城市垃圾焚烧飞灰处理方法水泥固化

城市垃圾焚烧飞灰处理方

法水泥固化

The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020

城市垃圾焚烧飞灰处理方法——水泥固化

摘要：垃圾焚烧处理的广泛应用使得飞灰引起的污染问题成为焦点，水泥固化是一种行之有效的稳定化方法。介绍了近年来国内外水泥固化垃圾焚烧飞灰的研究进展，并总结了固化过程中需要注意的重金属和安定性等问题，最后指出了水泥固化技术的发展方向。

关键词：垃圾焚烧；飞灰；水泥；固化

焚烧是一种高温热处理技术，由于焚烧处理可以实现城市垃圾热能回收、减容、减重等目的，因而得到较快发展。焚烧处理后产生的灰渣分为飞灰和底渣，后者已经被广泛应用于筑路、制砖、玻璃制造以及混凝土生产等方面。然而产生的飞灰由于含有Zn、Pb、Cu、Cr等重金属和二恶英等剧毒有机污染物，对人体健康和生态环境具有极大的危害性。故对于垃圾焚烧飞灰要求经过固化／稳定化之后进行安全填埋。Masashi[5]研究将飞灰和水泥混合，经水化作用形成坚硬的水泥固化体；Katsuno-ri采用高温熔融工艺固化垃圾焚烧飞灰；宋立杰还采用硫化钠和硫脉对垃圾焚烧飞灰进行了化学药剂稳定化处理。

水泥固化与其他固化／稳定化方法相比，在技术和经济上更具可行性，具有操作管理简单、安全可靠、运行费用低廉等特点，国内外同行对此做出了许多卓有成效的工作。本文对国内外水泥固化垃圾焚烧飞灰的研究进展进行了综述。1垃圾焚烧飞灰的物理化学性质

物理性质

飞灰是由烟器净化系统(Air pollution control system，APC）收集的细颗粒物质，大约占灰渣总质量的1000～20％。刚捕集下来的飞灰通常是含水率较低的细小尘粒，颜色从白色到灰色和黑色不等，其形状有扁平和圆形的，也有球形的。

化学性质

无机化学性质

垃圾焚烧飞灰中的主要元素为O、Si、Ca、Al、Cl、Na、K、S、Fe。飞灰中可溶性盐含量较高，其总溶解盐浓度比饮用水标准高出几个数量级，因此飞灰在填埋时，需要注意其溶解盐问题。另外，由于垃圾成分的不确定性，不同焚烧厂产生的飞灰化学组成不同，同一焚烧厂不同时间产生的飞灰，其化学组成的差别也较大。

有机化学性质

飞灰中含有少量的二恶英和呋喃，含量见表1。通过电镜观察发现，其中大部分飞灰中的有机物是未燃尽的城市固体废物。

表1垃圾焚烧渣中痕量有机污染物(ng/g)

重金属浸出特性

飞灰中含有Zn、Pb、Cu、Cr等有害重金属，这些元素主要来自居民垃圾（如小型铅蓄电池、镍镉电池，含铜、镉、砷的木材以及含锑的防火产品等）。如Hg、Cd等蒸气压高、沸点低的易挥发元素，常常在飞灰中富集；Fe、Cu、Ni 等难挥发的元素则滞留于底渣中，它们在飞灰中的出现主要是靠飞灰颗粒的携带完成的。

2水泥固化技术

水泥固化是将垃圾焚烧飞灰和水泥按一定比例混合，加入适量的水，经水化反应后形成坚硬的水泥固化体的方法，可以达到降低飞灰中危险成分浸出毒性的目的。基本原理在于通过固化包容，减少飞灰的表面积和降低其可渗透性，达到稳定化、无害化的目的。根据国内外学者所做的研究工作，笔者大致将其分为两类。

处理与处置

Line研究了3种不同的水泥对垃圾焚烧飞灰的固化作用。研究表明，飞灰掺量在10％～40％时，水泥的初凝和终凝时间会有不同程度的延长。另外，飞灰的引入会使试样整体强度的增长放缓，飞灰掺量在10％～20％时，混合体的强度与相应的纯水泥的强度相比没有明显下降，TCLP的测试也符合美国环保署的标准。

Jasmine设法使用尽可能少的水泥将焚烧飞灰固化，焚烧飞灰取自我国东部某城市，采用了飞灰比例分别为91％和77％的两组样品试验。在水灰比为时，试块的重金属浸出浓度符合我国标准，强度值也符合垃圾填埋装卸和运输的标准。在水灰比为时，77％飞灰掺量的水泥试块对于Pb的固化效果有了显著的提高，jasmine认为这是由于减少用水量以后，水泥浆的密度提高进而使浆体结构更趋于紧密。

水泥固化是对垃圾焚烧飞灰有效的处理处置方法之一，美国环保署已将水泥基材料固化列为处理有毒有害废物的最佳技术。目前国内外对垃圾焚烧飞灰的处置着重于无害化处理后作为废弃物进行填埋，但是这种处理处置方式存在如下问题：①处理后废物体积增加；②新的填埋场有限；③存在长期稳定性问题，飞灰中特殊的盐类和有机物的分解容易造成固化体破裂，从而造成再次污染。

因此，根据循环经济的理念，寻找合适的垃圾焚烧飞灰资源化途径，已经成为解决飞灰污染问题的当务之急。

资源化利用

垃圾焚烧飞灰的主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO等，与目前常用的高炉矿渣、粉煤灰等辅助性胶凝材料组成十分类似，而且飞灰颗粒微细，易与其他物质反应生成新的物相，因此有望将垃圾焚烧飞灰开发成一种辅助性胶凝材料与水泥共用，实现其资源化利用，减轻填埋场的负担。针对垃圾焚烧飞灰与水泥共用过程中出现的诸如力学强度不足、体积安定性不良、凝结时间增长等缺点，国内外学者在垃圾焚烧飞灰胶凝材料化方面做了很多研究，为垃圾焚烧飞灰的资源化作出了努力。

同济大学的岳鹏等利用城市垃圾焚烧飞灰制备新型辅助性胶凝材料。研究结果表明，焚烧飞灰可以延缓水泥的凝结硬化，具有一定的胶凝活性，但在水泥中的掺量不宜过大；与矿渣复合后可以改善焚烧飞灰的胶凝活性，提高水泥浆体的强度；焚烧飞灰中的重金属可被固化于水泥水化产物中，不会对环境造成污染。

Shih采用筛分、研磨和磁性分离的方法对飞灰进行预处理，以去除其中的碎片、盐类和金属成分。当处理后的飞灰掺量在5%以内时，水泥试样的强度几乎没有变化（图1)；当掺量超过10％时，由于飞灰含量增加引起的CaO成分不足导致了强度的下降；当飞灰掺量为15%时，通过加入适量的CaO对混合物的化学成分作了弥补，使水泥的强度满足了要求。

同济大学的岳鹏等利用城市垃圾焚烧飞灰制备新型辅助性胶凝材料。研究结果表明，焚烧飞灰可以延缓水泥的凝结硬化，具有一定的胶凝活性，但在水泥中的掺量不宜过大；与矿渣复合后可以改善焚烧飞灰的胶凝活性，提高水泥浆体的强度；焚烧飞灰中的重金属可被固化于水泥水化产物中，不会对环境造成污染。

Shih采用筛分、研磨和磁性分离的方法对飞灰进行预处理，以去除其中的碎片、盐类和金属成分。当处理后的飞灰掺量在5%以内时，水泥试样的强度几乎没有变化（图1)；当掺量超过10％时，由于飞灰含量增加引起的CaO成分不足导致了强度的下降；当飞灰掺量为15%时，通过加入适量的CaO对混合物的化学成分作了弥补，使水泥的强度满足了要求

图3 28天的SEM图中有大的裂痕

Polettini采用电除尘飞灰研究了使用外加剂来调整水泥浆体的凝结时间。结果表明，对于Si、Al含量高的电除尘飞灰，当掺量在30％时，所得混合物的凝结时间与水泥相比变化不大；当飞灰掺量达到50％时，水泥的硬化时间有所延迟。对于Na、K含量高的电除尘飞灰，加入Na2SiO3或CaCl2可以有效地缩短混合物的凝结时间。

3存在的问题

重金属控制

垃圾焚烧飞灰中重金属的控制是水泥固化中需要关注的问题。施惠生等发现，随着pH的升高，浸取液中重金属浓度逐渐降低，当pH达到10以后，浸取液

中重金属的浓度迅速降低。Arickx研究发现，高温热处理或者使用柠檬酸铵溶液处理可以有效降低Cu和其他重金属的浸出。蒋建国等研究发现，在固化时加入Na2S对于Cd2+、Cu2+和Zn2+等离子的稳定化效果非常明显，当投

加%Na2S、5％水泥时，上述3种离子的浸出浓度分别只有L、L和L，远远低于国家控制标准。Aubert的研究表明，使用Na2CO3对飞灰进行预处理或者采用Revasal方法处理后，固化体具有更高的力学强度，但是对Sb和Cr等重金属的固化效果不明显。

在水泥固化垃圾焚烧飞灰的过程中，对于重金属的稳定是通过多种途径进行的。大体来说有4种：大比表面积的水化产物对重金属的物理吸附作用；凝胶中大量纳米级微小孔隙对重金属的物理包容作用；重金属离子与凝胶晶格中Ca2+、Al3+、Si4+等离子产生的同晶替代作用；以及高碱环境下重金属离子的沉淀反应。对垃圾焚烧飞灰进行预处理可以减少固化后重金属的浸出，其关键在于选择合适的预处理方法。提高PH值以及适当的化学药剂稳定是比较有效的手段，此外还需要考虑由于飞灰中氯离子的存在而造成的对控制重金属浸出的副作用。

安定性不良的原因

在固化垃圾焚烧飞灰的过程中发现了安定性不良的现象，产生膨胀的速度很快，并致使试样开裂、强度降低，甚至破坏。许多学者对飞灰膨胀原因进行了研究。

Aubert的研究认为，Al在碱性环境下反应生成H2是飞灰产生膨胀的主要原因。

Aubert通过测量Al氧化时产生的氢气量来判定飞灰中Al的含量，并且研究了当飞灰掺量为25％时水泥试样的膨胀程度。结果表明，在最初的几个小时内，试样体就有了明显的膨胀，力学性能测试也表明，膨胀产生的孔洞使固化体的力学性能降低。

Pecqueur认为3种原因最终都可能引起固化体的膨胀：①金属Al被氧化；②钙矾石的形成；③CaO和MgO形成氢氧化物。通过对上述3种可能产生膨胀的原因进行对比研究，Pecqueur发现Al所引起的膨胀比钙矾石以及氢氧化物引起的膨胀更明显而且产生十分迅速，在几个小时内就会对试块的安定性产生严重影响。钙矾石以及氢氧化物引起的膨胀是缓慢而长期的，通常需要几个月甚至几年的时间。因此Pecqueur认为金属Al是试块产生膨胀的直接原因。

金属Al的存在给焚烧飞灰的处理处置以及再利用带来了困难。焚烧底渣也由于含有Al而存在类似的问题，Bertolini用水泥固化底渣的时候，发现将底渣湿磨处理后膨胀现象会消失（图4)，而将底渣干磨处理后，试块表面仍会产生膨胀，H2产生气泡的直径在几毫米左右（图5)。Bertolini的研究对于消除飞灰所引起的膨胀具有借鉴意义。

图5干磨底渣成型试块中的凹陷孔洞

4结语

垃圾焚烧飞灰所引起的污染问题已经引起了人们的广泛重视。要做到飞灰的无害化处理及其资源化，必须从环境、技术和安全等角度进一步深入研究。水泥固化作为一种经济且行之有效的方法，已经从单纯的固化后填埋发展到对飞灰的资源化利用上面，且垃圾焚烧飞灰和水泥相近的组成也为其成为胶凝材料提供了可能。

(1)目前得到的固化体大部分只能填埋，限制了固化技术的发展。对垃圾焚烧飞灰资源化利用的研究，应设法采用物理活化、化学活化、热活化等手段提高焚烧飞灰的活性，并保证固化体具有良好的安定性，严格杜绝膨胀等影响固化体强度发展的现象发生，使固化体具有优良的性能，实现再利用。

(2)对垃圾焚烧飞灰再利用的主要障碍是其中的有毒有害物质，因此水泥固化技术的关键是固化体的浸出毒性和安全使用。此外，有必要对垃圾焚烧灰渣中重

金属的迁移、转化和富集机理以及重金属污染物对水泥水化的干扰作用进行深入研究。

参考文献略