基于稻壳灰的地质聚合反应对水洗城市生活垃圾焚烧飞灰稳固化的研究

作     者：王开 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴新;杨爱勇

授予年度：2020年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：城市生活垃圾焚烧飞灰 稻壳灰 二次铝灰 地质聚合反应 重金属 

摘      要：城市生活垃圾焚烧飞灰因其高碱性、高盐分及高重金属含量被纳入《国家危险废物名录》。二次铝灰因含有大量的危险物质,亦被纳入《国家危险废物名录》。稻壳灰为稻壳煅烧后产生的灰分,含有丰富的Si O。基于以上三点,本文提出了基于稻壳灰-二次铝灰的地质聚合反应稳固化水洗预处理后的城市生活垃圾焚烧飞灰,为实现“以废治废的资源循环利用提供了新的思路。本论文主要研究了垃圾飞灰水洗预处理的工艺参数对垃圾飞灰脱溶效率的影响规律,探究了硅铝摩尔比对垃圾飞灰重金属稳定化及地聚物固化体固化效果的影响,利用XRD、SEM等方法分析地质聚合反应处置垃圾飞灰的稳固化机理。研究了垃圾飞灰原样、水洗飞灰样品及固化体在不同pH值下的重金属毒性浸出行为。本文得到的结论如下:水洗预处理对垃圾飞灰中可溶性盐分的脱除有着良好的效果,垃圾飞灰的脱溶效率随着液固比、浸取时间及搅拌转速的增加而增加。综合考虑了实验成本、能耗等因素,确定后续水洗预处理的工艺参数为液固比为5:1,浸取时间为15 min,搅拌转速为1000 r/min。水洗预处理后的浸取液中的重金属浓度可以忽略不计。根据XRF分析,垃圾飞灰原样经过水洗预处理后,垃圾飞灰中的Cl、Na及K元素质量分数均大幅降低,这些元素以可溶性盐Na Cl及KCl形式溶解在水洗后的浸取液中。在小型固定床层燃反应器上煅烧稻壳1 h,通过低温碱溶实验激活稻壳灰中晶体态的Si O的火山灰活性,确定碱溶实验最佳的工艺参数为50%的碱添加量与2 h的碱溶时间。使用碱溶后稻壳灰浆体与煅烧后的二次铝灰作为地聚物基质与垃圾飞灰进行地质聚合反应,制备稻壳灰-二次铝灰基固化体。地聚物基质中硅铝摩尔比对固化体中重金属毒性浸出及固化体的抗压强度具有重要的影响,当硅铝摩尔比3.0时,固化体的重金属浸出浓度及抗压强度的变化均趋于平缓。XRD和SEM分析结果显示,稻壳灰-二次铝灰基固化体中生成大量地聚物晶相,例如Lawsonite(Ca Al SiO(OH)·HO)与Vertumnite(CaAl SiO(OH)·3HO)。固化体表面形貌相较于水洗飞灰样品更加致密,孔隙较少。经过水洗预处理的垃圾飞灰在地质聚合反应稳固化后的固化体w-R-S SB表现出更低的重金属浸出及更优的力学性能,在硅铝摩尔比为3.0时,其抗压强度达到25.44MPa,是相同硅铝摩尔比下r-R-S SB的1.467倍。随着pH值的增加,在垃圾飞灰原样、水洗飞灰样品及固化体w-R-S SB的浸出液中,控制重金属浸出的主要离子态一般由自由离子态、氯离子结合态及硫酸根离子结合态向氢氧根离子结合态转变。当浸出液由酸性向碱性转变时,部分重金属会因为碳酸化的作用,其碳酸根离子结合态会在pH值为8-10的区间内成为浸出液中的主要形态。当浸出液呈强碱性时,氢氧根离子结合态会主导该重金属在浸出液中的浸出行为。运用Visual MINTEQ软件模拟垃圾飞灰原样、水洗飞灰样品及养护28 d后的固化体在醋酸溶液缓冲法后重金属的浸出过程。垃圾飞灰原样的浸出液中因为高碱性,一般由氢氧根离子结合态主导重金属的浸出行为。对于水洗飞灰样品,因为其浸出液的pH值在8-10的区间内,所以浸出液中以碳酸根离子结合态及氢氧根离子结合态为主。需要注意的是重金属Cd,在低Cl浓度的情况下,重金属Cd仍然以较高浓度的氯离子结合态影响Cd的浸出行为。在固化体w-R-S SB的浸出液中,除了Cr以外的重金属的浸出行为基本上由自由离子态与氯离子结合态主导。