CN111393045B - 一种垃圾焚烧飞灰制备胶凝材料的方法 - Google Patents

一种垃圾焚烧飞灰制备胶凝材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种垃圾焚烧飞灰制备胶凝材料的方法,包括以下步骤:步骤一、制备植物秸秆发酵液;步骤二、降解飞灰中二噁英及重金属;步骤三、改性处理植物纤维;步骤四、制备胶凝材料。本发明通过将植物秸秆处理工艺与垃圾焚烧飞灰处理工艺相结合,严格控制植物秸秆发酵的条件及工艺参数,使得所得植物发酵液能够代替重金属螯合剂和微生物培养基,通过加入具有凝胶性质的粉煤灰,无需添加水泥、沥青、塑料等固化材料,不产生废水、废渣,无粉尘污染,生产工艺环保、安全性高,制得的胶凝材料不会造成二次污染,具有强度高、经久耐用的特点。

Description

一种垃圾焚烧飞灰制备胶凝材料的方法
技术领域
本发明涉及危险固体废物处理技术领域,具体涉及一种垃圾焚烧飞灰制备胶凝材料的方法。
背景技术
垃圾焚烧飞灰是指在垃圾焚烧过程中以飞灰形式附着在余热锅炉外壁,或进入烟气净化系统中而被除尘器捕集的副产物,它一般由硫酸盐、硅铝酸盐以及硅酸盐矿物组成,同时富含钾盐等可溶性盐类。飞灰中除含有一定量的未燃尽可燃物外,还含有一定量的二噁英、重金属等高毒性物质,被《国家危险废物名录》列为危险废物。垃圾焚烧飞灰年产量巨大,寻找合理绿色的处置方法已迫在眉睫,而且如何最大化的利用飞灰这种危险废弃物成为当今危废处理领域研究的热点内容。
目前垃圾燃烧飞灰的固定化或资源化处理方法大多是通过加入大量水泥、沥青等对飞灰进行包封,从而使飞灰的浸出毒性降低,符合垃圾填埋场标准进行填埋,或制成颗粒、砖等建筑材料实现资源化利用。这些处理方法需要消耗大量的水泥、沥青,或者需要长时间高温处理,处理成本昂贵,不利于推广使用。
中国专利文献CN110776302A公开了一种将垃圾焚烧飞灰改性成复合胶凝材料的工艺方法,通过分别配置固体胶凝剂和液体胶凝剂,分别对飞灰进行常温、常压混合搅拌处理,同时起到消除二噁英、稳定固化重金属浸出危害,形成兼有树脂、水泥、石膏、菱镁制品特性的复合胶凝材料。但是其加入的液体改性剂由多种有机试剂组成,带来了新的污染隐患,而且最终固化的物料力学强度较低,应用范围窄。
发明内容
针对现有处理方法的不足,本发明将特定的秸秆发酵工艺与垃圾焚烧飞灰处理工艺相结合,采用微生物处理实现二噁英彻底降解和重金属固定化,通过无机胶凝反应制备得到各项性能符合要求的胶凝材料,该处理方法无需添加水泥、沥青、塑料等固化材料,成本低、稳定效果好、无二次污染、实现了废弃物的资源化利用。
本发明的目的通过如下技术方案实现:
一种垃圾焚烧飞灰制备胶凝材料的方法,包括以下步骤:
步骤一、制备植物秸秆发酵液:将植物秸秆切段、去杂并清洗,之后送入揉丝机处理成秸秆细丝,接着用二氧化硫处理秸秆细丝,加水,调节pH为5~6,加入复合酶,密封酶解,酶解完成后过滤,得到滤液和植物纤维,对滤液进行有氧发酵,得到植物秸秆发酵液;
步骤二、降解飞灰中二噁英及重金属:将植物秸秆发酵液转移至微生物反应器中,加入待处理的飞灰,搅拌均匀后加入硫酸盐还原菌活化菌液厌氧处理2~4天,再加入白腐真菌活化菌液有氧处理5-10天;
步骤三、改性处理植物纤维:将步骤一所得植物纤维置于蒸馏水中,超声清洗,室温风干,之后通过氧气低温等离子体对植物纤维进行改性预处理,将预处理后的植物纤维浸入硅烷偶联剂溶液中,取出,蒸馏水冲洗,风干即得改性处理植物纤维;
步骤四、制备胶凝材料:将步骤二微生物反应器中处理完成后的混合物干燥、粉碎,转移至搅拌池,加入活化粉煤灰、改性处理植物纤维、改性水玻璃溶液,搅拌均匀后浇筑成型,蒸汽养护,取样,检测合格即得胶凝材料。
进一步地,步骤一中所述植物秸秆为水稻、玉米、甘蔗、棉花、油菜、花生、黄豆、松针中的一种或几种。
进一步地,步骤一中所述复合酶包括纤维素酶、蛋白酶、果胶质酶、半纤维素酶、木质素酶。
进一步地,步骤一中密封酶解的温度为室温,时间为7~28天;有氧发酵温度为30℃,时间为1~2天。
进一步地,步骤二中所加植物秸秆发酵液的重量为垃圾焚烧飞灰干重的1~1.5倍。
进一步地,步骤三所述氧气低温等离子体对植物纤维进行改性预处理的操作具体为:将植物纤维置于反应仓内,设定参数,待达到压强40~60Pa时,在60~100W功率下,放电处理2~5min,结束后取出即可。
进一步地,步骤三中硅烷偶联剂溶液的浓度为0.5wt%。
进一步地,步骤四中所述活化粉煤灰的制备方法为:将粉煤灰加至行星式球磨机中,加入粉煤灰质量分数1%~4%的氧化钙,混合均匀后400~800r/min研磨40~60min即得。
进一步地,步骤四中所述水玻璃溶液为氢氧化钠和氢氧化钾共同改性后的水玻璃溶液,模数Ms=2.0~3.5。
进一步地,步骤四中混合物、活化粉煤灰、改性处理植物纤维、改性水玻璃溶液的质量百分比分别为:50%~70%、10%~20%、1%~5%、10%~25%。
本发明首先将植物秸秆揉成5~10cm的细丝,然后用二氧化硫处理,使得秸秆发酵液中具有较高的硫酸盐浓度,密闭条件下酶解,再经有氧发酵,秸秆在复合酶作用下分解成纤维丝、木质素、氨基酸、葡萄糖、木糖醇及其他大分子有机物,所用各类酶的比例关系根据所用植物秸秆的组成调整,所得秸秆发酵液呈弱酸性,同时秸秆发酵液中大分子有机物及小分子能够与重金属分子间产生络合作用,与垃圾焚烧飞灰混合后,大大促进重金属离子的溶出,秸秆发酵液中的无机盐和有机成分能够为白腐真菌和硫酸盐还原菌提供充足的营养,保证二噁英降解和硫酸盐还原顺利进行,使得飞灰中的二噁英彻底矿化,重金属以硫化物形态固定。
本发明所用硫酸盐还原菌WF-83适宜pH范围广,能够在酸性植物秸秆发酵液中生长良好,硫酸盐还原菌WF-83植物秸秆发酵液中的碳源和硫酸盐生产出硫化氢和重碳酸盐,硫化氢与溶出的金属离子起反应,生成金属硫化物而沉淀,同时生成的重碳酸盐能够中和植物秸秆发酵液的酸性,为白腐真菌的生长提供适宜的pH环境。秸秆发酵液中的木质素大分子能够被白腐真菌利用,促进白腐真菌的迅速大量增殖,它们在氧的参与下氧化二噁英等有机污染物并形成H2O2,激活过氧化物酶而启动酶的催化循环。此外,因为飞灰中含有Ca2Si3及CaAl2Si2O8等矿物,这些矿物遇水后会发生水化反应,生成胶凝物质Ca2SiO4·0.30H2O,而微生物分泌的有机基质中的-OH键能与体系中C-O键及Si-O键的O原子作用,形成分子间氢键O-H---O,形成较为紧凑、致密地吸附并填充在飞灰颗粒之间的生物胶凝材料。
本发明首先用样低温等离子体处理植物纤维,对其表面疏水鳞片进行破坏,能够增大其在硅烷偶联剂溶液中的浸润作用,还能使纤维表面C-OH键含量增加,促进硅烷偶联剂以化学共价键的形式嫁接到纤维表面,此外由于等离子体仅作用在材料表层,而无法达到植物纤维内部,其力学性能不受影响。飞灰颗粒、活化粉煤灰在与改性水玻璃溶液混合后,在碱性激发作用下发生胶凝反应,改性植物纤维通过表面的硅烷偶联剂的作用与材料中飞灰、生物胶凝材料间缩合交联,使得胶凝材料的结构强度增强,提升了胶凝材料的力学强度,使胶凝材料的防水、防裂性能得到提高。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
(1)本发明通过将植物秸秆处理工艺与垃圾焚烧飞灰处理工艺相结合,严格控制植物秸秆发酵的条件及工艺参数,使得所得植物发酵液能够代替重金属螯合剂和微生物培养基,与现有技术相比,原料价廉易得,反应温和、不需要高温高压等苛刻条件,能耗低,所需设备简单、操作容易,大大降低了垃圾焚烧飞灰处理的成本,能够制备得到力学强度好、符合环保要求、用途广泛的胶凝材料,变废为宝,经济效益好;
(2)本发明提供的飞灰制备胶凝材料的方法,通过加入具有凝胶性质的活化粉煤灰,采用混合碱对水玻璃溶液进行改性,优化筛选出能够使胶凝材料抗压强度达到30MPa以上的水玻璃模数范围,无需添加水泥、沥青、塑料等固化材料,不产生废水、废渣,无粉尘污染,生产工艺环保、安全性高,由于二噁英和重金属在微生物处理过程中已经被降解或固化,制得的胶凝材料不会造成二次污染,由于胶凝材料具有强度高、经久耐用的特点,能够适用于建筑、保温、装饰、园艺等多个领域。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果,以下结合具体实施例进行详细描述。
各个实施例所用垃圾焚烧飞灰分别取自洛阳垃圾焚烧处理厂不同日期袋式除尘器收集的飞灰,其余试剂均为市售产品。
二噁英含量检测分析:采用Voyager高分辨气相色谱/低分辨质谱联机分析PCDD/Fs。重金属含量检测分析:根据我国标准方法《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》(HJ557-2009),对焚烧飞灰进行浸出实验,采用Agilent原子吸收分光光度计测定浸出液浓度。
菌种:白腐真菌射脉侧菌Phlebia radiate I-5-6;硫酸盐还原菌为耐酸性硫酸盐还原菌SRB-WF83。白腐菌I-5-6活化菌液的制备:培养基灭菌后,接种新鲜孢子体,35℃下培养48h。硫酸盐还原菌WF-83活化菌液的制备:培养基灭菌后将硫酸盐还原菌倒入,在SPX-250B生化培养箱中37℃恒温培养活化,培养48h。
实施例1
垃圾焚烧飞灰制备胶凝材料的方法:
一、制备甘蔗秸秆发酵液:将甘蔗秸秆切段、去杂并清洗,之后送入揉丝机处理成5~10cm的细丝,用二氧化硫处理秸秆丝,加水,调节pH为5.2,加入由纤维素酶、蛋白酶、果胶质酶、半纤维素酶、木质素酶质量配比为2:0.8:1.2:0.5:0.2组成的复合酶,室温下密封酶解10天,过滤,得到甘蔗纤维和滤液;滤液在30℃下进行有氧发酵,发酵时间为1天,即得甘蔗秸秆发酵液;
二、降解飞灰中二噁英及重金属:将甘蔗秸秆发酵液转移至微生物反应器中,加入相同重量的待处理飞灰,搅拌均匀后加入飞灰干重15%的硫酸盐还原菌活化菌液厌氧处理3天,再加入灰干重10%的白腐真菌活化菌液有氧处理7天;
三、改性处理甘蔗纤维:将步骤一所得甘蔗纤维置于蒸馏水中,超声清洗20min,室温风干,之后将甘蔗纤维置于氧气低温等离子体反应仓内,设定参数,待达到压强40Pa时,在100W功率下,放电处理2min,结束后取出,然后将等离子体预处理后的甘蔗纤维浸入浓度为0.5wt%的硅烷偶联剂KH560溶液中,取出,蒸馏水冲洗,风干即得改性处理甘蔗纤维;
四、制备胶凝材料:将步骤二微生物反应器中处理完成后的混合物干燥、粉碎,转移至搅拌池,依次加入混合物质量40%的活化粉煤灰、10%的改性处理甘蔗纤维、50%的改性水玻璃溶液,搅拌均匀后浇筑成型,60~90℃蒸汽养护,取样,检测合格即得胶凝材料。
实施例2
垃圾焚烧飞灰制备胶凝材料的方法:
一、制备棉花秸秆发酵液:将棉花秸秆切段、去杂并清洗,之后送入揉丝机处理成5~10cm的细丝,用二氧化硫处理秸秆丝,加水,调节pH为5.5,加入由纤维素酶、蛋白酶、果胶质酶、半纤维素酶、木质素酶质量配比为2:0.5:0.9:0.4:0.3组成的复合酶,室温下密封酶解7天,过滤,得到棉花纤维和滤液;滤液在30℃下进行有氧发酵,发酵时间为1天,即得棉花秸秆发酵液;
二、降解飞灰中二噁英及重金属:将棉花秸秆发酵液转移至微生物反应器中,加入秸秆发酵液重量85%的待处理飞灰,搅拌混合均匀,加入飞灰干重17%的硫酸盐还原菌活化菌液,厌氧处理2天;再加入飞灰干重13%的白腐真菌活化菌液,有氧处理6天;
三、改性处理棉花纤维:将步骤一所得棉花纤维置于蒸馏水中,超声清洗25min,室温风干,之后将植物纤维置于氧气低温等离子体反应仓内,设定参数,待达到压强40Pa时,在80W功率下,放电处理4min,结束后取出,然后将等离子体预处理后的棉花纤维浸入浓度为0.5wt%的硅烷偶联剂KH550溶液中,取出,蒸馏水冲洗,风干即得改性处理棉花纤维;
步骤四、制备胶凝材料:将步骤二微生物反应器中处理完成后的混合物干燥、粉碎,转移至搅拌池,依次加入混合物质量25%的活化粉煤灰、6.7%的改性处理植物纤维、35%的改性水玻璃溶液,搅拌均匀后浇筑成型,60~90℃蒸汽养护,取样,检测合格即得胶凝材料。
实施例3
垃圾焚烧飞灰制备胶凝材料的方法:
一、制备油菜秸秆发酵液:将油菜秸秆切段、去杂并清洗,之后送入揉丝机处理成5~10cm的细丝,用二氧化硫处理秸秆丝,加水,调节pH为6.0,加入由纤维素酶、蛋白酶、果胶质酶、半纤维素酶、木质素酶质量配比为2:1.4:0.8:0.5:0.2组成的复合酶,室温下密封酶解28天,过滤,得到油菜纤维和滤液;滤液在30℃下进行有氧发酵,发酵时间为2天,即得油菜秸秆发酵液;
二、降解飞灰中二噁英及重金属:将油菜秸秆发酵液转移至微生物反应器中,加入秸秆发酵液重量67%的待处理飞灰,搅拌混合均匀,加入飞灰干重20%的硫酸盐还原菌活化菌液,厌氧处理3天;再加入飞灰干重10%的白腐真菌活化菌液,有氧处理9天;
三、改性处理油菜纤维:将步骤一所得油菜纤维置于蒸馏水中,超声清洗30min,室温风干,之后将油菜纤维置于氧气低温等离子体反应仓内,设定参数,待达到压强60Pa时,在70W功率下,放电处理4min,结束后取出,然后将等离子体预处理后的油菜纤维浸入浓度为0.5wt%的硅烷偶联剂KH560溶液中,取出,蒸馏水冲洗,风干即得改性处理油菜纤维;
步骤四、制备胶凝材料:将步骤二微生物反应器中处理完成后的混合物干、粉碎,转移至搅拌池,依次加入混合物质量17.1%的活化粉煤灰、4.3%的改性处理油菜纤维、21.4%的改性水玻璃溶液,搅拌均匀后浇筑成型,60~90℃蒸汽养护,取样,检测合格即得胶凝材料。
对比例1
除酶解过程加入的酶为单一纤维素酶外,其余同实施例2。
对比例2
除先加入白腐真菌活化菌液有氧处理,后加入硫酸盐还原菌活化菌液厌氧处理外,其余同实施例2。
对比例3
除将胶凝材料制备过程中添加的改性水玻璃溶液替换为等量未经改性的水玻璃溶液外,其余同实施例2。
对比例4
除将胶凝材料制备过程中添加的改性水玻璃溶液替换为等量Ms=1.0的改性水玻璃溶液外,其余同实施例2。
对比例5
除将胶凝材料制备过程中添加的改性水玻璃溶液替换为等量Ms=4.0的改性水玻璃溶液外,其余同实施例2。
对比例6
除将胶凝材料制备过程中添加的改性植物纤维替换为等量未经改性处理的植物纤维外,其余同实施例2。
待处理飞灰和制得凝胶材料样品的二噁英及重金属浸出毒性检测分析结果如下表1所示:
表1
Figure BDA0002429461100000061
Figure BDA0002429461100000071
制得的凝胶材料力学性能测试结果如下表2所示:
表2
Figure BDA0002429461100000072
Figure BDA0002429461100000081
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换,只要不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种垃圾焚烧飞灰制备胶凝材料的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、制备植物秸秆发酵液:将植物秸秆切段、去杂并清洗,之后送入揉丝机处理成秸秆细丝,接着用二氧化硫处理秸秆细丝,加水,调节pH为5 ~ 6,加入复合酶,密封酶解,酶解完成后过滤,得到滤液和植物纤维,对滤液进行有氧发酵,得到植物秸秆发酵液;
步骤二、降解飞灰中二噁英及重金属:将植物秸秆发酵液转移至微生物反应器中,加入待处理的飞灰,搅拌均匀后加入硫酸盐还原菌活化菌液厌氧处理2 ~ 4天,再加入白腐真菌活化菌液有氧处理5-10天;
步骤三、改性处理植物纤维:将步骤一所得植物纤维置于蒸馏水中,超声清洗,室温风干,之后通过氧气低温等离子体对植物纤维进行改性预处理,将预处理后的植物纤维浸入硅烷偶联剂溶液中,取出,蒸馏水冲洗,风干即得改性处理植物纤维;
步骤四、制备胶凝材料:将步骤二微生物反应器中处理完成后的混合物干燥、粉碎,转移至搅拌池,加入活化粉煤灰、改性处理植物纤维、改性水玻璃溶液,搅拌均匀后浇筑成型,蒸汽养护,取样,检测合格即得胶凝材料;
其中,步骤四中所述改性水玻璃溶液为氢氧化钠和氢氧化钾共同改性后的水玻璃溶液,模数Ms=2.0 ~ 3.5;
步骤四中混合物、活化粉煤灰、改性处理植物纤维、改性水玻璃溶液的质量百分比分别为:50% ~ 70%、10% ~20%、1% ~ 5%、10% ~ 25%;
步骤一中所述复合酶包括纤维素酶、蛋白酶、果胶质酶、半纤维素酶、木质素酶;
步骤三中硅烷偶联剂溶液的浓度为0.5 wt%;所述的硅烷偶联剂为KH550或KH560。
2.根据权利要求1所述垃圾焚烧飞灰制备胶凝材料的方法,其特征在于,步骤一中所述植物秸秆为水稻、玉米、甘蔗、棉花、油菜、花生、黄豆、松针中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述垃圾焚烧飞灰制备胶凝材料的方法,其特征在于,步骤一中密封酶解的温度为室温,时间为7 ~ 28天;有氧发酵温度为30 ℃,时间为1 ~ 2天。
4.根据权利要求1所述垃圾焚烧飞灰制备胶凝材料的方法,其特征在于,步骤二中所加植物秸秆发酵液的重量为垃圾焚烧飞灰干重的1 ~ 1.5倍。
5.根据权利要求1所述垃圾焚烧飞灰制备胶凝材料的方法,其特征在于,步骤三所述氧气低温等离子体对植物纤维进行改性预处理的操作具体为:将植物纤维置于反应仓内,设定参数,待达到压强40 ~ 60 Pa时,在60 ~ 100W功率下,放电处理2 ~5 min,结束后取出即可。
6.根据权利要求1所述垃圾焚烧飞灰制备胶凝材料的方法,其特征在于,步骤四中所述活化粉煤灰的制备方法为:将粉煤灰加至行星式球磨机中,加入粉煤灰质量分数1 ~ 4%的氧化钙,混合均匀后400 ~ 800 r/min研磨40 ~ 60 min即得。
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