垃圾焚烧飞灰水泥固化技术的研究进展
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。
1 处理与处置
Ling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l0%~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0.5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0.4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。
2 资源化利用
垃圾焚烧飞灰的主要成分为siO2、A12O3、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;当掺量超过l0%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。
清华大学的蒋建国等考察了水洗预处理对焚烧飞灰组成及其胶凝活性的影响,研究了不同水泥/飞灰配比下所制得的固化块的力学强度和重金属浸出毒性。结果表明,经过水洗预处理,焚烧飞灰中的可溶性盐类大大减少,飞灰固化块的强度得到了一定提高,重金属浸出毒性有明显的降低,体积安定性也得到了改善。随着水泥添加量的增加,飞灰固化块的抗压强度也提高,在添加60%水泥养护28天后,其抗压强度可达到42.5MPa,且在pH值为1—13的范围内重金属浸出毒性稳定。
Aubert将飞灰预处理后应用于混凝土,并将该预处理方法命名为Revasol方法。该方法由3个连续的步骤组成:对焚烧飞灰进行水洗、磷酸化和煅烧处理,分别用来去除可溶性盐、稳定重金属、去除有机物。处理后的飞灰可被当作混凝土的骨料使用。研究表明,混凝土的强度并没有因为飞灰的加入而降低。重金属毒性浸出稳定,因此具有潜在的使用价值。 Aubert还采用Na2CO3对飞灰进行了预处理。结果表明,采用Na2CO3处理过的飞灰在与水泥混合时,比用Revasol方法处理过的飞灰水灰比要大,但是具有更高的力学强度。这是由于改进后的预处理方法更好地去除了飞灰中的金属铝以及硫酸盐,其中金属铝的存在被认为是水泥固化飞灰后产生膨胀的主要原因。
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。
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。
对垃圾焚烧飞灰再利用的主要障碍是其中的有毒有害18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。
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