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1、利用水泥窑处理废弃物论文集 水泥工业处理城市生活垃圾时重金属渗滤性研究 中材国际南京水泥工业设计研究院辛美静蔡玉良杨学权 1 前言 随着人们物质文化生活水平的提高和城市化的发展，城市生活垃圾产生量日益 增加，势必会给环境和人体健康带来严重损害。重金属是指比重大于4 或5 的金属， 约有4 5 种，如铜、铅、锌、镍、铬、钛、锰、镉、汞等，若处理不当会给人体带 来很大的危害。重金属一般以天然浓度广泛存在于自然界中，但由于人类对重金 属的开采、冶炼、加工及商业制造活动日益增多，造成不少重金属以各种化学状 态存留、积累和迁移于环境或生态系统中，从而也不可避免地或多或少进入城市 生活垃圾中，表l 为垃圾
2、灰渣中重金属量，其主要来自印刷电路板和废旧电池，有 的以单质形式存在，有的则以氧化物或其它化合物的形式存在，因此选择有效的 方法对其处理就显得特别重要。 表1 垃圾灰渣中重金属量( m g k g ) 类别 A sC rC uC o C A l I g L12 20 0 9 5 9l10 1 M5 5 5 3 8 O 5 1 1 331 13 5 H9 0 2 0 0 0 1 0 3 0 54 0 03 07 0 注木：其中L 重金属的低限含量，M 重金属的平均含量，H 重金属的最大含量 现代新型干法水泥生产系统由于具有处理温度高、停留时间长、碱性工况、 处理量大、不产生强酸性气体和灰渣等固有
3、的特征，加上水泥产品特有的水化性 能，水泥工业在垃圾处理方面越来越显示出其独有的优越性。目前水泥工业处理 城市生活垃圾的方法主要分为两大类。一类是将垃圾焚烧处理后产生的灰渣直接 加入到水泥产品中，利用水泥特有的水化性能，固化垃圾灰渣；另一类是将城市 生活垃圾按一定的比例投加到水泥回转窑中，和水泥生料一起煅烧，垃圾中的重 金属通过物理封固、吸附、高温矿物合成反应等作用，被固化在水泥熟料的晶体 结构中，垃圾焚烧后的灰渣成为水泥熟料的一部分。 城市生活垃圾经水泥工业处理后，被固化的重金属在水泥产品使用过程中是 利用水泥窑处理废弃物论文集 否会渗滤到环境中去，是一个值得关注的问题。为了消除人们对重金属
4、扩散和渗 透问题的担心，本文在综述国内外已有研究基础上，开展了大量试验论证，现具 体介绍如下： 2 水泥产品直接固化重金属研究现状 有关利用水泥生产过程和水泥产品固化重金属方面的试验研究报道较多，但 由于试验研究的目的和测试方法各不相同，现就其中有参考价值部分摘录分析如 下： 2 1 德国水泥研究所研究结果 ( 1 ) 1 9 8 8 年公布的试验结果 该所以超量加入可溶性盐类的方法做水泥中重金属元素溶解性和浸出率模拟 试验。如用水溶性T i ( N 0 3 ) 3 以2 0 0 0 m g 1 的浓度加入水中，在此溶液内加入C a ( 0 H ) 2 和K O H 带J 成含T i 碱性水溶
5、液，另外再以7 0 9 l 的剂量加入定量的P Z 3 5 F 水泥中，配置 出p H 值1 1 O 1 3 5 的水泥悬浮液，分别做溶解性试验。 浸出试验是用0 2 m m 砂和6 1 1 P Z 3 5 F 水泥制成含1 6 1 7 m g k g 的重金属 砂浆试体，在2 0 。C 和1 0 0 湿度下养护至7 d 矛1 2 8 d ，用流水冲洗方法进行试验。此 方法中的溶解性为2 h 后测试值，浸出率为含1 1 水泥试体2 8 d 后的测试值，其结果 见表2 ： 表2 重金属化合物在p H 值1 2 6 1 3 0 溶液中的溶解性和在硬化砂浆试体中的浸出率 元素 A sP bZ nC
6、d T i C a ( 0 H ) 。K O H 溶液 8 1 0 19 31 1 0 4l 1 0 叫9 0 溶解性 水泥悬浮液 4 1 0 “7 1 0 32 1 0 6 1 1 0 川1 1 0 1 浸出率 未检测未检测未检测2 1 0 41 1 0 4 从表2 中可以看出，P b 、T i 等在p H 为1 3 的碱性溶液中是完全溶解的，在水泥悬 浮液中溶解性呈几百倍的下降，砂浆浸出率就更低了。说明水泥在水化过程中， 能以化学结合、物理吸附和通过形成密实结构封固重金属，这不仅适用于水泥中 有挥发性和挥发性不大的重金属，对二次原料中含量较高的水溶性重金属化合物 也同样适用。 利用水泥窑处
7、理废弃物论文集 ( 2 ) 1 9 9 6 年公布的试验结果 1 9 9 6 年该研究所对P b 、C d 、C r 、H g 、T i 、Z n 用同样方法进行水泥悬浮液中重 金属的溶解性试验，结果P b 、C d Z n 的溶解率都低于0 0 0 1 ，实际上已1 0 0 的 被水泥固化；T i 的溶解率为O 1 ；H g 为5 。只有C r 几乎1 0 0 溶解，但C r 的溶解 性会随水化进程迅速下降，因为形成了含C r 的钙矾石。 ( 3 ) 1 9 9 9 年公布的试验结果 利用加大剂量做硬化混凝土浸出试验，即用微量元素的可溶性盐，以1 0 0 m g l 的量加到水中配置混凝土，
8、经2 8 d 养护后测水泥石胶孔溶液中的微量元素含量，溶 解在胶孔溶液中的含量分别约为H g ：0 1 5 ，C d ：0 0 0 2 ，C r ：0 2 3 ，P b ：0 0 3 3 ，Z n ：0 0 0 9 。由此可以看出，9 9 以上的微量元素都被固封在水泥石中。 ( 4 ) 2 0 0 0 年公布的试验结果 2 0 0 0 年德国W e i m a r 研究所作了浸出试验，用自然混凝土试体和加配微量元素 的试体浸泡2 0 0 d ；澳t J 微量元素浸出总量，结果见表3 ： 表3 浸泡2 0 0 d 的微量元素浸出量( 唱) 饮用水含碳酸水 试体 C rT i H g C rT i
9、 H g 自然试体 O 1 30 O l0 0 0 1O 1 5O 0 l0 0 0 1 加量试体 0 1 4O 0 30 0 0 20 4 4O 5 00 0 0 5 从表3 中可以看出，即使加大配入量的试体，浸出的微量元素也很少。 该研究所还将试验结果引用到饮用水管上，从理论上计算出达到饮用水标准 极限含量时，水在管道内的停留时间。直径1 0 0 m m 的管道，水的停留时间：C r 约 为7 个月，H g 约为1 年，T i 约为1 0 年以上；2 0 0 m m 的水管最易浸出的C r 也需2 年以上。 而一般饮用水在管道内只停留几天，所以这说明从重金属溶出的角度看，在最敏 感的饮用水
10、应用领域，混凝土也是毫无疑问的可以放心使用。 2 2 台湾的K L L i n ，K S W a n g 等人的研究结果 K L L i n 和K S W a n g 等人利用水泥粘结性材料来固化城市生活垃圾焚烧灰和 底渣，通过试验验证了经水泥固化后城市生活垃圾焚烧底渣中的重金属渗滤量远 远低于环保规定的最低排放量，进而证明了用水泥来处理城市生活垃圾底渣是完 1 3 5 利用水泥窑处理废弃物论文集 全可行的。 试验分两部分进行，首先按T C L P 方法对没经过固化处理的城市生活垃圾焚烧 灰渣进行浸渍试验，分析其渗滤量。然后将用水泥粘结性材料按一定比例对灰渣 进行固化，养护结束后按同样的T C
11、 L P 方法对其进行浸渍试验，分析比较固化前后 的渗滤量。 所用的试验材料包括水泥、标准砂、城市生活垃圾焚烧飞灰和底渣。各种材 料的成份分析见表4 ： 表4 水泥、标准砂、城市生活垃圾焚烧飞灰和底渣的化学成份分析 成份 S i 0 2C a oA 1 2 0 3F e 2 0 3N a 2 0如M g OS 仉 水泥 2 1 26 3 75 33 1( 0 0 1 O O l0 9 5 O 0 1 生活垃圾焚烧飞灰 3 5 81 4 79 8 4 9 5 95 3 0 82 2 生活垃圾焚烧底渣 3 8 92 7 22 3 25 31 1 2 0 0 1 2 90 2 按照T C L P 方
12、法对城市生活垃圾焚烧飞灰和底渣中的重金属进行浸渍试验，实 验结果见表5 ： 表5 城市生活垃圾焚烧飞灰和底渣的渗滤量( r a g f ) 重金属 生活垃圾焚烧飞灰 生活垃圾焚烧底渣允许的最高限量 C d1 8 0 0 3 低于检测极限 1 0 C r4 3 O 1 30 2 7 O 0 15 0 P b 0 7 0 0 2 0 3 6 0 0 25 0 C u0 6 0 0 l3 2 1 O 0 5 Z n 1 6 2 0 3 0 9 1 0 O 3 3 按照O ，1 0 ，2 0 和4 0 的比例向水泥中添加焚烧灰渣。按水泥和砂子的 比例为1 ：2 7 5 ，水和固体的质量比为0 3 8
13、：l ，对城市生活垃圾焚烧灰渣进行稳定 固化试验，养护2 8 天后，按T C L P 方法进行渗滤试验。经过T C L P 试验后，渗滤的重 金属量见表6 ： 表6 城市生活垃圾焚烧灰渣经水泥固化后重金属的渗滤量 重金属的浓度( m g 1 ： 水泥替代率( ) P bC rC dC uZ n 00 3 4O 0 3 低于检测极限 0 0 40 1 2 1 00 3 l0 3 3 低于检测极限 0 0 5O 。1 3 2 00 3 50 0 3 低于检测极限 0 0 5O 1 5 4 00 3 6O 0 4 低于检测极限 0 0 50 1 4 允许的最高限量 5 05 01 O 1 3 6 利
14、用水泥窑处理废弃物论文集 从表6 中可以看出经固化后各重金属的渗滤量都低于环保要求，证明水泥固化 重金属是安全有效的。 3 利用水泥窑高温煅烧固化重金属的模拟对比试验研究 3 1 法国I S e r cIe r a t ，P M o s z k o w iC Z 等人的研究结果 首先比较了在水泥回转窑和高温电炉煅烧生料所形成的熟料的渗透性，结果 发现二者没有差别。因为通常法国水泥行业利用的替代燃料主要是废旧轮胎、石 油残渣等，而轮胎中含有大量的P b ，石油残渣中的Z n 含量很高，C r 易生成可溶性 的化合物，着重对这三种元素的渗滤性进行研究。主要方法是向生料中添加P b 、 Z n 、和
15、C r - - 种重金属，添加量为普通水泥生料中这三种重金属最高含量的1 0 倍， 然后将其放到高温电炉中和水泥生料混合煅烧。 煅烧结束后向其中添加一定量的石膏( C a S 0 4 ) 混合均匀磨成粉末状，再按照 水泥：砂子：水= l ：3 ：0 5 的质量比，向水泥熟料中添加砂子和水，然后放到柱 状模具中形成试块，并在2 0 。C 、9 8 的湿度下养护2 8 天。最后将养护完毕的水泥 试块放到聚乙烯瓶中，加入渗滤液进行浸渍试验。渗滤液的加入量按下列比例确 定：渗滤液体积水泥试块表面积= 5 c m ( 例如如果渗滤液的体积为6 6 0 d m 3 ，液固 质量比= 4 3 3 。) ，共
16、浸渍1 0 0 天，在第l 、2 、3 、7 、1 4 、2 1 、2 8 、4 2 、7 0 、1 0 0 天时 取出部分液体进行重金属含量的分析。各重金属的可检测极限为C r ：4 l - tg l ，P b “ 1 0ug l ，Z n 3Ug l 。 试验中用了三个试样B 、M 、H ，它们的重金属含量见表7 ： 表7试样中重金属含量 m g k gC r t o t a l P bZ nC r 6 + B1 8 01 5 02 3 01 0 0 M 1 0 0 56 8 0 1 0 9 06 l O H1 8 1 01 8 0 51 9 2 01 1 2 0 下面对三种重金属的渗滤情况进行详细介绍： ( 1 ) Z n
