水泥混凝土中垃圾焚燒飛灰連續(xù)毒性浸出研究

崔 鵬

(通遼市交通工程局,通遼 028000)

水泥混凝土中垃圾焚燒飛灰連續(xù)毒性浸出研究

崔 鵬

(通遼市交通工程局,通遼 028000)

水泥穩(wěn)定/固化垃圾焚燒飛灰是一種成熟有效的危險(xiǎn)廢物處理方法,該文通過試驗(yàn)考察了摻入飛灰后的混凝土試件的抗壓強(qiáng)度以及毒性浸出特性,評(píng)價(jià)了水泥穩(wěn)定/固化技術(shù)的有效性以及飛灰自身膠凝活性特點(diǎn),結(jié)果表明,飛灰的摻入明顯降低了試件的抗壓強(qiáng)度,經(jīng)過水泥固化后飛灰中主要毒性元素除Cr和Ni外浸出能力明顯下降,而Cr和Ni元素浸出濃度嚴(yán)重超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值,因此對(duì)于Cr和Ni元素的固化應(yīng)考慮水泥聯(lián)合重金屬螯合劑復(fù)合固化手段加以固化處置。

垃圾焚燒飛灰; 混凝土; 抗壓強(qiáng)度; 毒性浸出

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,垃圾的排放量急劇增加。焚燒法是目前世界各國(guó)廣泛采用的城市垃圾處理技術(shù)。垃圾經(jīng)過焚燒后會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的灰渣殘余物(約占焚燒前重量的5%～30%),垃圾焚燒飛灰因?yàn)楹心鼙凰龅亩拘栽匚镔|(zhì)而被稱為危險(xiǎn)廢物[1]。固化穩(wěn)定技術(shù)是國(guó)際上處理有毒有害廢物的主要方法之一,并且普遍認(rèn)為水泥穩(wěn)定固化是處理危險(xiǎn)廢物的最佳方法。我國(guó)普遍采用填埋或者固化方式來處理處置垃圾焚燒飛灰。有關(guān)焚燒飛灰的資源再利用的研究開展不多,主要原因是二次污染物的產(chǎn)生限制了飛灰的應(yīng)用[2-4]。如何安全有效的處置和利用垃圾焚燒飛灰已經(jīng)成為急需解決的社會(huì)和環(huán)境問題了。該文將垃圾焚燒飛灰作為原材料,以水泥穩(wěn)定固化飛灰中的有毒有害物質(zhì)為前提,通過研究摻入飛灰后的混凝土試件的強(qiáng)度以及毒性元素浸出特性,評(píng)價(jià)了垃圾焚燒飛灰在水泥混凝土中應(yīng)用對(duì)環(huán)境潛在的沖擊性。

1 試驗(yàn)方案

1)原材料 實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)材料是南方某垃圾焚燒場(chǎng)用半干法收集的城市垃圾焚燒飛灰,水泥選用的是32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。表1給出的是飛灰的主要物理性質(zhì)。試驗(yàn)中所使用的砂石材料均取自本地。

表1 飛灰的物理性質(zhì)

2)試驗(yàn)方法 表2給出的是電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)測(cè)定的飛灰樣品的化學(xué)組成。表3給出的是選用的3種混凝土配合比方案,B:空白試驗(yàn);F1、F2:飛灰分別替代15%和50%的水泥(按重量計(jì))。試件成型后在20℃、100%相對(duì)濕度條件下養(yǎng)生90 d后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。毒性元素浸出試驗(yàn)按照《固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法》(HJ557—2009)進(jìn)行,待測(cè)樣品為破碎至粒徑小于5 mm的養(yǎng)生28 d試件,蒸餾水作為浸出液,按照液固比10∶1振蕩12 h,0.45 mm膜過濾后,用ICP-AES分析濾液中毒性元素含量。

表2 飛灰的化學(xué)組成與元素含量

表3 混凝土試驗(yàn)配合比

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土拌合物性質(zhì)

表4給出了新拌混凝土拌合物的性質(zhì),包括坍落度、容重和含氣率。從中可以看出,飛灰替代水泥后,混凝土拌合物工作性發(fā)生變化,表現(xiàn)為隨著飛灰替代量的增大而坍落度降低;飛灰替代水泥,對(duì)混凝土拌合物容重沒有明顯影響;混凝土拌合物含氣量隨飛灰的摻入而增加,對(duì)混凝土抗凍性有利。

表4 混凝土拌合物性質(zhì)

2.2 抗壓強(qiáng)度

圖1顯示的是混凝土試件養(yǎng)生期內(nèi)的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律。圖中顯示結(jié)果與預(yù)期效果相符合,具體表現(xiàn)為飛灰的替代量增大,水泥含量減小,導(dǎo)致各齡期混凝土的強(qiáng)度降低。參照粉煤灰利用強(qiáng)度檢驗(yàn)活性的方法[5],可以計(jì)算出飛灰的活性指數(shù)為55%,因此,在沒有其他活化措施的情況下,飛灰的摻入會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的降低。

2.3 浸出試驗(yàn)

由于在自然環(huán)境中,雨水對(duì)混凝土構(gòu)造物的浸出作用是連續(xù)的,也就是說,在浸取劑作用于試樣時(shí),試樣中含有的毒性元素應(yīng)該是被連續(xù)不斷的浸出的。因此,為模擬這一連續(xù)過程,該次試驗(yàn)采用了三次連續(xù)浸出試驗(yàn)程序來說明固化飛灰中的毒性元素滲濾特性,浸取劑不變,每次浸出振蕩時(shí)間為12 h,表5和6給出的是毒性元素浸出試驗(yàn)結(jié)果。

表5 浸出試驗(yàn)結(jié)果一(未控制浸取液p H值)

表6 浸出試驗(yàn)結(jié)果二(控制浸取液p H=4.2±0.2)

由表中結(jié)果可以看出,隨著浸出時(shí)間的增加,除了鉻以外其他的毒性元素的浸出量均減少或者保持不變。隨著飛灰摻入量的增加,Cr、Pb和As的浸出量顯著增加,這是因?yàn)殂t、鉛和砷傾向于在堿性條件時(shí)表現(xiàn)出較強(qiáng)的溶出能力;Sn無論在酸性還是堿性條件下活動(dòng)性都比較差;而與環(huán)境關(guān)系大的重金屬元素Cd、Cu、Ni和Zn等元素在酸性條件下表現(xiàn)出較強(qiáng)的溶出能力,而在水泥水化后形成堿性環(huán)境中則能夠有效地降低上述元素的浸出能力[6]。另外,試樣溶解部分的質(zhì)量則隨著水泥用量的減少而減少,這是因?yàn)轱w灰中可溶解性物質(zhì)的量較水泥少。表7給出的是上述重金屬毒性元素浸出結(jié)果與《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)—浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)所規(guī)定的法定限值。表7中試驗(yàn)結(jié)果表明,除了Cr、Ni元素浸出濃度在任何條件下均超過浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的法定閥值,這表明Cr在堿性條件下浸出較為活躍,浸出能力大;Ni雖然在堿性環(huán)境下固化效果好,但受酸性浸取液浸出作用影響較大,因此在酸性環(huán)境下表現(xiàn)出較大的浸出能力。Cu、Zn雖然在酸性條件下浸出能力較大,但單次浸出和連續(xù)浸出總量均未超過標(biāo)準(zhǔn)濃度值。上述試驗(yàn)結(jié)果說明酸性環(huán)境下,水泥對(duì)于Cr、Ni重金屬元素含量較大的飛灰的固化效果不明顯,應(yīng)考慮加入其他的穩(wěn)定化藥劑對(duì)飛灰進(jìn)行綜合固化,例如加入重金屬螯合劑等化學(xué)穩(wěn)定藥劑。其他重金屬元素的一次浸出和三次連續(xù)浸出總量濃度均未超過毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的濃度值,說明水泥對(duì)這些重金屬元素的固化效果明顯。

表7 含飛灰樣品的毒性元素最大浸出濃度

3 結(jié) 語

垃圾焚燒飛灰可以作為原材料在水泥混凝土中加以使用。當(dāng)飛灰替代水泥量為15%時(shí),拌和物的工作性變化不大,硬化后混凝土試件的抗壓強(qiáng)度隨著飛灰替代量增加而降低。原狀飛灰的主要毒性元素浸出能力很強(qiáng),在被水泥穩(wěn)定固化后,主要毒性元素除Cr和Ni外浸出能力明顯下降,并且在模擬連續(xù)浸出條件下,浸出值仍然低于《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)—浸出毒性鑒別》所規(guī)定的限值。對(duì)于Cr和Ni元素的固化應(yīng)考慮水泥聯(lián)合重金屬螯合劑復(fù)合固化手段加以固化處置。

[1] 楊福云,吳國(guó)防.城市垃圾焚燒飛灰理化性質(zhì)及處理技術(shù)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,29(9):56-59.

[2] 施惠生,袁 玲.垃圾焚燒飛灰的膠凝活性和水泥對(duì)其固化效果的研究[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2003,31(11):1021-1025.

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[5] 朱蓓蓉,楊全兵.粉煤灰火山灰反應(yīng)性及其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2004,32(7):892-896.

[6] 萬 曉,王 偉.垃圾焚燒飛灰中重金屬的分布與性質(zhì)[J].環(huán)境科學(xué),2005,26(3):173-176.

Investigation on Progressive Toxicity Leaching Characteristics of Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash in Concrete

CUI Peng
(Tongliao Transportation Construction Bureau,Tongliao 028000,China)

Cement solidification/stabilization is an efficient way to treat municipal solid waste incineration(MSWI) fly ash.This paper focused on cementitious activity and toxicity leaching ability of MSWI fly ash used in cement concrete.Test results showed that the compressive strength decreased with an increase of MSWI fly ash.All heavy metal elements were stabilized and solidified except Cr and Ni.Hence,it was very important to take stabilization and solidification treatment on Cr and Ni with other methods such as chemical chelating.

municipal solid waste incineration fly ash; concrete; compressive strength; toxicity leaching

2014-06-09.

崔 鵬(1975-),高級(jí)工程師.E-mail:578443@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.004