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碱性水热法稳定生活垃圾焚烧飞灰中重金属的研究

张超  
【摘要】:近年来我国的垃圾焚烧处理量迅猛增长,垃圾焚烧正成为当前比较符合实际需求的垃圾处理方式之一,但是焚烧过程中产生的垃圾焚烧飞灰因其重金属含量高,含有“三致”有机污染物(二噁英、多氯联苯、多环芳烃等)而被国家定义为危险废物,必须要进行无害化处理。本文利用水热法来处理垃圾焚烧飞灰,实验研究了外源硅铝调理剂的添加、碱性水热液的循环回用以及磷酸盐的添加对垃圾焚烧飞灰中重金属稳定化效果的影响。主要研究内容和结论如下:(1)针对生活垃圾焚烧飞灰中Si、Al元素含量低且元素比例不合适的特点,开展了外源硅铝调理剂的筛选及对水热稳定飞灰中重金属的研究。结果表明,底灰及其添加粉煤灰均水热合成了方沸石、雪硅钙石等沸石晶体,并且底灰和粉煤灰具有低廉高效的优点,其作为外源硅铝调理剂有利于飞灰水热合成雪硅钙石等沸石晶体。水热条件下飞灰中单一添加30%粉煤灰,分别混合添加15%粉煤灰+15%硅藻土、20%粉煤灰+30%底灰,调控元素比例满足Ca/(Si+Al)=0.67~1.20必要条件,可生成对重金属具有稳定作用的雪硅钙石。在飞灰水热处理中分别单一和混合添加硅铝调理剂使得飞灰水热产物Pb、Zn、Cu、Cd、Cr等重金属浸出浓度分别下降84~97%、86~97%、44~82%、52~95%、50~97%,远低于危废鉴别标准;采用醋酸缓冲溶液法进行重金属浸出试验,水热处理后飞灰中Pb的浸出浓度下降最为明显,下降达67~86%。此外,飞灰中单一和混合添加硅铝调理剂下水热反应后液相中Pb、Zn等重金属的浓度明显降低。(2)对水热液循环回用激发下水热稳定飞灰中重金属的研究结果表明,单一添加粉煤灰的水热液100%多级循环回用下,三级水热反应将不能生成雪硅钙石,随着硅铝调理剂添加量的增大,各级循环水热产物的重金属浸出浓度以及水热液相中重金属浓度均显著降低。100%、75%、50%等不同循环比例的水热液多级循环回用下,混合添加粉煤灰和底灰后飞灰多级水热反应生成了雪硅钙石,且在50%循环回用下飞灰多级水热产物重金属浸出浓度及其反应后液相中重金属浓度均较低,尤其是Pb。飞灰混合添加粉煤灰和硅藻土在不同碱性激发剂的水热液50%多级循环回用下,以Na2CO3激发下无法生成雪硅钙石,而NaOH激发下四级循环均可生成雪硅钙石,且各级水热产物重金属浸出浓度及其液相中重金属浓度均降低,此外,各级水热固相产物中Pb、Cr等重金属总量随着水热液多级循环回用的次数而显著升高富集,这表明水热液循环回用抑制了重金属向液相中转移。(3)通过水热条件下磷酸盐种类、添加量、液固比和反应温度等因素的变化,采用正交试验设计,开展了飞灰水热产物中重金属浸出浓度相比原飞灰浸出浓度的固化速率的研究。结果表明,水热条件下添加Na3PO4对飞灰中重金属稳定化的效果较好。磷酸盐稳定重金属的最优配比方案分别为:1)磷酸盐为Na3PO4、添加量为0.1 mol/kg、液固比为3 mL/g、反应温度为175℃;2)磷酸盐为Na3PO4、添加量为0.7 mol/kg、液固比为3 mL/g、反应温度为150℃。此外,经过最优方案稳定处理后Pb的浸出浓度分别下降至1.61 mg/L和1.42 mg/L,均低于正交试验的重金属浸出结果,并且Zn、Cu、Ni的浸出浓度也明显降低。通过本文的研究,在碱性水热法稳定垃圾焚烧飞灰重金属的过程中,通过筛选出的焚烧底灰、粉煤灰等低廉高效外源硅铝调理剂的多种添加工艺,实现了对水热体系中Ca、Si、Al等关键元素比例的精准调控、目标硅铝酸盐矿物类的高效水热合成,且实现了垃圾焚烧飞灰、底灰的同步处理与利用。通过元素调控下水热液多级循环回用工艺、外加磷酸盐辅助水热工艺下的重金属稳定化效果强化,同时实现水热反应废液中重金属浓度的降低、废液排放量的减少,从而为进一步实现垃圾焚烧飞灰水热法处理的污染“零排放”提供了理论与技术支撑。


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