利用垃圾焚烧飞灰固化污染底泥的实验研究

(1. 天津城市建设学院，天津 300384 ； 2. 天津科技大学，天津 300457 ； 3. 天津渤海环保工程有限公司，天津 300384；4. 扬州泰达环保有限公司，江苏 扬州 225000)
摘要：为探讨利用垃圾焚烧飞灰代替水泥进行污染底泥固化的可行性， 研究了不同配比的底泥、
水泥、 垃圾焚烧飞灰的固化体抗压强度及浸出毒性． 结果表明： 固化剂中用 20%的垃圾焚烧飞灰替 其抗压强度可达 0.24.MPa， 重金属浸出浓度低于毒性标准， 固化 代 10%的水泥配置的固化体 7.d， 体可进入固废填埋场填埋处置．
30 试体标准养护至预定龄期后测试其无侧限抗压强度， 测试仪器为 CBR-1 型承载比实验仪； 将破碎后的试 块浸入无水乙醇-丙酮的混合液中洗涤， 结束其水化 反应， 然后在 70～80,℃的烘箱中放置 4,h， 烘干后破 碎到相应粒度， 采用固体废物浸出毒性浸出方法—— 硫酸硝酸法(HJ/T299—2007)[7]进行重金属的毒性浸 出浓度测定， 测试仪器设备包括 FZ-6 型翻转式振荡 装置、 AA 800 型原子吸收光谱仪等． 实验结果为 3 个 平行试模的平均值， 实验方案如表 3 所示．
％
K2O 2.02 0.20 3.58 SO3 1.51 2.52 7.78 LOI 16.1 3.20 7.86
表 1 底泥、垃圾焚烧飞灰、水泥的主要化学成分
SiO2 39.02 18.86 24.61 CaO 16.2 58.48 29.52 Na2O 1.25 0.27 5.72 Al2O3 11.04 5.02 7.28 Fe2O3 4.51 5.14 4.30 MgO 2.18 3.87 3.18
天津城市建设学院学报 第 16 卷 第 1 期 2010 年 3 月
Journal of Tianjin Institute of Urban Construction Vol.16 No.1 Mar. 2010
环境与市政
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利用垃圾焚烧飞灰固化污染底泥的实验研究
刘汉桥 1, 3，刘彦博 2, 4，张曙光 3，郝永俊 4
［1］ 王 馨， 张家梅. 天津市排污河道底泥的处置途径分析
[J]． 城市道桥与防洪， 2004， 4： 81-84． ［2］ 吴光红， 朱兆洲， 刘二保 . 天津城市排污河道沉积物 中重金属含量及分布特征[J]． 环境科学， 2008， 29(2)： 413-419． ［3］ 邵玉芳， 何 ［4］ 周 超， 楼庆庆 . 西湖疏浚淤泥的固化试验 [J]． 江苏大学学报， 2007， 28(5)： 441-445．
表 2 底泥、垃圾焚烧飞灰的重金属含量
项 目 底泥 垃圾焚烧飞灰 Cu 524 375 Pb 376 1326 Zn 2 511 3 841 Cd 6 36 Cr 656 212 Ni 98.3 63.0 Hg 4.2 4.6
mg/kg
As 41.5 9.7
基金项目：建设部科技计划项目(2009-K7-25)；国家自然科学基金青年科学基金资助项目(20806051)；中国博士后科学基金资助项目 (20080440680)；天津市科技创新专项资金项目(08FDZDSF03400) 作者简介：刘汉桥（1973—） ，男，湖北鄂州人，天津城市建设学院副教授，博士.
关 键 词：垃圾焚烧飞灰；底泥；水泥；重金属 文章编号：1006-6853(2010)9-04 中图分类号：X705 文献标识码：A
河道清淤治理会产生大量的疏浚底泥， 以天津大 沽排污河为例， 清出需处置的底泥量高达 230 万 m3， Hg， Cd， Zn， 其中受到严重污染的底泥约 70 万 m3[1]． Pb 的相对富集系数在部分污染严重的底泥中分别达 到 59.3， 25.4， 14.5 和 7.5[2]． 为避免二次污染， 污染严 重的底泥需固化处理后再填埋处置． 污泥固化材料 最初仅局限于水泥， 后来研究者开始尝试以具有胶凝 特性的工业废料， 如研磨矿渣、 粉煤灰等部分替代水 泥进行底泥固化， 实现以废治废， 以缓解治理成本、 土 [3-5] 地资源、 生态环境等方面的压力 ． 呋喃等有 垃圾焚烧飞灰中含有重金属、 二 英、 害物质， 被列入危险废物名录， 国内一般直接填埋或 用水泥固化后填埋处置． 焚烧飞灰的主要化学组成 为 CaO， SiO2， Al2O3， 且具有一定的胶凝活性[6]． 如果
项 目 底泥 水泥 垃圾焚烧飞灰
将垃圾焚烧飞灰作为固化材料部分替代水泥， 可以减 少水泥的用量， 使填埋场的容积得以充分利用， 实现 以废治废， 有明显的经济效益和环境效益． 本实验对 用垃圾焚烧飞灰代替全部或部分水泥进行固化的可 行性进行研究．
1 实验部分
1.1 原料及固化剂 实验用底泥取自大沽河底具代表性的断面上层 浮泥， 底泥的含水率为 44.2%． 水泥采用天津水泥厂 生产的骆驼牌 425 普通硅酸盐水泥， 垃圾焚烧飞灰为 天津某垃圾焚烧厂的布袋飞灰， 其化学成分如表 1 所示．
底泥、 垃圾焚烧飞灰的重金属含量分析结果如表 2 所示． 1.2 实验方法 将底泥直接按照比例与水泥、 飞灰混合， 均匀并 搅拌 3,min 之后注入 7.07,cm×7.07,cm×7.07,cm 的试
收稿日期：2009-10-30；修订日期：2009-11-26
模中， 经振实后在室温下养生 24,h， 成型后脱模， 并将
的 同 期强度． 这 主要 是由 于底泥固化体抗压强度 不 仅取决于水化产物的数量， 还在很大程度上取决于底 [9] 泥的初始含水率 ． 如果初始含水率高， 多余的水分 作为孔隙分布在固化淤泥中间， 容易导致水化产物在 单位体积中的数量减少， 难以形成彼此黏结紧密的整 体结构． S3 固化体中不仅底泥含量(75%)低于 S1 和 S2， 而且加入了 20%的垃圾焚烧飞灰， 使得 S3 固化体 中含水率相对较低． 由于飞灰的物理吸水， 可能使得 S3 固化体有适宜的水分量， 因此， 其 7,d 的抗压强度 较高． 但垃圾焚烧飞灰的水化反应活性较低， 它的掺 入在一定 程 度上 延 缓 了 水化 过程 ． 因此 ， S3 固化体 14,， 28,d 的抗压强度低于 S1. 对于 S4 固化体而言， 由于垃圾焚烧飞灰掺量高 达 30%， 底泥的含量仅为 65%， 引起固化反应需水量 相对不足， 使得水化产物由于数量的不足而不能有效 地填充孔隙和支撑骨架， 最终导致 S4 的抗压强度较 低． 由此 可 知 ， 垃圾焚烧飞灰 掺 量大 时 ， 会显 著降低 固化体抗压强度． S5 固化体直接用底泥与垃圾焚烧 飞灰掺配而成， 由于没有掺加水泥， 无法提供碱度来 激活垃圾焚烧飞灰的潜在凝硬性， 因此， 其固化体抗 压强度一直 非常低 ． S6 是 水泥与垃圾焚烧飞灰按 1∶4 配比制成的固化体， 从图中可以看出， 其抗压强 度相对较高， 7,d 的抗压强度高达 2.18,MPa， 28,d 的抗 压强度达到 5.14,MPa， 表明垃圾焚烧飞灰与水泥配置 的固化剂胶凝活性较强． 2.2 重金属浸出毒性 底泥经过固化后， 重金属离子大部分被包容或转 化， 但是 废物在经 过稳 定化 / 固化处理以后 是否真正 达到了标准， 尤其是替代水泥固化剂的垃圾焚烧飞灰 富含 Zn， Pb， Cr， Cd 及 Cu 等有害重金属， 需要对其进 行有效测试， 以检验经过固化后的废物是否会再次污 染环境． 由于底泥中 Hg， As 的浸出浓度非常低， 笔者 着重考察固化体中 Cu， Zn， Pb， Cd， Cr， Ni 共 6 种重金 属 的 浸 出 浓 度 ．根 据 危 险 废 物 鉴 别 标 准 (GB 5085.3—2007) 鉴 别浸出 毒 性 [10] ， 其浸出 毒 性 鉴 别标
天津城市建设学院学报 刘汉桥等：利用垃圾焚烧飞灰固化污染底泥的实验研究 准值如表 4 所示．
表 4 危险废物浸出毒性鉴别值
重金属 浸出液中重金属浓度限值 Cu 100 Pb 5 Zn 100 Cd 1 Cr 15 mg/L Ni 5
31
按 硫 酸 硝 酸 法 固体废物 毒 性浸出方 法 对养生 28,d 后的底泥固化体进行测试， 测试结果如图 2 所 示． 从图中可以看出， S1 固化体中浸出的浓度较低， 这是因为其水泥掺量相对较高(15%)， 水泥对重金属 物理包容、 替 换、 化学吸附及结晶等效果较好， 水泥中 的 Ca(OH)2 和 C─S—H 等水化物提供的碱性较高， 酸中和 能 力 较 大， 有利于将重金属 稳 定在固化体 网 格中． 垃圾焚烧飞灰中的重金属含量比底泥高 (见 表 2)， 而且通常以可交换态和碳酸盐态的形式存在． 随 着 垃圾焚烧飞灰在固化体中的 掺加 量 增加 ， S2 ， S3 ， S4 三种固化体中 Zn， Pb 的浸出浓度依次呈上升趋 势． 在三种固化体中 Zn， Pb， Cu 重金属浸出浓度最高 值分别为 15.075， 0.543， 1.592,mg/L． 重金属的浸出浓 度也均远低于毒性鉴别标准值， 底泥经固化后的固化 体可作为一般固体废弃物填埋处理．
表 3 实验方案
编号 S1 S2 S3 S4 S5 S6※ 河道底泥 85 85 75 65 80 0 水泥 15 5 5 5 0 20 垃圾焚烧飞灰 0 10 20 30 20 80
天津城市建设学院学报 2010 年 第 16 卷 第 1 期
图 1 不同固化体在不同龄期下的无侧限抗压强度
%
注※： 水固比为 0.4.
3 结 论
(1) 垃圾焚烧飞灰具有一定的胶凝活性， 适当掺 入垃圾焚烧飞灰可使固化体有一个适宜的水分量， 从 而改善底泥固化体抗压性能． (2)固化剂中用 20%的垃圾焚烧飞灰替代 10%的 水泥配置的固化体， 7,d 抗压强度可达 0.24,MPa， 满 足填埋场力学要求， 其重金属浸出浓度均远低于毒性 鉴别标准值， 固化体可进入固废填埋场填埋处置． 参考文献：
2 实验结果及分析
污泥固化填埋处理要考虑两方面的问题： ①固化 后底泥的性质 (主要 是 抗压强度 ) 能否满足 填埋过程 的要求； ②固化填埋后对环境可能产生的影响． 无侧压抗压强度 抗压强度 是 水泥的一 个 重要 评价指 标， 国内对危 险废物固化体的抗压强度没有明确的标准， 国外一般 以养生 7,d 的抗压强度作为 指 标， 要 求 水泥固化体 7,d 的抗压强度 不低 于 0.2,MPa ( 即 需要 能够 承载 10,m 高的密度为 2,000,kg/m3 的固化产物)[8]． 不同 固化体在 不同 龄期下的无侧限抗压强度如 图 1 所 示 ．其 中 S1 固 化 体 7,d 的 抗 压 强 度 为 0.219,MPa， 达到 0.2,MPa 的限值， 其表明若单独采用 水泥作为固化剂， 水泥掺量占 15%时才能满足底泥固 化的力学要求． S2 中固化剂水泥、 垃圾焚烧飞灰分别 占 5%和 10%， 其不同龄期的抗压强度明显低于 S1 固 化体． 主要原因为， 水泥固化底泥主要靠水泥水化生 成的水化产物的胶结和填充作用来 提 高固化淤泥的 强度， 虽然 S2 中焚烧飞灰的加入能形成适量的钙钒 石(AFt)， 但其总体胶凝活性较弱， 使得 S2 中水化产 物相对较少， 影响其抗压强度， 尤其是其 7,d 的抗压 强度仅为 0.089,MPa． 尽管固化体中水泥掺量均为 5%， 但 S3 固化体各 龄期的抗压强度明显高于 S2， 其 7,d 的抗压强度达到 0.24,MPa， 不仅满足填埋要求(0.2,MPa)， 而且高于 S1 2.1