生活垃圾焚烧飞灰经水泥造粒及二次处理后的清洁应用
技术领域
本发明涉及生活垃圾焚烧飞灰经水泥造粒及二次处理后的应用,具体涉及生活垃圾焚烧飞灰与水泥固结造粒并二次处理完毕后,添加至沥青混合料中进行路面应用。在工程上实现了生活垃圾焚烧飞灰于沥青路面中的资源化清洁应用,属于固体废弃物处理处置与资源化、道路铺面材料及其加工制备技术交叉领域。
背景技术
生活垃圾焚烧飞灰是生活垃圾焚烧厂烟气净化系统的捕集物和烟道及烟囱底部沉降的底灰。研究表明,生活垃圾焚烧飞灰中含有二噁英类及重金属等有毒有害物质,因此,我国将其列为《国家危险废物名录》中的HW18类危险废物,不妥善处置会直接威胁周围环境及人类健康,并会引发公众群体事件进而影响垃圾焚烧行业积极健康发展。生活垃圾焚烧飞灰的毒性和易造成二次污染的特性也是生活垃圾焚烧厂选址受公众质疑的重要原因。
目前,国内生活垃圾焚烧飞灰主要处置方式及缺点有:(1)直接进入危险废物填埋场填埋。处理成本高,无填埋场的区域在远距离运输中存在二次污染风险;(2)螯合剂稳定化或水泥固化后进入卫生填埋场填埋。浸出毒性不合格现象时有发生,二次污染风险高。存在增容量大、占有土地资源等问题。随着垃圾焚烧的普及,卫生填埋场的逐步关停或填埋场容量饱和,生活垃圾焚烧飞灰面临无法填埋的风险;(3)水泥窑协同处置。Cl元素影响水泥质量,会限制水泥使用范围,对设备腐蚀危害较大。
国外发达国家飞灰的处置技术有:德国采用矿井深埋,日本采用高温熔融,美国采用飞灰炉渣混合处置等。考虑到我国国情、投资处置成本以及现行法规限制等,以上发达国家采用的技术均不适宜我国飞灰处置。
因此,开发环境友好、符合我国经济发展的垃圾焚烧飞灰处置技术,从根本上改变飞灰处置现状,突破当前垃圾焚烧行业能源、环境、资源三者之间的矛盾,成为中国垃圾焚烧行业可持续发展的重大战略需求。
生活垃圾焚烧飞灰与水泥造粒后并应用于沥青路面中,可使生活垃圾焚烧飞灰中重金属元素在固化产物中双层惰化从而降低重金属类元素向环境浸出。理论上,由生活垃圾焚烧飞灰与水泥造粒后制备的沥青混合料在重金属浸出毒性合格的前提下,可用于铺路。然而,在实际工程应用中,生活垃圾焚烧飞灰中高含量可溶盐会导致路面水损害,影响路面的正常使用。因此,生活垃圾焚烧飞灰与水泥造粒技术目前无法实现生活垃圾焚烧飞灰的资源化清洁利用。鉴于上述问题,本发明不断寻找创新的生活垃圾焚烧飞灰与水泥造粒后二次处理技术,使高可溶盐含量下生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料的水稳定性指标合格、重金属类物质浸出毒性合格,进而实现生活垃圾焚烧飞灰在路面中的资源化清洁应用。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种生活垃圾焚烧飞灰经水泥造粒及二次处理后的应用。具体为生活垃圾焚烧飞灰与水泥固结造粒后进行二次处理,并将其应用于沥青路面。
本发明采取的技术方案如下:
1、生活垃圾焚烧飞灰经水泥造粒及二次处理后的应用,首先将生活垃圾焚烧飞灰与水泥进行固结造粒获得生活垃圾焚烧飞灰/水泥颗粒,然后在颗粒表面涂覆硅烷防水剂或稀释沥青进行二次处理获得生活垃圾焚烧飞灰预处理颗粒,将生活垃圾焚烧飞灰预处理颗粒代替部分矿粉或集料加入沥青混合料中进行路面利用,所述生活垃圾焚烧飞灰预处理颗粒占沥青混合料矿料的质量百分比为2~8%。
所述生活垃圾焚烧飞灰为经过二噁英低温热降解处理后的飞灰。
优选的,所述生活垃圾焚烧飞灰预处理颗粒占沥青混合料矿料的质量百分比为4%或6%。
优选的,所述生活垃圾焚烧飞灰粒径小于1mm,所述生活垃圾焚烧飞灰预处理颗粒的粒径为0~4.75mm。
优选的,所述生活垃圾焚烧飞灰中粒径小于75μm的飞灰质量百分比含量大于75%,且58~75μm的生活垃圾焚烧飞灰质量分数大于70%。
优选的,所述生活垃圾焚烧飞灰预处理颗粒的粒径为0~2.36mm。
优选的,所述沥青混合料采用SMA-13型级配、SMA-16型级配、AC-20C型级配、AC-25C型级配或ATB-25型级配。
优选的,所述水泥造粒的具体步骤为:先按质量比为1:0.25~1.5的比例将生活垃圾焚烧飞灰和水泥进行干粉混合,然后加入质量为混合干粉质量20~30%的水混匀,并振荡成型,再按照水泥的养生条件与要求养生7天,最后破碎造粒获得生活垃圾焚烧飞灰/水泥颗粒。
优选的,所述生活垃圾焚烧飞灰和水泥的质量比为1:0.5、1:1或1:1.5。
优选的,所述涂覆硅烷防水剂的具体步骤为:首先将生活垃圾焚烧飞灰/水泥颗粒烘干,并冷却至室温,然后将硅烷防水剂均匀喷洒于生活垃圾焚烧飞灰/水泥颗粒表面,室温下反应12~24h即可;硅烷防水剂的配制过程为:首先按质量比为60:1的比例将无水乙醇和水混合获得乙醇-水溶液,然后用稀盐酸溶液调节乙醇-水溶液的pH值至2~3,再按质量比为15:1的比例在搅拌条件下加入十六烷基三甲氧基硅烷或硅烷偶联剂,18~25℃条件下反应30min即可。
所述硅烷偶联剂为KH602、KH570等。
优选的,所述涂覆稀释沥青的具体步骤为:将沥青加热到热熔状态后溶解于稀释剂中,加入生活垃圾焚烧飞灰/水泥颗粒,浸渍生活垃圾焚烧飞灰/水泥颗粒24h,挥发稀释剂即可。
优选的,所述稀释沥青中的沥青为SK 70#沥青、SK 90#沥青等。
优选的,所述稀释剂为煤油、汽油或三氯乙烯。
本发明的有益效果在于:本发明中首先将生活垃圾焚烧飞灰与水泥进行固结造粒,然后在生活垃圾焚烧飞灰/水泥造粒颗粒表面涂覆防水材料进行二次处理,于生活垃圾焚烧飞灰/水泥颗粒表面形成致密防水层,有效封堵了生活垃圾焚烧飞灰/水泥颗粒的表面微孔,并有效隔离了外界水分对生活垃圾焚烧飞灰/水泥颗粒表面微孔的浸入,缓解了生活垃圾焚烧飞灰中可溶盐溶出对沥青混合料路用性能造成的不良影响。此外,本发明的技术可以达到双层惰化生活垃圾焚烧飞灰中的重金属元素目的,从而降低重金属类元素向环境浸出的概率。二次处理后获得的颗粒代替部分矿粉或集料加入到沥青混合料中用于路面铺设,其在沥青路面的面层、基层均能够应用。路面在使用过程中,生活垃圾焚烧飞灰中重金属浸出毒性合格,不会对环境造成二次污染,铺设的路面路用性能各项指标满足规范要求。本发明在工程上实现了生活垃圾焚烧飞灰在路面中的资源化清洁利用。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
本发明所用生活垃圾焚烧飞灰来源于重庆某垃圾焚烧厂,为经炉排炉式垃圾焚烧炉的布袋除尘器收集的焚烧飞灰,飞灰首先进行二噁英低温热降解处理,低温热降解的最佳工艺参数如下:
热降解温度:400℃,
飞灰排出温度:≤150℃,
固相停留时间:1-2h,
气氛:氮气气氛,O2体积浓度≤1%,
脱氯活性介质:CaO,质量浓度≥10%。
在上述工艺条件下二噁英的降解率达95%以上,生活垃圾焚烧飞灰中二噁英的含量降低至10ng TEQ/kg以下;另外,生活垃圾焚烧飞灰中可溶盐含量为20~30%,重金属含量见表1。
表1焚烧飞灰中重金属含量(干基,mg/kg)
元素类别 |
重金属含量 |
Be |
未检出 |
V |
26.9 |
Cr |
164.3 |
Mn |
676.9 |
Co |
13.3 |
Ni |
28.5 |
Cu |
578.0 |
Zn |
5123.1 |
As |
43.5 |
Se |
2.3 |
Cd |
139.4 |
Sb |
46.3 |
Ba |
1199.7 |
Hg |
18.1 |
Tl |
5.1 |
Pb |
1854.7 |
U |
6.8 |
Th |
12.8 |
Ag |
0.1 |
焚烧飞灰浸出液重金属浸出浓度见表2。
表2焚烧飞灰浸出液重金属浸出浓度(醋酸缓冲溶液法,mg/L)
由表中内容可知,焚烧飞灰中含量较高的重金属元素包括Zn、Pb、Ba、Mn、Cu、Cr和Cd,其醋酸缓冲溶液法浸出液中也是Zn、Pb、Mn、Cu、Cd的浓度较高,其中Pb和Cd的浓度超出了《生活垃圾填埋场污染控制标准(GB16889-2008)》中规定的入场限值。现采用本发明所述方法对该焚烧飞灰进行无害化、资源化利用。
将上述生活垃圾焚烧飞灰进行水泥造粒,然后在生活垃圾焚烧飞灰/水泥颗粒表面涂覆硅烷防水剂或稀释沥青进行二次处理获得生活垃圾焚烧飞灰预处理颗粒,将生活垃圾焚烧飞灰预处理颗粒代替部分矿粉或集料加入沥青混合料中路面应用,所述生活垃圾焚烧飞灰预处理颗粒占沥青混合料矿料的质量百分比为2~8%。所述生活垃圾焚烧飞灰粒径小于1mm,优选生活垃圾焚烧飞灰粒径小于75μm的飞灰质量百分比含量大于75%,且58~75μm的生活垃圾焚烧飞灰质量分数大于70%,所述生活垃圾焚烧飞灰预处理颗粒的粒径为0~4.75mm,优选为0~2.36mm。沥青混合料级配优先采用SMA-13型级配、SMA-16型级配、AC-20C型级配、AC-25C型级配或ATB-25型级配,所述沥青为SBS改性沥青。
所述水泥造粒的具体步骤为:先按质量比为1:0.25~1.5的比例将生活垃圾焚烧飞灰和水泥进行干粉混合,然后加入质量为混合干粉质量20~30%的水混匀,并振荡成型,再按照水泥的养生条件与要求养生7天,最后破碎造粒。
将加入二次处理后生活垃圾焚烧飞灰预处理颗粒的沥青混合料用于铺设沥青路面的面层或基层均可,水稳定性试验、高温稳定性检验、低温抗裂性检验以及渗水系数检验均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的相关规定。
下面列举几种优选的具体方案,但本发明采取的方案不限于此。
需要说明的是,酸性有机沥青具有高表面能、大的表面活性以及强粘结力,与属于无机成分的碱性生活垃圾焚烧飞灰发生一系列物理化学吸附作用,达到包覆生活垃圾焚烧飞灰、稳定固化重金属及其化合物的目的,实现生活垃圾焚烧飞灰的脱“危”应用。然而资源化利用在沥青路面时,生活垃圾焚烧飞灰的物理化学组分影响了沥青路面的高温稳定性、低温抗裂性以及抗水损坏性能等路用性能,其中影响最突出的是水稳定性。因此,以下实施例中着重介绍水稳定性能试验结果。
实施例1涂覆硅烷防水剂进行二次处理
按生活垃圾焚烧飞灰:水泥的质量比为1:1进行水泥造粒,然后在110℃下烘干水泥造粒后获得的生活垃圾焚烧飞灰/水泥颗粒,时间约为2~4h,尽量密闭条件下冷却生活垃圾焚烧飞灰/水泥颗粒,然后将硅烷防水剂均匀喷洒于颗粒表面,于室温下反应12~24h即可。硅烷防水剂的配制过程为:首先按质量比为60:1的比例将无水乙醇和水混合获得乙醇-水溶液,然后用稀盐酸溶液调节乙醇-水溶液的pH值至2~3,再按质量比为15:1的比例在搅拌条件下加入十六烷基三甲氧基硅烷或硅烷防水剂(如KH602),室温条件下反应30min即可。将二次处理后的生活垃圾焚烧飞灰预处理颗粒以沥青混合料中矿料质量百分比6%的比例加入到沥青混合料中(相应减少同等质量的矿粉或集料),沥青混合料采取SMA-13型级配,沥青使用SBS改性沥青。将该沥青混合料用于路面的铺设,此时路面冻融劈裂试验的结果TSR(冻融劈裂强度比)为86%,符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中沥青混合料要达到劈裂强度比不小于80%的规定。
实施例2涂覆沥青的二次处理
按生活垃圾焚烧飞灰:水泥的质量比为1:1进行水泥造粒,然后将水泥造粒后获得的颗粒直接浸渍于稀释沥青中。涂覆稀释沥青的具体步骤为:将沥青溶于稀释剂中,加入水泥造粒后获得的颗粒,浸渍颗粒24h左右,挥发稀释剂即可。所述稀释剂优选为煤油、汽油或三氯乙烯。将二次处理后的生活垃圾焚烧飞灰预处理颗粒以质量百分比5.5%的比例加入到沥青混合料中(相应减少同等质量的矿粉或集料),沥青混合料采取AC-20C型级配,沥青使用SBS改性沥青。将该沥青混合料用于路面的铺设,稀释沥青二次处理组的冻融劈裂试验的结果TSR(冻融劈裂强度比)为83.4%,符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的相关规定。
需要说明的是,本发明中沥青混合料各原料的配比均按相应级配的规范要求添加,制备沥青混合料的条件未给出的数据均按本领域常规操作条件进行,本发明中的名词术语按本领域常规含义理解。
最后说明的是,以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述,但本领域技术人员应当理解,可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变,而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。