垃圾焚燒飛灰與廢玻璃制備陶粒研究

劉晗，黃世斌，王湘玲，謝健嫻，王靜

（1.東莞理工學(xué)院 城市學(xué)院，廣東東莞 523419；2.南昌大學(xué) 資源環(huán)境與化工學(xué)院，江西南昌 330031）

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人民生活水平普遍提高，城市垃圾的產(chǎn)生量也在迅速增長。截至2019年，我國214個大、中城市生活垃圾產(chǎn)生量為18 850.5萬噸。在不影響環(huán)境的前提下實現(xiàn)城市生活垃圾無害化、減量化和資源化處理已經(jīng)成為一個不容小覷的問題。隨著人們生活質(zhì)量的提高，垃圾中有機(jī)物的含量也逐年增加，垃圾熱值明顯提高。因此，焚燒成為目前廣泛應(yīng)用的垃圾處理方法之一。調(diào)查研究顯示，垃圾焚燒后產(chǎn)生的固體殘渣約占垃圾重量的30%～35%。固體殘渣由底渣與飛灰組成，比例約為（5～6）∶1。因垃圾焚燒飛灰中富含高毒性的重金屬及一定濃度二噁英，會對環(huán)境造成嚴(yán)重危害，因此被列為危險廢棄物[2]。

垃圾焚燒飛灰組成元素以Si、Ca、Al為主，所含溶解鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，尤其是以Ca、Na、K為主的氯化物，多的高達(dá)37.3%[3]。高濃度的氯化物使飛灰在處置時存在污染水體，增加重金屬等污染物溶浸的風(fēng)險，如Pb和Zn，而且無機(jī)氯鹽還會對飛灰的固化/穩(wěn)定化效果及資源化利用過程帶來困難，因此飛灰中氯鹽的危害及重金屬的溶出問題不容忽視[4-5]。

本研究以垃圾焚燒飛灰、廢玻璃、高嶺土、花生殼為主要原料混合燒制陶粒，使飛灰陶粒的重金屬浸出率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家限制，為垃圾焚燒飛灰資源化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料及預(yù)處理

垃圾焚燒飛灰（原灰）取至深圳某垃圾焚燒廠，顏色呈灰白色，所含重金屬質(zhì)量濃度、原灰毒性浸出實驗（TCLP）溶出情況如表1所示。原灰經(jīng)兩段水洗，然后過濾、烘干，制得水洗飛灰，廢玻璃、高嶺土與花生殼經(jīng)烘干、粉碎機(jī)粉碎，上述原材料均過200目篩備用。

1.2 實驗儀器

TCLP-08II型平板式翻轉(zhuǎn)振蕩器，常州杰博森儀器有限公司；KSL-1200X-Ⅱ型箱式爐，合肥科晶；JE1103C分析天平，梅特勒-托利多；AA-6300C原子吸收分光光度計，日本島津；DHG-9240A型鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科技；SHB-IV循環(huán)水多用真空泵，鄭州長城科工。

1.3 實驗方法

水洗預(yù)處理：將垃圾焚燒飛灰與去離子水按1∶2、1∶5、1∶8、1∶ 10（g∶mL）的固液比進(jìn)行攪拌水洗，攪拌轉(zhuǎn)速為300 r/min，攪拌時間為5 min，靜置30 min后取上清液并過濾，測定其所含重金屬及氯離子濃度。造粒：將二次水洗飛灰、廢玻璃粉、高嶺土、花生殼粉按照1∶7∶1∶1的質(zhì)量比方案進(jìn)行混合，按照固液比4∶1加入蒸餾水進(jìn)行攪拌并手工造粒，捏成10～15 mm的生料球陶粒。燒制陶粒：將生料球放入烘箱內(nèi)干燥24 h，溫度為105 ℃；然后放到箱式爐進(jìn)行焙燒，預(yù)熱溫度為500 ℃，時間為30 min；再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)，溫度分別為900 ℃、1 100 ℃、1 200 ℃，時間為 30 min。

毒性浸出實驗：將所制備的陶粒放入萃取液中（冰醋酸溶液，pH為2.88±0.05），固液比為1∶20，置于翻轉(zhuǎn)振蕩器以30 r/min的轉(zhuǎn)速振蕩（18±2）h。萃取完成后，使用0.45 μm玻璃濾紙進(jìn)行過濾，將液體酸化使其pH＜2后以火焰原子吸收光譜儀測定其重金屬含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 水洗預(yù)處理對飛灰中可溶性氯鹽的去除效果

垃圾焚燒飛灰中含有大量的可溶性氯鹽，不利于垃圾焚燒飛灰的再利用。水洗作為一種有效的預(yù)處理方式，可明顯改善飛灰再生材料的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及應(yīng)用范圍。圖1表明，在不同固液比條件下，上清液中氯離子濃度與固液比成正比。

圖1 固液比與氯離子濃度

為進(jìn)一步探究垃圾焚燒飛灰中可溶性氯鹽的溶出情況，研究選取固液比為1∶5的條件進(jìn)行多次水洗，測定上清液中氯離子濃度。如圖2所示，經(jīng)過二次水洗，上清液中氯離子的濃度快速下降，經(jīng)第三次水洗后，上清液中氯離子的濃度下降幅度有所放緩；繼續(xù)增加水洗次數(shù)，上清液中氯離子的濃度趨于穩(wěn)定。

圖2 水洗次數(shù)與氯離子濃度

表1 原灰中重金屬質(zhì)量濃度

2.2 水洗預(yù)處理對飛灰中可溶性重金屬鹽的去除效果

原灰經(jīng)烘干、二段水洗（固液比為1∶5）后測量水洗液所含重金屬濃度。如圖3所示，與原灰相比，經(jīng)二段水洗，Zn大量溶出。Pb依舊存在于飛灰中，僅有少量溶出；因飛灰水洗去除可溶性鹽，質(zhì)量有所減少，而Cu、Cr、Cd金屬鹽溶解度較小而未被水萃出，故水洗后重金屬濃度不減反增。

圖3 原灰與二段水洗灰重金屬濃度

2.3 陶粒的燒制及對重金屬的穩(wěn)定效果分析

如圖4所示，4#陶粒燒結(jié)溫度為900 ℃，膨脹系數(shù)??；1#、2#陶粒燒結(jié)溫度為1 100 ℃，膨脹系數(shù)大，表面粗糙多孔；燒結(jié)溫度繼續(xù)升高到1 200 ℃制得3#陶粒，表面出現(xiàn)釉質(zhì)層。

圖4 不同燒結(jié)溫度下的陶粒實物圖

2.4 陶粒對垃圾焚燒飛灰中重金屬的穩(wěn)定效果分析

對1#、2#陶粒進(jìn)行毒性浸出實驗和溶出實驗，結(jié)果如表2所示，經(jīng)過燒結(jié)作用，飛灰中的重金屬被有效地固化在了陶粒內(nèi)部，且無法從陶粒中再次溶出，起到穩(wěn)定固化之作用。

表2 陶粒與原灰TCLP重金屬溶出濃度 單位：mg/L

3 結(jié)論

（1）垃圾焚燒飛灰采取固液比1∶5經(jīng)過二段水洗，能有效去除可溶性氯鹽。經(jīng)二段水洗后，Zn大量溶出，Cu、Cr、Cd仍存在于飛灰中，Pb僅有少量溶出。

（2）當(dāng)垃圾焚燒飛灰∶廢玻璃∶高嶺土∶花生殼質(zhì)量比為1∶7∶1∶1，在預(yù)熱溫度為500 ℃，預(yù)熱時間30 min，焙燒溫度為1 100 ℃，焙燒時間為30 min的工藝條件下所制備的陶粒表面粗糙且多孔。

（3）垃圾焚燒飛灰制備陶粒可有效穩(wěn)定飛灰中所含重金屬，重金屬溶出滿足《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)-浸出毒性鑒別》（GB5085.3-2007）限值。