水热法处理生活垃圾焚烧飞灰中重金属和二恶英的研究

【摘要】：垃圾焚烧具有减容、减量和能源回收等显著优点,成为我国生活垃圾无害化处理的主流方式之一,但是垃圾焚烧过程中二恶英和重金属等污染物排放问题引起了社会广泛关注。垃圾焚烧飞灰中富集了高浓度的重金属和二恶英等有毒污染化合物,被划为危险废弃物,需要无害化处理才能填埋或资源化利用。针对目前水热法稳定重金属或降解二恶英的过程中存在能耗高、设备要求高、二次环境污染、污染物处理单一和缺乏理论指导等问题,本文依托国家重点基础研究发展计划(973计划,No2011CB201500),开展了水热法处理生活垃圾焚烧飞灰中重金属和二恶英的实验和理论研究。本文研究的主要内容和结论如下： 1).开展了垃圾焚烧系统不同部位飞灰中重金属浸出特性和二恶英分布规律的研究,为我国典型垃圾焚烧飞灰的选取提供依据。结果表明：布袋除尘器飞灰中重金属浸出浓度最高,并且二恶英含量较高,属于危险废弃物。不同部位飞灰中二恶英同系物的指纹特征具有明显差别,而有毒异构体和I-TEQ的指纹特征具有相似性,并且二恶英的I-TEQ值和总浓度,单个有毒异构体均存在关联性； 2).根据我国主流垃圾焚烧技术和烟气净化工艺,选取流化床和机械炉排炉的布袋除尘器飞灰作为典型垃圾焚烧飞灰,开展了水热法处理飞灰中重金属稳定化的研究,并利用修正的BCR多级连续提取法分析了水热法处理前后飞灰中重金属的形态分布规律。结果表明：流化床焚烧飞灰中重金属主要分布于残渣态,并且水热法处理促使了前三种形态的重金属进一步转移到残渣态。然而,炉排炉焚烧飞灰中重金属主要分布于前三种形态,而水热法处理后除了Pb元素之外,其他重金属的形态分布变化不明显。单因子污染指数法和风险评价准则法的结果表明：水热法均有利于降低两种类型飞灰中重金属的环境污染程度,但水热法稳定流化床焚烧飞灰中重金属的效果更加明显。 3).进一步开展了水热法稳定流化床焚烧飞灰中重金属的主要影响因素及稳定机理研究。结果表明：所有水热法处理后飞灰中重金属的浸出浓度均低于我国填埋标准；在最优工况下,残留液中重金属浓度均达到国家废水排放标准,且重金属的稳定化效率均超过了95%。这归因于水热法处理飞灰后合成了类沸石矿物质(方钠石和地质聚合物)对重金属具有离子吸附、离子交换、沉淀和物理包裹等稳定化作用。 4).基于飞灰中重金属稳定化的研究,进一步开展了水热法降解飞灰中二恶英的主要影响因素和降解机理的研究。结果表明：二恶英降解效率随着温度升高而增加；氧气气氛条件下自由基的形成显著加速了二恶英降解。比如,有氧气氛的温和水热条件下(150℃)2小时反应后,飞灰中二恶英降解效率达到了88.31%；相同传统水热条件下12小时反应后,飞灰中二恶英降解效率仅为38.45%。同时,纯自然标样OCDD和OCDF的水热法降解结果表明：水热法降解二恶英存在加氢脱氯、PCDDs与PCDFs相互转化和自由基等反应,其中PCBs是二恶英降解的中间产物。 5).应用量子化学密度泛函理论(DFT)和极化连续介质模型(PCM)开展了水热环境OCDD与羟基自由基反应的降解机理和降解路径的研究；计算了反应物、中间产物、过渡态和反应物各驻点信息。结果表明：OH自由基首先与OCDD形成范德华络合物,再攻击2,3,7,8和1,4,6,9位置C原子使其Cl原子剥离OCDD,最终形成PCDD-OH化合物。同时,OH自由基易与OCDD中C-O键中C原子加成反应,该反应为无垒过程,同时释放112.90kJ/mol能量,之后C-O键断裂,产生苯环自由基化合物。 总之,水热法有利于飞灰中重金属稳定化和二恶英降解。同时,水热环境中通入氧气显著降低了处理飞灰的反应温度和缩短了反应时间,提高了降解效率,同时降低了反应设备的要求,具有工业化应用前景。并且,水热处理后飞灰可作为吸附性材料和酸性中和剂等环保材料,实现了垃圾焚烧飞灰的无害化和高值化利用。