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胶结充填采矿协同资源化利用垃圾焚烧飞灰

一、技术研发背景（1 1 ）近年来我国垃圾焚烧飞灰产生量快速大幅增长，处置能力严重不足随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，生活垃圾产生量大幅增加，年产生垃圾量约为 2.5 亿 t，占世界总量的 1/4，相当长一段时间内还将以每年8%-10%的速度增长。目前我国垃圾焚烧飞灰的处置受场地和技术的制约越来越严重，局部地区已出现不能及时安全处置或处置成本过高而不能维持运行的尴尬局面，并严重阻碍了这部分地区生活垃圾处置由传统填埋向焚烧发电的转型。（2 2 ）垃圾焚烧飞灰属于危险废物，需得到妥善处置根据《国家危险废物名录》，垃圾焚烧飞灰属于危险废物。垃圾焚烧飞灰对环境和人类生活的危害在于其重金属不能依靠水体和土壤自身的净化作用消除，只能迁移。由于重金属容易在生物体内聚积，随着时间的推移，当重金属在生物体内积聚到一定量以后就会导致生物体畸形或导致突变，甚至生物体死亡。重金属对人体的另一危害途径是通过食物链传递。例如，生活在重金属含量较高环境下的鱼、虾体内会富集重金属，一旦这些食物被人体摄入，经过一段时间的积累，就会对人体健康造成极大的危害。特别是发生在日本的由汞污染引起的“水俣病”和由镉污染引起的“骨痛病”事件、以及在欧洲陆续发现的由重金属污染导致的一系列公共卫生健康问题，都使重金属污染引起人们广泛的关注。垃圾焚烧飞灰中的二噁英是一种非常稳定的亲脂性固体化合物，可溶于大部分有机溶剂，容易在生物体内积累。二噁英的污染具有持久性、脂溶性和蓄积性等特点。未来随着垃圾焚烧飞灰产量的快速增加，如果不能妥善解决无害化处置垃圾焚烧飞灰的问题，不但会制约垃圾焚烧产业的健康发展，同时会对该地区的环境造成严重影响。（3 3 ）垃圾焚烧飞灰的处置问题已经受到了国家相关部门的高度重视2016 年 10 月，国家住建部、发改委、国土部、环保部联合发文《关于进一步加强城市生活垃圾焚烧处理工作的意见》（简称《意见》），意见提出在生活垃圾设施规划建设运行过程中，应当充分考虑垃圾焚烧飞灰处置出路，鼓励跨区域合作，提出“推进区域性垃圾焚烧飞灰配套处置工程建设”，统筹生活垃圾焚烧与垃圾焚烧飞灰处置设施建设，并开展垃圾焚烧飞灰资源化利用技术的研发与应用。（4 4 ）北京地区的垃圾焚烧飞灰处置问题十分迫切截止至 2017 年底北京市已建成并投产 5 座垃圾焚烧厂：鲁家山垃圾焚烧厂、高安屯垃圾焚烧厂、海淀大工村垃圾焚烧厂，顺义垃圾焚烧厂，南宫生活垃圾焚烧厂，2018 年北京市正在加紧推进建设阿苏卫、通州、顺义二期、密云、怀柔 5处垃圾焚烧厂，按照规划到“十三五”末，北京市垃圾焚烧飞灰年产生量将达35 万吨以上，目前北京市的垃圾焚烧飞灰处置方式主要为水泥窑协同处置和制备陶粒资源化利用，这两种处置方式的消纳能力无法满足北京市的需求，垃圾焚烧飞灰无害化处置迫在眉睫。基于以上现状，研发团队开发出了一种可安全并大规模资源化利用垃圾焚烧飞灰的新技术¬——深部胶结充填采矿协同资源化利用垃圾焚烧飞灰技术。二、技术原理（1 1 ）全固废充填料强度形成机理胶结充填采矿协同资源化利用垃圾焚烧飞灰技术充分利用了“硅的四配位同构化效应”和“复盐效应”。钙矾石（Ca 6 Al 2 (SO 4 ) 3 ·(OH) 12 ·26H 2 O）是普通水泥混凝土中最常见的复盐矿物，也是大部分地下采矿胶结充填硬化体中最常见的复盐矿物。钙矾石的溶度积常数为 1.1*10-40 。本项目组的前期研究结果表明，钙矾石在水中的饱和铝离子浓度比水淬高炉矿渣微粉在水中的饱和铝离子浓度低10 倍以上。因此在有足够 Ca2+ 、OH - 和 SO42- 离子供给的体系中，钙矾石的结晶将能持续促进水淬高炉矿渣微粉中的铝氧四面体从矿渣的玻璃体网络中体解出来，从而促进矿渣中较高聚合度的硅-铝氧四面体的链接被破坏，形成大量的活性硅氧四面体或硅氧四面体团，为发生硅的四配位同构化效应或形成 C-S-H 凝胶奠定基础。其中钢渣主要为胶凝体系要提供 Ca2+ 、OH - 和少量硅氧四面体。而钢渣中的 Mg2+ 和 Fe 2+ 在胶凝体系中起到与 Ca 2+ 类似的作用。较大量的脱硫石膏主要为体系提供源源不断的 Ca2+ 和 SO42- 。垃圾焚烧飞灰的主要成分为垃圾焚烧后产生的无机物和重金属等，当烟气净化采用干式或半干式反应法时，另含有一些反应生成物（如 CaCl 2 、CaSO 4 ）和部分未完全反应的 Ca(OH) 2 等物质。可为胶凝体系提供大量的 Ca2+ 、OH - 和 SO42- 。同时垃圾焚烧飞灰中有含量较高的 Cl- ，在矿渣水化过程中会形成含氯水化产物水化氯铝酸钙，氯盐在矿渣水化过程中会形成 NaOH 等碱性物质，提高液相碱度，促进矿渣水化的进一步进行。（2 2 ）重金属固化的机理胶结充填采矿协同资源化利用垃圾焚烧飞灰技术在胶凝材料的水化过程中实现了对垃圾焚烧飞灰中重金属的固化，胶凝材料的主要水化产物为钙矾石、C-S-H 凝胶和类沸石矿物等，几种产物对该体系固化重金属均有贡献。重金属元素能够以类质同象的方式进入钙矾石的晶格而被固化，而 C-S-H凝胶具有很强的吸附重金属的能力。另一方面，以砷菱铅矾-砷铅铁矾类复盐矿物（(Pb, H+ )(Al 3+ , Fe 3+ , Fe 2+ )3 (SO 42- , AsO43- )2 (OH) 6 ）为代表的含砷铅矾类复盐矿物也可以在砷、铅化合物的参与下快速消耗溶液中的 Al3+ 、Fe 3+ 、Fe 2+ 、OH - 和 SO42-等离子，因此也能促进体系中矿渣微粉、钢渣微粉和脱硫石膏的消耗，这类复盐在水中的溶解度极低。在较高 pH 值条件下，这类复盐的结晶可以使砷和铅在水中的浓度都达到饮用水的标准。近些年的研究结果还表明，砷和铅可以进入类沸石相的水化硅铝网络体中平衡电荷，或作为网络体骨干的一部分而被高度固化。（3 3 ）二噁英固化的机理二噁英（dioxin，DXN），化学名为二氧杂环乙烷，标准状态下一般呈白色固体，无色无味；熔点约为 303～305℃，当温度达到 705℃以上时开始分解；难溶于水，美国环保局（US EPA，1900）推荐 2，3，7，8—TCDD 的水溶解度为 19.3ng/L，易溶于有机溶剂和脂肪；二噁英的蒸气压很低，大致为 8.3×10-13 ～4.8×10 -8 mmHg，一般随取代氯原子数目的增加而降低，在大气环境中超过 80%的二噁英分布在大气颗粒物中。大部分的二噁英在生物体内不易被代谢，具有生物蓄积与生物放大作用。现行的垃圾焚烧技术的炉内温度可以达到 850℃～900℃，绝大部分二噁英已经被分解，加之二噁英具有极低的溶解度和饱和蒸汽压和极高的脂溶性，所以垃圾焚烧飞灰中二噁英通过溶解于水中和挥发传播的比例很小，只可能通过随垃圾焚烧飞灰颗粒进入土壤和水环境以造成污染，本技术通过物理包裹的方法断绝了其污染传播途径，具体为矿渣基胶凝材料-垃圾焚烧飞灰水化反应所形成的固化体系中含有大量的 C-S-H 凝胶，其紧致的结构可降低整体固化体的渗透性，把含二噁英颗粒包裹固定其中。

北京科技大学 2021-04-13