城市垃圾焚燒飛灰重金屬研磨處理研究進(jìn)展★

李鈞豪 周 超 陳 勇 李澤銳 莊享鍵

(東莞理工學(xué)院城市學(xué)院城建與環(huán)境學(xué)院，廣東 東莞 523419)

1 概述

目前我國城市垃圾處理的方式主要有填埋和焚燒，傳統(tǒng)的填埋方式占據(jù)大量的土地資源并在一定程度上可能會造成環(huán)境的二次污染，而焚燒處理的方式能將生活垃圾質(zhì)量和體積大大減少，有效地解決占用大量土地的問題；其次焚燒法會產(chǎn)生高溫?zé)煔饨?jīng)適當(dāng)處置后能進(jìn)行能源回收，最大程度地降低能源損耗，同時在高溫狀態(tài)下能對生活垃圾中的有害物質(zhì)成分進(jìn)行消毒[1]。

焚燒處理已經(jīng)被證實(shí)為是一種處理垃圾并再利用的有效方法，在我國處理垃圾的方式中比例日益增加。但城市垃圾焚燒飛灰中含有大量的重金屬，這些重金屬如果處置不當(dāng)會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此垃圾焚燒飛灰重金屬處理已經(jīng)成為一項重要的研究課題。目前焚燒飛灰中重金屬的處理技術(shù)主要有水泥固化技術(shù)、熱處理技術(shù)和化學(xué)穩(wěn)定劑固化技術(shù)。水泥固化技術(shù)主要是將重金屬包裹在水泥中，防止重金屬的析出，減少重金屬對環(huán)境的污染[2]。

熱處理技術(shù)主要包括玻璃化和熔融法，通過將焚燒飛灰高溫加熱形成穩(wěn)定的屄里裝產(chǎn)品，將重金屬去除或者固定在玻璃狀體中[3-5]?；瘜W(xué)藥劑固化技術(shù)[6]主要通過化學(xué)藥劑與焚燒飛灰中的重金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成低溶解性，難析出性的穩(wěn)定物質(zhì)。

本文介紹的重金屬穩(wěn)定的方法區(qū)別于上述三種方法，是通過機(jī)械研磨的方法穩(wěn)定焚燒飛灰中的重金屬，抑制重金屬從飛灰中析出。機(jī)械研磨法是一種操作簡單，通用性強(qiáng)的，處理效率較高的一種方法，近年來也在不斷被應(yīng)用到焚燒飛灰重金屬處理領(lǐng)域中。應(yīng)用球磨技術(shù)減少有機(jī)物污染的相關(guān)研究存在不少，但是用于減少重金屬污染的研究非常缺乏。

2 干法機(jī)械研磨

機(jī)械研磨的主要目的是用于粉碎粉末，早期主要應(yīng)用于粉末冶金工程。干法機(jī)械研磨是利用球磨機(jī)將研磨原料與空氣介質(zhì)，無添加任何反應(yīng)介質(zhì)，進(jìn)行混合研磨，將固體顆粒直徑由大變小，達(dá)到規(guī)定的粒徑要求。

干法研磨用于城市垃圾焚燒飛灰重金屬穩(wěn)定處理的研究最早是日本學(xué)者Nomura, Y展開的相關(guān)研究。Nomura[7]使用行星式球磨機(jī)干磨城市垃圾焚化飛灰，加入氧化鈣當(dāng)助磨劑，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為700 rpm，研磨球?yàn)椴讳P鋼材料，研磨2 h,4 h,8 h后，發(fā)現(xiàn)研磨后飛灰鉛溶出量比未處理的飛灰溶出減少93%。之后Nomura[8]在2008年針對鉛的穩(wěn)定性，添加氧化鉛對垃圾焚燒飛灰進(jìn)行干式研磨，分析鉛的含量變化以及材料的pH關(guān)系。在2009年Nomura[9]將氯化鉛和氧化鈣加入到原始飛灰中共同研磨，分析鉛的含量變化，發(fā)現(xiàn)研磨1 h后，飛灰中的重金屬鉛與氯化鉛和氧化鈣反應(yīng)形成氧化鉛，從而使得重金屬鉛穩(wěn)定，難以析出。

Montinaro[10]利用球磨方式,使含鉛污染的土壤與研磨介質(zhì)機(jī)械碰撞,無添加任何反應(yīng)物,成功將鉛穩(wěn)定化，指出粉體在球磨過程中受到高能量的撞擊,而促進(jìn)形成顆粒團(tuán)聚及晶體破壞現(xiàn)象,且產(chǎn)生晶體缺陷及空缺累積。團(tuán)聚的現(xiàn)象使粉體形成穩(wěn)定的團(tuán)聚體,增加了粉體的粒徑大小,當(dāng)團(tuán)聚發(fā)生時,鉛溶出量減少，同時晶體破壞會增加鉛的擴(kuò)散，與晶體中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)結(jié)合，對鉛形成穩(wěn)固結(jié)構(gòu)。

3 濕法機(jī)械研磨

濕法研磨是將研磨原料與液體介質(zhì)混合在一起，同時加入一些反應(yīng)介質(zhì)進(jìn)行研磨，液體的介質(zhì)可以采用水、酒精、丙酮等。采用濕式機(jī)械研磨的方式用于垃圾焚燒飛灰重金屬的穩(wěn)固處理效果比干式研磨處理方式要好，近年來出現(xiàn)了較多濕式機(jī)械研磨相關(guān)的研究。

莊家榮[11]和李明國[12，13]利用桌上型球磨機(jī)研磨經(jīng)過兩次水洗的垃圾焚燒飛灰，磨球?yàn)榱綖? mm和15 mm且質(zhì)量比為1∶1的氧化鋁磨球，研磨液為去離子水和密度為0.8 g/cm3的乙醇，研磨液和飛灰的重量比值為10∶1，研磨罐的轉(zhuǎn)速設(shè)置為93 rpm，研磨時間最長達(dá)96 h，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最佳磨球質(zhì)量比例為1∶1，轉(zhuǎn)速93 rmp，漿體濃度(灰水比)為10%時研磨1 h后對飛灰中的重金屬有良好的穩(wěn)定效果，尤其是重金屬鉛，可以達(dá)到法規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)。

黃彥為[14]將城市垃圾焚化飛灰利用行星式球磨機(jī)以400 rpm的轉(zhuǎn)速研磨30 min，使粒徑由26.7 μm降至1.274 μm，飛灰經(jīng)研磨后在高溫環(huán)境下重金屬的揮發(fā)有減少的情況。

Li等[15]不使用外加劑，通過濕式機(jī)械研磨實(shí)現(xiàn)了垃圾焚燒飛灰中重金屬鉛的穩(wěn)定固化，此種方式是使重金屬鉛在飛灰顆粒重復(fù)不斷的粉碎與聚合過程中，被包裹在飛灰顆粒中，從而重金屬鉛難以析出。

Chang-Jung Sun等[16]通過濕法機(jī)械研磨提高城市垃圾焚燒飛灰的機(jī)械性能和抑制重金屬浸出，通過實(shí)驗(yàn)可知，機(jī)械研磨能夠抑制重金屬鉛、鎘、銅、鋅的析出并使其穩(wěn)定。Chang-Jung Sun等[17]還研究了濕法機(jī)械研磨的研磨液介質(zhì)(水、磷酸、乙醇)對飛灰中鉛固化的影響，研究結(jié)果表明在不同的研磨時間條件下，測試鉛的析出量，研磨液為水或者磷酸時，對重金屬鉛的固化作用尤為明顯，效果良好。

Patil等[18]研究了濕法研磨的條件對中飛灰中重金屬穩(wěn)定作用的影響，尤其是得到了計算研磨的球磨速度表達(dá)式，對后續(xù)研究提供了理論方面的依據(jù)，并與球磨轉(zhuǎn)速的計算。

李挺豪[19]使用行星式球磨機(jī)，磨球?yàn)檠趸喦?，液體介質(zhì)為去離子水，去離子水體積與飛灰質(zhì)量的比值為10∶1，磨球直徑為6 mm和10 mm，質(zhì)量比為1∶1,磨球總質(zhì)量為96 g，磨球轉(zhuǎn)速采用文獻(xiàn)[18]計算方式得到。試驗(yàn)研究表明，濕法機(jī)械研磨能夠有效抑制重金屬的析出，研磨達(dá)到24 h后，飛灰中的浸出毒性能夠滿足限制的規(guī)定。

陳志良[20]采用行星式球磨機(jī)，磨罐和磨球?yàn)椴讳P鋼材質(zhì)。磨罐自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為600 rpm，公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為300 rpm，球磨時間10 h，飛灰的種類為飛灰和水洗飛灰，球磨結(jié)束后分別收集研磨的飛灰和研磨的水洗飛灰用于實(shí)驗(yàn)分析。機(jī)械化學(xué)方法對水洗飛灰中的重金屬穩(wěn)定效果更好，但是對Zn和Cd并無明顯的穩(wěn)定作用。

4 結(jié)語

機(jī)械研磨處理城市垃圾焚燒飛灰能夠有效的穩(wěn)定飛灰中的重金屬，使重金屬難以析出，從而減少對環(huán)境的污染。目前的機(jī)械研磨主要采用的是濕法研磨，通過加入研磨介質(zhì)，可以更加有效的抑制重金屬的析出。針對濕法研磨垃圾焚燒飛灰的研究相對較少，關(guān)于研磨的條件，例如研磨轉(zhuǎn)速、磨球的直徑及材質(zhì)、磨球與飛灰的質(zhì)量比、飛灰與液體介質(zhì)的質(zhì)量比以及研磨時間等，需要進(jìn)一步展開研究，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的研磨條件來穩(wěn)固飛灰中重金屬。