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《浙江大学》 2015年
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生活垃圾热处置过程中重金属形态及迁移转化特性

蔡旭  
【摘要】:近年来我国经济持续高速增长,人民生活水平不断提高,我国固体废弃物产生量飞速增加,城市“垃圾围城”现象日益严重。随着我国城市化发展的加快,土地资源日趋紧张,如何科学处置以城市生活垃圾为主的可燃固体废弃物已成为生态城市建设和经济社会可持续发展的瓶颈问题。本文以重金属污染的控制为最终目标,开展了生活垃圾热处置过程中重金属形态变化及迁移转化特性研究。利用同步辐射X射线吸收精细结构谱原位测试了不同炉型、不同粒径飞灰上金属Zn的赋存形态。炉排炉飞灰以ZnCl2为主而流化床飞灰中Zn2SiO4处于主导地位。氯化锌和氧化锌富集于细颗粒之中,硅酸锌和硫酸锌则在较粗颗粒中有更高的浓度。明确了Zn在整个热处置过程中从蒸发至冷凝的形态转变全过程。硫的烟气再循环以及适当的硫基/Al2O3/SiO2添加剂将是减少飞灰中重金属Zn氯化物的可行办法。对于炉排炉而言湿式除尘设备更为合适,可以去除大量的可溶性Zn化合物。对于流化床来说提高颗粒捕捉效率,减少小颗粒排放是更需要关注的细节。原位测试研究了底渣中金属Cr的价态及赋存形态,得出了Cr在热处置过程中价态、形态的转变过程,分析了矿物添加剂对于铬价态、形态及浸出特性的影响。研究表明Cr在低温时主要被氧化生成三价的Cr203而在高温下主要生成六价的Cr03,有HCl存在的情况下将会促进六价铬的形成。在添加了硫铁矿、氧化钙、硫酸铵和高岭石之后重金属Cr的挥发比例均有所减少。底渣中的Cr以三价铬为主体,硫铁矿、硫酸铵和高岭土的加入均能够使底渣中金属Cr的六价化合物比例下降,其中硫铁矿的效果最为明显。氧化钙虽然能够对金属Cr的挥发起到很好的抑制作用,但与此同时极大的增加了灰渣中六价铬物质的比例以及Cr的可溶出性。硫酸铵和高岭土使底渣中可溶出六价铬的比例有小幅上升,但铬元素的整体浸出比例有所减少。硫铁矿使得灰渣中可溶性六价铬及整体浸出均有所下降,硫铁矿的存在极好的将铬以难溶性化合物的形式固定在了底渣之中。通过模拟分析结合管式炉固定床、连续给料下吸式气化炉实验研究,明确了垃圾在不同气氛条件、不同添加剂作用下热处置过程中重金属Pb、Cd、Cr、Zn、Cu的形态变化和迁移转化规律。实验发现氧浓度的增高使金属Pb、Cd、Zn在底渣中的残存率上升,挥发比例下降,而Cu在氧浓度较高的环境下更易挥发。氯化氢将大幅增加金属挥发比例,氧浓度的增加会限制HCl的促进作用。SO2的通入能够改变金属的冷凝特性减少氯化物的生成,但同时S02会与H2O和O2反应抑制重金属铝酸盐的生成以促进挥发。二氧化硫的还原性也一定程度上促进了重金属的挥发。氨气通过间接作用降低环境中氢离子活性从而抑制重金属进入气相。CaO会促进除Zn之外的金属挥发,包含Si02-和A1203-成分的矿物添加剂能够促进形成稳定的金属盐类,是抑制生活垃圾热处置过程中金属挥发的有效手段。BCR连续提取实验发现,低空气当量系数下生成的飞灰的环境风险更高。提高空气过量系数,飞灰中酸可溶解态Pb、Zn、Cr含量均有小幅下降而Cd则明显增加;可还原态Cu降低9.95%,Cd、Pb、Cr有小幅增加而Zn则略有减少;各金属的可氧化态比例均减少,其中Pb和Cr最为明显;除Pb之外氧浓度的增加将使金属更多的形成残渣态。研究了下吸式气化炉及两段式炉排炉垃圾气化对环境的影响,测试了飞灰底渣的浸出毒性以及气相污染物的排放。实验发现重金属Ni、Ba和Hg随着过量空气系数的增加飞灰和底渣中浸出毒性显示出减小的趋势。而重金属Cu、Pb, Cd、Zn在过量空气系数较大的飞灰底渣中更易浸出。气化底渣不属于危险废弃物而飞灰需特殊处置。实验研究了浮选酸洗复合工艺以及使用生物质灰作为助熔剂这两种方法降低飞灰稳定化处置成本。在酸洗工艺中加入浮选作业,能够使易浸出的小颗粒在浮选上层灰中富集,浮选下层灰的酸洗处置时间将可以大大缩短,节省酸液使用量,提高处置效率,提升经济效益。通过添加生物质灰,能够大幅减少浮选上层飞灰熔融所需热量,添加33%稻壳灰可节约能量300 kJ/kg,添加50%木炭灰可节约能量712 kJ/kg。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:X799.3

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