的添加剂;将粒径大于2mm的焚烧底灰经过不同的物理分离技术处理后制备高等级公路的路基层面和基层材料,或将焚烧底灰、水、水泥及其他骨料按一定比例混合制备轻质混凝土砖、空心砖等。工程测试表明,以焚烧底灰为骨料制备的砖类产品与标准混凝土砖的抗压强度相当l_4;在美国,焚烧底灰被用作石油沥青路面的骨料以及水泥或混凝土的替代骨料]。美国联邦公路管理局已在休斯敦、华盛顿等地成功完成了6项以上含焚烧底灰的沥青铺装示范工程,这些焚烧底灰被用于道路的粘结层、耐磨层或表层和基层_8],经过适当处理的焚烧底灰较好地展示了作为高性能生态建筑材料的潜力。在我国,随着大型城市垃圾焚烧产业的快速发展,底灰的再生利用技术和新型产品也逐渐研究开发。焚烧底灰转化为建筑材料的可行性受其产生来源和自身特性影响,不同地区产生的焚烧底灰具有较大差别,这将导致焚烧底灰在资源利用过程中出现不同程度的工程质量或环境污染问题,从而影响焚烧底灰的资源化再生利用,也势必降低焚烧底灰转化为新型材料及更高级别再利用的潜在价值。笔者以我国较发达城市天津市的焚烧底灰为例,从不同粒径范围焚烧底灰颗粒的工程特性和环境特性着手,并结合天然建筑材料的标准分析方法,评价分析将焚烧底灰转化为天然建筑材料的可行性,分析其应用过程中出现质量损伤的原因,并提出改善焚烧底灰工程性能的措施。

1实验部分

1.1原材料

焚烧底灰样品取自天津某城市生活垃圾焚烧发电厂。由于焚烧底灰物理成分的复杂多样性,为确保样品分析数据的可靠性和代表性,样品的采集方法按照《工业固体废物采样制样技术规范》和《固体废弃物实验分析评价手册》中的标准方法执行。连续4d间断采集500kg底灰样品混合均匀,从样品堆积体的不同点、不同深度处选取大约20个取样点,共取100kg实验用样品,再次混合均匀后进行磁性分离清除焚烧底灰中大块的黑色磁性金属,将处理后的焚烧底灰样品进行分析测试。

1.2分析与测试方法

焚烧底灰样品化学元素分析:为对焚烧底灰粗、细颗粒分别进行化学特性分析,利用2、6mm标准筛将焚烧底灰进行分离,获得O~2、2~6、>6mm3种粒径范围的颗粒;利用101型电热恒温干燥箱在105℃下干燥12h;采用X荧光光谱(XRF)分析仪对3种粒径的焚烧底灰颗粒进行元素成分分析,每次分析的样品质量为2~4g,且样品颗粒需研磨至粒径小于150p.m。焚烧底灰有机质分析:将Mg焚烧底灰样品在5(质量分数)的稀盐酸溶液中浸泡20min以上,过滤去水后先后在150、500。C的电热恒温干燥箱中放置5h,记录2次干燥后的质量分别为M和M2,则焚烧底灰样品的有机质的质量分数为(M一M2)/MX100。焚烧底灰及其再生材料的环境影响评价:根据《危险废物浸出标准》(GB5086.1—1997),采用旋转式浸出法口1_测定焚烧底灰及其再生材料浸出液中重金属的含量。将100g焚烧底灰样品加入到装有l000mL去离子水的白色标准塑料瓶中,在往复式水平振荡器上连续振动,24h为一个浸出测试周期,将取得的浸出液样品经离心分离取上清液,分析重金属和氯的含量。参照《原子吸收光谱分析法通则》(GB/T15337-2008),采用原子分光光度法测定浸出液中的重金属元素和氯离子的含量…]。焚烧底灰颗粒粒径级配分布:将焚烧底灰分别过28、20、16、10、6、4、2、1mm标准筛,分析焚烧底灰的粒径分布规律。焚烧底灰颗粒的矿物特征:采用扫描式电子显微镜(SEM)测定不同粒径焚烧底灰颗粒的矿物结构。砂当量、密度、吸水性:根据西班牙建筑材料测试技术标准(NLT111/1987,NLT108/1991),测定焚烧底灰的砂当量、密度及吸水性。焚烧底灰再生建筑材料工程性能分析:将处理前后的焚烧底灰颗粒(其中粒径小于2mm的焚烧底灰以天然砂子取代)与天然水泥、水按照2O:5:3(质量比)混合浇筑成0.3m×0.2m×0.2m的混凝土平板试件。试件成型方法参照《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T50081-2002)。试件成型3d后,放入相对湿度大于7O、温度25℃左右的标准养护室中进行养护。依据《混凝土强度检验评定标准}(GBJ1O7—87),对养护后的试件进行抗压强度测试,取试件3处强度的算术平均值作为试件强度值。检查试件的裂缝情况,采用photo—Mi—crpgraph微观成像仪、SEM、XRF分析裂缝及其两侧材料特性。利用天然矿石骨料制备大小相同的混凝土平板试件,对比其与焚烧底灰再生混凝土平板试件的工程性能。

2结果与讨论

2.1焚烧底灰化学成分

焚烧底灰的化学成分对其理化特性及各种再生处理技术的适应性、处理费用和效果均有重要影响。XRF分析表明,焚烧底灰主要由Si、Ca、K、Na、C1、Fe、Mg等主要元素以及Pb、Cr、Zn、Cu、Ni、Mn、Cd等微量元素组成。表1给出了原始焚烧底灰和3种不同粒径焚烧底灰的化学元素成分含量。从原始焚烧底灰的化学分析结果可以看出,质量分数超过1的主要元素包括A1、Si、Ca、Fe和K,而微量元素中Zn和Mn的含量较高,其余常见的重金属元素如Cu、Pb、Cr、Ni等含量较低。同发达国家的焚烧底灰相比,我国焚烧底灰中主要元素含量相对较高,而微量重金属元素含量相对较低,尤其Pb、Cu、Cr等元素在发达国家的焚烧底灰中含量是本研究所测的5~15倍[】。有研究表明,焚烧底灰中的重金属趋向于富集在尺寸较小的底灰颗粒上,而本研究所测焚烧底灰中,仅Zn、Cu含量随着底灰粒径的增加而减少,其余重金属元素并未证实这一规律。焚烧底灰中的有机质主要是由于垃圾不完全燃烧造成的,2~6nlm焚烧底灰颗粒中有机质质量分数最高,再生利用过程中需考虑其对再生建筑材料使用性能的影响。表1城市生活垃圾焚烧底灰的化学成分”Table1Chemicalcompositionofmunicipalsolidwasteincinerationbottomash注:百分数为质量分数。

2.2焚烧底灰浸出特性分析

笔者对3种不同粒径的焚烧底灰样品进行浸出特性分析,结果见表2。由表2可见,重金属(如Cu和Zn)的最高浸出浓度出现在2~6mm的焚烧底灰样品中,说明该尺寸的焚烧底灰颗粒具有一定程度的毒性浸出风险,但与《危险废物鉴别技术规范》(HJ/T298-2007)中规定的金属浸出浓度限值相比仍很低。为进一步考察焚烧底灰再生建筑材料是否具有环境风险,对2~6mm的焚烧底灰与普通水泥混合制备的0.3m×0.2m×0.213.混凝土平板试件进行毒性浸出测试,结果见表3。从浸出液分析结果可以看出,Cu和Zn的浸出浓度大大降低,这可能是由于水泥固化降低了重金属的浸出速率。从HJ/T298—2OO7中对重金属浸出浓度限值来看,以焚烧底灰为骨料制备的混凝土平板试件没有环境污染风险。但不可忽视的是,随着城市生活水平的提高,生活垃圾组分越来越复杂,将包含更多含有重金属的垃圾组分,这些重金属将随着焚烧过程进入焚烧底灰中,因此未来仍需要跟踪监测我国垃圾焚烧底灰的环境问题。另外,原始焚烧底灰及其制备的混凝土平板试件的浸出液都属于高碱性,说明焚烧底灰具有较高的碱度,这会对再生建筑材料的工程性能产生一定影响。因此,焚烧底灰再利用前表2焚烧底灰浸出液pH及微量元素浸出浓度Table2pHvaluesandconcentrationsoftraceelementsfromincinerationbottomash表32"-6mm焚烧底灰及其混凝应采取有效措施降低其碱度,如采用长期风化或加速风化等手段。

2.3粒径分布分析

焚烧底灰颗粒的尺寸分布是衡量其作为建筑材料应用潜力的关键因素之一。图1比较了焚烧底灰颗粒与普通粗、细建筑骨料的粒径级配分布,可以看出它们具有相似的粒径分布规律,焚烧底灰颗粒的粒径范围包含了粗、细建筑骨料的粒径范围。

2.4密度和吸水性

表4给出了3种粒径范围焚烧底灰的平均密度和吸水率。普通建筑材料的平均密度为2650~2700kg/m。,焚烧底灰中粒径大于6ITlm的粗颗粒的平均密度与普通建筑材料比较接近,而粒径小于2mm的细颗粒相对属于轻质材料。就颗粒的吸水率而言,普通建筑材料的吸水率小于3,焚烧底灰中粗颗粒的多孔性高、表面积较大,因此吸水性能相对较强,在工程应用中需更多考虑该参数。表4焚烧底灰的平均密度和吸水率Table4Densityandhydroscopicityofbottomash

2.5颗粒微观形态

在相同的测试条件下,不同粒径焚烧底灰的(a)2-6mmSEM图见图2。从图2可以看出,焚烧底灰的矿物形态具有多孔性、无规则性等特点,主要是由于焚烧室不均匀的送风、不均匀的焚烧温度以及垃圾在焚烧炉内不同的停留时间造成的。较高的多孑L性为有毒物质的浸出提供了活性空问,同时对焚烧底灰在应用过程中的吸附性和抗压强度有一定影响,这在再生利用过程中应加以考虑。

2.6砂当量

根据NLT111/1987测试标准,焚烧底灰细颗粒(粒径小于2mrn)的砂当量是25。中等程度的路基材料要求砂当量大于28,轻程度的路基材料要求砂当量大于23。由此可见,焚烧底灰中的细颗粒不能满足中等程度的路基材料砂当量要求,但符合轻程度的路基材料砂当量要求。

2.7压实性

原始焚烧底灰的压实性测试结果见表5。多次测量的最大密度为1.46g/cm。,相应的修正湿度是131。根据NLT108/1991要求,普通建筑材料测试的最大密度至少为1.45g/cm。,因此焚烧底灰的压实性测试结果和普通建筑材料的压实性需求一致。表5压实性测试结果Table5Resultsofcompaction

2.8焚烧底灰再生混凝土平板试件的特性

由于焚烧底灰中包含未燃尽有机质、玻璃碎片、废旧金属渣等杂质成分,导致其再生利用过程中,这些杂质易随周围环境特性发生质的转化,使再生的建筑材料产生起泡、裂缝等损伤现象;同时,由于焚烧底灰属于多孔材料,其抗压强度较低,容易造成再生建筑材料裂断等现象。对焚烧底灰再生混凝土平板试件进行损伤情况检查,发现平板上出现几条裂缝,采用photo-Micro—graph成像仪对裂缝处取横截面抛光后进行测试,还发现了多条微小裂纹(见图3),利用SEM、XRF对裂缝处材料的成分进行分析(见图4、图5),发现该裂缝处含有金属Al和玻璃凝胶,玻璃凝胶成分分析见图6,主要包含Si、Ca、Na、K。图3混凝土平板试件内部微观裂缝Fig.3Microscopiccrackinginconcretespecimen图4裂缝处的金属AIFig.4A1incrackofconcretespecimenbySEM图5裂缝横截面处的玻璃凝胶Fig.5Glassgelincrackofconcretespecimen由于生活垃圾中含有铝制品包装废弃物,在高温焚烧过程中Al表面氧化生成致密的氧化物而阻止了内部Al继续氧化rl引。研究表明,65~200mm厚度的铝箔包装制品在850℃下焚烧后,85%左右的A1停留在底灰中,10左右进入到飞灰中¨1引。在碱性环境中,焚烧底灰再生材料包含的金属Al发•46•图6裂缝处XRF分析的玻璃凝胶成分Fig.6GlasscomponentsincrackofconcretespecimenbyXRF生如下反应:Al+OH一+H2O—AI(OH)3+H2十(1)AI(OH)。+OH~+HO一[Al(OH)]一(2)[Al(OH)]一一Al(OH)。+OH一(3)[Al(OH)]一+Ca+OH一一Ca。EAI(OH)](4)Al在碱性条件下生成Al(OH)。,两性的Al(OH)。溶于水,且在pH>10的强碱性溶液中不能形成纯化层,因此Al(OH)。与水放热反应生成[AI(OH)]一;若环境pH降至9~10,[AI(OH)]一再次分解出Al(OH)。,当Al(OH)。低于溶度积时产生凝胶体沉淀;同时,根据化学方程式(4),[-AI(OH)]一和Ca抖在碱性环境中产生新的沉淀物Ca。[-AI(OH)],这些沉淀物是导致再生混凝土平板试件体积增加而产生裂缝的原因之一。通过进行裂缝横截面处微观扫描,发现了几处玻璃凝胶。这是由于焚烧底灰颗粒中的玻璃成分在碱性环境中发生腐蚀性化学反应,产生了碱硅酸盐凝胶(见式(5))。

3焚烧底灰工程性能改善对策初探

焚烧底灰中金属、玻璃等杂质成分和其多孔性可以导致再生混凝土材料损伤。因而,有必要通过净化处理技术去除焚烧底灰中的杂质成分,提高其抗压强度等工程性能,以改善焚烧底灰再生材料的工程质量。取相同来源的焚烧底灰样品约5Okg,进行不同物理分离技术实验。对于焚烧底灰细颗粒中的有机质可通过逆流水洗筛分的方法去除;而细颗粒中的金属Al由于颗粒粒径小、可识别度低,利用物理方法难以高效分离出去,故使用低浓度的氢氧化钠溶液进行浸泡处理,将处理后的焚烧底灰在空气中自然风化以降低其弱碱性能;焚烧底灰粗颗粒中的有机质、金属Al可以通过人工拣选(较粗颗粒)和涡流磁选去除;利用人工拣选去除焚烧底灰中直径大于6mrn的玻璃残渣颗粒,利用Opto-me—chanical光学机械分离2~6mii1焚烧底灰中玻璃残渣;将立式叶轮机旋转强化整形与风力除尘技术结合,使粗颗粒在高速旋转过程中解体、撞击、破碎而磨平表面,改善颗粒由于多孔性而影响强度的问题,增强颗粒坚固性和棱角效应,同时使轻质颗粒和未燃尽有机物被淘汰,而通过风力分级再次将细颗粒中有机物清除,并除去其中的极细尘粒。对净化处理后的焚烧底灰再次进行筛分,并对不同粒径底灰的物理特性进行分析,与原始焚烧底灰相应组分相比,焚烧底灰中的有机质、玻璃、金属A1含量均明显降低(见表6)。

4结论

(1)通过对焚烧底灰进行工程特性表征和环境风险评价,可以看出焚烧底灰具有再生转化为建筑材料的潜在价值。然而焚烧底灰再生应用开发新材料过程中,应考虑焚烧底灰有机质含量高、颗粒多孔性、吸水率较高、压实强度不能满足高等级建筑材料性能要求等特殊性能。

(2)不同粒径焚烧底灰的重金属浸出浓度均低于HJ/T298—2OO7中规定的金属浸出浓度限值,因而其再生利用不会对环境造成二次污染,并可节约填埋的土地资源,使焚烧底灰的出路问题得到实质性解决;还可以缓解建筑材料越来越大的需求量对天然资源造成的压力。

(3)焚烧底灰中的玻璃碎片、金属、有机质等杂质在碱性环境中通过化学反应产生新的物质,因此其再生的建筑材料容易产生起泡、裂缝等损伤现象。在焚烧底灰再生利用前,需针对焚烧底灰中粗细颗粒的特点,选用适合的处理方式进行净化处理以去除底灰中的杂质,改善再生建筑材料的工程性能。

(4)通过净化处理技术,焚烧底灰中有机质、玻璃及Al的含量明显降低,焚烧底灰的多孔率降低了22,其制备的混凝土平板试件压实强度显著提高。

 

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