Na_3PO_4-粉煤灰胶结材组合工艺处理垃圾焚烧飞灰.pdf

Na3PO4-粉煤灰胶结材组合工艺处理垃圾焚烧飞灰 ＊ 张大捷 1 贺杏华 2 侯浩波 1 1 武汉大学资源与环境学院, 湖北 430079; 2 中冶南方工程技术有限公司, 武汉 430080 摘要 垃圾焚烧飞灰由于重金属含量高, 被认为是危险废物, 必须要加以稳定化处理 。Na3PO4-粉煤灰组合工艺被用 来稳定-固化焚烧飞灰中的重金属。 结果表明, Na3PO4稳定-粉煤灰胶结材固化组合处理飞灰降低重金属浸出浓度明 显, 1. 5Na3PO4, 25掺量的粉煤灰胶结材固化飞灰后, 养护 7 d 即可满足填埋标准。 关键词 垃圾焚烧飞灰 Na3PO4 粉煤灰 稳定-固化 ＊武汉大学创新基金资助 205270026 0 引言 垃圾焚烧飞灰由于富集高浓度易渗滤的重金属 等污染物, 被视为危险废弃物, 为减小焚烧飞灰对环 境造成的二次污染, 必须对其进行妥善处理。目前垃 圾飞灰处理方式主要包括水泥固化 、 熔融固化 、 化学 稳定、酸提取等方法 [ 1] 。当垃圾焚烧飞灰中有害成分 种类繁多且含量较高时, 采用单一的处理方法很难取 得令人满意的效果。 目前 ,用可溶性磷酸盐稳定化处理重金属污染物 来降低其重金属浸出浓度的技术在美国和日本已经 进行了一些研究 ,主要用于去除工业废水中的重金属 和铅污染土壤的治理上 ,已有的研究 [ 2] 表明, 重金属 可以被 PO 3- 4成功沉淀出来 ,因此具有较好的处理效 果,但在飞灰重金属的处理中, 磷酸盐稳定化研究开 展较少,尤其是与水泥基胶结材组合处理焚烧飞灰的 研究还没有相关的报道 。在此考察以磷酸钠为化学 稳定剂 ,以磷酸钠稳定- 粉煤灰固化组合工艺对垃圾 飞灰进行处理, 飞灰固化体的强度和重金属浸出浓度 作为指标来衡量处理效果, 并与单一的磷酸钠稳定, 单一的粉煤灰胶结材固化飞灰进行比较 。 1 材料与方法 焚烧飞灰取自上海浦东御桥垃圾焚烧厂烟气除 尘器, 试验采用丰镇电厂粉煤灰, 水泥熟料为华新水 泥厂生产, 焚烧飞灰 、粉煤灰及水泥熟料的化学成分 见表 1。稳定剂 Na3PO4为实验用化学纯。 垃圾焚烧飞灰的重金属含量及重金属的浸出浓 度见表 2, 垃圾焚烧飞灰中 Pb 和 Cr 的浸出浓度均高 于固体废物浸出毒性鉴别标准。由于焚烧飞灰中的 其他重金属浸出浓度均远远低于浸出毒性标准,因此 本次研究主要关注飞灰中 Pb 和Cr 处理效果 。 表 1 试验材料的化学成分质量分数 试样 SiO2Al2O3 CaO Fe2O3 MgO SO3 Cl 焚烧飞灰23. 07. 336. 92. 13. 314. 812. 6 粉煤灰 38. 529. 210. 86. 11. 60. 4- 水泥熟料21. 64. 964. 53. 41. 41. 7- 表 2 垃圾焚烧飞灰中的重金属含量及浸出浓度 重金属 含量 mgkg - 1 浸出浓度 mgL-1 毒性浸出 标准[ 3] mgL- 1 Zn3 11214. 3≤50 Pb3 720159≤3. 0 Cu4220. 394≤50 Cd20. 60. 082≤0. 3 Cr2324. 64≤1. 5 Hg18. 8未检出≤0. 05 抗压强度的测定方法为, 固化体达到龄期后, 每 组样品取出 3 个试件, 用NYL-300 压力试验机进行抗 压强度测试 ,样品的抗压强度取 3 个试件的平均值。 重金属浸出试验按照固体废物浸出毒性浸出方法 水平振荡法 GB5086. 2 -1997 [ 4] 进行, 滤液用原子吸 收分光光度计分析。 2 结果与讨论 2. 1 磷酸钠稳定飞灰的试验结果 在500 g 飞灰中分别加入 Na3PO412H2O 5、10、 20、 30、40、50 g 即 Na3PO4投加的质量分数分别为 1、 2、 4 、 6、 8、 10进行研究, 水固比为 0. 3。 实验时先将称量好的 Na3PO412H2O 溶解在去离子水 中,然后再和飞灰一起混合搅拌 5 min ,混合物在室温 条件下养护 12 h,测试飞灰中重金属的浸出浓度。 图1 是磷酸钠掺量的变化对飞灰重金属浸出浓 58 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 度的影响 , 可看出 , 用 Na3PO4固化后飞灰的重金属 Pb、 Cr 的浸出浓度尤其是 Pb 都大大低于原飞灰的浸 出浓度 ,随着Na3PO4比例的增大 ,重金属 Pb、Cr 的浸 出浓度一直呈下降趋势。当 Na3PO4的投加量达到 4时, 飞灰中Pb 的浸出浓度低于危险废物浸出毒性 鉴别标准,投加量达到 6时 ,Cr 的浸出浓度低于危 险废物浸出毒性鉴别标准, 而当 Na3PO4投加量继续 增加时 ,Pb 和 Cr 的浸出浓度不再有明显的下降趋 势。从磷酸钠稳定飞灰的基本掺量来看 ,单一的磷酸 钠处理飞灰费用较高 ,不适合工程上大规模处理焚烧 飞灰 。 图 1 磷酸钠稳定飞灰中 Pb 和Cr的浸出浓度变化 2. 2 粉煤灰固化飞灰的试验结果 由于试验用的粉煤灰属低钙灰 ,为激发其活性, 在粉煤灰中添加 20的水泥熟料制成粉煤灰胶结 材。将粉煤灰胶结材按质量分数 25、 30、 35和 45掺入飞灰中 样品设为 F25、 F30、 F35 和 F45 , 水 灰比 0. 3,在 7. 07 cm7. 07 cm 7. 07 cm 的试模中成 型,养护 7、 28 和 60 d 后测试固化体的抗压强度及重 金属的浸出浓度 。 图2是粉煤灰胶结材固化飞灰后各龄期的强度 。 飞灰固化体的强度随粉煤灰胶结材掺量的增多和养护 龄期的延长而增大 。4 组固化体的强度均1MPa,从 力学性能上来看,固化体完全符合填埋标准。 图 2 粉煤灰胶结材固化飞灰的抗压强度 表3、 4 是粉煤灰胶结材固化飞灰后重金属Pb、 Cr 的浸出浓度 。从表 3 可看出, 尽管飞灰固化后, 重金 属浸出浓度降低明显 ,但总体看,处理效果并不理想, 对于 Pb 的处理 ,F25 和 F30 养护 60 d 后仍然高于毒 性浸出标准 ,F35 和 F45 固化效果相对较好, 但也需 要养护 28 d才低于毒性浸出标准 ,而对于Cr, 粉煤灰 胶结材的掺量变化对其浸出浓度影响并不明显,真正 控制其浸出浓度的是养护龄期, 4 组固化体必须养护 60 d后 ,才能达到毒性浸出标准 。已有的研究结论 [ 5] 表明, 水泥基固化材固化重金属废物时, 水化产物 C- S-H 凝胶及钙矾石等硅酸盐矿物对重金属浸出浓度 的固化起决定性作用, 通常水化时间越长, C- S- H 凝 胶产生量越多, 固化体则越密实, 从而重金属浸出浓 度越低。 表 3 粉煤灰胶结材固化飞灰后重金属 Pb 的浸出浓度 mg L 样品号 养护时间 d 72860 F258. 035. 623. 14 F306. 124. 433. 22 F355. 132. 701. 95 F455. 032. 611. 64 表 4 粉煤灰胶结材固化飞灰后重金属 Cr 的浸出浓度 mg L 样品号 养护时间 d 72860 F252. 232. 121. 22 F302. 121. 911. 02 F351. 951. 831. 04 F451. 821. 640. 93 2. 3 磷酸钠-粉煤灰组合处理飞灰的试验结果 组合工艺的设想是采用磷酸钠稳定 ,F 胶结材固 化飞灰, 通过稳定-固化 2 种手段降低飞灰重金属的 浸出浓度。试验制备 4 组样品 PF1、 PF2、PF3、PF4 , 其中 PF1 和 PF2 中, 粉煤灰胶结材掺量均为 25, Na3PO412H2O 的掺量则分别为 1. 5和 1 , PF3 和 PF4 中, 粉煤灰胶结材掺量均为 35,Na3PO412H2O 的掺量则分别为 1. 5和 1。试样制备后, 养护 7、 28 d 测试固化体的抗压强度和重金属浸出浓度。 图3 是组合工艺下飞灰固化体的抗压强度变化。 可看出 ,固化体在掺加 Na3PO4之后, 强度普遍降低, 且Na3PO4掺量越多 ,强度越低 ,说明磷酸盐的加入对 固化体的水化反应起阻碍作用。但 4 种飞灰固化体 的强度都1MPa ,均满足填埋标准。 59 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 图 3 组合工艺下的飞灰固化体各龄期的强度 表 5、 6 是飞灰中重金属的浸出浓度 。表 4 可看 出,不管是 7 d 还是28 d 龄期,PF1,PF2,PF3,PF4 4 个 样品中 Pb 和Cr 的浸出浓度都远远低于同龄期不掺 磷酸盐的固化体 F25和 F35 的浸出浓度, 除 7 d 龄期 的PF4 固化体中的 Cr 外 , 其余的都低于浸出毒性标 准,4 组工艺中最适合工程上应用的比例是 PF3。试 验结果表明采用 Na3PO4稳定-粉煤灰固化组合工艺 处理飞灰效果明显 ,同时也表明, 两种工艺联合处理 飞灰重金属存在着超叠加效应 , 粉煤灰胶结材和 Na3PO4的掺量均大幅度减小 , 且养护时间缩短 ,极大 地降低了飞灰处理的成本 。 表 5 组合工艺处理后重金属 Pb 飞灰各龄期的浸出浓度 mg L 样品 养护时间 d 728 PF11. 330. 40 PF21. 210. 35 PF31. 550. 81 PF42. 040. 90 表 6 组合工艺处理后重金属 Cr 飞灰各龄期的浸出浓度 mg L 样品 养护时间 d 728 PF10. 710. 35 PF20. 920. 31 PF31. 121. 06 PF41. 681. 36 2. 4 组合工艺稳定重金属的机理分析 组合工艺对重金属浸出浓度的降低存在两方面 的作用 ①Na3PO4与飞灰产生的反应产物对重金属 的稳定作用; ②粉煤灰胶结材水化后的产物对重金属 的固化作用。两种作用机理不同但互相弥补 ,从而降 低重金属的浸出浓度 。 通过对 Na3PO4稳定飞灰的主要产物的 XRD 分 析,发现磷酸钠和焚烧飞灰发生反应后, 可以产生 Ca5 PO43 OH 、Ca10 PO46 OH2、Ca2PO4Cl 、 Pb3 PO42、 KPb4 PO43、 KPb3PO4 SO4 等物质生成 ,其 中前两种反应产物即羟基磷灰石。B. S . Crannell 等 [ 2] 在研究中指出, 羟基磷灰石具有特殊的晶体化学结构 和良好的离子交换性能, 能极大地稳定重金属, 从而 降低浸出浓度, 其机理主要包括吸附 、表面络合 、溶 解-沉淀以及重金属离子与晶格中的离子交换作用。 粉煤灰胶结材固化重金属的机理则可以认为是, 粉煤灰在水泥熟料的激发作用下产生 C-S- H 凝胶和 钙矾石等硅酸盐矿物 ,通过 C-S- H 凝胶以及其他的硅 酸盐矿物对重金属的物理包胶作用和吸附作用以及 其产生碱性环境下的重金属复分解沉淀反应 [ 5] ,从而 约束重金属 ,降低浸出浓度。 3 结论 1 单一的磷酸钠或粉煤灰胶结材处理飞灰重金 属效果均不太好 ,磷酸钠处理存在掺量过高导致费用 过高, 而粉煤灰胶结材则存在着处理时间过长, 效果 不好的弱点 。 2 磷酸钠稳定-粉煤灰胶结材固化组合处理飞 灰效果明显 ,1. 5 的磷酸 ,25 掺量的粉煤灰胶结材 固化飞灰养护 7 d 即可满足填埋标准。 3 磷酸钠-粉煤灰通过物理包胶 、 吸附、表面络 合、 离子交换以及重金属复分解沉淀等作用约束焚烧 飞灰重金属 ,降低其浸出浓度 。 参考文献 [ 1] T. Mangialardi. Disposal of MSWI fly ash through a combined washing- immobilization process, Journal of Hazardous Materials B98 2003 225 -240. [ 2] B. S. Crannell , T . T . Eighmy , J. E. Krzanowski et al.Heavy metal stabilization in municipal solidwaste combustion bottom ash using soluble phosphate . Waste Management, 2000, 20 135 -148. [ 3] GB5085. 3 -1996危险废物鉴别标准. 北京 中国标准出版社, 1997. [ 4] 美国环境保护局固体废弃物办公室. 中国环境检测总站, 中国科 学院生态环境研究中心, 北京市环境检测中心译. 固体废弃物试 验分析评价手册. 北京 中国环境科学出版社, 1992. [ 5] 贺杏华, 侯浩波, 张大捷. 水泥对垃圾焚烧飞灰的固化处理试验 研究. 环境污染与防治,2006, 6. 作者通讯处 张大捷 430079 武汉大学资源与环境学院 2004 级 博 电话 027 68775812 E -mail zdajie1015163. com 2006- 08-18 收稿 60 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 APPLICATION OF VARIOUS CATALYSTS IN PLASMA AIR PURIFIER Zhao Fa Wang Li Xing Yi 43 Abstract The experiment indicated that plasma technology has excellent effect to remove indoor VOCs, and can reach more than 90 on condition of proper flux and stronger discharging voltage. Without treatment of ozone, CO and so on produced by the technology will lead to the second -pollution to atmospheric environment. Based on the technology of catalysis and trans, the effect of disposing tail gas pollution from purifying indoor air is also studied with catalyst. So it is discussed how to select proper postpositional catalyst and catalyzed temperature. In addition, how to devise the configuration of reactor that makes it adapt to more flux gas is also discussed. Keywords plasma, indoor air pollution, catalysis trans, catalyst and toluene DISCUSSION ON DOUBLE RETURN ROUTE ABSORPTION TOWER AND ITS CIRCULATION SLURRY COMPUTATIONWan Jinbao Li Yuanyuan 46 Abstract The double return route absorption tower can be applied to the flue gas desulfurization system of thermoelectric power station, sintering plant and so on. It owns the advantages of good mass transfer effect, high desulphurization rate and high gypsum purity , which has the superiority on reducing the development of natural gypsum resources and protecting resources. Through describing the principle and characteristics of the double return route tower, it is analyzed its structure and the perance step by step, and then furhter demonstrated its computational of circulation slurry. Keywords double return route, absorption tower, desulfurization and slurry REING BAG FILTER FROM ESP OF DEDUSTING SYSTEM OF SINTERING MACHINE TAIL AND ORE SIZINGChi Zhiyong 49 Abstract It is described the design of the electrical precipitator changing into a long low -voltage pulse dust catacher for 3 sets of dedusting systems of the sintering machine tail and the ore sizing area of an ore -sintering plant. It is introduced the existing defects of the original EP, the specific measures, the lectotype of main equipments, and the testing data of the dedusting system operations etc. It has operated reliably for 2 years, all the technical inds are always in good state. Keywords sintering machine, ore sizing, dedusting system, long low-voltage pulse dust catcher, electrical precipitator and reing bag filter from ESP NUMERICAL SIMULATION OF THE TEMPERATURE FIELD IN THE NEW GASIFIER HEATING BY HIGH TEMPERATURE SMOKEXiao Bo Wang Yingying Zhou Xinping et al 52 Abstract In order to know the pyrology state of the new gasifier heating by high temperature smoke, the combination of experiment and computational fluid dynamics was applied. By the computational fluid dynamics and the data from the pyrogenation experiment of the Chinese parasol tree leaves heating by electric cooker andthe new gasifier, itwas simulatedthe temperature field in the reactor. The resultsof the simulation show good agreement with experimental data. The numerical results also show that the temperature in the reactor wasdistributed suitably , the range of high temperature was wide, it can provide adequate energy for pyrogenation. At the same time, it was simulated the temperature field in the reactor when it was circulated continuously ,which was in favor of ameliorating the gasifier. Keywords high temperature smoke for heating, gasifier, temperature field and numerical simulation APPLICATION OF ROTARY KILN INCINERATOR IN MEDICAL WASTE TREATMENT Pei Zhaotang Wu Weixiang 55 Abstract In the treatment of medicalwastesincineration, the choice for furnace lines is the most concerned factor by the project designer as well as the key factor for the medical waste treatment canwhether achieve the aim of innoxiousness, decrement and resource, especially achieving the aim of innocuous treatment. It is focused on discussing the application of rotary kiln incinerator in the medical waste incineration treatment by the process design of medicalwaste incineration in a northwest city. Keywords medicalwastes, rotary kiln incinerator and process design DISPOSAL OF MSWI FLY ASH THROUGH A COMBINED Na3PO4-COAL ASH BINDER IMMOBILIZATION PROCESSZhang Dajie He Xinghua Hou Haobo 58 Abstract MSWI fly ash is considered a hazardous waste because of high heaavy metal concentration and must be treated. Combined Na3PO4-coal ash immobilization process was used to stabilize and solidify the heavy metal of MSWI fly ash. Results show that the disposal effect is good, and the MSWI fly ash can reach landfill standard by mixing 1. 5Na3PO4and 25 coal ash binder after 7 d curing. Keywords MSWI fly ash, Na3PO4, coal ash and stabilization -solidification FLOATING COVER TECHNIQUE OF REGULATING RESERVOIR FOR REFUSE LANDFILL Zhang Chaoping Luo Peng Huang Zhonglin 61 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25, No. 2,Apr. ,2007