垃圾衍生燃料焚烧飞灰的土工性能与浸出特性研究

摘要

作为垃圾焚烧处理的新技术，RDF（Refuse Derived Fuel，垃圾衍生燃料）技术可通过控制焚烧温度、混烧比以及添加剂的种类和含量等来降低焚烧产物中污染物的含量。RDF焚烧产物中含有总质量5％左右的飞灰，具有潜在的资源化应用前景。目前对具有低污染物含量的RDF飞灰的资源化研究甚少，本论文旨在研究填埋场中堆积的RDF飞灰作为路基材料资源化应用时的土工性能和浸出特性及浸出控制机制，为该材料资源化应用的可行性分析提供参考依据。
　　论文以填埋场堆积的新鲜飞灰（堆积时间不超过10天）与陈化飞灰（堆积时间约为6个月）为研究对象，通过研究两种飞灰的土工性能、不同条件下的浸出特性、浸出微量元素的长期迁移及不同pH值下的浸出控制机制，得出了以下主要结果:
　　(1)采用粒径分析、SEM（电镜扫描）和SEM-EDS（电镜-能谱扫描）的方法研究了两种RDF飞灰的基本物理特性、微观特征及成分组成，并与MSW（生活垃圾）焚烧飞灰进行了比较分析。结果表明:两种飞灰的粒径主要分布于0.075-4.75mm之间，且含有很多由细小颗粒聚合形成的大颗粒聚合物;两种飞灰颗粒均呈现棉絮状结构，表面粗糙，堆积较为松散，颗粒间存在明显间隙，此外，陈化飞灰颗粒表面由于侵蚀作用而表现出无定型结构;两种飞灰中CaO的含量高于MSW飞灰及CCP（粉煤灰），呈现类水泥特性，其他成分与MSW飞灰类似。
　　(2)采用击实试验、渗透性试验、无侧限抗压强度试验、CBR（加州承载比）实验及冻融试验研究了两种RDF飞灰作为路基材料时的相关土工性能。结果表明:两种飞灰颗粒聚合物中含有较多空隙，其干容重值低于“砂砾”类材料;两种飞灰的渗透系数在1.4×10-6m/s～8.0×10-8m/s之间，渗透性属“较差”级别;陈化飞灰的CBR值(9.5～16.4)在路基材料中可评级为“中等至较好”级别，而新鲜飞灰（CBR为0.3～3）则属于“非常差”级别;陈化飞灰具有较高的抗冻融能力。
　　(3)分别采用间歇式水浸出实验、合成沉降浸出实验及定pH浸出实验方法，分别研究了在水浸出及合成沉降浸出条件下两种飞灰的资源化应用潜力及定pH值浸出条件下两种飞灰中主要元素(Al、Ca)与微量元素(Ag、As、B、Ba、Cd、Cr、Cu、Pb、Mn、Se、Zn)的浸出特性。结果表明，水浸出实验中两种飞灰中的B、Cd、Cr、Se、Ag及SO42-的浸出浓度均符合工业副产品资源化应用要求;在水浸出与合成沉降浸出实验中，两种飞灰中的As与Ba的浸出浓度均超出EPAMCL（美国环保局饮用水标准限值），具有潜在环境风险。由定pH值浸出实验所得到的酸中和容量曲线表明:两种飞灰自身pH值均易受周围酸碱条件影响，且离子浸出模式分析表明:两种飞灰中，Cu、Mn、Zn、Ag、Cd及Pb的浸出行为类似于阳离子浸出模式，浸出浓度会随着pH值的增加而降低;Al、Cr和As的浸出行为类似于两性浸出模式，浸出浓度在中性pH条件(pH约为7)时最低，而在酸性和碱性环境下增大;Ca、Ba和Se的浸出行为并无明确的随pH变化规律。
　　(4)通过柱体浸出实验与计算机数值模拟研究了两种RDF飞灰在过流系统中的主要元素(Al、Ca、K、Na)与微量元素(Ag、Ba、As、Cr、Cu、Cd、Pb)长期浸出过程及微量元素(As、Ba)在地下水中的迁移过程。研究表明:两种飞灰中，主要元素Al和Ca的累积浸出量随累积液固比的增加而稳定增加，K和Na的累积浸出量随着累积浸出液固比的增加而减小;微量元素Cr和Cu的浸出只发生在柱体浸出实验的开始阶段，而As在整个实验过程中稳定而持续的浸出，Ag、Cd和Pb的累积浸出量较低;新鲜飞灰相对于陈化飞灰呈现出更多的微量元素累积浸出量。在地下水中的长期浸出过程中，两种飞灰中As的浸出浓度在第79年达到最大，且新鲜飞灰的预测浸出浓度超出了EPA MCL要求，具有潜在风险。
　　(5)采用地球化学平衡模型研究了两种RDF飞灰中主要元素（Al、Ca、Mg、Fe）及微量元素(As、Ba、Cd、Cr、Cu及Zn)的浸出控制机制。结果表明:两种飞灰中所有元素的浸出控制机制相同，在浸出过程中，As、Cr、Cu及Fe属于氧化还原反应敏感型元素，Al、Ba、Ca、Cd、Mg及Zn则属于敏感性较低或无氧化还原敏感型元素;主要元素中Al与Fe主要以还原态Al(Ⅲ)及Fe(Ⅲ)存在，而微量元素中Cr主要以还原态Cr(Ⅲ)存在，As、Cu与Zn则分别以氧化态As(Ⅴ)、Cu(Ⅱ)及Zn(Ⅱ)形态存在。两类元素浸出（As除外）均属溶解性控制机制，主要控制性矿物分别为非晶态Al(OH)3、水铁矿[Fe(OH)3]、白云石[Mg，Ca(CO3)2]、方解石[CaCO3]、重晶石[BaSO4]、菱镉矿[CdCO3]、非晶态Cr(OH)3、黑铜矿[CuO]及红锌矿[ZnO]，As的浸出属于非溶解性控制机制，往往以[AsO43-]及[(AsO4)2]6-等化合态与金属反应形成相对不溶性的金属砷酸盐。
　　本论文研究结果表明，陈化飞灰表现出较好的土工性能，具有作为路基轻骨材料资源化应用的潜质，但浸出污染物成分易受环境中酸碱条件影响，存在潜在环境风险。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 美国生活垃圾产生规模与处理现状

1．1．2 RDF(Refuse Derived Fuel，垃圾衍生燃料)

1．1．3 美国及各国垃圾焚烧飞灰产生与管理现状

1．1．4 焚烧飞灰的资源化利用

1．1．5 焚烧飞灰潜在环境风险

1．2 MSW焚烧飞灰的研究进展

1．2．1 MSW焚烧飞灰的形成

1．2．2 MSW焚烧飞灰形态特征及物理化学特性

1．2．3 MSW焚烧飞灰无害化处理技术

1．2．4 MSW焚烧飞灰浸出特性及研究方法

1．2．5 RDF焚烧飞灰特殊性及研究中所面临的问题

1．3 论文研究意义、主要内容、技术路线与创新点

1．3．1 研究意义

1．3．2 主要内容

1．3．3 技术路线

1．3．4 创新点

第二章 RDF焚烧飞灰基本理化特性研究

2．1 飞灰的来源与样品采集

2．2 飞灰的基本物理特性

2．3 飞灰的微观特征

2．4 飞灰的成分分析

2．4．1 飞灰化学组成

2．4．2 元素分析方法

2．4．3 元素成分分析

2．5 本章小结

第三章 RDF焚烧飞灰土工性能试验研究

3．1 击实试验

3．1．1 试验方法与仪器设备

3．1．2 样品制备与试验过程

3．1．2 试验结果与分析

3．2 渗透性试验

3．2．1 试验方法与装置设计

3．2．2 试样制备与试验过程

3．2．3 试验结果与分析

3．3 加州承载比(CBR)

3．3．1 试验方法

3．3．2 试样制备与试验过程

3．3．3 试验结果与分析

3．4 无侧限抗压强度试验

3．4．1 试验方法与仪器设备

3．4．2 试样制备与试验过程

3．4．3 试验结果与分析

3．5 冻融性能试验

3．5．1 试验方法与仪器设备

3．5．2 试样制备与试验过程

3．5．3 试验结果与分析

3．6 RDF焚烧飞灰强度机理分析

3．7 本章小结

第四章 RDF焚烧飞灰的间歇浸出特性研究

4．1 水浸出特性研究

4．1．1 实验方法

4．1．2 实验过程与浸出液处理

4．1．3 实验结果与分析

4．2 合成沉降浸出特性研究

4．2．1 实验方法

4．2．2 实验过程与浸出液处理

4．2．3 实验结果与分析

4．3 定pH值浸出特性研究

4．3．1 实验方法

4．3．2 实验设计及流程

4．3．3 实验过程

4．3．4 结果与讨论

4．4 本章小结

第五章 RDF焚烧飞灰在过流系统中的浸出特性及微量元素迁移行为模拟研究

5．1 RDF焚烧飞灰在过流系统中的浸出特性研究

5．1．1 实验方法

5．1．2 实验过程与浸出液处理

5．1．3 实验结果与分析

5．1．4 与水浸出实验结果对比

5．3 基于WiscLEACH的微量元素迁移模拟研究

5．3．1 WiscLEACH简介

5．3．2 模拟参数设定及运行

5．3．3 结果与讨论

5．4 本章小结

第六章 基于地球化学分析的RDF飞灰浸出机制研究

6．1 地球化学分析方法

6．1．1 地球化学平衡模型

6．1．2 Visllal MINTEQ

6．2 Visual MINTEQ数值模拟过程

6．3 地球化学模拟结果分析

6．3．1 主要氧化还原形态

6．3．2 液相组成与饱和度计算

6．4 浸出控制机机制分析

6．4．1 主要元素浸出控制机制

6．4．2 微量元素浸出控制机制

6．5 本章小结

结论与建议

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的相关学术论文