固体废物的固化/稳定化研究现状

万 斯,陈 伟,吴兆清,应莉莉,欧阳坤,王 兵

(湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

固体废物的固化/稳定化研究现状

万 斯,陈 伟,吴兆清,应莉莉,欧阳坤,王 兵

(湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

阐述了固体废物的定义、特点、分类,指出固体废物对环境造成的危害,总结出国内外水泥固化、化学药剂稳定化、熔融固化、塑性材料固化、石灰固化和自胶结固化处理固体废弃物的固化/稳定化技术的研究现状,对目前各种固化/稳定化技术存在的问题及今后研究工作提出建议。

固体废物;固化;稳定化

随着社会的发展,人类日益追求更加舒适的生活环境。据统计,目前国内每年产生各类固体废物总量54亿t左右,但实际处理的固体废物只占很少比例,数以亿吨计的固体废物未得到妥善处理处置。2006年,中国工业固体废物综合利用量、处置量和贮存量分别为9.26亿t、4.29亿t和2.24亿t,工业固体废物处理率和利用率分别为27.2%、58.6%。另一方面,工业固体废物每年的贮存率为14.2%,但贮存量在2亿t以上,工业固体废物存量压力仍然巨大,同时给环境也造成了极大的安全隐患。特别是在城市建设中,固体废弃物的堆积存放问题也日益严重,尤其是含有有毒重金属的固体废弃物的堆积问题,不仅占用了土地面积,也极大的给人类的身体健康带来了巨大危害,并影响到工农业的发展。

固体废弃物是指在社会的生产、加工、流通、消费以及生活等一系列活动中产生的一般不具有使用价值而被丢弃的以固态和泥状赋存的物质。固体废物实际只是针对原所有者而言。对于原所有者一些固体废物不再具有使用价值,但其中可能含有其它生产行业中需要的成分,经过一定的技术环节,可以转变为有关部门行业中的生产原料,甚至可以直接使用。因此,固体废物的概念随时空的变迁而具有相对性。

固体废物一般都采用填埋或堆放的处理处置方式,其危害潜伏期可能几十年甚至几百年才被发现,因此它对环境的污染通常表现为隐性,但同时又是长期、持续的。关于固体废物的处理,除了其中一部分可回收利用外,其余大部分都需进行固化/稳定化处理,以推动固体废物资源化、无害化、减量化处理,提高生活环境质量,促进经济和社会发展。因此,研究高效、经济的重金属废物固化/稳定化技术对于保护人类健康和维持生态平衡具有重要意义。

1 固体废物的分类与危害

1.1 固体废物的分类

固体废物的种类很多,通常将固体废物按其性质、形态、来源划分其种类。按其性质可分为有机物和无机物;按其形态可分为固体的(块状、粒状、粉状)和泥状的;按其来源可分为矿业的、工业的、城市生活的、农业的和放射性的。此外,固体废物还可分为有毒和无毒的两大类。有毒有害固体废物是指具有毒性、易燃性、腐蚀性、反应性、放射性和传染性的固体、半固体废物。

1.2 固体废物的危害

据统计,目前我国每年产生各类固体废物总量达54亿t,但实际处理的固体废物只占很少比例,数以亿吨计的固体废物没有得到妥善处置。固体废弃物在一定的条件下会发生物理的、化学的或生物的转化,对周围环境造成一定的影响。如果采取的处理方法不当,有害固体废物就会通过土壤、水、空气以及食物链途径危害环境与人体健康,人畜粪便和有机垃圾是各种病原微生物的孳生地和繁殖场,会形成病原体型污染。

1.2.1 侵占土地

固体废物不加利用时,需占地堆放。堆积量越大,占地也越多。据估算,每堆积1万t废物,占地约需666.7 m2。

1.2.2 污染土壤

固体废物堆放或没有适当的防渗措施的垃圾填埋,其中的有害组分很容易经过风化、雨雪淋溶、地表径流的侵蚀,产生高温和有毒物质渗入土壤,能杀害土壤中的微生物,破坏微生物与周围环境构成的生态系统,导致草木不生。

1.2.3 污染水体

固体废物经风吹雨冲进入地面水,有的废渣直接倾入江河湖海,对水体的危害就更大。废物堆的渗沥还会污染地下水。

1.2.4 污染大气

固体废物一般以细粒状存在的废渣和垃圾,在大风吹动下会随风飘逸,扩散到很远的地方;运输过程中产生的有害气体和粉尘;一些有机固体废物在适宜的温度和湿度下被微生物分解,能释放出有害气体;固体废物本身或在处理时散发的毒气和臭味等。

1.2.5 传播疾病

不少固体废物和垃圾含有毒有害物质以及病原体,除通过水、气的媒介传播外,还通过生物来传播。

2 固体废物固化/稳定化技术

固化/稳定化技术就是利用胶凝性材料将有害固体废物包封在固化体中,不使有害物质浸出的稳定化、无害化的一种技术。上世纪80年代以后,稳定化/固化技术得到迅猛的友展。到目前为止,己经得到开发和应用的稳定化/固化技术主要包括以下几种类型:水泥固化、化学药剂稳定化、熔融固化、塑性材料固化、石灰固化和自胶结固化。

2.1 水泥固化

水泥固化是基于水泥的水合和水硬胶凝作用而对废物进行固化处理的一种方法,它将废物和普通水泥混合,形成具有一定强度的固化体,从而达到降低废物中危险成分浸出的目的。固化/稳定化技术是处理含重金属废物的重要方法之一,以水泥为基质的固化/稳定化技术已广泛应用于有毒废弃物的处理[1]。宁丰收等[2]采用水泥固化的方法对铬渣进行处理,Cr6+的浸出质量浓度在国家标准以下,固化体用于填埋是长期安全的。袁玲等[3]研究了焚烧飞灰中重金属物质的浸出问题,考察了水泥对焚烧飞灰中重金属物质固化的效果。研究表明,用水泥稳定固化焚烧飞灰中重金属物质的效果良好,重金属物质通过物理固封、替代或吸附等形式可固化进水泥水化产物结构中。Charles M.Wilk[4]等采用水泥做粘合剂,固化后的废弃物可用于建筑公路路基的材料。淋滤液毒性试验研究表明,处理后废弃物淋滤出的铅含量很少,可达标。水泥固化法对含高毒重金属废物的处理特别有效,固化工艺和设备比较简单,设备和运行费用低,水泥原料和添加剂便宜易得,对含水量较高的废物可以直接固化,固化产品经过沥青涂覆能有效地降低污染的浸出,固化体的强度、耐热性、耐久性均好,有的产品可作路基或建筑物基础材料。水泥固化的缺点是:水泥固化体的浸出率较高、固化体增容大等。

2.2 化学药剂稳定化

化学药剂稳定化技术是利用化学药剂通过化学反应使有害废物转变为低溶解性、低迁移性及低毒性物质的过程。张妍[5]等利用磷灰石对焚烧飞灰的重金属稳定化效果进行研究,处理后焚烧飞灰的重金属浸出毒性(部分样品除镉外)均达到了危险废物填埋入场控制限值。稳定化产物都具有较好的稳定化效果,减少了稳定化产物在环境条件下的二次污染的风险。汪莉[6]等利用单质硫能有效地固定渣中的重金属,随着硫加入量的增加,固化体浸出液中的镉和锌浓度降低,固定效果增强。固化体冷却方式对重金属固定效果及固化体的表面形貌影响不大,粗细废渣颗粒的混合有利于镉的固定。Hoye[7]等人在研究中认为,沸石在用于处理污染土壤以吸附金属方面大有应用前景。另外,腐殖酸和灰黄霉酸能和重金属形成络合物,一些低分子量的有机酸也能和重金属形成络合物。化学药剂稳定化其增容比远远低于常规的稳定化/固化方法。化学药剂稳定化技术以处理重金属废物为主,到目前为止己发展了许多重金属稳定化技术,包括:pH值控制技术、氧化/还原电势控制技术、沉淀技术、吸附技术、离子交换技术、其他技术。近年来国际上提出采用高效的化学稳定化药剂进行无害化处理的概念,并已成为重金属废物无害化处理领域的研究热点。

2.3 熔融固化

熔融固化技术主要是将有害废物和细小的玻璃质混合,经混合造粒成型后,在高温下熔融一段时间,待有害废物的物理和化学状态改变后,降温使其固化,形成玻璃固化体,借助玻璃体的致密结晶结构,确保重金属的稳定。在国内外,对于熔融固化处理技术都做过大量的研究。潘新潮[8]等利用热等离子体发生器装置对垃圾焚烧飞灰进行熔融固化处理,熔融固化技术使熔渣中重金属的浸出浓度得到非常有效的限制,远远低于国家的规定值,也低于飞灰水泥固化体的浸出浓度。相比于原始飞灰,熔融得到的熔渣具有非常致密的微观结构。Y oung J P[9]等在垃圾焚烧飞灰中添加SiO2不仅有利于降低熔融处理的难度,而且可以有效抑制灰渣中重金属的浸出和有利于飞灰的熔融渣玻璃体的形成,增加玻璃体的机械性能和稳定性能。Katsunori[10]等采用高温熔融工艺处理垃圾焚烧飞灰,超过99.9%的二恶英在高温熔融过程中被分解;熔融后的玻璃态物质经检测,重金属完全符合日本的标准。周萘[11]等用溶解速率法、试样坚固法和蒸汽水化侵蚀法全面地测试高放射性核废料玻璃固化体的化学稳定性能,它们具有优良的化学稳定性。陈德珍[12]等利用几种常用玻璃熔制助熔剂、烟气净化产物中的成分对飞灰的熔融温度和熔融减量的影响,以实现城市生活垃圾焚烧炉飞灰低温玻璃固化低温玻璃态物质,对重金属铅和镉具有较好的固化效果。熔融固化的最大优点是可以得到高质量的建筑材料。缺点在于熔融固化需要将大量物料加温到熔点以上,无论是采用电力或是其他燃料,需要的能源和费用都是相当高的。

2.4 塑性材料固化

塑性材料固化法属于有机性固化/稳定化处理技术,由使用材料的性能不同可以把该技术划分为热固性塑料包容和热塑性包容两种方法。热固性塑料是指在加热时会从液体变成固体并硬化的材料。该法的主要优点是大部分引人较低密度的物质,所需要的添加剂数量也较小。热固性塑料包容由于需要对所有有害废物颗粒进行包封,在适当选择包容物质的条件下,可以达到十分理想的包容效果。此方法的缺点是操作过程复杂,热固性材料自身价格高昂;由于操作中有机物的挥发,容易引起燃烧起火,所以通常不能在现场大规模应用。

热塑性材料是指在加热和冷却时能反复软化和硬化的有机塑料,常用的有沥青、石蜡和聚乙烯等。严建华[13]等利用沥青对城市生活垃圾焚烧飞灰进行固化,研究不同比例混合沥青与飞灰对飞灰重金属Pb、Cr、Cd、Ni、Cu、Zn固化的效果。沥青与飞灰的混合物中再加适当的添加剂,可以较高程度提高飞灰的固化效果。热塑性包容可以使用间歇式工艺,也可以使用连续操作的设备。除污染物的浸出率低得多外,由于需要的包容材料少,又在高温下蒸发了大量的水分,它的增容率也就较低。该法的缺点是在高温下进行操作会带来很多不方便之处,而且较为耗费能量;操作时会产生大量的挥发性物质,其中有些是有害的物质。另外,有时在有害废物中含有影响稳定剂的热塑性物质或者某些溶剂,影响最终的稳定效果。

2.5 石灰固化

石灰固化是指以石灰、垃圾焚烧飞灰、水泥窑灰以及熔矿炉炉渣等物质为固化基材而进行的危险废物固化/稳定化的操作。在适当的催化环境下进行反应,将污泥中的重金属成分吸附于所产生的胶体结晶中。但因反应不似水泥水合作用,石灰系固化处理所能提供的结构强度不如水泥固化,因而较少单独使用。

张复实[14]等利用合成的侧链高分子化合物配位稳定火化飞灰中的重金属,并配合石灰固化飞灰与土壤的混合物,实现飞灰的无害直接填埋。利用有毒物质检测程序检测得到的重金属浸出量符合废物填埋控制标准。飞灰粘土固化件无侧限抗压强度良好,水稳定性好,长期抗渗透能力高。石灰固化的优点是固化工艺设备简单,操作方便。缺点是由于添加石灰和其他添加剂,会使废物固化后的体积增加,固化物容易受到酸性溶液的浸蚀。若添加剂本身就是待处理的废物,如煤粉灰、水泥窑灰等,则此法有以废治废的优点。

2.6 自胶结固化

自胶结固化是利用废物自身的胶结特性来达到固化目的的方法,将含有大量硫酸钙和亚硫酸钙的废物在控制的温度下锻烧,然后与特制的添加剂和填料混合成为稀浆,经过凝结硬化过程即可形成自胶结固化体。袁伟[15]等研究磷石膏-矿渣-石灰-水泥胶结料体系的性能和凝结硬化机理,磷石膏粒径越小,配制的胶结料抗压强度越高,磷石膏经石灰预先中和处理后,可显著改善胶结料性能。宁夏建筑材料研究所研制成功的磷石膏废渣处理技术,对磷石膏采用独特的“闪烧”工艺路线,将其处理成符合国家标准的石膏粉,制成性能良好的各种石膏产品如:粉刷石膏、石膏砌块、白色型石膏、石膏白水泥等。采用独特工艺,并运用新型设备,生产出的产品稳定性好,耐水性良好。自胶结固化法的主要优点是工艺简单,不需要加入大量添加剂,固化体具有抗渗透性高、抗微生物降解和污染物浸出率低的特点。缺点在于此种方法只限于含有大量硫酸钙的废物,应用面较为狭窄。此外还要求熟练的操作和比较复杂的设备,锻烧泥渣也需要消耗一定的热量。

3 结 语

固体废物作为有潜在价值的资源,通过其固化/稳定化处理方式,不但能有效控制污染,而且可减少有限资源的浪费。尽管当前技术有望实现固体废物的无害化处理,但仍有许多不完善之处,如固体废物经固化处理后体积和质量会增大,固化产品存在酸性溶液浸出风险等。今后这方面工作应当加强。

此外,固体废物治理是综合性的工程。为促进固体废物处理产业化,应注重汲取及结合多种技术优点,扬长避短,协同解决固体废物处理问题。同时,可借鉴国外先进的或新的技术,改进或改革现有技术,以完成对固体废弃物的无害化、资源化、减量化处理。

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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

万 斯(1985-),男,助理工程师,主要从事环境工程工作。

2010-11-10