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2018/5/11 14:16:55来源:点击数:2961次
随着中国城市化进程的推进,城市生活垃圾也在日益增长。如何有效的处理城市生活垃圾,这个课题摆在了我们面前。
在“粗放”经济的年代,生活垃圾填埋是一个途径。殊不知,垃圾填埋,造成了许多污染。污染大气,污染水源。并且由于填埋处置方式不对,还容易造成垃圾填埋场地发生爆开。
自党的十八大以来,国家一直贯彻“青山、绿水、蓝天才是真实的金山、银山”。垃圾填埋已经逐步退出历史的舞台。
垃圾焚烧成为处理城市生活垃圾处理的有效途径。其一,可以有效的解决垃圾存放带来的污染;其二,可以资源再次利用,发电、供暖。
当前国民对生活垃圾还没有做到有效分类处理。由此,生活垃圾焚烧后,烟气中带来了二恶英及重金属。相应的又带来了“二次污染”。
1、城市生活垃圾焚烧飞灰污染特性
飞灰一般被归为危险废物类,较少有资源利用,多数是经过稳定化、无害化处理达到相关要求后,运往常规填埋场或危险填埋场填埋。
飞灰的危害性主要表现在以下两个方面:
1.1重金属毒性
重金属的危害在于它不能被微生物降解且在生物体内富集(生物积累效应)或形成其它毒性更大化合物,环境中的重金属将经过地质和生化双重循环迁移转化,终经过大气、饮水、食物等污染渠道为人体所摄取而造成危害。另外,重金属污染治理往往很复杂,耗时、耗力难以得到较好的效果。
重金属进入人体有食道、呼吸道、外表三种途径。进入人体的重金属不再以离子的形式存在,而是与其体内农业生产体系成份结合成金属络合物或金属螯合物,从而对人体产生危害,人机体内的蛋白质、核酸能与重金属反应,维生素、激素等微量活性物质和磷酸、糖也能与重金属反应。由于产生化学反应,使上述物质丧失或改变了原来的生理化学功能而产生病变。另外重金属还可能通过与酶的非活性部位结合而改变活性部位的构象,或与辅助酶作用的重金属发生置换反应,致使酶的活性减弱甚至丧失,从而出现毒性。
城市生活垃圾焚烧后,由于垃圾均含有微量的重金属元素,这些重金属元素在垃圾焚烧过程中会发生迁移和转化,大部分矿物和有毒元素浓缩于焚烧灰渣中,使得城市生活垃圾焚烧灰渣(包括炉渣和飞灰)中有毒元素的含量比一般土壤中大100倍。尤其是飞灰中重金属含量特别高。
在城市生活垃圾焚烧处理时,由于入炉垃圾成分复杂,几乎无所不有,垃圾中所含的重金属如:Hg、Pb、Cd、Cu、Zn、Ni等会发生不同程度的挥发和迁移现象,从固相向气相中迁移,使烟气及飞灰中的重金属含量增加。对于不同种类的重金属,其迁移程度是不同的。城市生活垃圾中的72%的Zn、24%的Cr、30%的Ni、36%的Cu86%的Pb转移到飞灰中。
1.2二噁英类好性农业生产体系污染物毒性
二噁英是一种剧毒物质,也是一种致癌物质,有可能是一种环境激素,影响生殖和免疫功能,致癌、致突变、致畸是其重要的毒作用。它易溶于脂肪,所以容易在生物体内积累,它在自然系统中通过食物链的蓄积达到相当的含量,对人体和生物产生毒害。
常温下各种二噁英是固体,熔点很高,无较性,难溶于水,但易溶于脂肪。二噁英化学稳定性强,不仅能在强酸中和强碱中保持稳定,而且在氧化还原作用下很稳定,自然环境中的水解、光解和微生物降解作用对二噁英的影响很小。但在800℃后容易分解,在紫外线照射下也容易分解,然而由于大气中二噁英主要吸附在气溶胶颗粒上,较难吸收到紫外线。所以,二噁英一经产生,便能在环境中长时间存在。
飞灰的比表面积很大,对二噁英有很强的吸附作用,导致飞灰中二噁英浓度很高。飞灰成为生活垃圾焚烧排放二噁英和重金属等二次污染的主要载体,因此包括我国在内的许多国家对环境规定为危险物,必须进行特殊处理。
2、城市生活垃圾焚烧飞灰的无害化处理技术
随着宝贵土地资源的减少,填埋场地的愈加难以选择,对垃圾焚烧飞灰进行适当处理,然后按危险物填埋处理,其成本变得越来越高,同时,也不能达到减容化和资源利用化的目的。
目前较常用的城市垃圾焚烧飞灰处理方法有:水、酸或其它溶剂浸取;固化法,包括水泥固化法、拧硬性废物固化法和热塑性材料固化法 ;化学试剂稳定法;热处理—熔融烧结法等;以及这些处理方法的组合工艺。
2.1固化/稳定化处理技术
固化/稳定技术是应用广泛的飞灰处理技术,它利用一些添加剂或粘结剂,对飞灰中危险组分进行处理和化学方法的固化处理。
2.1.1水泥固化技术
水泥固化是以水泥作为固化剂,把飞灰按照一定比例混合,加入适量的水,利用水泥的宁硬性特性将飞灰中的重金属固定下来,减少重金属的渗滤。借助水泥形成高硬度固化产物的低渗透性。将重金属包封住,减少浸出;利用水泥较强的碱性将重金属转化为难以溶解或低溶解性氧化物,水泥与飞灰结合时产生的水化物中的钙、铝等离子进行交换,从而将重金属固定在矿物结构中。
水泥固化也存在不足之处:(a)水泥固化体浸出率比较高,主要是由于它的孔隙率较高的缘故;(b)水泥固化体增容比较高;(c)有时候需要预处理和投加添剂,使得处理费用增高;(d)水泥固化在填埋场
经过比较长久时间后,对重金属的固化效果很可能恶化。
2.1.2 沥青固化技术
沥青固化技术是以沥青作为固化剂与有害废物在一定温度、配料比、碱度和搅拌作用下产生皂化反应,使有害物质包容在沥青中,形成固化体。
用沥青固化处理城市生活垃圾焚烧飞灰时,在沥青与飞灰的混合比例下,加入一定比例的S和NaOH,使重金属浸出更少。
2.1.3塑料固化技术
塑料固化是以塑料为固化剂与有害废物按照一定配料比,并加入适量的催化剂和填料进行搅拌混合,使其在聚合固化而将有害废物包封形成一定强度和稳定性的固化体。
2.1.4化学药剂固化技术
化学药剂稳定化是利用化学药剂通过化学反应使有毒有害物质变为低溶解性、低迁移率及低毒性的过程。用药剂稳定化技术处理危险废物,可以实现废物无害化的同时,达到废物少增容或不增容,进而提高危险废物处理处置系统的总体效率和经济性。同时,可以通过改进螯合剂的结构和性能使其与废物中危险物成份之间的化学螯合作用得到强化,进而提高稳定化产物的长期稳定性,减少终处置过程中稳定化产物对环境的影响。
2.1.5其它固化技术
石灰固化是以石灰为固化剂,以粉煤灰、水泥窑灰为填料,来固化有害废弃物的一种技术。石灰固化的有点是使用的填料来源丰富、价格低廉,容易获得,操作简单,不需要特殊设备,处理费用低,可在常温下操作。其缺点是石灰固化的增容比大,固化体容易受酸性介质侵蚀。另外,还有其它固化技术,如自胶结固化技术、水玻璃固化技术等。
2.2热处理技术
在许多国家,热处理技术被广泛的用到处理飞灰中,热处理飞灰不仅使飞灰的体积大幅度降低,显著地降低飞灰中的重金属的浸出率,而且经过热处理的产品能进行回收利用。可分为三类:烧结、熔融和玻璃化,通常把熔融和玻璃化为一类,称为熔融固化或者玻璃固化。
2.2.1烧结
烧结技术是对飞灰进行加热到一定程度,是飞灰中的颗粒发生粘结耦合并且使飞灰中的化学物相发生重组,从而使处理后得到高温的机械强度和其它一些工程特性显著提高,并且飞灰烧结处理后形成一种像陶瓷一样的固体,并把重金属固定或封闭在内部,使其浸出能力大为降低。烧结处理与水泥固化等技术相比较,所得产品体积小,产品的机械强度较高而且重金属的浸出率低等特性,得到的烧结产品可作为结构材料进行资源化利用,如作为混凝土代替骨料,路基堤坝等的辅料。
然而,飞灰烧结需要跟一些技术相结合,如飞灰的水洗,会使水溶液集中了大量的可溶性盐和重金属物质,因此需要对水洗溶液进行无害化处理,这样就增加了烧结处理的复杂性和处理成本。
2.2.2熔融技术
熔融技术是目前国内外一项比较先进的垃圾焚烧飞灰无害化资源化处理技术,相对于水泥固化和化学处理而言,熔融处理无害化程度完全、产品的稳定高、运行费用适中,减量显著,并且可以实现资源利用化,因此城市生活垃圾焚烧飞灰熔融成为近年来固体废物处理领域新的研究点。
在高温1200~1400℃对飞灰进行熔融处理,飞灰中的农业生产体系物发生热分解、燃烧及气化,而无机物中的SiO2 在熔融处理后形成Si-O网状结构,把飞灰中重金属包封固化在网状结构中,形成具有刚性的非晶态的玻璃物质。经熔融处理后,飞灰中的二噁英等农业生产体系物受热分解得到完全的消解破坏,飞灰中所含较低沸点的重金属盐类转移到气体中并以氯盐的形式捕集下来,其余的金属转移到玻璃渣中,大大降低了重金属的熔融飞灰浸出率。玻璃态熔渣使飞灰中重金属形成不易浸出的形态,通过毒性浸出特性实验结果发现,Zn、Cr、Pb、Cd、Cu等重金属浸出率非常低,说明重金属取代硅酸盐矿物中部分Ca2+、Al3+而包封在硅酸盐的网状晶格中而非常稳定固溶于玻璃相中。而且飞灰经熔融处理后,密度大为增加,飞灰减容率大2/3以上,得到熔渣可以作为路基材料、混凝土骨料、沥青骨料,达到资源利用的目的。
3、玻璃电熔融技术处理飞灰的基本原理
室温下,玻璃是电绝缘体,电导率约为(10~15)10-13Ω-1.cm-1,熔融状态下玻璃的电导率约为0.1~1.0Ω-1.cm-1,在高温下成了导体。熔融玻璃含有金属钠离子、钾离子,具有导电性,当电流通过时会产生焦耳热,若热量足够大,则可以用来熔化玻璃,这就是所谓的“玻璃电熔”。
将飞灰与其它化工原料按照一定配比混合,调节飞灰中的硅、钙、铝及成核金属成份的含量,使其满足玻璃化学反应的组成要求,采用玻璃电熔技术即可使飞灰在高温下形成玻璃液,通过各种成型设备制成玻璃制品。在玻璃电熔过程中,飞灰中的重金属形成了新的矿物相而被固定在玻璃相中,农业生产体系物在高温下(1300℃以上)被完全分解,同时实现了飞灰中重金属的稳定化和农业生产体系物的无害化。
玻璃电熔过程的主要化学反应包括:
(1)硅酸盐反应和金属元素(以M表示)参与成核反应:XCaO+yAl2O3+zSiO2→CaxAlySix+3y+2z
XCaO+yAl2O3+zSiO2+wM→CaxMwAl2ySizOx+3y+2z
(2)碳酸盐、硫酸盐的分解反应
CaCO3→CaO+CO2
BaCO3→BaO+ CO2
CaSO4→CaO+SO3
(3)钠盐的熔融反应
Na2CO3(S)→Na2CO3(L)
NaCl(S)→NaCl(L)
金属参与成核反应时飞灰中重金属被稳定化处理的关键反应,钠盐的熔融反应时降低熔点的关键。
4、玻璃电熔法处理飞灰的主要优点
与常规处置飞灰的方法(药剂稳定法、煅烧法)相比,玻璃电熔法处理飞灰具有以下突出优点:
(1)飞灰中重金属在电熔处理过程中,形成新的晶相而被完全稳定化,其浸出浓度远远低于国家危险废物鉴别的标准较限。
(2)电熔处理后产生的玻璃液经过成型设备可以生产出的微晶玻璃、玻璃纤维、离心玻璃棉;其水淬后的玻璃可以用于泡沫玻璃生产的原料,经过发泡、退火等工艺处理,可以生产高性能的绝热保温材料,满足建筑材料市场的需求。真实实现飞灰的资源化。
(3)飞灰中的农业生产体系污染物,包括二噁英,被完全分解,飞灰真实实现无害化。
(4)整个处理过程没有废水、废渣产生,由于采用全电熔工艺,整个过程的烟气产生量较小,经过布袋除尘器等尾气净化处理后达标排放。
通过焚烧飞灰熔渣SEM图和飞灰SEM图相比较,可以看到熔渣的外表光滑,平整而且密实,形成完全的玻璃相,使得重金属的溶出性能大幅度降低,确保产品的环境安全。
在玻璃熔渣中,形成了无数难以识别的非晶相物质,以玻璃体的形式存在。
通过垃圾焚烧飞灰及飞灰熔渣的浸出毒性比较,飞灰中的Pb、Cd的浸出浓度超标,属于危险废物。熔渣中各种重金属的浸出浓度远远低于鉴别标准。
因此,经过熔渣处理后的飞灰时安全的。
5、利用飞灰熔体制造玻璃制品的工艺技术总结
根据不同玻璃制品的性能要求,需要不同的配方及工艺设计,以及准确的技术检验,以确保解毒处理的可靠。
对飞灰的研究,经过实验室、中试、生产化规模的全过程,获得严谨详实的数据,通过严格的测控,现在将其进行产业化的应用。
(1)本系统具有高度广谱适应性,解决了其它处理方法难以回避的废弃物分选难题,从而使处理成本及工艺难度大幅度下降。实验室
对飞灰经过分析,制定相应的配合比例,及可将飞灰中所有农业生产体系物及无机物混合一起进入反应器,在一个体系中进行综合处理。
该项技术真实实现了有毒废物处理的去毒化、无害化。电炉中的玻璃液(1400~1600℃)及炉膛空间(1100~1300℃)的高温环境避免了低温焚烧垃圾产生二噁英毒气,同时提供了生物质高温热裂分解所需要的温度条件,同时将有毒重金属熔于玻璃体中,清理毒性,并作为成核剂增进了微晶玻璃的性能。
(2)该技术完全颠覆了飞灰处理需要支付高额成本的概念,将废弃物真实变成了有价值的资源,实现了废弃物的真实资源利用化。可根据现实条件及情况需要设计不同规模,不同用途的成套设备,从而实现装备的集成化、标准化。
(3)本技术的设备成熟、处理结果可靠。
6、玻璃电熔技术处理城市生活垃圾焚烧飞灰制造玻璃制品的方案特点:
(1)技术成熟:技术成熟、可靠性强。
(2)技术能力强:本项目设计、调试人员均为长期从事相关的技术工作人员,曾多次主持或参与相似的项目工作,经验丰富、调试、操作水平高。
(3)运行成本低、产品质量好
(4)窑炉使用寿命长
综上所述,在玻璃制品中绝大部分的重金属浓度低于仪器的检出限,所有被检出的污染物,其浓度也远远低于危险废物的标准限值。同时,玻璃制品(玻璃纤维、离心玻璃棉、微晶玻璃、泡沫玻璃)具有广阔的市场前景。因此,玻璃制品在环境中的应用是安全的,经济效益是显著的。