固體廢物的固化/穩定化研究現狀

萬 斯,陳 偉,吳兆清,應莉莉,歐陽坤,王 兵

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

固體廢物的固化/穩定化研究現狀

萬 斯,陳 偉,吳兆清,應莉莉,歐陽坤,王 兵

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

闡述了固體廢物的定義、特點、分類,指出固體廢物對環境造成的危害,總結出國內外水泥固化、化學藥劑穩定化、熔融固化、塑性材料固化、石灰固化和自膠結固化處理固體廢棄物的固化/穩定化技術的研究現狀,對目前各種固化/穩定化技術存在的問題及今后研究工作提出建議。

固體廢物;固化;穩定化

隨著社會的發展,人類日益追求更加舒適的生活環境。據統計,目前國內每年產生各類固體廢物總量54億t左右,但實際處理的固體廢物只占很少比例,數以億噸計的固體廢物未得到妥善處理處置。2006年,中國工業固體廢物綜合利用量、處置量和貯存量分別為9.26億t、4.29億t和2.24億t,工業固體廢物處理率和利用率分別為27.2%、58.6%。另一方面,工業固體廢物每年的貯存率為14.2%,但貯存量在2億t以上,工業固體廢物存量壓力仍然巨大,同時給環境也造成了極大的安全隱患。特別是在城市建設中,固體廢棄物的堆積存放問題也日益嚴重,尤其是含有有毒重金屬的固體廢棄物的堆積問題,不僅占用了土地面積,也極大的給人類的身體健康帶來了巨大危害,并影響到工農業的發展。

固體廢棄物是指在社會的生產、加工、流通、消費以及生活等一系列活動中產生的一般不具有使用價值而被丟棄的以固態和泥狀賦存的物質。固體廢物實際只是針對原所有者而言。對于原所有者一些固體廢物不再具有使用價值,但其中可能含有其它生產行業中需要的成分,經過一定的技術環節,可以轉變為有關部門行業中的生產原料,甚至可以直接使用。因此,固體廢物的概念隨時空的變遷而具有相對性。

固體廢物一般都采用填埋或堆放的處理處置方式,其危害潛伏期可能幾十年甚至幾百年才被發現,因此它對環境的污染通常表現為隱性,但同時又是長期、持續的。關于固體廢物的處理,除了其中一部分可回收利用外,其余大部分都需進行固化/穩定化處理,以推動固體廢物資源化、無害化、減量化處理,提高生活環境質量,促進經濟和社會發展。因此,研究高效、經濟的重金屬廢物固化/穩定化技術對于保護人類健康和維持生態平衡具有重要意義。

1 固體廢物的分類與危害

1.1 固體廢物的分類

固體廢物的種類很多,通常將固體廢物按其性質、形態、來源劃分其種類。按其性質可分為有機物和無機物;按其形態可分為固體的(塊狀、粒狀、粉狀)和泥狀的;按其來源可分為礦業的、工業的、城市生活的、農業的和放射性的。此外,固體廢物還可分為有毒和無毒的兩大類。有毒有害固體廢物是指具有毒性、易燃性、腐蝕性、反應性、放射性和傳染性的固體、半固體廢物。

1.2 固體廢物的危害

據統計,目前我國每年產生各類固體廢物總量達54億t,但實際處理的固體廢物只占很少比例,數以億噸計的固體廢物沒有得到妥善處置。固體廢棄物在一定的條件下會發生物理的、化學的或生物的轉化,對周圍環境造成一定的影響。如果采取的處理方法不當,有害固體廢物就會通過土壤、水、空氣以及食物鏈途徑危害環境與人體健康,人畜糞便和有機垃圾是各種病原微生物的孳生地和繁殖場,會形成病原體型污染。

1.2.1 侵占土地

固體廢物不加利用時,需占地堆放。堆積量越大,占地也越多。據估算,每堆積1萬t廢物,占地約需666.7 m2。

1.2.2 污染土壤

固體廢物堆放或沒有適當的防滲措施的垃圾填埋,其中的有害組分很容易經過風化、雨雪淋溶、地表徑流的侵蝕,產生高溫和有毒物質滲入土壤,能殺害土壤中的微生物,破壞微生物與周圍環境構成的生態系統,導致草木不生。

1.2.3 污染水體

固體廢物經風吹雨沖進入地面水,有的廢渣直接傾入江河湖海,對水體的危害就更大。廢物堆的滲瀝還會污染地下水。

1.2.4 污染大氣

固體廢物一般以細粒狀存在的廢渣和垃圾,在大風吹動下會隨風飄逸,擴散到很遠的地方;運輸過程中產生的有害氣體和粉塵;一些有機固體廢物在適宜的溫度和濕度下被微生物分解,能釋放出有害氣體;固體廢物本身或在處理時散發的毒氣和臭味等。

1.2.5 傳播疾病

不少固體廢物和垃圾含有毒有害物質以及病原體,除通過水、氣的媒介傳播外,還通過生物來傳播。

2 固體廢物固化/穩定化技術

固化/穩定化技術就是利用膠凝性材料將有害固體廢物包封在固化體中,不使有害物質浸出的穩定化、無害化的一種技術。上世紀80年代以后,穩定化/固化技術得到迅猛的友展。到目前為止,己經得到開發和應用的穩定化/固化技術主要包括以下幾種類型:水泥固化、化學藥劑穩定化、熔融固化、塑性材料固化、石灰固化和自膠結固化。

2.1 水泥固化

水泥固化是基于水泥的水合和水硬膠凝作用而對廢物進行固化處理的一種方法,它將廢物和普通水泥混合,形成具有一定強度的固化體,從而達到降低廢物中危險成分浸出的目的。固化/穩定化技術是處理含重金屬廢物的重要方法之一,以水泥為基質的固化/穩定化技術已廣泛應用于有毒廢棄物的處理[1]。寧豐收等[2]采用水泥固化的方法對鉻渣進行處理,Cr6+的浸出質量濃度在國家標準以下,固化體用于填埋是長期安全的。袁玲等[3]研究了焚燒飛灰中重金屬物質的浸出問題,考察了水泥對焚燒飛灰中重金屬物質固化的效果。研究表明,用水泥穩定固化焚燒飛灰中重金屬物質的效果良好,重金屬物質通過物理固封、替代或吸附等形式可固化進水泥水化產物結構中。Charles M.Wilk[4]等采用水泥做粘合劑,固化后的廢棄物可用于建筑公路路基的材料。淋濾液毒性試驗研究表明,處理后廢棄物淋濾出的鉛含量很少,可達標。水泥固化法對含高毒重金屬廢物的處理特別有效,固化工藝和設備比較簡單,設備和運行費用低,水泥原料和添加劑便宜易得,對含水量較高的廢物可以直接固化,固化產品經過瀝青涂覆能有效地降低污染的浸出,固化體的強度、耐熱性、耐久性均好,有的產品可作路基或建筑物基礎材料。水泥固化的缺點是:水泥固化體的浸出率較高、固化體增容大等。

2.2 化學藥劑穩定化

化學藥劑穩定化技術是利用化學藥劑通過化學反應使有害廢物轉變為低溶解性、低遷移性及低毒性物質的過程。張妍[5]等利用磷灰石對焚燒飛灰的重金屬穩定化效果進行研究,處理后焚燒飛灰的重金屬浸出毒性(部分樣品除鎘外)均達到了危險廢物填埋入場控制限值。穩定化產物都具有較好的穩定化效果,減少了穩定化產物在環境條件下的二次污染的風險。汪莉[6]等利用單質硫能有效地固定渣中的重金屬,隨著硫加入量的增加,固化體浸出液中的鎘和鋅濃度降低,固定效果增強。固化體冷卻方式對重金屬固定效果及固化體的表面形貌影響不大,粗細廢渣顆粒的混合有利于鎘的固定。Hoye[7]等人在研究中認為,沸石在用于處理污染土壤以吸附金屬方面大有應用前景。另外,腐殖酸和灰黃霉酸能和重金屬形成絡合物,一些低分子量的有機酸也能和重金屬形成絡合物。化學藥劑穩定化其增容比遠遠低于常規的穩定化/固化方法。化學藥劑穩定化技術以處理重金屬廢物為主,到目前為止己發展了許多重金屬穩定化技術,包括:pH值控制技術、氧化/還原電勢控制技術、沉淀技術、吸附技術、離子交換技術、其他技術。近年來國際上提出采用高效的化學穩定化藥劑進行無害化處理的概念,并已成為重金屬廢物無害化處理領域的研究熱點。

2.3 熔融固化

熔融固化技術主要是將有害廢物和細小的玻璃質混合,經混合造粒成型后,在高溫下熔融一段時間,待有害廢物的物理和化學狀態改變后,降溫使其固化,形成玻璃固化體,借助玻璃體的致密結晶結構,確保重金屬的穩定。在國內外,對于熔融固化處理技術都做過大量的研究。潘新潮[8]等利用熱等離子體發生器裝置對垃圾焚燒飛灰進行熔融固化處理,熔融固化技術使熔渣中重金屬的浸出濃度得到非常有效的限制,遠遠低于國家的規定值,也低于飛灰水泥固化體的浸出濃度。相比于原始飛灰,熔融得到的熔渣具有非常致密的微觀結構。Y oung J P[9]等在垃圾焚燒飛灰中添加SiO2不僅有利于降低熔融處理的難度,而且可以有效抑制灰渣中重金屬的浸出和有利于飛灰的熔融渣玻璃體的形成,增加玻璃體的機械性能和穩定性能。Katsunori[10]等采用高溫熔融工藝處理垃圾焚燒飛灰,超過99.9%的二惡英在高溫熔融過程中被分解;熔融后的玻璃態物質經檢測,重金屬完全符合日本的標準。周萘[11]等用溶解速率法、試樣堅固法和蒸汽水化侵蝕法全面地測試高放射性核廢料玻璃固化體的化學穩定性能,它們具有優良的化學穩定性。陳德珍[12]等利用幾種常用玻璃熔制助熔劑、煙氣凈化產物中的成分對飛灰的熔融溫度和熔融減量的影響,以實現城市生活垃圾焚燒爐飛灰低溫玻璃固化低溫玻璃態物質,對重金屬鉛和鎘具有較好的固化效果。熔融固化的最大優點是可以得到高質量的建筑材料。缺點在于熔融固化需要將大量物料加溫到熔點以上,無論是采用電力或是其他燃料,需要的能源和費用都是相當高的。

2.4 塑性材料固化

塑性材料固化法屬于有機性固化/穩定化處理技術,由使用材料的性能不同可以把該技術劃分為熱固性塑料包容和熱塑性包容兩種方法。熱固性塑料是指在加熱時會從液體變成固體并硬化的材料。該法的主要優點是大部分引人較低密度的物質,所需要的添加劑數量也較小。熱固性塑料包容由于需要對所有有害廢物顆粒進行包封,在適當選擇包容物質的條件下,可以達到十分理想的包容效果。此方法的缺點是操作過程復雜,熱固性材料自身價格高昂;由于操作中有機物的揮發,容易引起燃燒起火,所以通常不能在現場大規模應用。

熱塑性材料是指在加熱和冷卻時能反復軟化和硬化的有機塑料,常用的有瀝青、石蠟和聚乙烯等。嚴建華[13]等利用瀝青對城市生活垃圾焚燒飛灰進行固化,研究不同比例混合瀝青與飛灰對飛灰重金屬Pb、Cr、Cd、Ni、Cu、Zn固化的效果。瀝青與飛灰的混合物中再加適當的添加劑,可以較高程度提高飛灰的固化效果。熱塑性包容可以使用間歇式工藝,也可以使用連續操作的設備。除污染物的浸出率低得多外,由于需要的包容材料少,又在高溫下蒸發了大量的水分,它的增容率也就較低。該法的缺點是在高溫下進行操作會帶來很多不方便之處,而且較為耗費能量;操作時會產生大量的揮發性物質,其中有些是有害的物質。另外,有時在有害廢物中含有影響穩定劑的熱塑性物質或者某些溶劑,影響最終的穩定效果。

2.5 石灰固化

石灰固化是指以石灰、垃圾焚燒飛灰、水泥窯灰以及熔礦爐爐渣等物質為固化基材而進行的危險廢物固化/穩定化的操作。在適當的催化環境下進行反應,將污泥中的重金屬成分吸附于所產生的膠體結晶中。但因反應不似水泥水合作用,石灰系固化處理所能提供的結構強度不如水泥固化,因而較少單獨使用。

張復實[14]等利用合成的側鏈高分子化合物配位穩定火化飛灰中的重金屬,并配合石灰固化飛灰與土壤的混合物,實現飛灰的無害直接填埋。利用有毒物質檢測程序檢測得到的重金屬浸出量符合廢物填埋控制標準。飛灰粘土固化件無側限抗壓強度良好,水穩定性好,長期抗滲透能力高。石灰固化的優點是固化工藝設備簡單,操作方便。缺點是由于添加石灰和其他添加劑,會使廢物固化后的體積增加,固化物容易受到酸性溶液的浸蝕。若添加劑本身就是待處理的廢物,如煤粉灰、水泥窯灰等,則此法有以廢治廢的優點。

2.6 自膠結固化

自膠結固化是利用廢物自身的膠結特性來達到固化目的的方法,將含有大量硫酸鈣和亞硫酸鈣的廢物在控制的溫度下鍛燒,然后與特制的添加劑和填料混合成為稀漿,經過凝結硬化過程即可形成自膠結固化體。袁偉[15]等研究磷石膏-礦渣-石灰-水泥膠結料體系的性能和凝結硬化機理,磷石膏粒徑越小,配制的膠結料抗壓強度越高,磷石膏經石灰預先中和處理后,可顯著改善膠結料性能。寧夏建筑材料研究所研制成功的磷石膏廢渣處理技術,對磷石膏采用獨特的“閃燒”工藝路線,將其處理成符合國家標準的石膏粉,制成性能良好的各種石膏產品如:粉刷石膏、石膏砌塊、白色型石膏、石膏白水泥等。采用獨特工藝,并運用新型設備,生產出的產品穩定性好,耐水性良好。自膠結固化法的主要優點是工藝簡單,不需要加入大量添加劑,固化體具有抗滲透性高、抗微生物降解和污染物浸出率低的特點。缺點在于此種方法只限于含有大量硫酸鈣的廢物,應用面較為狹窄。此外還要求熟練的操作和比較復雜的設備,鍛燒泥渣也需要消耗一定的熱量。

3 結 語

固體廢物作為有潛在價值的資源,通過其固化/穩定化處理方式,不但能有效控制污染,而且可減少有限資源的浪費。盡管當前技術有望實現固體廢物的無害化處理,但仍有許多不完善之處,如固體廢物經固化處理后體積和質量會增大,固化產品存在酸性溶液浸出風險等。今后這方面工作應當加強。

此外,固體廢物治理是綜合性的工程。為促進固體廢物處理產業化,應注重汲取及結合多種技術優點,揚長避短,協同解決固體廢物處理問題。同時,可借鑒國外先進的或新的技術,改進或改革現有技術,以完成對固體廢棄物的無害化、資源化、減量化處理。

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Study of Solidification-Stabilization Technology of Solid Waste Treatment

WAN Si,CHEN Wei,WU Zhao-qing,YINGLi-li,OU YANGKun,WANGBing
(Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

In this article,it explained the definition,characteristics,classification of solid waste,and pointed out the harm which has an impact on environment.It summed up the status quo of solidification-stabilization technology at home and abroad,such as cement-based solidification,chemical reagent stabilization,fusion solidification,plastic material solidification,glass solidification,lime solidification and self bonding board solidification which can dispose the solid waste.It indicated the problem of solidification-stabilization technology and put forward a proposal of solid waste treatment in the future.

solid waste;solidification;stabilization

X705

A

1003-5540(2011)01-0048-04

萬 斯(1985-),男,助理工程師,主要從事環境工程工作。

2010-11-10