微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)团聚化垃圾焚烧飞灰试验研究

摘要

垃圾焚烧飞灰(municipal solid waste incineration fly ash，MSWI fly ash)是生活垃圾焚烧的产物，占垃圾焚烧量的3～5％，因含有多种重金属及二噁英等有机毒物且浸出毒性较大，被列入《国家危险废物名录》（代码772-002-18）。《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)规定垃圾焚烧飞灰经固化/稳定化处理达标后方可进入卫生填埋场进行填埋处置。本文在国家自然科学基金面上项目（编号:5157081460）的资助下，开展了基于微生物诱导碳酸盐沉淀(Microbial Induced Calcite Precipitation，MICP)固化/稳定化飞灰的试验研究，微生物选用巴氏生孢八叠球菌Sporosarcina pasteurii。首先测试分析了杭州地区两种典型焚烧工艺一炉排炉和流化床产生飞灰的颗粒级配及理化特性，然后测定了它们的Ca溶出量及重金属浸出毒性，并检测了飞灰浸出生化环境对S.pasteurii生长繁殖的影响，最后开展了高灰液比(1 kg∶0.3L)条件下飞灰与S.pasteurii拌合处理和养护试验，通过测试7d龄期固化体的无侧限抗压强度、颗粒级配变化及重金属浸出毒性，评估该处理方法的有效性。本文主要取得以下4个方面的研究成果:
　　(1)垃圾焚烧飞灰物化特性、重金属浸出毒性及土工特性。通过扫描电镜(SEM)分析得到，飞灰A和飞灰B颗粒表面均呈多孔状，其中飞灰A呈团聚状，飞灰B呈分散状;通过能谱仪(EDX)分析发现两种飞灰均含有较多的CaO及一定量的Al2O3、SiO2、Fe2O3，具有一定的胶凝性质和火山灰活性;分别采用水平震荡法和硫酸硝酸法分析飞灰的重金属浸出毒性，发现飞灰A、B均有多种重金属浸出毒性超过《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)中的限值要求;采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)分析了钙的总量及溶出浓度（液固比1L∶100g），得到Ca的溶出量分别为2.1g/kg和7.5g/kg，溶出率分别为10.5％和30.6％。通过颗分试验、液塑性试验分析得到，飞灰A颗粒级配与粉土类似，飞灰B与黏土类似。渗透试验发现，飞灰A的渗透系数为5.211×10-7cm/s，与粉质粘土渗透系数(5×10-7～10-6cm/s)接近;飞灰B的渗透系数为2.069×10-8cm/s，在黏土渗透系数(＜5×10-7cm/s)范围内。
　　(2)微生物在飞灰环境中生长繁殖情况。飞灰生化环境（液固比1L∶100g）中0.1％(V0/V)接种微生物，在摇床200rpm和30℃连续培养条件下，发现48～72h时微生物生长繁殖达到高峰，此时微生物活性较高，OD600值大于0.3。飞灰富含重金属及有机污染物的环境对S.pasteurii的生长没有抑制作用。
　　(3) MICP团聚化垃圾焚烧飞灰试验。通过对飞灰固化体的无侧限抗压强度、颗粒级配及重金属浸出毒性测试，对团聚化效果进行评价。飞灰A和B经菌液拌合处理后固化体的7d龄期无侧限抗压强度分别达到0.368MPa和0.617MPa，比与去离子水拌合形成的固化体分别提高了31％和118％，说明飞灰处理过程中存在S.pasteurii诱导碳酸钙沉淀及胶结作用，该作用对粒度较细和Ca溶出量较高的飞灰B的固化效果优于飞灰A。飞灰A和B经菌液拌合处理后颗粒级配明显增粗，处理后飞灰A的粒径d50比仅与去离子水拌合处理工况提高了3倍，飞灰B经添加尿素的菌液处理后d80、 d50、d30三个粒径比与去离子水拌合处理工况分别提高约22倍、6倍、5倍。飞灰A和B经菌液拌合处理后多种重金属浸出毒性均得到一定幅度的降低，与原始浓度相比，两种飞灰中Cu、Pb和Hg浸出降低率均达到60％以上，而飞灰A和B经仅添加尿素溶液处理后Cu、Pb和Hg的浸出降低率达45％以上。
　　(4)针对本文所研究的飞灰，得到一套较为有效的MICP团聚垃圾焚烧飞灰从而稳定重金属的处理方法，采用S.pasteurii,垃圾焚烧飞灰和菌液按固液比1kg∶300mL混合搅拌均匀，在温度20±2℃、相对湿度≥95％环境下养护7d，两种飞灰的颗粒均得到粗化，重金属浸出毒性均得到一定程度的降低。在此基础上再进行较低水泥用量的化学固化后，可望达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)中的限值要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 研究主要内容

1．4 技术路线及创新点

第2章 垃圾焚烧飞灰物化特性及土工特性

2．1 飞灰样品

2．2 垃圾焚烧飞灰物化特性

2．2．1 垃圾焚烧飞灰微观形貌分析

2．2．2 垃圾焚烧飞灰物质组成测试

2．2．3 垃圾焚烧飞灰Ca元素及重金属含量测试

2．2．4 垃圾焚烧飞灰Ca元素溶出测试

2．3 垃圾焚烧飞灰土工特性

2．3．1 含水率

2．3．2 比重

2．3．3 颗粒级配

2．3．4 液塑限

2．3．5 渗透性

2．4 本章小结

第3章 微生物的选择及其在飞灰环境中的生长繁殖

3．1 微生物的选择

3．2 S．pasteurii的活化

3．3 S．pasteurii在飞灰环境中生长繁殖

3．4 本章小结

第4章 MICP团聚化垃圾焚烧飞灰试验研究

4．1 试验材料

4．2．1 试验方案

4．2．2 试验步骤

4．3．1 无侧限抗压强度试验结果及分析

4．3．2 颗粒级配结果及分析

4．3．3 重金属浸出毒性测试及分析

4．4 本章小结

第5章 垃圾焚烧飞灰内源Ca在MICP团聚化中的利用

5．1 Ca源利用情况分析方法

5．2 Ca源利用情况结果及分析

5．3 本章小结

第6章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间学术成果

致谢