基于重金属形态分析的MSWI飞灰淋洗实验及资源化研究

摘要

城市生活垃圾焚烧(MSWI)飞灰是垃圾焚烧处理的主要污染物,占垃圾重量的3~5％左右。飞灰因富集了较高浓度的重金属、难降解有毒物质,被列为危险废物,必须对其特殊处理处置,这已经成为当前固废处理领域的研究热点。同时,飞灰因含有大量CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等氧化物,具有火山灰活性,具备进行建材资源化的条件,但需要降低其重金属和氯等有害物质的不利影响,以保证其资源化利用的可行性。而且随着社会经济的发展,飞灰的产生量越来越大,对其处理处置的矛盾越来越突出,飞灰资源化成为环境工程领域研究的新热点。
　　本文对重庆市某生活垃圾焚烧厂焚烧飞灰的基本理化性质进行了分析。采用激光粒度分析、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线荧光光谱仪(XRF)手段对MSWI飞灰的物理性质、化学性质等特性进行全面分析。
　　对MSWI飞灰的重金属毒性进行了全面分析。采用TCLP浸出法、三酸消解法和多级提取实验分析测试了浸出毒性、重金属全量和形态。
　　以MSWI飞灰重金属形态分析为基本研究手段,开展了飞灰湿法预处理技术研究。分别采用水洗模拟MSWI飞灰在自然堆放条件下,飞灰中典型重金属的溶出行为和酸洗对MSWI飞灰中典型重金属的洗脱效果。分析水洗和酸洗各淋洗因素对重金属和氯的影响,得到复合淋洗的优化方案。探讨湿法预处理技术参数与MSWI飞灰重金属形态之间的关系,为飞灰处理处置和资源化提供了理论依据。
　　在上述研究基础上,探索了MSWI飞灰一种免烧制陶技术。对湿法预处理后的MSWI飞灰,掺入普通硅酸盐水泥进行免烧陶粒建材的实验研究,探讨水泥添加量、养护温度和时间因素与颗粒强度、1h吸水率和浸出毒性之间的关系。
　　通过上述研究,本文主要结论如下:
　　1)MSWI飞灰基本理化性质:样品飞灰为灰白色无明显气味细粉;平均粒径70.21μm,100目筛下物的粒径分布大致呈现偏正态分布;比表面积很小,不具有明显的多孔结构;吸脱附等温线呈S型均属于Ⅱ型等温线类型,有明显的回线;飞灰中有毒重金属元素主要是Zn、Pb、Mn、Cu、Cr等;飞灰主要以碳酸钙(CaCO3)、钠盐(NaCl)、钾盐(KCl)、石膏(CaSO4)等形式存在;飞灰中含有大量的非晶态物质;
　　2)MSWI飞灰重金属性质:飞灰中Zn、Pb的含量明显高于其他重金属,Mn、Cu、Cr、Cd等重金属含量再次之,Hg和Ni的含量最低;Zn、Pb、Cd的浸出浓度都远远超过浸出毒性标准,Hg的浸出浓度没有超出浸出毒性标准,但接近标准值;可交换态中Cd和Hg含量最高,碳酸盐结合态中Cd含量最高,铁锰氧化物结合态中Zn、Pb、Cd含量相对较高,有机结合态中Cu、Hg含量较高,残渣态中Mn、Cr、Ni含量较高。
　　3)水洗过程对飞灰中重金属的溶出效果并不理想,除水洗温度升高对铅的溶出率超过10%,其余情况下各种重金属的溶出率均未超过10%。筛选最佳水洗条件为水洗时间10min,液固比为10,淋洗温度20℃;水洗过程未改变飞灰中重金属的主要分布,但可以有效去除飞灰中可交换态和一部分碳酸盐结合态的重金属,且液固比的提高和温度的升高可以促进碳酸盐结合态向可交换态转化。
　　4)相对于水溶出,酸淋洗飞灰对重金属洗脱率提高较大;酸洗液固比和浓度对飞灰中重金属洗脱率影响很大,飞灰经过酸洗后重金属可交换态比例均明显增加。酸洗时间对飞灰中重金属洗脱率影响不明显,飞灰中重金属Cd和Hg的洗脱率会随着酸洗时间的延长而上升,选取酸洗时间10min为最佳淋洗及控制生物有效性的时间。酸洗液固比变化对飞灰中重金属洗脱率影响很大,确定最佳淋洗及控制生物有效性的液固比为20。浓度对飞灰酸洗过程中重金属洗脱率影响明显,浓度为1.0mol/L时,Pb、Cd、Cu、Zn和Hg的去除率可达62.38%、71.05%、74.77%、66.31%、17.01%,但在酸浓度超过1.0mol/L后,飞灰中重金属去除率变化不大,且该条件下重金属可交换态比例较大。随着酸洗温度增加,飞灰中除了Hg其他重金属去除率变化不大。
　　5)酸洗再水洗处理后,飞灰中重金属的生物有效性指数均有所下降。经过酸洗之后,重金属可交换态比例均明显增加,经过再次水洗处理去除部分可交换态重金属有效降低了其可迁移性,可用于资源化处理。处理后的飞灰中的生物有效性系数排序为:BICd>BIHg>BICu>BIPb>BIZn,处理后的飞灰中重金属的可迁移性均有所降低,Cd是处理后飞灰中可迁移性最高的重金属,最容易从处理后的飞灰进入环境中而对动植物的生存产生影响,对生物的潜在危害性最大。确定酸洗最优条件为:硝酸淋洗,浓度1.0mol/L和液固比20,与单因素实验结果相同。原飞灰经过水洗和酸洗再水洗处理后,飞灰中重金属Pb、Cd、Cu、Zn和Hg的残渣态比例均有所增加,与水洗处理相比,酸洗过程能有效促进铁锰氧化物结合态的Pb、Cd、Cu、Zn及铁锰氧化物结合态和有机及硫化物结合态向可交换态和碳酸盐结合态转化。
　　6)采用水泥为粘结剂,用酸洗再水洗后的飞灰制备免烧陶粒。随水泥含量增加,陶粒强度增加,1h吸水率减小;随养护温度升高,颗粒强度先上升后下降,1h吸水率减小;随养护时间增加,颗粒强度增加,1h吸水率减小;主要重金属Pb、Zn、Cd、Cu及Hg浸出毒性均远远低于国家浸出毒性标准值(GB5085.3-2007);免烧陶粒中的重金属形态相对于酸洗再水洗飞灰来说几乎不变,Pb、Cd、Cu的生物有效性指数有所降低,Zn和Hg的生物有效性指数略有升高,但其可交换态的比例均有所降低。确定免烧陶粒最佳工艺参数为:水泥50%,养护温度50℃,养护时间3d。免烧陶粒具有优良性能,应用范围广,可代替传统建筑材料,不仅实现了MSWI飞灰的资源化利用,也为飞灰的无害化和稳定化提供了一个新的处理思路和途径。

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中文摘要

英文摘要

目录

1 总 论

1.1 课题的背景、目的和研究意义

1.2 国内外相关研究进展

1.3 论文主要研究内容

1.4 论文创新点

1.5 研究技术路线

2 MSWI飞灰的基本性质研究

2.1 引言

2.2 实验材料及研究方法

2.3 结果与讨论

2.4 飞灰中重金属相关特性

2.5 本章小结

3水淋洗飞灰中重金属的溶出及动态行为分析

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.3 水洗条件下飞灰中重金属溶出及动态行为分析

3.4 本章小结

4 酸淋洗飞灰中重金属的洗脱及动态行为分析

4.1 前言

4.2 材料与方法

4.3 实验设计

4.4 酸洗条件下飞灰中重金属洗脱及动态行为分析

4.5 本章小结

5飞灰复合淋洗条件优化

5.1 前言

5.2 材料与方法

5.3 酸洗再水洗后实验结果

5.4 本章小结

6 免烧MSWI飞灰陶粒的制备研究

6.1 引言

6.2 材料与方法

6.3 实验结果与讨论

6.4 本章小结

7 结论及建议

7.1 结论

7.2 建议

致谢

参考文献

附录