第四章固体废物稳定化与固化处理

固体废物稳定化/固化处理,内容提要,一、稳定化/固化涉及概念与方法二、稳定化/固化效果评价指标三、固体废物的药剂稳定化处理1.重金属离子的稳定化2.有机污染物的氧化解毒四、固体废物的固化处理1.水泥固化2.石灰固化3.沥青固化4.塑性材料固化5.玻璃固化6.自胶结固化,稳定化/固化的应用,是处理重金属废物和其他非金属危险废物重要手段。通常被应用于以下方面：对具有毒性或强反应性等危险废物进行处理，使其满足填埋处置的要求。其他处理过程中产生的残渣，例如焚烧产生的灰份的无害化处理，其目的是对其进行最终处置。在大量土壤被有害污染物所污染的情况下对土壤进行去污。,稳定化/固化的目的与途径,目的：是使危险废物中的所有污染组分呈现化学惰性或被包容起来，减小废物的毒性和可迁移性，同时改善被处理对象的工程性质，以便运输、利用和处置。途径：将污染物通过化学转变，引入到某种稳定物质的晶格中去；通过物理过程把污染物直接掺入到惰性基材中去。,一、稳定化/固化涉及的术语,固化在危险废物中添加固化剂，使其转变为不可流动固体或形成紧密固体的过程。固化产物是结构完整的整块密实固体。,稳定化将有毒有害废物转变为低溶解性、低迁移性及低毒性的物质的过程。化学稳定化通过化学反应使有毒物质变成不溶性化合物，使之在稳定的晶格内固定不动；物理稳定化将污泥或半固体物质与疏松的物料(如粉煤灰)混合生成粗颗粒、有土壤状坚实度的固体。,固化与稳定化关系：固化可以看作是一种特定的稳定化过程，可以理解为稳定化的一个部分。无论是稳定化还是固化，其目的都是减小废物的毒性和可迁移性，同时改善被处理对象的工程特性。,二、稳定化/固化处理效果评价指标,浸出速率指固化体浸于水中或其它溶液中时，其中有害物质的浸出速率。vn浸出速率，g/(dcm2)；mn浸出时间内浸出的有害物质的量，mg；m0样品中含有的有害物质的量，mg；Ae样品暴露的表面积，cm2；M样品质量，g；tn浸出时间，d。,增容比增容比是指稳定化/固化处理前后废物的体积比值。Ci=V2/V1Ci增容比；V2固化体体积，m3；V1固化前有害废物的体积，m3。,抗压强度：保证固化体安全贮存的重要指标，降低危险废物对环境的污染可能性。一般的危险废物0.10.5MPa便可；如用作建筑材料，应大于l0MPa。放射性废物，其固化产品的抗压强度，苏联要求5MPa，英国要求达到20MPa,三、药剂稳定化处理,原理：利用化学药剂通过化学反应使有毒有害物质转变为低溶性、低迁移性及低毒性物质的过程。目标物：以重金属废物为主，也包括As、F等非金属，以及放射性元素和有机物。,重要应用,常规的固化技术存在一些不可忽视的问题：废物经固化处理后体积都有不同程度的增加，有的会成倍的胀大；废物的长期稳定性。用药剂稳定化技术处理危险废物：实现废物无害化，达到废物少增容或不增容，提高危险废物处理处置系统的总体效果和经济性。通过改进螯合剂的构造和性能，使之与废物中危险成分之间的化学螯合作用得到强化，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。,主要包括下列处理技术,（一）重金属离子的稳定化技术：中和控制技术；氧化还原控制技术；沉淀技术；吸附技术；离子交换技术；（二）有机污染物氧化解毒技术：臭氧氧化解毒；过氧化氢氧化解毒；氯氧化解毒；,（一）重金属离子的稳定化技术：,1.中和法,在化工、冶金、电镀等工业生产中经常产生大量的含重金属的酸、碱性泥渣，威胁土壤水体，需进行中和处理，达到中性，便于后续处理处置。酸性泥渣采用石灰石、石灰、氢氧化钠或碳酸钠等碱性剂进行中和处理。碱性泥渣常用硫酸、盐酸做中和剂。对于同一地区均有两种泥渣产生的企业，通常将二者互做中和剂，以达到经济有效的处理效果。工艺：罐式机械搅拌和池式人工搅拌。,2.氧化还原法,As3+,As5+,3.化学沉淀法_Page1,3.化学沉淀法_Page2,3.化学沉淀法_Page3,4.吸附技术,（二）有机污染物氧化解毒技术：,1.臭氧氧化解毒,臭氧(O3)作为一种强氧化剂，可以氧化分解水中绝大多数有机污染物，使高分子化合物转化为低分子的酮醛酸等，并能将一部分物质矿化为CO2和H2O，降低有机污染物毒性，使其达到稳定化。氧化醇氧化氰化物缺点：O3发生昂贵，处理成本高；容易分解为O2，需在现场即制即用。,2.过氧化氢氧化解毒,过氧化氢(H2O2)也是一种强氧化剂，氧化分解水中有机污染物机理与臭氧类似，但当水中存在某种催化剂时，便会使其产生氧化性能更高的OH，从而大大提高过氧化氢体系的氧化性能，降低有机污染物毒性，使其达到稳定化。Fe作为催化剂与H2O2形成芬顿体系，产生OH，氧化有机物，反应过程：过氧化氢结合紫外下氧化有机物：应用：用过氧化氢在现场处理五氯芬污染的土壤，去除率接近100%。,3.氯氧化解毒,氯(Cl2)和氯化物Ca(ClO)2在废物处理中常被用作氧化剂，主要是利用氯水解产生或氯化物中的ClO-进行氧化污染物，离解过程受pH值影响，pH高于7.5时，ClO-为主要存在形式，氧化效果最好。氯的氧化作用破坏剧毒的氰化物是一种经典的方法（pH10）：,固化通常被应用于以下方面：对具有毒性或强反应性等危险废物进行处理，使其满足填埋处置的要求。其他处理过程中产生的残渣，例如焚烧产生的灰份的无害化处理，其目的是对其进行最终处置。,四、固体废物固化处理,1.固化基本理论,废物固化用物理-化学方法将有害废物掺合并包容在密实的惰性基材中，使其稳定化的一种过程。利用添加剂改变废物的工程特性（例如渗透性、可压缩性和强度等）的过程。固化剂固化所用的惰性材料。固化体有害废物经过固化处理所形成的固化产物。,2.固化技术的适应性,危险废物种类繁多，并非所有的危险废物都适于固化处理。固化技术最早是用来处理放射性污泥和蒸发浓缩液的。固化技术特别适用于含重金属的废物。目前已应用于处理电镀污泥、砷渣、汞渣、氰渣、铬渣和镉渣。,3.固化途径,通常，危险废物固化的途径是：将污染物通过化学转变，引入到某种稳定固体物质的晶格中去；通过物理过程把污染物直接掺入到惰性基材中去。,4.固化处理的基本要求,得到的固体产品密实、具有一定几何形状和较好物理性质、化学性质稳定；处理过程简单，应有有效措施减少有毒有害物质的逸出；最终产品的体积尽可能小于掺入的固废体积；产品中有害物质的水分不能超过容许水平或浸出毒性标准。处理费用低廉；放射性废物的固化产品应有较好的导热性和热稳定性。,5.常用固化方法,目前常用的固化方法有:水泥固化石灰固化塑性材料（沥青、塑料）固化玻璃（熔融）固化自胶结固化,（一）水泥固化,以水泥为固化剂将有害废物进行固化的一种处理方法。适于各种含重金属的污泥。水泥是最常用的危险废物稳定剂。水泥是建筑用胶凝材料,按化学组成可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥三大类。硅酸盐水泥是普遍常用的水泥,又称波特兰水泥,铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥是特种用途的水泥。,1.水泥固化的原理,水泥是一种无机胶结剂，水泥与污泥中的水分发生水化反应生成凝胶，将有害污泥微粒分别包容，并逐步硬化形成水泥固化体。污泥中的有害物质被封闭在固化体内，达到稳定化、无害化的目的。固化剂：硅酸盐、火山灰质硅酸盐水泥等,2.水泥固化添加剂,添加剂改善水泥固化条件，提高固化体的质量。吸收有害物质并促进其凝固，减少水泥用量，加强固化体的强度，降低有害组分的浸出率。常用的添加剂：吸附剂：活性氧化铝、粘土、蛭石等缓凝剂：如酒石酸、柠檬酸、硼酸盐等促凝剂：如水玻璃、铝酸钠、碳酸钠等减水剂：表面活性剂等。,3.适用对象,水泥固化技术最适用于无机类型的废物含有重金属污染物的废物。由于水化水泥所具有的高pH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。汞仍然要以物理封闭的微包容形式与生态圈进行隔离；铅主要沉积于水泥水化物颗粒的外表面；铬较为均匀的分布于整个水化物的颗粒之中。,有害固体废物、水泥、添加剂+水搅拌混合养护水泥固化体。要求：pH8；(形成氢氧化物沉淀或碳酸盐沉淀)水灰比在1:2左右；(过低水合不完全，过高出现泌水)水泥与废物比：由实验确定。凝固时间：初凝时间2h，终凝时间在48h以内；选择适当的添加剂；(改善固化条件，提高固化产品)养护条件：室温、相对湿度80%、28天；,4.水泥固化工艺,5.影响因素,6.水泥固化法的应用,电镀污泥固化处理汞渣水泥固化处理,7.水泥固化法的特点,优点是对电镀污泥处理十分有效；设备和工艺过程简单，设备投资、动力消耗和运行费用都比较低；水泥和添加剂价廉易得；对含水率较高的废物可以直接固化；操作在常温下即可进行；对放射性废物的固化容易实现安全运输和自动化控制等。,缺点由于空隙率较高，水泥固化体的浸出率较高，需作涂覆处理；水泥固化体的增容比较高，达1.5-2；有的废物需进行预处理和投加添加剂，使处理费用增高；水泥的碱性易使铵离子转变为氨气逸出；处理化学泥渣时，由于生成胶状物，使混合器的排料较困难，需加入适量锯末予以克服。,（二）石灰固化,（三）沥青固化,以沥青为固化剂与有害废物在一定的温度、配料比、碱度和搅拌作用下产生皂化反应，使有害废物均匀地包容在沥青中，形成固化体。沥青固化工艺主要包括三部分：固体废物的预处理废物与沥青的热混合二次蒸汽的净化处理,1.沥青固化的基本方法,先将废物脱水，再同沥青在高温下混合；或将废物与沥青共同加热脱水，再冷却、固化。高温熔化混合蒸发法将废液加入预先熔化的沥青中，在150230下搅拌混合蒸发，待水分和其他挥发组分排出后，将混合物排至贮存器或处置容器中。暂时乳化法混合、去水、升温干燥、成型。化学乳化法混合(乳化沥青)、加热脱水、冷却成型。,2.影响沥青固化体性质的因素,主要性能指标：固化体在水中的浸出率；辐照稳定性；化学稳定性。影响浸出率的因素：沥青的种类；废物量、化学组成及混合状况；残余水分；某些表面活性剂的影响。影响化学稳定性的因素：废物中的化合物或氧化剂。,优点：沥青具有良好的粘结性、化学稳定性与一定的弹性和塑性；对大多数酸、碱、盐类有一定的耐腐蚀性。此外，它还具有一定的辐射稳定性。应用：一般用于中、低放射水平的蒸发残液，废水化学处理产生的沉渣，焚烧炉产生的灰烬、塑料废物、电镀污泥、砷渣等。,3.沥青固化的优点及适应性,（四）塑料固化,塑料固化是以塑料为固化剂与有害废物按一定的配料比，并加入适量的催化剂和填料（骨料）进行搅拌混合，使其聚合固化而将有害废物包容，形成具有一定强度和稳定性的固化体。热固性塑料包容,1.热固性塑料包容,热固性塑料在加热时会从液体变成固体并硬化的材料。这种材料即使以后再次加热也不会重新液化或软化。固化原理主要是在每个废物颗粒的周围形成一层不透水的保护膜。由于大多数废物不与包封材料发生反应，所以包封的效果仅取决于废物自身的形态以及进行聚合的条件。,2.热固性塑料包容优缺点,优点：固化低水平有机放射性废物（如放射性离子交换树脂）；稳定非蒸发性的、液体状态的有机危险废物。缺点：操作过程复杂，热固性材料本身价格高昂，操作过程容易引起燃烧起火。,（五）玻璃固化,也称为熔融固化，适用于极少量特毒废物的处理。该技术将待处理的危险废物与细小的玻璃质，如玻璃屑、玻璃粉混合。经混合造粒成型后，在10001100高温熔融下形成玻璃固化体，借助玻璃体的致密结晶结构，确保固化体的永久稳定。缺点-需要很高的能源消耗；优点-可以得到高质量的建筑材料。,2.玻璃固化法的特点,优点：玻璃固化体致密，在水及酸、碱溶液中的浸出率小，大约为10-7g/(cm2d)；增容比小；在玻璃固化过程中产生的粉尘量少；玻璃固化体有较高的导热性、热稳定性和辐射稳定性。缺点：装置较复杂，处理费用昂贵；工作温度较高、设备腐蚀严重；放射性核素挥发量大等。,3.玻璃固化技术利用,处理被有机物污染的土壤用电力将土壤加热到熔融状态，在熔融条件下，土壤的导电性和热传导性提高，从而使得熔融过程加速进行；在表面设置一层玻璃和石墨的混合物以启动土壤的加热过程，电流通过土壤后，熔融区可向下扩展到约30米，熔融体的总量可以达到1000吨左右。在玻璃化过程中有机物首先被蒸发，然后裂解成为简单组分。,（六）自胶结固化技术,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。主要用来处理含有大量硫酸钙和亚硫酸钙的废物，如磷石膏、烟道气脱硫废渣等。固化体具有抗透水性高、抗微生物降解和污染物浸出率低的特点。,原理将含有大量硫酸钙或亚硫酸钙的泥渣，在适宜的控制条件下进行煅烧;使其部分脱水至产生有胶结作用的亚