生活垃圾焚烧炉渣特性及其在废水处理中的应用研究

摘要

焚烧法处理城市生活垃圾的特点是减量化效果显著，体积可减少90％，但仍有20％～30％的质量留在了焚烧灰渣中。焚烧灰渣主要包括飞灰和炉渣，飞灰因其可浸出重金属含量高，且含有二噁英等有机污染物，属于危险废物。炉渣是灰渣的主要部分，占80％左右，在我国是属于没有毒性的一般废物，可直接进行填埋或作建筑材料加以利用。 随着垃圾焚烧工艺在我国应用越来越广泛和对污染控制的愈加严格，焚烧炉渣内重金属的活性及在资源化利用过程中的环境安全性应引起足够重视。 近年来，我国在垃圾焚烧处理方面已积累了一定的经验，对焚烧工艺和焚烧过程产生的二次污染物也做了大量的研究工作。但研究多集中于飞灰这种危险废物，而对属于一般废物的焚烧炉渣研究极少，且局限于与炉渣作工程集料或建材利用相关的工程性质，对炉渣中重金属的来源、分布规律和活性大小以及在炉渣利用过程中的环境安全性评定研究尚少。另外，除作建材、骨料等简单利用外，有待开发出一种新型的高附加值的炉渣利用途径。 针对这种现状，本文通过对生活垃圾焚烧炉渣的物理化学性质分析、重金属含量、存在形态分布及浸出特性的研究，对炉渣在利用过程中的环境安全性做出评定，并通过对炉渣基质反应床处理高含磷禽畜废水的工艺运行参数优化、污染物的去除机理考察等，致力于开发出一条炉渣利用的新途径。 主要成果和结论如下：较为全面地分析了垃圾焚烧炉渣的基本特性：从组成上看，主要包括熔渣、玻璃、陶瓷和砖头、石块等物，还含有一定的塑料、金属物质和未完全燃烧的纸类、纤维、木头等有机物；炉渣中大于4mm的颗粒占60％左右，适合作建筑材料使用，小于4mm的颗粒可考虑做水处理介质。 炉渣的主要组成为SiO2：35.3％～42.3％，CaO：19％～27.2％，Al2O3：7.4％～7.8％，Fe2O3：3.9％～5.1％，还有少量的Na2O、K2O、MgO、TiO2等。SiO2、Al2O3、Fe2O3、Na2O、K2O的含量随炉渣粒度的减小而变小，相反地，CaO、P2O5、MgO、TiO2等物质的含量却随粒度的变小而增大。 炉渣含有较高的重金属，且炉渣粒度变小，重金属含量升高；重金属在炉渣和飞灰中的分布与重金属本身特性有关，难挥发金属主要分布于炉渣中，而易挥发金属主要分布于飞灰中。 炉渣中Zn、Pb、Cd、Cu主要以残渣态和碳酸盐结合态形式存在，表现出了一定的不稳定性；Ni、Ba、Cr主要以残渣态存在，非常稳定。而且，各重金属存在形态几乎不随炉渣颗粒大小发生变化。 炉渣浸出毒性试验中各重金属浓度均低于我国危险废物浸出毒性鉴别标准限值，证明炉渣属于一般废物。浸取液pH、浸取时间、固液比、浸取温度等因素都会影响炉渣中重金属的浸出。 焚烧炉渣的酸中和容量为1.8～2.0mol/kg，对环境pH值变化的抵抗能力较强。 炉渣的环境安全评价体系表明，炉渣在使用环境中重金属的浸出不会对环境造成二次污染，具有稳定性和长期安全性。 炉渣对磷有较好的去除效果，在初始磷酸盐浓度低于200mg/L时，对磷的去除率几近100％，在初始浓度为1000mg/L时，去除率达67％。对除磷后的炉渣进行磷的形态分析表明，溶液中磷酸盐首先被炉渣快速吸附，之后与炉渣中的Ca、Al、Fe等金属发生化学反应，转化成稳定的Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P和Ca10-P等沉淀态磷。 炉渣基质反应床处理禽畜废水的小试研究表明，炉渣反应床对畜禽废水的处理十分有效，出水COD、氨氮和总磷达到了污水综合排放二级标准，但总氮去除率较低。综合考虑处理效果和处理能力，确定炉渣反应床适宜的运行工况为连续配水时间4h、湿干比1：8，可采用的最大配水速率为0.189cm/min。 污染物在炉渣床的去除机理可简化为两个阶段：快速物理化学吸附和慢速生物降解过程，分别与系统的配水阶段和落干阶段相对应。废水中几种主要污染物质的去除机理基本一致，但各自去除过程却有所不同：磷通过吸附、化学反应和生物除磷作用得以去除；COD通过过滤、表面吸附和生物降解作用去除；氮靠生物硝化和反硝化作用去除。

目录

文摘

英文文摘

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第1章 引言

第2章 垃圾焚烧炉渣处理与资源化利用现状

第3章 垃圾焚烧炉渣物理化学性质研究

3.1城市垃圾焚烧炉渣的产生

3.2炉渣样品的采集

3.3焚烧炉渣的组成和分布

3.4焚烧炉渣的物理化学性质

3.5炉渣的矿物组成

3.6炉渣的化学成分

3.7本章小结

第4章 焚烧炉渣的重金属分析

4.1重金属物质的来源

4.2炉渣的重金属总量分析

4.3重金属在炉渣和飞灰中的分布规律探讨

4.4焚烧炉渣重金属的化学形态分析

4.5本章小结

第5章 垃圾焚烧炉渣中重金属的浸出特性研究

第6章 焚烧炉渣对磷的吸附性能研究

第7章 炉渣反应床处理禽畜废水的工艺研究

第8章 结论与建议

致谢

参考文献

附录 无机磷分级方法

个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果