專利名稱：一種化學(xué)穩(wěn)定化處理城市垃圾焚燒飛灰的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于廢物處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及到一種化學(xué)穩(wěn)定化處理城市垃圾焚燒飛灰的方法。
背景技術(shù)：
目前，我國每年有大量的垃圾進(jìn)行焚燒處理。如果每噸垃圾產(chǎn)生3％的焚燒飛灰，按照2004年我國垃圾總量15509.3萬噸以及焚燒所占比例為2.9％來計(jì)算，飛灰量達(dá)到13.47萬噸，并且有逐年增長的趨勢。
由于城市垃圾成分復(fù)雜，因此有大量的有毒物質(zhì)富集在焚燒飛灰當(dāng)中，尤其是垃圾中的重金屬類，如Pb、Cd、Zn和Cu等，同時(shí)焚燒還會改變某些重金屬的化學(xué)形態(tài)，可能使其轉(zhuǎn)變?yōu)楦走w移或生態(tài)毒性更大的物質(zhì)形態(tài)。目前國內(nèi)外的焚燒除塵裝置雖然有效的收集了飛灰，但仍然無法有效控制其中的重金屬成分，因此應(yīng)當(dāng)在填埋前進(jìn)行穩(wěn)定化處理。我國《國家危險(xiǎn)廢物名錄》和《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GWKB3-2000)都明確將焚燒飛灰列為一類重要的危險(xiǎn)廢物，必須進(jìn)行無害化處理后進(jìn)行最終處置。
焚燒飛灰的重金屬控制可以分為固化和穩(wěn)定化兩大類方法，我國目前主要使用的技術(shù)是水泥固化技術(shù)。由于我國的生活垃圾中塑料含量和食鹽含量大，造成我國生活垃圾焚燒飛灰中堿金屬氯化物含量高，尤其是氯化鈉含量一般都較高，占飛灰量的20～30％，最高可達(dá)50％以上。如果使用固化技術(shù)，這些化學(xué)物質(zhì)限制了合格焚燒飛灰/水泥固化產(chǎn)品中的飛灰加入量一般小于15～20％，這會大大增加需要處置廢物的體積從而增加處置的費(fèi)用。高于此限值的飛灰加入量將會使焚燒飛灰/水泥混合物的養(yǎng)護(hù)時(shí)間大大增長到無法接受的程度，同時(shí)降低固化體的機(jī)械強(qiáng)度，增大固化體中重金屬的浸出、難以做到長期安全處置?；瘜W(xué)穩(wěn)定化方法因其減容大、處理效果好而具有更好的發(fā)展前景。目前市場上主要使用的螯合劑雖然處理效果較好，但由于其成本高，限制了它的使用，并且其與重金屬所形成的螯合物的長期穩(wěn)定性也由于其有機(jī)物的性質(zhì)而受到了人們的質(zhì)疑。而其它試劑如無機(jī)硫化物試劑在長期穩(wěn)定化過程中會釋放出硫化氫有害氣體，造成了二次污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是針對上述現(xiàn)有存在不足而提出一種化學(xué)穩(wěn)定化處理城市垃圾焚燒飛灰的方法。其特征在于所述化學(xué)穩(wěn)定化處理城市垃圾焚燒飛灰的方法是利用硅酸鹽系列化學(xué)穩(wěn)定化試劑處理焚燒飛灰的方法；具體步驟為1)先對焚燒飛灰中所含重金屬的濃度和對處理前的飛灰樣品浸出液的pH進(jìn)行測定；2)在常溫下，將占飛灰和硅酸鹽總干重的15％～25％的水和占飛灰干重的3％～10％的硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑均勻混合；或在焚燒飛灰中Cd的浸出毒性超過浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)或者焚燒飛灰中其它重金屬的總重量占飛灰干重的3％～5％時(shí)，加入占飛灰干重的7％～10％的硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑；3)將飛灰與硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑混合，并攪拌至完全均勻成灰漿狀后保持30分鐘，使灰漿中含有的重金屬或金屬與硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑充分發(fā)生離子交換、表面絡(luò)合化學(xué)反應(yīng)，從而固定其中的重金屬；4)再將混合物在常溫、自然通風(fēng)的條件下養(yǎng)護(hù)最少24小時(shí)；5)進(jìn)入填埋場進(jìn)行最終處置。
所述飛灰處理后的浸出液pH值高于12時(shí)，加入硅酸作為硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑；所述焚燒飛灰樣品浸出液的pH值低于12，加入任何一種硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑或者一種以上的硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑的組合。
所述硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑為可溶性的硅酸鈉、硅酸鉀、水玻璃、硅酸、硅酸鹽水泥和沸石中的一種或一種以上。
本發(fā)明的有益效果是硅酸鹽試劑在有水存在的條件下，通過替代和吸附機(jī)制實(shí)現(xiàn)飛灰中重金屬的穩(wěn)定化，而硅酸鹽又是自然界中常見的鹽類，因此在后續(xù)的填埋后，將具有良好的穩(wěn)定性，不會對環(huán)境造成二次污染。同時(shí)，由于硅酸鹽是常見的工業(yè)產(chǎn)品，取材方便，價(jià)格低廉，其成本比起其它穩(wěn)定化試劑低。從處理過程來說，比起其它方法，這種方法操作簡便，易于實(shí)現(xiàn)。根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明對重金屬Pb2+、Cd2+、Cu2+和Zn2+穩(wěn)定化效果很好。


圖1為典型硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑穩(wěn)定化處理流程圖。
圖2為在國標(biāo)實(shí)驗(yàn)中，隨著水泥添加量的增加，飛灰中的重金屬的浸出濃度的試驗(yàn)結(jié)果圖。
圖3為飛灰中重金屬濃度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化情況。
圖4為廢物的重金屬浸出量pH相關(guān)實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果。
圖5為不同添加量的硅酸鈉、水玻璃和硅酸鹽水泥對焚燒飛灰中Pb的穩(wěn)定化效果圖6為不同復(fù)配試劑的條件下焚燒飛灰中Pb的穩(wěn)定化效果。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出一種化學(xué)穩(wěn)定化處理城市垃圾焚燒飛灰的方法。它是利用硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑處理焚燒飛灰的方法；具體步驟為先對焚燒飛灰中所含重金屬的濃度和對處理前的飛灰樣品浸出液的pH進(jìn)行測定；圖1所示為典型硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑穩(wěn)定化處理流程圖，在圖中，在常溫下，首先將儲存槽中的焚燒飛灰、水與硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑按比例加入混合裝置中混合，加水量占飛灰和硅酸鹽總干重的15％～25％，優(yōu)選加水量為20％；硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑的添加量為飛灰干重的3％～10％，當(dāng)焚燒飛灰中Cd的浸出毒性超過浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)或者焚燒飛灰中其它重金屬含量較高，如達(dá)到總重量的3％～5％時(shí)，需加入7％～10％的硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑。然后將飛灰與硅酸鹽系列化學(xué)穩(wěn)定化試劑混合并攪拌至完全均勻成灰漿狀后保持30分鐘，使灰漿中含有的重金屬或金屬與硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑充分發(fā)生離子交換、表面絡(luò)合等化學(xué)反應(yīng)，從而固定其中的重金屬。然后再將處理后的焚燒飛灰混合物在常溫、自然通風(fēng)的條件下進(jìn)行最少24小時(shí)養(yǎng)護(hù)，優(yōu)選養(yǎng)護(hù)時(shí)間為24～36小時(shí)。最終可進(jìn)入填埋場進(jìn)行最終處置。
在焚燒飛灰中所含重金屬的濃度和氧化鈣的含量會不同。高含量的氧化鈣會使飛灰堿度過高，如果飛灰處理后的浸出液pH值高于12，將會影響處理效果，因此應(yīng)先對處理前的飛灰樣品浸出液的pH進(jìn)行測定。如果pH大于12，優(yōu)選加入硅酸作為硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑；所述焚燒飛灰樣品浸出液的pH值低于12，加入任何一種硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑或者一種以上的硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑的組合。上述硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑為可溶性的硅酸鈉、硅酸鉀、水玻璃、硅酸、硅酸鹽水泥和沸石中的一種或一種以上。
在復(fù)配過程中要充分利用各種硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑的特點(diǎn)如表1所示，硅酸鈉、硅酸鉀中的硅酸鹽純度最高，穩(wěn)定化過程中的反應(yīng)最為充分，相對而言處理效果最好，但是相對成本也高些；水玻璃呈膠體狀，是常用的工業(yè)產(chǎn)品，由于其中還有水分，所以以水玻璃作為添加劑時(shí)，可以適當(dāng)減少水分添加量；硅酸能夠提供一定的酸度，也能一定程度上的提高穩(wěn)定化效果；硅酸鹽水泥由于是多種物質(zhì)的混合物其水化反應(yīng)時(shí)間相對較長，養(yǎng)護(hù)時(shí)間要相應(yīng)的加長，但是硅酸鹽水泥是常用的建筑材料容易獲得，價(jià)格相對低廉；沸石特別是經(jīng)過改性后的沸石吸附能力增強(qiáng)，是很好的吸附劑，同時(shí)研磨過的沸石，粒徑小，比表面積增大，吸附效果更好。由于焚燒飛灰中存在重金屬種類和濃度的差異很大，因此在不違背本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和所附權(quán)利要求范圍的前提下，在具體實(shí)施過程中，可以對本發(fā)明中試劑的復(fù)配比例做出一些改變。
在飛灰與硅酸鹽系列化學(xué)穩(wěn)定化試劑混合過程中，主要發(fā)生了如下一些化學(xué)反應(yīng)首先硅酸鹽系列化學(xué)穩(wěn)定化試劑中的硅酸根離子與飛灰中個(gè)Ca2+發(fā)生反應(yīng)，生成xCaO·SiO2·xH2O(C-S-H)，
然后灰漿中的重金屬離子Pb2+、Cd2+、Cu2+和Zn2+吸附于C-S-H表面，并與Ca2+離子交換生成x(Pb，Cr，Cd，Cu)O·SiO2·xH2O等沉淀而被固定。其中x(Pb，Cr，Cd，Cu)O·SiO2·xH2O代表了Pb，Cd，Cu和Zn的任意一種硅酸鹽沉淀。
其中x(Pb，Cr，Cd，Cu)2+代表Pb2+、Cd2+、Cu2+和Zn2+中的任意一種。
也有一部分Pb，Cd，Cu和Zn離子以氫氧化物或氧化物的形式沉淀于比表面積較高的C-S-H粒子上。
這種方法的特點(diǎn)是硅酸鹽試劑在有水存在的條件下，通過替代和吸附機(jī)制實(shí)現(xiàn)飛灰中重金屬的穩(wěn)定化，而硅酸鹽又是自然界中常見的鹽類，因此在后續(xù)的填埋后，將具有良好的穩(wěn)定性，不會對環(huán)境造成二次污染。同時(shí)，由于硅酸鹽是常見的工業(yè)產(chǎn)品，取材方便，價(jià)格低廉，其成本比起其它穩(wěn)定化試劑低。從處理過程來說，比起其它方法，這種方法操作簡便，易于實(shí)現(xiàn)。
表1硅酸鹽系列化學(xué)穩(wěn)定化試劑

利用硅酸鹽水泥對城市垃圾焚燒飛灰進(jìn)行穩(wěn)定化處理的應(yīng)用實(shí)例。
應(yīng)用實(shí)例1實(shí)驗(yàn)材料是南方某垃圾焚燒場用半干法收集的城市垃圾焚燒飛灰，含水率3％。再對試樣進(jìn)行國標(biāo)翻轉(zhuǎn)法(GB5086.1-1997)重金屬浸出毒性試驗(yàn)。在IRIS IntrepidIIXSP測量儀上檢測各種重金屬的浸出毒性。在得到的結(jié)果見表2。從表2中可以看到重金屬Pb、Zn和Cd的浸出濃度都已經(jīng)超過了危險(xiǎn)廢物填埋場入場控制標(biāo)準(zhǔn)。
表2飛灰樣品浸出毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果(mg.L-1)

本實(shí)驗(yàn)采用的水泥是唐山金扶水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，型號為PO325，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為6875-1999。
表3所示為水泥添加量定為(水泥/飛灰)5wt％，10wt％，15wt％和20wt％，水分添加量為(水泥/飛灰)30wt％時(shí)，飛灰中的Cd，Cu，Pb和Zn等重金屬的浸出毒性結(jié)果。
表3原灰國標(biāo)浸出毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果(mg.L-1)

由圖2可知在國標(biāo)實(shí)驗(yàn)中，隨著水泥添加量的增加，飛灰中的重金屬Cd和Cu浸出濃度都隨之降低，當(dāng)水泥的添加量大于10％時(shí)，Cd和Cu的浸出濃度基本趨近于0，處理效果非常明顯。最好的處理效果(20％水泥添加量)可以使Cd和Cu的浸出濃度比原樣的國標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果降低分別達(dá)到達(dá)到99.9％和82.3％。此外當(dāng)水泥添加量從5％增加到10％時(shí)，飛灰中的重金屬Cd和Cu浸出濃度分別從2.452mg/L，7.181mg/L降低到0.117mg/L，0.168mg/L，幾乎趨近于0，此后再增大水泥的投加量，Cd與Cu的處理效果不在變化。在10％的水泥添加量下面，飛灰中的Pb浸出液濃度可以降到0.356mg/L，與原樣的國標(biāo)實(shí)驗(yàn)浸出濃度降低了97.0％，并遠(yuǎn)低于國標(biāo)的危險(xiǎn)廢物填埋場的入場控制標(biāo)準(zhǔn)(5mg/L)。實(shí)驗(yàn)中是所得到的Zn的國標(biāo)實(shí)驗(yàn)的浸出濃度都已經(jīng)小于國標(biāo)的危險(xiǎn)廢物填埋場的入場控制標(biāo)準(zhǔn)(50mg/L)。
圖3所示為飛灰中重金屬濃度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化情況。由圖3可知各種重金屬的濃度在養(yǎng)護(hù)一天后達(dá)到穩(wěn)定，隨著時(shí)間的延長，各種重金屬的濃度不再變化。
pH值相關(guān)實(shí)驗(yàn)采用硅酸鹽投加量為7％進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用ICP測定浸出液中Cd、Cu，Pb和Zn的濃度(以mg/L計(jì))，換算為每kg廢物的重金屬浸出量(以mg/kg計(jì))。pH相關(guān)實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果列于圖4。從圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出當(dāng)pH值在2.5到12之間時(shí)，焚燒飛灰中重金屬Pb的浸出濃度可達(dá)標(biāo)；pH值大于3時(shí)，焚燒飛灰中重金屬Cd的浸出濃度可達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。
應(yīng)用實(shí)例2利用硅酸鹽系列化學(xué)穩(wěn)定化試劑對城市垃圾焚燒飛灰進(jìn)行穩(wěn)定化處理的應(yīng)用實(shí)例。
實(shí)驗(yàn)材料是南方某垃圾焚燒場用半干法收集的城市垃圾焚燒飛灰，含水率3％。再對試樣進(jìn)行國標(biāo)翻轉(zhuǎn)法(GB5086.1-1997)重金屬浸出毒性試驗(yàn)。在IRISIntrepid IIXSP測量儀上檢測各種重金屬的浸出毒性。在得到的結(jié)果見表3。從表3中可以看到只有重金屬Pb浸出濃度超過了危險(xiǎn)廢物填埋場入場控制標(biāo)準(zhǔn)。單獨(dú)硅酸鈉，水玻璃和硅酸鹽水泥對焚燒飛灰進(jìn)行穩(wěn)定化處理得到的結(jié)果如圖5所示。
圖5中a、b、c代表不同硅酸鹽配比，Pb的穩(wěn)定化效果，可以看出添加8wt％的硅酸鈉可以是焚燒飛灰中個(gè)Pb的浸出濃度小于危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)，而達(dá)到同樣的效果，需要添加水玻璃12wt％，添加硅酸鹽水泥20wt％以上。所以，相對來說硅酸鈉是處理效果最好的硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑。
圖6表示的不同復(fù)配試劑的條件下焚燒飛灰中(a)Pb的穩(wěn)定化效果，(b)Sn的穩(wěn)定化效果。在復(fù)配中主要有三組組合硅酸鈉和硅酸鹽水泥、硅酸鈉和沸石、硅酸鈉和磷酸。三種組合中效果最好的為硅酸鈉和磷酸復(fù)配。將硅酸鈉與沸石和硅酸鈉與硅酸鹽水泥復(fù)配進(jìn)行對比，同樣的加藥量前提下硅酸鈉與硅酸鹽水泥的復(fù)配處理效果要稍好一些。3wt％硅酸鈉+6wt％水泥復(fù)配將Pb的浸出濃度降到4.285mg/L，而3wt％硅酸鈉+6wt％沸石復(fù)配降到5.008mg/L，水泥與硅酸鈉的復(fù)配效果好一些。同樣是加藥總量為9wt％，將硅酸鈉提高到4wt％時(shí)，因?yàn)楣杷徕c的處理效率較高，因此總的處理效果變好一些，但是效果并不十分明顯。總的來說，同樣的加藥量，復(fù)配的效果介于兩種試劑的處理效果之間，可以通過適當(dāng)?shù)拇钆浼瓤梢赃_(dá)到穩(wěn)定化的目標(biāo)，也可以使處理成本最小。
表4給出了一般的硅酸鹽系列化學(xué)穩(wěn)定化試劑處理焚燒飛灰的設(shè)備要求，使用者可以根據(jù)自己所在地的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。
表4硅酸鹽水泥穩(wěn)定化處理的設(shè)備列表(推薦)

權(quán)利要求
1.一種化學(xué)穩(wěn)定化處理城市垃圾焚燒飛灰的方法，其特征在于所述化學(xué)穩(wěn)定化處理城市垃圾焚燒飛灰的方法是利用硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑處理焚燒飛灰；具體步驟為1)先對焚燒飛灰中所含重金屬的濃度和對處理前的飛灰樣品浸出液的pH進(jìn)行測定；2)在常溫下，將占飛灰和硅酸鹽總干重的15wt％～25wt％的水和占飛灰干重的3wt％～10wt％的硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑均勻混合；或在焚燒飛灰中Cd的浸出毒性超過浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)或者焚燒飛灰中其它重金屬的總重量占飛灰干重的3wt％～5wt％時(shí)，加入占飛灰干重的7wt％～10wt％的硅酸鹽系列化學(xué)穩(wěn)定化試劑；3)將飛灰與硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑混合并攪拌至完全均勻成灰漿狀后保持30分鐘，使灰漿中含有的重金屬或金屬與硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑充分發(fā)生離子交換、表面絡(luò)合化學(xué)反應(yīng)，從而固定其中的重金屬；4)再將混合物在常溫、自然通風(fēng)的條件下養(yǎng)護(hù)最少24小時(shí)；5)進(jìn)入填埋場進(jìn)行最終處置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述化學(xué)穩(wěn)定化處理城市垃圾焚燒飛灰的方法，其特征在于當(dāng)飛灰處理后的浸出液pH值高于12時(shí)，加入硅酸作為硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑；當(dāng)焚燒飛灰樣品浸出液的pH值低于12時(shí)，加入任何一種硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑或者一種以上的硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述化學(xué)穩(wěn)定化處理城市垃圾焚燒飛灰的方法，其特征在于所述硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑為可溶性的硅酸鈉、硅酸鉀、水玻璃、硅酸、硅酸鹽水泥和沸石中的一種或一種以上。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于廢物處理技術(shù)領(lǐng)域的一種利用硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑進(jìn)行化學(xué)穩(wěn)定化處理城市垃圾焚燒飛灰的方法。具體步驟包括先對焚燒飛灰中所含重金屬的濃度和對處理前的飛灰樣品浸出液的pH進(jìn)行測定；在常溫下，將貯存槽中的焚燒飛灰、水和硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑在混合裝置中均勻混合；混合均勻成灰漿保持30分鐘，使灰漿中含有的重金屬或金屬與硅酸鹽化學(xué)穩(wěn)定化試劑充分發(fā)生離子交換、表面絡(luò)合等化學(xué)反應(yīng)，從而固定其中的重金屬；再將混合物在常溫、自然通風(fēng)的條件下最少養(yǎng)護(hù)24小時(shí)；在填埋場進(jìn)行最終處置。該方法具有良好的穩(wěn)定性，不會對環(huán)境造成二次污染。取材方便，價(jià)格低廉，操作簡便，易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號B09B3/00GK1810395SQ20061000758
公開日2006年8月2日 申請日期2006年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月17日
發(fā)明者蔣建國, 許鑫 申請人:清華大學(xué)