（市政工程专业论文）沥青固化医疗废物焚烧飞灰的实验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文对四川某城市两种不同炉型的医疗废物焚烧飞灰的特性以及利用沥 青固化上述两种飞灰的处理效果进行了实验研究。探讨了飞灰中重金属的浸 出特性，以及浸出时间、液固比和p h 值等因素的变化对重金属浸出的影响。 实验表明：随着颗粒尺寸的逐渐减小，单位质量飞灰中重金属含量有逐渐增 大的趋势；重金属的浸出率随着浸出时间的增大丽增加：重金属的浸出率随 着液固比的增加而增加；重金属在酸性条件下较易浸出，而在碱性条件下浸 出较少。 在上述研究的基础上，选用1 0 号普通沥青作为固化材料，分别对两种不 同的飞灰进行固化实验，研究了飞灰在沥青混合物中的所占的比例分别为 1 0 、2 0 、3 0 和4 0 时对沥青固化体中重金属浸出的影响，从而确定沥 青固化处理时的最佳配比。实验表明：随着飞灰在固化体中所占比例的增加， 重金属的浸出浓度和浸出率都呈增大的趋势。根据重金属的浸出特性，两种 飞灰最佳混合比例分别为飞灰在混合物所占比例为4 0 和3 0 。 为达到更好的固化稳定化效果，在沥青固化焚烧飞灰的过程中加入n a 2 s 等四种添加剂，比较这几种添加剂在不同添加量时对沥青固化体中重金属浸 出的影响以及相同添加量时各种添加剂的稳定化效果。实验表明：加入添加 剂后重金属的浸出率都比未加添加剂时有所减小；四种添加剂中以n a 2 s 添 加剂对沥青固化体中重金属的稳定化效果最好。综合添加剂的稳定化效果及 经济性方面的原因考虑，本实验认为添加量在3 左右为宜。 上述研究结果对沥青固化技术的深入研究和工程应用具有重要的参考价 值。 关键词：医疗废物；飞灰；重金属；沥青固化；添加剂 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ep r o p e r t yo ff l ya s hf r o mt w od i f f e r e n tm e d i c a lw a s t ei n c i n e r a t o r sa n d e f f e c to fa s p h a l ts o l i d i f i c a t i o ni nac i t yo fs i c h u a na r es t u d i e di n t h i sp a p e r l e a c h i n gc h a r a c t e r i s t i c so fh e a v ym e t a li nf l ya s ha n di n f l u e n c eo fh e a v ym e t a l l e a c h i n ga td i f f e r e n tf a c t o r ss u c ha sl e a c h i n gt i m e 、l sr a t i oa n dp hv a l u ea r e s t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t e n to fh e a v ym e t a l si nt h ef l ya s hc a n i n c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s eo fp a r t i c l es i z e l e a c h i n gr a t i oo fh e a v ym e t a l sc a n i n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fl e a c h i n gt i m ea n dl sr a t i o h e a v ym e t a l si nt h ef l y a s ha r ev e r ye a s yt ol e a c hi na c i dc o n d i t i o n w h i l eh a r d l yl e a c hi na l k a l i n e c o n d i t i o n b a s eo ni t ，s o l i d i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft w ok i n d so ff l ya s ha r es t u d i e d b yu s i n ga s p h a l ta ss o l i d i f i c a t i o n i n f l u e n c eo fh e a v ym e t a l sl e a c h i n gi sa n a l y z e d i nd i f f e r e n tm i x e dp r o p o r t i o n ss u c ha s1 0 、2 0 、3 0 、4 0 s ot h a ta p p r o p r i a t e p a r a m e t e ro ns o l i d i f i c a t i o no ff l ya s hw i t ha s p h a l ti sd e t e r m i n e d t h er e s u l t s s h o wt h a tl e a c h i n gr a t i oa n dl e a c h i n gc o n s i s t e n c eo fh e a v ym e t a l si ns o l i d i f i e d p r o d u c t sc a ni n c r e a s ew i t hi n c r e a s eo f t h ec o n t e n to ff l ya s h a p p r o p r i a t er a t i oo f t w od i f f e r e n tk i n d so ff l ya s hi nm i x e dp r o p o r t i o n ss h o u l db e4 0 a n d3 0 r e s p e c t i v e l yb e c a u s eo fl e a c h i n gc h a r a c t e r i s t i c so fh e a v ym e t a l i ti sc o n s i d e r e dt h a ta d d i t i v e ss u c ha sn a 2 sa n ds oo na r ea d d e di nt h e m i x t u r e so ff l ya s ha n da s p h a l ts oa st oa m v eb e t t e rs o l i d i f i c a t i o n s t a b i l i z a t i o n e f f e c t i n f l u e n c eo fh e a v ym e t a l sl e a c h i n gi sr e s e a r c h e da td i f f e r e n ta d d i n g a m o u n to fs e v e r a lk i n d so fa d d i t i v e sa f t e rs o l i d i f i c a t i o no ff l ya s hw i t ha s p h a l t a n ds t a b i l i z a t i o ne f f e c ti na d d i t i v e so fs a m ea d d i n ga m o u n t t h er e s u l t ss h o wt h a t l e a c h i n gr a t i oo fh e a v ym e t a l si ns o l i d i f i e dp r o d u c t si sl o wt h a nt h ea d d i t i v e sa r e n o ta d d e di ns o l i d i f i e dp r o d u c t s t h eb e s ts t a b i l i z a t i o ne f f e c to fh e a v ym e t a l si n s o l i d i f i e d p r o d u c t s i sn a 2 s t h ea d d i n ga m o u n to ft h ea d d i t i v es h o u l d b e a p p r o p r i a t e g e n e r a l l ya b o u t3 b e c a u s eo fs t a b i l i z a t i o ne f f e c ta n de c o n o m i c b e n e f i t s t h ea b o v er e s e a r c hf i n d i n g so f f e rv a l u a b l er e f e r e n c e st ot h ef u r t h e rs t u d y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no fa s p h a l ts o l i d i f i c a t i o n k e yw o r d s ：m e d i c a lw a s t e ；f l ya s h ；h e a v ym e t a l s ；a s p h a l ts o l i d i f i c a t i o n ；a d d i t i v e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 1 1 1 医疗废物的危害及其处理方法 医疗废物指医疗卫生机构在医疗、预防、保健以及其他相关活动中产生 的具有直接或者间接感染性、毒性以及其他危害性的废物。医疗废物分为 五类1 2 i ：感染性废物、病理性废物、损伤性废物、药物性废物和化学性废物。 感染性废物是指携带病原微生物具有引发感染性疾病传播危险的医疗废物； 病理性废物是指诊疗过程中产生的人体废弃物和医学实验动物尸体等；损伤 性废物是指能够刺伤或者割伤人体的废弃的医用锐器；药物性废物指过期、 淘汰、变质或者被污染的废弃的药品；化学性废物指具有毒性、腐蚀性、易 燃易爆性的废弃的化学物品。 医疗废物是一种特殊的污染物，虽然其产量仅占城市固体废物的3 ， 但它可能含有多种传染性病菌、病毒化学污染物、针头锐器及放射性等有害 物质，这些废物含有大量的细菌性病毒，具有极大的危险性。医疗废物所造 成的危害性常归纳为：含感染性微生物造成的危害；致畸或致突变物质造成 的危害；有毒或危险性化学制品或药物造成的危害；放射性物品和锐器等造 成的危害，其中对健康危害较大的是感染性和损伤性医疗废物。据研究表明， 一般由综合医院排出的废物可能受到各种病菌的污染，有的废物还带有大量 乙肝病毒。此外，废物中的有机物不仅滋生蚊蝇，造成疾病的传播，并且在 腐败分解时生成多种有害物质将污染大气、危害人体健康。因此医疗废物具 有空间污染，急性传染和潜伏性污染等特征，其病毒、病菌的危害性是普通 生活垃圾的几十、几百甚至上千倍，如果处理不当，将造成水体、大气、土 壤的污染及对人体的直接危害，甚至成为疫病流行的源头。 自2 1 世纪5 0 年代起，医疗废物管理及其处置技术已引起世界各国政府 和国际组织的广泛关注。我国已经把医疗废物列为头号危险废物1 3 l ，其处理 正在受到严密控制与监管，各地正逐步建立起监管体制，形成完善的处置系 统。医疗废物污染控制技术主要有：卫生填埋法、高温焚烧法、高压蒸汽灭 菌法、化学消毒法、电磁波灭菌法等【叫。 在诸多医疗废物处置技术中，焚烧法是医疗废物处理中最普遍被采用的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 方法。焚烧法己被证明是破坏感染性和有毒性物质、减少体积和重量的最有 效的方法之 a - s 。焚烧技术在处理医疗废物方面具有许多独特的优点：( 1 ) 医疗废物经焚烧处理后，废物中的病原体被彻底消灭，燃烧过程中产生的有 害气体和烟尘经处理后达到排放要求，无害化程度高；( 2 ) 经过焚烧废物中的 可燃成分被高温分解后，一般可减重8 0 和减容9 0 以上，减量效果好，焚 烧筛上物效果更好；( 3 ) 废物焚烧所产生的高温烟气，其热能被废热锅炉吸收 转变为蒸汽，用来供热或发电。( 4 ) 焚烧厂占地面积小，尾气经净化处理后污 染较小，可以靠近市区建厂。既节约用地又缩短了废物的运输距离，对于经 济发达的城市，尤为重要；( 5 ) 焚烧处理可全天候操作，不易受天气影响。 1 1 2 医疗废物焚烧飞灰的产生及其危害 医疗废物焚烧飞灰是废物焚烧过程中产生的，在烟气净化系统和热回收 利用系统中收集而得的残余物，主要是 e l ：( 1 ) 被燃烧空气和烟气吹起的小颗 粒灰份；( 2 ) 未充分燃烧的碳等可燃物：( 3 ) 因高温而挥发的盐类和重金属等在 冷却净化过程中又凝缩或发生化学反应而产生的物质。飞灰对环境的危害主 要表现 i o - 1 4 1 有重金属污染、溶解盐污染以及二恶英和吠喃等有机污染物污染。 本课题主要研究有关飞灰的重金属污染问题。 由于废物中均会含有微量重金属元素，这些微量重金属元素在焚烧过程 中发生迁移和转化，大部分浓缩于焚烧处理后产生的固体残渣中，尤其是在 飞灰中重金属含量特别高m 删。重金属既可以直接进入大气、水体和土壤， 造成各类环境要素的直接污染；也可以在大气、水体和土壤中相互迁移，造 成各类环境要素的间接污染。由于重金属不能被微生物降解，在环境中只能 发生各种形态之间的相互转化，所以，重金属污染的消除往往更为困难，耗 时耗力却难以得到好的效果。过量的重金属大多都能抑制生物酶的活性，破 坏正常的生物化学反应。重金属通过空气、水、食物等渠道进入体内。进入 人体的重金属不再以离子形式存在，而是与体内有机成分结合成金属络合物 或金属螫合物，从而对人体产生危害。机体内的蛋白质、核糖能与重金属反 应，维生素、激素等也能与重金属反应。由于产生化学反应使上述物质丧失 或改变了原来的生理化学功能而产生病变。另外重金属还可能通过与酶的非 活性部位结合而改变活性部位的构象，或与起辅酶作用的金属发生置换反应， 致使酶的活性减弱甚至丧失，从而表现出毒性l l l l 。 焚烧飞灰的最终处理是填埋或者作为建筑用材，由于飞灰中含有重金属， 若直接填埋或作建筑用材，由于重金属的浸出特性，在自然环境下经历风化、 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 侵蚀后，易浸出出来重新进入环境、污染地下水源而危害人类。焚烧飞灰由 于其过多的碱性，在短时期内其中的重金属不易滤出，但在经历较长的时间 后，由于酸雨等因素的影响，酸性环境下重金属将逐渐浸出出来，对周围的 环境会产生很大的影响1 1 9 l 。因此，焚烧过程中重金属污染问题在世界范围内 引起了广泛的关注。 1 1 3 国内外研究现状 目前，飞灰处置的常用方法有例：( 1 1 固化稳定化包括1 4 , 2 1 捌熔融固化技术、 水泥固化、化学药剂固化稳定化、沥青固化等，经过固化稳定化处理后的产 物，如满足浸出毒性标准或者资源化利用标准，可以进入普通填埋场进行填 埋处置或进行资源化利用；( 2 ) 将飞灰中的重金属提取：酸提取、碱提取、生 物及生物制剂提取以及高温提取等，提取后的重金属可以进行资源化利用。 本文主要讨论飞灰的固化稳定化技术。 ( 1 ) 熔融固化处理技术 熔融固化技术主要是将飞灰和细小的玻璃质混合，经混合造粒成型后， 在1 0 0 0 1 4 0 0 高温下熔融一段时间，通常为3 0 r a i n 左右( 熔融时间视飞灰 性质的不同而定1 ，待飞灰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。d o n a l d 等1 利用 氯酸盐作为助熔剂将灰渣熔融温度降低到1 0 0 0 ，而且对重金属的固化效果 较好；在发达国家尤其是日本，熔融固化处理技术是常见处理焚烧飞灰的一 种方法l 卅；陈德珍嘲研究证实废玻璃，硼砂，c a f 2 ，b 2 0 3 ，c a c l 2 都能不同程 度地降低飞灰的熔融温度和挥发率。但目前研究较多的添加剂是s i o z ，例如 y o u n g 等 2 6 1 认为飞灰中加入s i 0 2 助熔剂有利于飞灰的熔融渣玻璃体的形成， 增加玻璃体的化学稳定性和机械性能；p o l e t t i n i l 2 n 等认为在飞灰烧结过程中添 加较高比例的s i 0 2 可以增加玻璃体的粘制性，阻碍挥发性物质的挥发。姜永 海，席北斗等1 9 卅对s i 0 2 熔融固化飞灰特性做了研究。 相对于其他处理技术，熔融固化的最大优点是可以得到高质量的建筑材 料。因此，在进行废物的熔融固化处理时，除去必须达到环境指标以外，应 充分注意熔融体的强度、耐腐蚀性甚至外观等对于建筑材料的全面要求。能 否达到这些要求，实际上是判断使用该技术可行性的最重要的标准。 ( 2 ) 水泥固化处理技术 该技术是固化技术中应用最为广泛的技术之一。该技术是将飞灰和水泥 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 混凝土混合形成固态，经水化反应后形成峰硬的水泥固化体，从而达到降低 飞灰中危险成分浸出的目的，其基本原理在于通过固化包容减少飞灰的表面 积和降低其可渗透性，达到稳定化、无害化的目的。 水泥固定法由于具有处理费用低、处理工艺和操作简单，对重金属的固 定效果好等优点而在国外得到了广泛的应用1 2 9 。丹麦、荷兰垃圾焚烧底渣9 0 以上用作停车场、堤坝、路基等的填充材料及混凝土与沥青的骨料：德国和 法国分别有6 0 和4 5 的焚烧底渣用作路基和市政工程p e l ，美国环保局将此 技术称为处理有毒有害废物的最佳技术1 3 1 】我国学者施惠生等1 3 2 - “l 研究了水 泥对飞灰的固化效果。 以水泥为基本材料的固化技术最适用于无机类型的废物，尤其是含有重 金属污染物的废物。由于水泥所具有的高p h 值，使得几乎所有的重金属形 成不溶性的氢氧化物或碳酸盐形式而被固定在固化体中。 ( 3 ) 化学药剂稳定化技术 化学药剂稳定化技术是利用化学药剂通过化学反应使有毒有害物质转变 为低溶解性、低迁移性及低毒性物质的过程。用药剂稳定化技术处理危险废 物，可以在实现废物无害化的同时，达到废物少增容或不增容，从而提高危 险废物处理处置系统的总体效率和经济性。同时，可以通过改进整合剂的结 构和性能使其与废物中危险成分之间的化学整和作用得到强化，进而提高稳 定化产物的长期稳定性，减少最终处置过程中稳定化产物对环境的影响。 化学药剂主要通过3 种机理起作用：( 1 ) 对飞灰p h 值进行调整使重金属 离子达到最小溶解度的范围：( 2 ) 根据所选化学药剂成分的不同，分别与重金 属产生不同类型的化学反应，从而把重金属由固相浸取到液相中降低飞灰中 的重金属含量或者通过与飞灰中重金属生成不同的沉淀物而达到去除重金属 的目的；( 3 ) 通过对特定重金属离子的吸附作用达到去除重金属的效果。 国内外都有很多使用药剂稳定化来处理危险废物，在日本利用鳌合剂处 理飞灰是比较多的。在国内，蒋建国等人研究开发了多胺类和聚乙烯亚胺类 重金属鳌合剂。根据废物中所含重金属种类可以采用的稳定化药剂有l ：石 膏、漂白粉、硫代硫酸钠、硫化钠和高分子有机稳定剂等。药剂稳定化处理 技术的最大特点是危险废物经过处理后，其增容比远远低于常规的稳定化 固化方法。药剂稳定化技术以处理重金属废物为主，到目前为止已发展了许 多重金属稳定化技术，包括：p h 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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 “) 沥青固化技术 沥青固化是以沥青类材料作为固化剂，与危险废物在一定的温度下均匀 混合，产生皂化反应，使有害物质包容在沥青中形成固化体，从而得到稳定。 沥青属于憎水物质，完整的沥青固化体具有优良的防水性能。沥青还具有良 好的黏结性和化学稳定性，而且对于大多数酸和碱有较高的耐腐蚀性，所以 长期以来被用作低水平放射性废物的主要固化材料之一。 在荷兰，处理过的飞灰被用作沥青的细填料，已有大约5 0 0 0 0 吨的飞灰 在中等规模的试验中，被用于采矿业，用作矿坑填料和密封材料。国内也有 部分学者研究了生活垃圾焚烧飞灰的沥青固化的实验研究。但就沥青用于处 理医疗废物焚烧飞灰的报道还非常的少。 在以上固化稳定化技术中，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，同时，熔 融固化需要特殊的设备及专业人员；水泥固化飞灰虽然简单、投资少，但因 该处理方法使飞灰的固化体增容大，给飞灰的最终填埋带来困难，而且长时 间以后，重金属的渗滤难以避免。为了克服熔融固化技术和水泥固化技术存 在的不足，本文对沥青固化医疗废物焚烧飞灰进行了初步实验研究，同时结 合化学药剂稳定化技术的优势，考虑在固化过程中加入适当的药剂作为添加 剂。 1 2 论文的研究目标、研究内容及技术路线 1 2 1 研究目标 通过对四川某城市两种不同的医疗废物焚烧炉的飞灰的特性及其沥青固 化技术的实验研究，力图寻找到一种技术经济可行的医疗废物焚烧飞灰的预 处理技术，从而为医疗废物焚烧飞灰的污染控制提供理论和技术的支持。 1 2 2 研究内容 本论文的主要研究内容包括： ( 1 ) 原始医疗废物焚烧飞灰的重金属特性研究：包括对飞灰的重金属含 量、粒径分布特性以及不同粒径范围内重金属含量分布特性进行分析，了解 飞灰的各种性质，以便于下一步研究的进行提供依据： ( 2 ) 飞灰中重金属浸出特性的研究：分析比较了国标和t c l p 浸出实验方 法，研究了医疗废物焚烧飞灰中重金属的浸出特性和不同粒径飞灰中重金属 的浸出特性，以及浸出时间、液固比、初始p h 值等因素的变化对重金属浸 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 出的影响； ( 3 ) 沥青固化处理后重金属浸出特性的研究：主要研究了飞灰与沥青在不 同掺和比例情况下对重金属浸出的影响，从而确定沥青对飞灰进行固化处理 时的最佳配比； ( 4 ) 添加剂对沥青稳定化效果影响的研究：比较几种添加剂在不同添加量 时对沥青固化处理后重金属浸出的影响以及相同添加量时各种添加剂的稳定 化效果，从而确定飞灰固化处理时的添加剂和最佳添加量，为飞灰的沥青的 固化稳定化处理技术的应用提供重要的理论依据。 1 2 3 研究方法及其技术路线 本课题主要采用实验与理论分析相结合的研究方法，首先对国内外焚烧 飞灰的固化稳定化技术的研究现状进行分析，然后对两种不同的医疗废物焚 烧飞灰的浸出特性以及沥青固化稳定化飞灰技术进行实验研究，对选定的重 金属指标进行监测分析，对比固化前后的重金属的浸出能力，掌握各影响因 素对固化效果的影响，提出自己对固化技术的见解。具体技术路线见图1 - 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图1 - 1 论文的技术路线框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章医疗废物焚烧飞灰重金属的含量分析 医疗废物中的各类重金属在焚烧过程中既不会被销毁也不会再生，废物 在进入焚烧炉后，重金属将在焚烧过程中发生迁移和转化，最终将以等量的 形式排出炉外，分布在焚烧底灰、飞灰、烟气中。不同的重金属在焚烧底灰、 飞灰、烟气中的分布比例也不同。由于重金属在焚烧过程中不能够生成和消 失，原废物中重金属含量的多少也就决定了焚烧飞灰中含量的多少，所以重 金属浓度的变化反映了原废物中相应的重金属含量的高低。 本章将对原始医疗废物焚烧飞灰的重金属含量进行测定，并详细研究了 其粒径分布以及不同粒径范围内的重金属含量分布特性，这为焚烧飞灰的预 处理研究奠定了重要的基础。 2 1 飞灰样品的采集及预处理 本实验所研究的飞灰分别采集自四川某城市垃圾处理厂的医疗废物无炉 箅三燃室热( 裂) 解焚烧炉的布袋除尘器和医疗废物回转窑焚烧炉的布袋除尘 器。为叙述简便起见，下文中将以f a t l 表示无炉箅三燃室热( 裂) 解医疗废物 焚烧飞灰，f a t 2 表示回转窑医疗废物焚烧飞灰。 由于飞灰中含有一定的水分，为了不影响各项测试结果，实验前要对飞 灰进行干燥预处理。把取来的飞灰混合均匀，放入烘箱内，在8 5 条件下干 燥至恒重，待用。 2 2 飞灰中重金属含量分析测定方法 为了测定医疗废物焚烧飞灰中所含重金属的总量，需对飞灰进行消解处 理。消解的目的是为了将飞灰中的待测金属转为离子态的形式。本试验中飞 灰样品采用h n 0 3 h f h c l 0 4 法消解，具体方法如下： 称取预处理恒重后的飞灰样品0 5 9 ，置于聚四氟乙烯烧杯中，加浓硫酸 1 0 m l ，待剧烈反应停止后，移至低温电热板加热溶解1 小时左右，取下后冷 却，加入氢氟酸5 m l ，蒸发至近干，再加入高氯酸2 m l ，再次蒸发至近干， 冷却后加入浓度为l 的硝酸溶液2 5 m l ，煮沸溶液残渣，移至校准过的5 0 m l 聚丙烯容量瓶中，加去离子水定容，摇匀。 依据g b f r l 5 5 5 5 2 1 9 9 5 1 * j 和g b t 1 5 5 5 5 9 1 9 9 5 t 3 n 规定的重金属测定方 法，消解液中的重金属铜、锌、铅、镉的测定用原子吸收分光光度法，重金 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 属镍的测定用直接吸入火焰原子吸收分光光度法，消解液中重金属的浓度均 采用3 6 1 m c 原子吸收分光光度计( 上海精密科学仪器有限公司生产) 进行测 定。 2 3 全颗粒尺寸范围内飞灰的重金属含量 本实验将采集的飞灰f a t l 和f a t 2 进行预处理，然后将飞灰进行消解后， 测得消解液的重金属浓度，经换算得出飞灰中重金属的含量，结果如表2 - 1 所示。 表2 - 1 飞灰中重金属的含量 由表2 1 可见，比较不同的医疗废物焚烧炉产生的飞灰中的重金属含量， 两种飞灰在重金属含量上有相似的规律，即c u 、c d 的含量相对较少，而z n 、 p b 、n i 的含量较高，其中z n 的含量最高，在f a t 2 中z n 达到了1 0 2 4 0 m g k g ， 在f a t l 中z n 是6 2 1 0 m g k g 。同时可以看出，f a t 2 中的重金属含量明显高 于f a t l 中的金属含量，栅的c u 、z n 、p b 、c d 、h i 的含量分别是f a t l 的c u 、z n 、p b 、c d 、n i 含量的1 1 2 5 、2 6 6 、3 3 5 、1 0 8 3 、7 倍。 飞灰中的重金属含量与焚烧温度和各种重金属物质的蒸发点有关，蒸发 点低于焚烧温度的重金属物质能全部挥发出来，进入烟气。烟气中的重金属 物质，随烟气温度的降低会凝结成均匀的小颗粒物或凝结于烟气中的烟尘中， 无法凝结的气态重金属物质也有部分会被吸附在烟尘上，最后一起被烟气除 尘设备捕集下来形成飞灰。重金属物质的蒸发点愈高则愈易凝结，飞灰中的 含量亦随之增高i * ”i 。 重金属在飞灰中的分布与重金属的特性有关，不同重金属其分布特性不 一样，同一重金属其分布规律相似，但其浓度含量大小与医疗废物的组成和 炉内的运行情况等很多因素有关。 2 4 不同颗粒尺寸范围内飞灰中重金属的含量 由于飞灰中富集了较高含量的c u 、z n 、p b 、c d 、n i 等多种有害重金属 物质，若处理不当，重金属浸出来将会污染环境，对人类造成危害。因此， 了解飞灰中重金属的分布规律，将对飞灰的固化稳定化处理提供重要的理论 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 依据。 2 4 1 飞灰颗粒尺寸分布特性 为了研究飞灰颗粒尺寸的分布特性，分别将飞灰f a t l 和f a t 2 进行预处 理，然后将飞灰采用一系列目数不同的分样筛进行机械筛分，筛子的目数分 别为6 0 目( 3 0 0 肛m ) 、1 0 0 目( 1 5 0 ”m ) 、1 5 0 目( 1 0 0 # m ) 、2 0 0 目( 7 即m ) 、3 0 0 目 ( 5 劬m ) 。按各个不同目数的筛子上筛分后剩余的质量得出飞灰的颗粒尺寸分 布，如图2 1 所示。 5 0 4 5 4 0 3 5 3 0 量2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 3 0 0 , u r n 、7 6 1 0 0 9 m 、5 4 7 6 z m 。最 少的是粒径范围 3 0 0 # m ，最少的是粒径范围 3 0 0 皿m ) 的1 1 1 倍。 在医疗废物焚烧过程中，小尺寸颗粒比大尺寸颗粒重金属富集浓度高， 可能的原因是由于小尺寸颗粒上富集了更高浓度的未完全燃烧c 成分并且小 尺寸颗粒有着较大的比表面积f 删。根据蒸发一冷凝机理，挥发的重金属在离 开焚烧区域后将经历冷凝过程，当温度低于金属及其化合物的冷凝露点时， 发生金属及其化合物的同类核化和异相吸附1 4 l l ，由于微小尺寸颗粒比表面积 较大更易富集高浓度的重金属，因此，随着飞灰颗粒尺寸的减小，所富集的 重金属含量增高。不同粒径范围内飞灰中重金属含量，除了与焚烧方式、废 物组成、尾气处理技术有关，还与人为划分颗粒粒径范围有关1 4 2 i 。 2 5 本章小结 对两种不同的医疗废物焚烧飞灰中的重金属含量进行了分析，详细研究 了其粒径分布和不同粒径范围内的重金属含量分布特性。结论如下： ( 1 ) 比较不同的医疗废物焚烧炉产生的飞灰中的重金属含量，两种飞灰在 重金属含量上有相似的规律，即c u 、c d 的含量相对较少，而z n 、p b 、n i 的含量较高，其中z n 的含量最高，f a t 2 的重金属含量明显高于f a t l 的重 金属含量。 ( 2 ) f a t l 和f a t 2 飞灰颗粒尺寸分布特征并不完全一致。对于f a t l ，粒 径1 5 0 3 0 0 肛m 范围内的飞灰占飞灰总质量百分比最多，其次分别是粒径范 围为1 0 0 1 5 叽m 、 3 0 0 f m 、7 6 1 0 0 9 m 、5 4 7 6 9 m ，最少的是粒径范围 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 3 0 0 # m ，最少的是粒径范围 5 4 n l 。 ( 3 ) 两种飞灰的重金属元素在不同粒径的飞灰中的含量变化规律趋势不 尽相同，随着颗粒尺寸的逐渐增大，单位质量飞灰中重金属含量有逐渐减少 的趋势，小颗粒的飞灰的重金属含量相对大颗粒飞灰要相对多一些。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章医疗废物焚烧飞灰重金属的浸出特性 医疗废物焚烧飞灰中含有较高浓度的重金属，国家己经明文规定焚烧飞 灰属于危险废弃物埘，需分开收集和处理。若把焚烧产生的飞灰直接进行填 埋，飞灰中的重金属将经历地质和生化双重循环迁移转化，最终通过大气、 饮水、食物等渠道为人体所摄取而造成危害。研究医疗废物焚烧飞灰中重金 属的浸出特性对飞灰的无害化处理有很大的意义。 本章使用国标和t c l p 两种浸出方法，研究了无炉箅医疗废物焚烧飞灰 和回转窑医疗废物焚烧飞灰的浸出特性，以及浸出时间、液固比、浸取剂初 始p h 值和离子浓度等对重金属浸出特性的影响。 3 1 飞灰的重金属浸出测试方法 3 1 1 国标浸出方法 g b 5 0 8 6 2 1 9 9 7 t 3 ) 规定了固体废物浸出毒性的浸出方法：样品粒径小于 3 m m ，取原样。样品粒径大于3m m ，粉碎后至粒径小于3 m m 后进行浸出实 验。浸取剂为去离子水，浸取剂与试样按液固比为1 0 ：1 混合后，在室温环 境下，以振幅4 0 m m ，振动频率为1 1 0 _ + 1 0 次m i n 的转速水平振荡8 h ，静置 1 6 h 后取下，用有效孔径为0 4 5 , m 的过滤装置过滤，得到浸出液，备测。 其中液固比的定义如下： 液眦脚需酬器品 p ， 3 1 2t c l p 浸出方法 毒性特性浸出程序( t c l p ) i 1 是美国e p a ( 美国环保署) 规定的一种确定废 物浸出毒性的标准方法。本实验选用的焚烧飞灰的粒径小于9 5 m m ，直接进 行t c l p 浸出实验。t c l p 浸出方法所采取的浸取液有两种，撑1 浸取剂由冰 醋酸和氢氧化钠溶液配成，p h 值为4 9 3 士0 0 5 - 群2 浸取剂由冰醋酸配成， p h 值为2 8 8 土0 0 5 。 根据试样的碱性程度选取浸取剂，具体操作为：称取5 9 飞灰，放入5 0 0 m l 烧杯中，加入9 6 5 m l 去离子水，盖上表面皿，磁力搅拌5 m i n ，冷却到室温， 用p h 计测量。若p h 小于5 ，则用1 静浸取剂：若p h 大于5 ，则需再加入3 5 m l 的1m o l l 的盐酸，盖上表面皿，加热到5 0 ，保持1 0 m i n ，冷却后再测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 p h 值。若p h 小于5 ，则用1 牟浸取剂；若p h 大于5 ，则用雒浸取剂。 t c l p 浸出实验方法为：称取5 0 o g 试样与浸取剂按1 ：2 0 的固液比进行 混合，放置于1 l 的聚乙烯瓶中，盖紧瓶盖后垂直放在翻转式振荡器，以3 0 士2r p m 的转速上下翻转，在室温振荡浸取1 8 h 后取下。静置3 0 m i n 后，于 事先安装好0 即m 玻璃纤维滤膜的漏斗中过滤，收集全部滤液，即为浸出液。 3 1 3 重金属浓度的测定 各个种类重金属的标准测定方法依据g b 5 0 8 5 3 1 9 9 6 t 5 1 中的规定。在本 实验中，重金属c u 、z n 、p b 、c d 、n i 的测定均采用原子吸收分光光度法。 测定浸出液中的重金属浓度后，与g b 5 0 8 5 3 1 9 9 6 中规定的浸出毒性鉴别标 准值( 见表3 1 1 相比较，确定其毒性。 3 1 4 国标浸出与t c l p 浸出方法的比较 将国标浸出与t c l p 浸出试验方法进行比较，可以看出，两种浸出试验 方法主要在浸出时间、液固比和浸取剂等方面存在较大的差别。 在浸出时间方面，我国的浸出方法规定的是浸出8 小时后再静置1 6 小 时，而t c l p 浸出程序规定的是浸出1 8 士2 h 小时后不需要静置；在液固比 方面，我国的浸出方法规定浸取剂与试样的液固l e ( l s ) 为1 0 ：1 ，t c l p 浸 出程序规定的是浸取剂与试样的液固比( u s ) 为2 0 ：1 ；从浸取剂方面来看， 国标的方法采用的浸取剂是呈中性的去离子水，而美国的t c l p 浸出程序采 用一定p h 值的酸性溶液作浸取剂。 由于两种浸出试验方法所依据的条件是不相同的，因此制定的危险废物 浸出毒性鉴别标准也会有所不同。表3 3 给出了我国和美国的危险废物浸出 毒性鉴别标准。 表3 1 危险废物重金属浸出毒性鉴别标准 由表3 - 1 可以看出，总体而占，美国对于毒性鉴别要求比我国要求更为 严格。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 3 2 医疗废物焚烧飞灰的重金属浸出特性 为了研究医疗废物焚烧飞灰的重金属浸出特性，分别对预处理了的飞灰 f a t l 和f a t 2 进行国标和t c l p 浸出实验，得到的浸出液，测定浸出液中重 金属c u 、z n 、p b 、c d 和n i 的浓度值。 表3 2 国标和t c l p 浸出法焚烧飞灰浸出浓度值 由表3 2 可以看出，f a t 2 中的各个重金属元素的浸出浓度值都比f a t l 中的各个重金属元素的浸出浓度值要高的多，可能是由于焚烧飞灰f a t l 本 身的重金属含量就比f a t 2 低的多。与表3 - 1 中我国g b 5 0 8 5 3 1 9 9 6 危险废 弃物重金属浸出毒性鉴别标准比较，可以看出两种飞灰中重金属c u 、n i 浸 出值均在浸出阀值之下，重金属z n 、p b 、c d 的浸出值则超出了浸出阀值。 但对于飞灰浸出值中没有超出阀值的重金属来说，这并不代表它们就是安全 的，因为自然界的实际环境情况复杂多变，即使浸出值低于阀值，在酸雨等 条件作用下，重金属仍有可能浸出更多，从而危害环境，因此仍然需要对其 进行固化处理。 表3 2 中所列出的各个数值都是飞灰浸出浓度的绝对值，仅从医疗废物 飞灰浸出的浓度值不容易比较出两种飞灰浸出的情况，因此，考虑每种飞灰 中各个重金属元素的浸出率，其定义如下： 重金属浸出率c ，- 军譬鼍鬟苇譬墓暮墨裹鑫巽曩毳器o o c 。一z ， 重金属浸出率是一个无量纲的百分比值，从飞灰中重金属浸出率的角度 考虑可以看出飞灰中各个重金属元素浸出的相对额度，由飞灰浸出液中重金 属的浓度值，与浸出方法中的液固比可以将浸出液中的重金属浓度折算到每 千克原始医疗废物焚烧飞灰中重金属浸出的质量，来进行医疗废物焚烧飞灰 中重金属浸出率的计算。实验中所用到的两种医疗废物焚烧飞灰中重金属的 浸出率比较如图3 - 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 邑 瓣 苦 螂 哩 娴 删 l&蓁l 口f a t 2 一国$ 囵f a t l - t c l 口f a t 2 一t c l 缓 。j ，k h 重金属种类 图3 1 不同飞灰中重金属的浸出率比较 由图3 - 1 可以看出，无论是国标还是t c l p 两种浸出方法，两种飞灰的 重金属浸出率呈现相似的趋势，其中z n 的浸出率最高，其次是c d 和p b ， 再次是c u 和n i ，这与重金属在飞灰中的富集特性有关，前人的研究标明z n 、 c d 、p b 、c u 等为半挥发性元素( 挥发温度6 0 0 1 4 0 0 k ) 1 4 6 1 。在焚烧过程中， 由于以上的金属挥发温度不是很高，z n 、p b 主要富集在飞灰表面，其浸出率 也比较高1 4 7 j ，重金属c d 及其化合物的沸点也很低h t 叫，在高温环境下极易挥 发，大多以氯化物的形式附着在飞灰颗粒的表面，在浸出过程中的浸泡及振 荡作用下，其浸出率也比较高。 在图3 - 1 中，无论是飞灰f a t l 还是f a t 2 ，可以看到，采用t c l p 浸出 方法得到的浸出率要明显高于国标浸出方法得到的浸出率。在f a t l 中，重 金属c u 、z n 、p b 、c d 、n i 的采用t c l p 浸出方法得到的浸出率与采用国标 浸出方法得到的浸出率的比值分别为4 1 9 、1 2 6 、2 6 6 、1 2 3 、2 0 4 ；在f a t 2 中，重金属c u 、z n 、p b 、c d 、n i 的采用t c l p 浸出方法得到的浸出率与采 用国标浸出方法得到的浸出率的比值分别为4 1 4 、1 1 8 、2 8 5 、1 1 6 、1 5 2 。 由上述比值可以看出，不同的浸出方法对重金属c u 浸出率的影响最大，而 对重金属n i 的影响是最小的，这种影响对于本实验中的两种飞灰来说是完全 一致的。 舌；加加m 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 3 3 不同浸出条件对重金属浸出特性的影响 飞灰中重金属的浸出特性受许多因素的影响，本节采用飞灰f a t l 和 f a t 2 作样品，研究了飞灰浸出过程中各个因素的变化对浸出结果的影响。 3 3 1 不同粒径范围内飞灰的重金属浸出能力 3 3 1 1 实验方法 为了研究