CN100546932C - 一种城市垃圾焚烧炉飞灰稳定及资源化利用的方法 - Google Patents
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Abstract
一种城市垃圾焚烧炉飞灰稳定及资源化利用的方法。该方法利用城市固体垃圾焚烧炉飞灰替代混凝土或砂浆中质量比为5%～25%的砂子制成混凝土砌块或砌筑砂浆。通过“水化—碳酸氢铵碳酸化—硫化铵硫化”稳定飞灰中重金属元素的处理方法，在不额外引入任何金属离子的条件下，使飞灰中重金属元素以不溶于水的形式得到稳定。经稳定化处理后的飞灰替代混凝土或砂浆中的砂子，不仅对混凝土与砂浆的物理特性没有任何不利的影响，而且因其具有的水凝性增强了混凝土的物理强度。且混凝土或砂浆试块破碎后其浸出液中重金属溶出浓度远远低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-1996)的限定值。
Description
技术领域：
本发明属于固体废弃物处理与资源化利用技术领域，特别是涉及到城市固体垃圾焚烧炉飞灰稳定化处理及资源化利用的方法。
背景技术：
随着国内城市固体垃圾焚烧发电技术的广泛推广，焚烧炉产生的飞灰量日益增加。而这种飞灰不仅富集大量的汞、镉、铅等有毒重金属，而且也富集了大量的二噁英类物质，从而被国家标准(GB 18485-2001)明文规定为危险废弃物，在最终处置前必须进行稳定化处理。
国内针对飞灰的稳定化处理研究已经是环保领域研究的热点，目前在同济大学、浙江大学和清华大学等高校及科研院所都有针对飞灰处理的研究工作。在飞灰的稳定化处理上，主要采用的方法有：熔融固化、水泥固化、化学稳定以及酸和其他溶剂对重金属的有效提取。水泥固化是国内普遍采用的方法，但是用该法固化后的飞灰的质量和体积都明显增加，从而加重了垃圾填埋场的负担。熔炉固化是在1200℃以上将飞灰等废渣熔融，经冷却后淬火得到性质与原来迥异的玻璃态物质。灰渣熔融可以减少容积，减少所占填埋场地；二恶英被分解破坏；重金属物质挥发或者熔于玻璃体中，再熔出的可能性大大减小。但是该法投资大、能耗高、熔融设施操作和运行管理较复杂。酸和其他溶剂对重金属的有效提取适用于重金属浓度比较大的场合，而飞灰中重金属的含量约为2％。由于重金属是垃圾焚烧炉飞灰中的主要危害物，各种针对飞灰中重金属进行的化学药剂稳定化技术日益受到重视。尤其是化学药剂稳定化与其它稳定化方法相比具有工艺简单、能耗低、增容比小、费用适中甚至低廉等优点，在国内外都被认为是飞灰稳定化的一个发展方向。
用于飞灰稳定化的药剂主要有九水硫化钠、磷酸盐、绿矾以及有机鳌合剂等，权衡各稳定化药剂的稳定化效果与经济适用性，九水硫化钠较佳，但由于该化合物是一种非常重要的应用于制革、造纸、印染、制药、化工等方面的原料，市场需求大，不能完全保证飞灰处理的需求。此外，过多的硫化钠对会使已经生成的一些重金属硫化物，如Hg S，As2S3，Sb2S3，SnS2和MoS3转化形成硫代硫酸盐，从而造成重金属的再次溶出，污染环境。因此，迫切需求一种安全、经济适用的化学稳定剂以及一种有效的稳定化方法能够稳定固化飞灰中的重金属元素，并将其资源化利用。
发明内容：
本发明所要解决的问题是针对上述现有存在不足而提出一种化学稳定化且资源化利用城市固体垃圾焚烧炉飞灰的方法。其特征在于：飞灰经过水化、碳酸化以及硫化的共同作用稳定其中的重金属元素后，替代混凝土或砂浆中一定比例(质量比为5％～30％)的砂子做成混凝土或砌筑砂浆。
用于稳定飞灰的化学试剂与飞灰的质量配比如下：
碳酸氢铵：飞灰＝0.01～0.2
硫化铵：飞灰＝0.005～0.02
其具体步骤如下：
1)水化：铁、镍、锰和铬的氢氧化物均为不溶于水的难溶化合物(其溶度积在10-13-10-38之间)。因而，飞灰首先加水悬浮水化，将飞灰中铁、镍、锰、铬等重金属氧化物转变为不溶于水的氢氧化物，以此减少后续化合物的消耗。
2)碳酸化：向水化后的飞灰中添加碳酸氢铵进行碳酸化，飞灰中游离的铅、镉、锌、钡、银和锰等重金属元素转变为不溶于水的碳酸化合物，铵离子在飞灰水化产物的施碱条件下便转变为气态氨而挥发，完全没有残留物质存在。
3)硫化：重金属在自然界中大多以硫化物的形式存在，如硫镉矿、闪锌矿、方铅矿等，性质非常稳定，靠自然的地球化学过程，很难离解，要提炼或释放其中的金属必须靠电解等人为冶炼手段。因此，利用硫化铵处理飞灰中的重金属使其成为金属硫化物对环境产生的影响是极其微弱的。飞灰中的重金属元素与硫化铵反应后全部转化为不溶于水的硫化物而得到稳定。本发明中选择最后添加硫化铵的目的在于避免硫化铵中负二价的硫离子与飞灰中的非重金属类物质反应增加硫化铵的用量。
4)经过稳定化的飞灰替代混凝土或砂浆中一定比例的砂子制成混凝土或砌筑砂浆。
经过上述“水化-碳酸氢铵碳酸化-硫化铵硫化”稳定化及水泥固定化处理，城市固体垃圾焚烧炉飞灰中的重金属及有害离子通过物理固封、替代或吸附等形式固化进水泥水化产物结构中，使飞灰中的重金属变得更加稳定，达到可安全利用的程度而实现废物资源化。
由于飞灰自身具有的火山灰特性，本发明将城市固体垃圾焚烧炉飞灰作为建筑混合材料制成混凝土或砌筑砂浆，不仅可以增强混凝土或砂浆的物理强度，而且其各项浸出毒性指标检测均符合国家标准。从而彻底地解决了垃圾焚烧炉飞灰的处理难题，做到变废为宝，是对城市固体垃圾焚烧炉飞灰处理利用的突破。
具体实施方式：
应用实例一：
1、将收集的垃圾焚烧炉飞灰按储存水泥的方式保存(防吸潮板结)；
2、取1.2kg的飞灰替代混凝土中相应质量的砂子，并将飞灰置于混凝土搅拌机中，添加6.6kg的水，搅拌10min；
3、添加0.012kg的碳酸氢铵，搅拌2分钟后，添加0.024kg浓度为百分之二十五的硫化铵溶液，再搅拌5min；
4、根据C20混凝土质量配比，向上述溶液添加10.0kg水泥(P.O32.5)、40.8kg石子、23.8kg砂子搅拌混合均匀。
5、制成150mm×150mm×150mm的试块，一昼夜后脱模并用尺量取试块的实际尺寸(精确至0.1mm)；
6、在潮湿的环境下养护28天后，再量取试块的实际尺寸，并按下式计算试块的收缩率。
(试块24小时的尺寸-试块28天的尺寸)/试块24小时尺寸×100％
结果表明飞灰替代混凝土中质量比为5％的砂子做成的混凝土试块在脱模后24小时和经过28天养护后，其试块尺寸非常稳定无收缩现象。
通过对其力学性能的测试发现，添加的飞灰不仅对混凝土的抗压强度没有影响，而且还能增加混凝土的抗压强度。
将含有飞灰的混凝土试块破碎成粒径小于5mm的碎渣，进行危险废物浸出毒性鉴别后发现其重金属含量也远远低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-1996)限定值。
应用实例二：
1、将收集的垃圾焚烧炉飞灰按储存水泥的方式保存(防吸潮板结)；
2、取19.5kg的飞灰置于混凝土搅拌机中，添加56.0kg的水，搅拌10min；
3、添加1.95kg的碳酸氢铵，搅拌2min后，添加0.78kg浓度为百分之二十五的硫化铵溶液，再搅拌5min；
4、按照C30混凝土质量配比添加100.0kg水泥(P.C32.5)、305.0kg石子、163.0kg砂子搅拌混合均匀。
5、制成150mm×150mm×150mm的试块，一昼夜后脱模并用尺量取试块的实际尺寸(精确至0.1mm)；
6、在潮湿的环境下养护28天后，再量取试块的实际尺寸，并计算试块的收缩率。
结果表明飞灰替代混凝土中质量比为10％的砂子做成的混凝土试块在脱模后24小时和经过28天养护后，其试块尺寸非常稳定，无收缩现象。
通过对其力学性能的测试发现，添加的飞灰不仅对混凝土的抗压强度没有影响，而且还能增加混凝土的抗压强度。
将含有飞灰的混凝土试块破碎成粒径小于5mm的碎渣，进行危险废物浸出毒性鉴别后发现其重金属含量也远远低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-1996)限定值。
应用实例三：
1、将收集的垃圾焚烧炉飞灰按储存水泥的方式保存(防吸潮板结)；
2、取3.05kg的飞灰置于混凝土搅拌机中，添加4.5kg的水，搅拌10min；
3、添加0.61kg的碳酸氢铵，搅拌2min后，添加0.244kg浓度为百分之二十五的硫化铵溶液，再搅拌5min；
4、按照C50混凝土质量配比添加10kg水泥(P.O42.5R)、26.1kg石子、9.15kg砂子搅拌混合均匀。
5、制成150mm×150mm×150mm的试块，一昼夜后脱模并用尺量取试块的实际尺寸(精确至0.1mm)；
6、在潮湿的环境下养护28天后，再量取试块的实际尺寸，并计算试块的收缩率。
结果表明飞灰替代混凝土中质量比为25％的砂子做成的混凝土试块在脱模后24小时和经过28天养护后，其试块尺寸非常稳定无收缩现象。
通过对其力学性能的测试发现，添加的飞灰不仅对混凝土的抗压强度没有影响，而且还能增加混凝土的抗压强度。
将含有飞灰的混凝土试块破碎成粒径小于5mm的碎渣，进行危险废物浸出毒性鉴别后发现其重金属含量也远远低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-1996)限定值。
应用实例四
1、将收集的垃圾焚烧炉飞灰按储存水泥的方式保存(防吸潮板结)；
2、取2.85kg的飞灰替代砂浆中相应质量的砂子，并将飞灰置于砂浆搅拌机中，添加10.0kg的水，搅拌10min；
3、添加0.0285kg的碳酸氢铵，搅拌2分钟后，添加0.056kg浓度为百分之二十五的硫化铵溶液，再搅拌5min；
4、根据砂浆等级M5的质量配比，向上述溶液添加10.0kg水泥(P.O32.5)与54.15kg河砂搅拌混合均匀。
5、制成70.5mm×70.5mm×70.5mm的试块，一昼夜后脱模并用尺量取试块的实际尺寸(精确至0.1mm)；
6、在潮湿的环境下养护28天后，再量取试块的实际尺寸，并计算试块的收缩率。
结果表明飞灰替代砂浆中质量比为5％的砂子做成的砂浆试块在脱模后24小时和经过28天养护后，其试块尺寸非常稳定，无收缩现象。
通过对其力学性能的测试发现，添加的飞灰不仅对砂浆的抗压强度没有影响，而且还能增加砂浆的抗压强度。
将含有飞灰的砂浆试块破碎成粒径小于5mm的碎渣，进行危险废物浸出毒性鉴别后发现其重金属含量也远远低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB5085.3-1996)限定值。
应用实例五：
1、将收集的垃圾焚烧炉飞灰按储存水泥的方式保存(防吸潮板结)；
2、取4.7kg的飞灰置于砂浆搅拌机中，添加8.8kg的水，搅拌10min；
3、添加0.47kg的碳酸氢铵，搅拌2min后，添加0.188kg浓度为百分之二十五的硫化铵溶液，再搅拌5min；
4、按照砂浆等级M7.5的质量配比添加10.0kg水泥(325号硅酸盐水泥)、42.3kg河砂搅拌混合均匀。
5、制成70.5mm×70.5mm×70.5mm的试块，一昼夜后脱模并用尺量取试块的实际尺寸(精确至0.1mm)；
6、在潮湿的环境下养护28天后，再量取试块的实际尺寸，并计算试块的收缩率。
结果表明飞灰替代砂浆中质量比为10％的砂子做成的砂浆试块在脱模后24小时和经过28天养护后，其试块尺寸非常稳定，无收缩现象。
通过对其力学性能的测试发现，添加的飞灰不仅对砂浆的抗压强度没有影响，而且还能增加砂浆的抗压强度。
将含有飞灰的砂浆试块破碎成粒径小于5mm的碎渣，进行危险废物浸出毒性鉴别后发现其重金属含量也远远低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB5085.3-1996)限定值。
应用实例六：
1、将收集的垃圾焚烧炉飞灰按储存水泥的方式保存(防吸潮板结)；
2、取10.5kg的飞灰置于砂浆搅拌机中，添加7.0kg的水，搅拌10min；
3、添加2.1kg的碳酸氢铵，搅拌2min后，添加0.84kg浓度为百分之二十五的硫化铵溶液，再搅拌5min；
4、按照砂浆等级M10的质量配比添加10.0kg水泥(矿渣硅酸岩水泥325号)、31.5kg河砂搅拌混合均匀。
5、制成70.5mm×70.5mm×70.5mm的试块，一昼夜后脱模并用尺量取试块的实际尺寸(精确至0.1mm)；
6、在潮湿的环境下养护28天后，再量取试块的实际尺寸，并计算试块的收缩率。
结果表明飞灰替代砂浆中质量比为25％的砂子做成的砂浆试块在脱模后24小时和经过28天养护后，其试块尺寸非常稳定，无收缩现象。
通过对其力学性能的测试发现，添加的飞灰不仅对砂浆试块的抗压强度没有影响，而且还增加了砂浆的抗压强度。
将含有飞灰的砂浆试块破碎成粒径小于5mm的碎渣，进行危险废物浸出毒性鉴别后发现其重金属含量也远远低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-1996)限定值。
Claims (4)
1、一种城市垃圾焚烧炉飞灰稳定及资源化利用的方法，其特征在于：飞灰经过水化、碳酸化以及硫化的共同作用稳定其中的重金属元素后，替代混凝土或砂浆中质量比为5％～25％的砂子制成混凝土砌块或砌筑砂浆。
2、根据权利要求1所述的城市垃圾焚烧炉飞灰稳定及资源化利用的方法，其特征在于垃圾焚烧炉飞灰稳定及资源化利用的步骤为：
飞灰首先加水悬浮水化，将飞灰中铁、镍、锰、铬等重金属氧化物转变为不溶于水的氢氧化物；然后向水化后的飞灰中添加碳酸氢铵进行碳酸化；接着向飞灰中投加硫化铵稳定飞灰中的重金属元素，最后用稳定化后的飞灰替代混凝土或砂浆中质量比为5％～25％的砂子制作混凝土砌块或砌筑砂浆。
3、根据权利要求2所述的城市垃圾焚烧炉飞灰稳定及资源化利用的方法，其特征在于：飞灰碳酸化所用的化合物为碳酸氢铵，硫化所用化合物为硫化铵，飞灰替代混凝土或砂浆中砂子的质量比为5％～25％。
4、根据权利要求3所述的城市垃圾焚烧炉飞灰稳定及资源化利用的方法，其特征在于碳酸氢铵、硫化铵与飞灰的质量比分别为：
碳酸氢铵∶飞灰＝0.01～0.2
硫化铵∶飞灰＝0.005～0.02。
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| 垃圾焚烧飞灰中重金属污染物控制的研究进展. 杨志泉等.环境卫生工程，第13卷第4期. 2005 |
| 垃圾焚烧飞灰中重金属污染物控制的研究进展. 杨志泉等.环境卫生工程，第13卷第4期. 2005 * |
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