孙家瑛    王志新    乔　燕

(1.上海市市政工程研究院,上海200031;2.上海大学环境工程学院,上海200072)

摘　要:　利用矿渣微粉为主要原材料配制了一种固化剂来固结生活垃圾中的重金属,并根据固体废弃物的毒性溶出程序检验了Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｎｉ、Ｃｒ在固化剂中的固结效果。结果表明:采用矿渣基固化剂固结生活垃圾的强度可达30ＭＰａ以上,长期强度无倒缩现象。同时固化剂对上述重金属有很好的固结效果。利用红外光谱(ＩＲ)、Ｘ射线衍射(ＸＲＤ)和多级提取等测试手段对其固结机理进行分析,固化剂固结重金属的机理为物理固封和化学键连结的共同作用。

关键词:　矿渣微粉;　固化剂;　重金属;　固结

中图分类号:　Ｘ705文献标志码:　Ａ文章编号:1671 4431(2007)03 0071 04

城市生活垃圾的产量以每年8%—10%的速度增长,处理生活垃圾的压力也随之增加。目前,生活垃圾处理技术主要有填埋、焚烧、堆肥、资源化回收利用等。几十年来垃圾处理的实践表明,还没有一种处理技术可以高效而无污染地处理垃圾,每一种处理技术均有其不容忽视的弊端,如填埋产生沼气和渗滤液、孳生蚊蝇,焚烧产生二恶英(Ｄｉｏｘｉｎ)和呋喃等有害物质,堆肥产品中玻璃等杂质影响堆肥质量,肥效不高。并且这些方法尚不能从根本上消除生活垃圾中重金属对环境造成的危害,因此寻求更安全有效的方法是解决这一问题的关键。

固化剂是利用矿渣微粉和其它工业废渣在固化剂作用下生成的一类无机铝硅酸盐固结材料。它的结构呈非晶态或隐晶质,与硅酸盐水泥水化产物相比,固化剂具有早强、耐酸碱、耐高温和耐久性好等优点。以矿渣微粉为主要原材料配制固化剂对生活垃圾中重金属进行固结,并采用重金属溶出实验、利用红外光谱(ＩＲ)、Ｘ射线衍射(ＸＲＤ)和多级提取等手段对其固结重金属的效果及固结机理进行了初步探讨。

1　实　验

1.1　原材料

钢渣:采用宝钢冶金建设公司生产的磨细钢渣,比表面积500ｍ2/ｋｇ,化学成分见表1。

矿渣:采用宝田新型建材有限公司生产的磨细矿渣,比表面积为460ｍ2/ｋｇ,化学成分见表1。

固化剂:自配。

生活垃圾:陈腐生活垃圾(陈腐3年以上),成分见表2。

1.2　方法

生活垃圾固结体成型及力学性能测试按ＧＢ/Ｔ17671—199《水泥砂浆强度检验方法》进行。固结体中重金属浸出毒性按国家标准ＧＢ5086.2—1997《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》进行,重金属最大可浸出量参考美国ＥＰＡＳＷ—846(ＴＣＬＰ)毒性浸出实验方法进行。同时对样品作了多级提取、红外光谱(ＩＲ)和Ｘ射线衍射(ＸＲＤ)等分析测试。

2　结果与讨论

2.1　生活垃圾固结体强度

生活垃圾固结体强度是采用固化剂固结一定量生活垃圾成型试件,在(20±3)℃条件下养护7ｄ、28ｄ时测定其强度,表3为固化剂不同用量对生活垃圾固结体强度的影响。

由表3可以看出,随固化剂掺量增加,生活垃圾固结体的强度相应提高。当固化剂用量达30%时,生活垃圾固结体强度7ｄ达24.7ＭＰａ,28ｄ强度达38.4ＭＰａ。同时还可以看出,生活垃圾固结体早期强度随固化剂用量增加而提高,但处理成本增加。

由以上的试验数据可知生活垃圾固结体具有较高的抗压强度,为了了解该固结体长期强度发展情况,对其长龄期的强度进行测定,如图1所示。

由图1可以看出,生活垃圾固结体不仅具有较高的早期强度,而且后期强度发展潜力大,无强度倒缩现象,养护120ｄ时,其强度值可达49ＭＰａ左右。

2.2　生活垃圾固结体浸出毒性研究

由以上的实验结果可以发现生活垃圾固结体具有较高的物理力学性能,为了进一步了解生活垃圾固结体使用的安全性,对其进行了浸出毒性试验研究。

表4的实验结果表明固结体采用国标的水平振荡法测试出的重金属离子可浸出量均小于国家固体废物排放标准和国家废水排放标准的排放要求,采用美国ＥＰＡ的(ＴＣＬＰ)的旋转振荡法测试出的重金属离子最大浸出量也均小于固体废物排放标准和国家废水排放标准的排放要求。同时可以看到未经固结前的陈腐生活垃圾的重金属浸出毒性,远远超过国家固体废物排放标准和国家废水排放标准的排放要求。采用固化剂的固结方法将陈腐生活垃圾中的重金属离子稳定在固结体中,其稳定陈腐生活垃圾中的重金属离子的效果Ｐｂ达98.33%、Ｚｎ达99.78%、Ｃｄ达97.06%、Ｃｒ达99.72%、Ｃｕ达98.89%、Ｎｉ达100%。

2.3　生活垃圾固结体重金属稳定机理分析

采用多级提取过程实验方法可以分析固结体中重金属的存在状态,从而可以确定其固结重金属的长期稳定性。表5是多级提取的实验结果。

由表5中可以看出陈腐垃圾固结体中的重金属离子ＰｂＺｎ、Ｃｄ、Ｃｒ的分布形态,Ｐｂ的酸溶态占11.69%,这部分属于重金属碳酸盐和氢氧化物,在酸性条件下易浸出,在这一形态中的百分含量不到12%不会超过国家排放标准;非晶型态占16.85%,这部分属于重金属硫酸盐、重金属单质和氧化物铬酸盐等,这种形态下重金属离子是较难浸出的;晶型态占50.43%这部分属于重金属硫酸盐、重金属单质氧化物铬酸盐等,较难被还原,重金属离子很难浸出;残渣态占15.5%,属于硅酸盐、铝 硅酸盐、重金属单质和氧化物,重金属离子在这种形态时不可能浸出。85%以上的Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃｒ离子都是以有机结合态和非晶型态、晶型态、残渣态形态存在于固结体中,说明固结剂引发的化学反应,连同重金属离子一起反应生成了重金属硫酸盐、重金属单质和氧化物铬酸盐、硅酸盐、铝 硅酸盐、重金属单质和氧化物等稳定的矿物相,在自然条件下,重金属离子基本上不可能浸出。因此陈腐生活垃圾固结体可以安全地在工程中使用。

2.4　生活垃圾固结体Ｘ射线衍射(ＸＲＤ)和红外光谱(ＩＲ)分析

纯固化剂的固结体和生活垃圾固结体的ＸＲＤ谱图见图2,ＩＲ谱图见图3。从图2结果可以看出含有不同重金属离子的生活垃圾固结体的ＸＲＤ谱图与纯固化剂固结体的ＸＲＤ谱图非常相似,即二者的ＸＲＤ谱线在20°—40°时都呈现弥散的馒头峰,这表明固结体的结构主要为无定形态,同时生活垃圾固结体在这一段还能观察到一些ＳｉＯ2衍射峰,说明生活垃圾中粘土有部分硅质物质,起到细集料作用,与固化剂一起胶结成固结剂。因此,根据固化反应中除无定型Ｃ Ｓ Ｈ胶外没有新的晶体生成可以初步判断,重金属可能已经以某种形式键合到Ｃ Ｓ Ｈ凝胶的聚合体中。

从生活垃圾固结体和纯固化剂的固结体红外光谱图可以发现:1)固结体ＩＲ谱线上最强特征峰对应波数在1010ｃｍ-1附近,它对应的是Ｓｉ—Ｏ—Ｓｉ或Ａｌ—Ｏ—Ｓｉ的不对称伸缩振动峰。重金属的引入会对这一红外振动峰产生不同程度的影响。这表明重金属已键合到Ｃ Ｓ Ｈ凝胶无机聚合物骨架结构之中。2)波数在700ｃｍ-1附近的红外振动峰代表了Ａｌ—Ｏ—Ａｌ四面体的振动。重金属的加入也明显影响这一红外振动模式,这表明重金属取代了部分聚合链上的部分基团从而导致了[ＡｌＯ4]基团周围发生了变化。3)波数在455ｃｍ-1附近表示了Ｓｉ—Ｏ键平面内的弯曲振动,重金属引入对这一振峰影响较小。

3　结　论

ａ.本固化剂可使生活垃圾固结体28ｄ强度达38ＭＰａ以上,并且长期强度无倒缩现象。

ｂ.采用固化剂的固结方法将陈腐生活垃圾中的重金属离子稳定在固结体中,其稳定陈腐生活垃圾中的重金属离子的效果Ｐｂ达98.33%、Ｚｎ达99.87%、Ｃｄ达97.06%、Ｃｒ99.72%、Ｃｕ98.89%、Ｎｉ达100%。

ｃ.通过多级提取的实验方法,可以认为生活垃圾中的重金属以稳定的形态存在于固结体中。

ｄ.利用ＸＲＤ、ＩＲ对其结构进行分析发现,固结体对重金属的固化机理为物理固封和化学键结合的协同作用。

参考文献

[1]　姚　英,唐家富.实现废弃物减量化、资源化的意义及对策[Ｊ].论坛,2003,(2):25 29.

[2]　唐家富,马鸿发.城市生活垃圾资源化利用探讨[Ｊ].再生资源研究,2004,(4):31 33.

[3]　ＶａｎＪａａｒｓｖｅｌｄＪＧＳ,ＶａｎＤｅｖｅｎｔｅｒＪＳＪ.ＴｈｅＥｆｆｅｃｔｏｆＭｅｔａｌＣｏｎｔａｎｎｎｍｉｎａｎｔｓｏｎｔｈｅＦｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＷａｓｔｅ ｂａｓｅｄＧｅｏｐｏｌｙｍｅｒｓ[Ｊ].ＣｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｃｒｅｔｅＲｅｓｅａｒｃｈ,1999,29:1189 1200.

[4]　ＶａｎＪａａｒｓｖｅｌｄＪＧＳ,ＶａｎＤｅｖｅｎｅｒＪＳＪ.ＴｈｅＰｏｔｅｎｔｉａｌＵｓｅＧｅｏｐｏｌｙｍｅｒｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓｔｏＩｍｍｏｂｉｌｉｚｅＴｏｘｉｃＭｅｔａｌｓＰａｒｔⅡＭａｔｅｒｉａｌａｎｄＬｅａｃｈｉｎｇＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ[Ｊ].ＭｉｎｅｒａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ,1999,10(7):695 669.