活性炭对医疗垃圾焚烧飞灰水泥固化的影响

　　摘要：对医疗垃圾焚烧飞灰(FA)及其灼烧灰(IFA)进行水泥固化实验研究，考察了飞灰中活性炭对水泥固化体凝结时间、抗压强度、重金属浸出毒性等的影响.结果表明，掺60%FA的水泥固化体终凝时间长达63h，超出48h的限值，相同IFA配比下水泥固化体终凝时间低于该值;掺40%和60%FA的水泥固化体7d的抗压强分别仅为0.187和0.16MPa，低于0.2MPa的标准，但2种IFA配比下水泥固化体的抗压强度均达标；掺40%和60%FA的水泥固化体中Pb的渗沥浓度分别为5.634和6.032mg/L，均超过5mg/L的限值，而掺60%IFA的水泥固化体Pb渗沥浓度超过限值.结果证实医疗垃圾焚烧飞灰中活性炭是导致水泥固化体凝结时间延长、抗压强度降低、重金属渗沥浓度升高的主要原因.

　　关键词：医疗垃圾；飞灰；活性炭；水泥；固化

　　1前言

　　我国医疗垃圾焚烧布袋飞灰中Pb,Cd,Zn等重金属的浸出液浓度均远超过危险废物填埋标准[1,2]，需经预处理后方能最终填埋.我国明确规定垃圾焚烧飞灰预处理采用水泥固化法[3].大量研究[4?7]表明,生活垃圾焚烧飞灰的水泥固化体中水泥掺量宜为40%以下.医疗垃圾焚烧飞灰与生活垃圾焚烧飞灰在成分上有很大区别，尤其是前者热灼减率高[8]，主要原因是医疗垃圾焚烧厂的大气污染排放物浓度标准更加严格[3,9]，为降低排放尾气中的二恶英(PCDD/Fs)、重金属等污染物,在布袋除尘器前喷入大量活性炭，这些吸附二恶英、重金属的活性炭大部分被转移到布袋飞灰中.经扫描电镜及能谱分析发现，飞灰中存在高含量的C元素的絮状物[10]，进一步证实飞灰中活性炭粉是导致飞灰高灼减率的主要原因.国外关于活性炭对水泥固化影响有相近报道,His等[11]的研究表明，飞灰中活性炭的存在有利于降低填埋时二恶英的渗沥性，Vikram等[12]证实活性炭有利于苯酚吸附在水泥固化体上，Poona等[13]却发现含炭量高的飞灰的水泥固化体在养生初期的水化速率较低.但有关灰中活性炭对水泥固化体中重金属渗沥的影响鲜有报道.

　　2材料及方法

　　2.1实验用原料

　　飞灰样品取自沈阳危险废物焚烧中心的15t/d回转窑医疗垃圾焚烧炉[1]，回转窑后二燃室的温度在1100℃以上，且烟气在二燃室停留时间在2s以上，可使二恶英彻底分解及可燃物充分燃烬.该炉空气污染控制装置依次为急冷塔、半干法除酸塔、喷活性炭和石灰粉装置、布袋除尘器，其炉型和烟气净化系统具有广泛的代表性.本工作的实验物料取自焚烧炉的布袋除尘器排灰口，称为飞灰(FlyAsh,FA)，灰样在连续稳定运行的一周内采集，热灼减率为31.2%[1].飞灰经(600±25)℃灼烧3h后，去除活性炭等可燃物[14]，灼烧后的灰样为灼烧灰(IncinerationFlyAsh,IFA),FA和IFA中重金属含量及热灼减率如表1所示.固化用水泥为325#普通硅酸盐水泥(OrdinaryPortlandCement,OPC)，化学成分见表2.

　　2.2实验方法及测试仪器

　　将FA与水泥按一定质量比混合，FA分别占10%,20%,30%,40%,60%(记为F10,F20,F30,F40,F60)，相同IFA配比制得的固化体分别为IF10,IF20,IF30,IF40,IF60).灰和水泥混合均匀后，根据测量标准稠度加入去离子水，搅拌3min，将搅拌均匀的混合物料注入40mm×40mm×40mm的试模中，振实后在室温下养生24h，成型后脱模并将试体放入(20±2)℃、湿度大于90%的恒温恒湿箱中分别养护3,7,14和28d，拆模取出试样，测量无侧压抗压强度.破碎后的试块浸入无水乙醇?丙酮的混合液中洗涤，结束其水化反应，然后在70～80℃的烘箱中放置4h，烘干后破碎到相应粒度，进行重金属渗沥浓度测试.

　　3实验结果与分析

　　3.1活性炭对水泥固化体凝结时间的影响

　　掺不同量FA和IFA的水泥混合物的凝结时间如图1所示.F10,F20,F30,F40,F60对应的水泥终凝时间分别为11,14.5,22,44,63h，而IF10,IF20,IF30,IF40,IF60对应的终凝时间分别为9,12,17,29,45h.意大利等国家规定飞灰水泥固化体终凝时间应低于48h[15],F60水泥固化体的凝结时间超过该值，而IF60的凝结时间低于该值.

　　3.2活性炭对水泥固化体抗压强度的影响

　　目前，国内对飞灰水泥固化体的抗压强度没有明确标准，国外以养生7d的抗压强度作为指标,要求水泥固化体7d的抗压强度不低于0.2MPa[5,15].

　　不同掺量的FA和IFA水泥固化体的抗压强度发展如图2所示.从图2(a)可以看出,FA10,FA20,FA30,FA40,FA50,FA60的水泥固化体7d的抗压强度分别为同龄期OPC的43.7%,9.6%,3.9%,1.2%,1.0%，尤其是F40和F60,7d的抗压强度仅达到0.187和0.16MPa，低于要求值，无法满足填埋要求.与FA水泥固化体相比，在相同掺量和龄期下IFA水泥固化体的抗压强度均高，如图2(b)所示.IF40和IF60的7d抗压强度分别为0.7和0.52MPa，达到要求值(0.2MPa).

　　4活性炭作用机理分析

　　由于FA中存在的活性炭具有多孔性及疏水性，活性炭容易将水泥熟料包裹在其孔洞内部，形成保护膜，阻碍水分与水泥熟料充分接触，使水化反应延缓，从而延迟水泥固化的凝结时间，最终导致FA水泥固化体的凝结时间高于IFA水泥固化体.

　　水泥抗压强度是水泥水化产物按照一定的方式靠多种引力相互搭接和联结形成水泥石结构而产生的[19]，FA中高含量的活性炭不仅减少了起连接作用的水泥水化产物量，而且会破坏水化产物的结构，使水泥体难以形成彼此粘结紧密的整体结构.可见，活性炭存在使FA水泥固化体的抗压强度降低，并且FA掺量越多强度降低越明显.

　　活性炭引起FA水泥固化体重金属渗沥浓度较IFA高的原因有两方面：(1)活性炭的存在使水泥固化体中对重金属起固化作用的钙矾石(AFt)和水化硅酸钙(C?S?H凝胶)两种水化产物数量减少[17]，从而使重金属不易被稳定；(2)由于FA中的活性炭使其水泥固化体的孔隙率比IFA水泥固化体的孔隙率高，孔隙率越高，浸出液越容易进入固化体内，固化体孔隙中重金属浸出越多.

　　5结论

　　对医疗垃圾焚烧布袋飞灰和其灼烧去除活性炭等可燃物后的灰样水泥固化体的凝结时间、抗压强度、重金属浸出毒性等进行了比较，得出如下结论：

　　(1)掺60%FA的水泥固化体终凝时间长达63h，超出48h的限值，相同IFA配比的水泥固化体凝结时间低于限值.

　　(2)掺40%和60%FA的水泥固化体7d的抗压强度仅为0.187和0.16MPa，未达到0.2MPa的要求值，两种配比下IFA固化体的抗压强度均达标.

　　(3)掺40%和60%FA的水泥固化体中Pb的渗沥浓度分别为5.634和6.032mg/L，均超过5mg/L的限值，IFA水泥固化体中仅掺量60%的Pb渗沥浓度超过限值.

　　(4)医疗垃圾焚烧飞灰中活性炭等可燃物是导致水泥固化体凝结时间延长、抗压强度降低、重金属渗沥浓度升高的主要原因.

　　参考文献：

　　[1]刘汉桥，蔡九菊，齐鹏飞，等.两种医疗垃圾焚烧炉的灰渣特性研究[J].环境科学学报,2006,12:2026?2032.

　　[2]蔡九菊，刘汉桥，齐鹏飞，等.电弧炉熔融医疗垃圾焚烧灰的实验研究[J].过程工程学报,2007,7(2):337?341.

　　[3]环境保护总局.危险废物填埋污染控制标准[S].GB18595-2001.

　　[4]EckeH,SakanakuraH,MatsutoT,etal.State-of-the-artTreatmentProcessesforMunicipalSolidWasteIncinerationResiduesinJapan[J].WasteManage.Res.,2000,20:41?51.

　　[5]LombardiF,MangialardiT,PigaL,etal.MechanicalandLeachingPropertiesofCementSolidifiedHospitalSolidWasteIncineratorFlyAsh[J].WasteManage.Res.,1998,18:99?106.

　　[6]施惠生，袁玲.焚烧飞灰水泥固化体的安全性评价[J].同济大学学报(自然科学版),2005,33(3):326?329.

　　刘汉桥1,2，魏国侠1，张曙光2，蔡九菊3

《活性炭对医疗垃圾焚烧飞灰水泥固化的影响》

上一篇：基于感知失衡的外卖配送交通安全研究*

下一篇：电化学分析法在食品安全检测中的应用分析