城市生活垃圾焚烧飞灰特性及其重金属电动去除实验研究-彭熙.docx

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1、城市生活垃圾焚烧飞灰特性及其重金属电动 去除实验研究 重庆大学硕士学位论文 (学术学位） 学生姓名：彭熙 指导教师：焦斌权教授 李 东 伟教授 专 业：环境科学及工程 学科门类：工学 重庆大学资源及环境科学学院 二 0_二年四月 Study on Basic Characteristic and Electrokinetic Removal Technology of Municipal Solid Waste Incinerate Fly Ash Supervised by Prof. Jiao Binquan Prof. Li Dongwei Major: Environmental Sc

2、ience and Engineering College of Resource and Environmental Science, Chongqing University， Chongqing, China April 2012 摘 城市生活垃圾焚烧飞灰随着焚烧技术的推广日渐增多。飞灰中的重金属释放 到环境中将会对土壤和水体造成污染，威胁周边人群的健康。本文以重庆市某垃 圾焚烧厂焚烧飞灰为研究对象，系统地研究了样品飞灰的基本表征特性、环境毒 性和生物有效性，通过飞灰中重金属的电动去除实验研究 ，探讨电动技术去除飞 灰中重金属的可行性。 首先，本论文通过对采集的样品飞灰进行表征分析，环境

3、毒性与活性分析得 出以下结论： 焚烧飞灰的粒径较小，中位径大约为 l #m， 大部分飞灰颗粒聚 集在 15-200/m,部分飞灰颗粒极细易被风吹散至大气中；焚烧飞灰中的主要元 素是 0、 Ca、 Cl、 K、 Na、S、 Si,重金属以 Pb、 Zn和 Cu为主；重金属主要是以 氯化物、氧化物以及硅酸盐的形式存在；焚烧飞灰粒度很细，大部分为微小颗粒， 比表面积大，致使飞灰中的重金属容易浸出释放。飞灰颗粒形状以不规则形状聚 合体居多，球 形体、絮状集合体相对较少，少数颗粒为球形体、块状体和棒状聚 合体。 焚烧飞灰样品中重金属的全量实验结果表明飞灰中重金属的含量很高， 其中 Zn 达到 5239.

4、5 mg/kg， Pb 的含量是 2560 mg/kg， As 的含量是 66.38 mg/kg， Cu的含量为 632mg/kg， Cd的含量为 116.95mg/kg;浸出毒性实验表明，焚烧飞 灰中 Zn、Pb和 Cd的浸出量远远高于生活垃圾填埋场污染控制标准， Pb和 Cd 甚至高于标准值几十倍；形态分析实验表明，焚烧飞灰 Cd、 Zn、 Pb和 Cu的酸可 提取态含量较高，尤其是 Cd,其含量比例达到 57.3%, As的残渣态含量比较高， 其比例将近 94%,即 As在飞灰中相对比较稳定，而 Cd、 Pb、 Zn和 Cu对周边环 境和人类的影响不容忽视。 其次，在电动实验过程中，阳离

5、子交换膜的使用有效避免 pH聚焦效应，最终 Cd的最商去除效率达到 34%， Zn的最尚去除效率为 28.9%， Pb的去除率最高 是 25.05%; 电动去除实验后的飞灰中 Zn的浸出值已低于标准值 100 mg/L, Pb 和 Cd的浸出值分别有 40%和 50%的减少； 实验表明电动去除试验后飞灰中重 金属的 生物有效态进一步降低。 再次，在增强性电动去除实验中，焚烧飞灰样品的重金属去除率和浸出值减 低率较无改进前有很大提高。靠近阳极处焚烧飞灰样品中各金属的的去除率最高， Zn、 Pb、 As和 Cd的去除效率分别为： 40%、 32%、 14%和 45%。增强性电动实验 后，焚烧飞灰样

6、品中 Pb和 Cd的浸出值有更大程度的减少。 本课题研究结果表明采用电动技术去除焚烧飞灰中的重金属是可行的。但重 金属的电动去除效率有待于进一步提高。经处理后飞灰中仅有 Zn元素的浸出毒性 达到生活垃圾填埋场污染控制标准， Pb和 Cd未达标。同时飞灰中的水溶性离 子（如 cr、so42 K )， 含量很高，大大降低了电动实验过程中的电流效率，因 此有必要对飞灰进行预处理。在后续的研究过程中，有必要对电动系统中重金属 的释放机制 、迁移 机制以及新型的电动去除反应器进行研究与探讨，以促进飞灰 中重金属电动处理技术的进一步发展。 关键词：焚烧飞灰，表征特性，环境活性，环境毒性，电动去除 ABST

7、RACT With the development of incinerate technology, the amount of the municipal waste solid incineration (MWSI) fly ash grows fast, which contains lots of heavy metals with high leaching value. Therefore, the heavy metals can easily release to soil and water around, threaten to peopled heath, once t

8、he fly ash is poorly disposed. This research aimed at the MWSI fly ash in Chongqing, studied the basic characteristic, environmental toxic and the environmental active feature of the sample fly ash. Study the feasibility of electrokinetic removal technology by analysis the removal efficiency of heav

9、y metals in fly ash. To begin with， this research made some conclusions by taking advantage of the analysis of the surface characteristic, environmental toxic and the environmental active feather of the sample fly ash: the diameter of fly ash is small， median diameter is about lOOum, the fly ashs di

10、ameter centers on 15-200um, parts of small fly ash can easily fly to the air and result to pullote; The main elemental composition in fly ash were 0、 Ca、 Cl、 K、 Na、 S、 Si and so on， and the main heavy metals were Pb、 Zn and Cu; whats more the heavy metals are main exit with the form of chloride， oxi

11、date and silicate; meanwhile, the fly ash was like small ball and it was very small, which may make fly ash a high leaching value; fly ash were irregular. The total content experiment of fly ash showed the content of heavy metals in fly ash is very high, among which, Zn was 5239.5 mg/kg, Pb was 2560

12、 mg/kg, As was 66.38 mg/kg, Cu was 632 mg/kg and Cd was 116.95 mg/kg, which were far beyond the solid background value of heavy metals in Chongqing. The leaching toxic experiment of fly ash showed the leaching value of Zn, Pb and Cd were far higher than the standard value in Standard for Pollution C

13、ontrol on the Landfill Site of Municipal Solid waste1, and, the value of Pb and Cd were even above ten times higher; The subsequent extract experiment of fly ash showed that the content of Cd, Zn, Pb and Cu in the first step is high, expecial, the content of Cd, the percent value achieved 57.3%. Mea

14、nwhile, the content of As in the last step is high, achieved 94% in total content, which indicate As has a very small leaching value. This research concluded that As is stable and leach less in low pH, while the other heavy metals are dangerous in environment. In the second place, in the process of

15、electrokinetic removal experiment, the use of cation exchange membrane solved the epH effect*. The final result is that the highest HI efficiency of Cd is 34%, the highest efficiency of Zn is 28.9%; the leaching value of Zn after experiment is lower than the standard, which is 100mg/L5 while the lea

16、ching value of Pb and Cd has reduced 40%, 50% separately; (g) the result of optimized BCR experiment showed that the forms of heavy metals are more or less changed from stable form to unstable form. In the third place, after enhanced electrokinetic removal experiment, the removal efficiency and leac

17、hing value of heavy metals in fly ash were improved. The removal efficiency of heavy metals near anode was the highest, that of Zn, Pb, As, and Cd was 40% 32% 14% and 45% respectively. Besides, the leaching value of Pb and Cd decreased more. This research proved that the electrokinetic removal techn

18、ology is feasible to fly ash, but the removal efficiency should be improved. The leaching value of Zn reached the standard while Pb and Cd do not after experiment. Meanwhile, the content of water-solubility irons, such as CF, SO42, K“ were high, which greatly decreased the current efficiency, theref

19、ore, pretreatment to fly ash is necessary. And, the mechanism of the release of heavy metals in fly ash, mechanism of move and new experiment device should be studied in the further research to promote the development of electrokinetic removal technology. Keywords： municipal solid waste fly ash, env

20、ironmental activity, environmental toxicity electrokinetic removal 蚊顧 . I 歡触 . Ill 1 . 1 1.1问题的提出 . 1 1.1.1焚烧飞灰的产生 . 1 1.1.2焚烧飞灰中重金属的来源及危害 . 2 1.1.3焚烧飞灰的相关法律法规 . 4 1.2国内外研究现状 . 4 1.2.1焚烧飞灰处理方法 . 4 1.2.2电动去除焚烧飞灰中重金属的国内外研究现状 . 8 1.3论文研究内容、目的和技术路线 . 9 1.3.1研究内容 . 9 1.3.2研究目的及意义 . 9 1.3.3技术路线 . 9 2 实验设计

21、 . 11 2.1样品的采集与制作 . 11 2.2焚烧飞灰的表征特性实验设计 . 12 2.2.1焚烧飞灰粒径研究 . 12 2.2.2焚烧飞灰的所含基本元素研究 . 12 2.2.3焚烧飞灰形貌及物相研究 . 12 2.2.4焚烧飞灰的重金属全量研究 . 13 23焚烧飞灰环境毒性及环境活性研究实验设计 . 14 2.3.1焚烧飞灰浸出毒性实验 . 14 2.3.2焚烧飞 灰中重金属形态分析实验 . 15 2.4焚烧飞灰中重金属电动去除实验设计 . 17 2.4.1实验材料与设备 . 17 2.4.2实验方法设计 . 18 3焚烧飞灰的表征分析 . 21 3.1焚烧飞灰样品的粒径分布 .

22、21 3丄 1粒径分析方法及原理 . 21 3.1.2粒径分析结果及讨论 . 21 3.2焚烧飞灰样品成分分析 . 23 3.1.1 X射线荧光分析原理 . 23 3.1.2成分分析结果与讨论 . 23 焚烧飞灰样品形貌分析 . 25 3.3.1形貌分析方法及原理 . 25 3.3.2分析结果及讨论 . 25 3.4焚烧飞灰样品物相分析 . 27 3.4.1物相分析方法及原理 . 27 3.4.2分析结果及讨论 . 27 3.S焚烧飞灰样品中重金属全量分析 . 32 3.5.1全量消解方法及原理 . 32 3.5.2全量分析结果及讨论 . 33 3.6焚烧飞灰中重金属形成机理探讨 . 34 3

23、.7本章揭 . 36 4焚烧飞灰环境毒性及环境活性分析 . 37 4.1焚烧飞灰样品浸出毒性分析 . 37 4_1.1浸提剂的选择 . 37 4丄 2浸出结果分析及讨论 . 37 4.2焚烧飞灰样品环境活性分析 . 38 4.2.1形态分析实验 . 38 4.2.2实验结果分析及讨论 . 39 4.3本章小结 . 41 5电动去除焚烧飞灰中重金属的实验研究 . 43 S-1电动去除实验原理 . 43 5.1.1水的电解 . 43 5.1.2焚烧飞灰中重金属在酸性环境中的释放 . 44 5.1.3重金属在电场作用下的迁移 . 45 5.2实验现象分析 . 46 5.2.1宏观现象 . 46 5.

24、2.2阴阳两电解槽中电解质溶液 pH随时间变化 . 46 5.2.3系统电压随时间变化 . 47 5.2.4其它参数的变化 . 48 5J实验结果分析 . 48 5.3.1电动去除实验后焚烧飞灰样品中重金属全量分析 . 48 5.3.2电动去除实验后焚烧飞灰样品屮重金属浸出毒性分析 . 49 5.3.3电动去除实验后焚烧飞灰样品中重金属形态分析 . 51 S.4本章小结 . 53 6增强性电动去除实验研究 . 55 6.1增强改进试验措施 . 55 6.1.1焚烧飞灰样品水洗预处理 . 55 6.1.2 曝气 . : . 56 6.2实验结果分析 . 57 6.2.1增强性电动去除实验后焚烧飞

25、灰样品中重金属全量分析 . 57 6.2.2增强性实验后焚烧焚烧飞灰样品中重金属浸出毒性分析 . 59 6.3 本章， J、 . 61 7结论与展望 . 63 7.1本论文的主要结论 . 63 7.2下一步工作展望 . 64 ISC . 67 轉嫌 . 69 It M . 75 A攻读硕士期间发表的论文 . 75 1绪 论 1.1问题的提出 随着目前城市化进程的加快，城市生活垃圾的产生量日渐增多，城市生活垃 圾对环境的危害己成为世界公认的严重问题之一 1 6。因此，寻求一种适合我国城 市生活垃圾特性，符合我国经济发展水平的垃圾处理方法势在必行。采用焚烧方 法处理城市生活垃圾是目前国内外一种比较

26、有效的垃圾处理方法，它具有减容、 减量、热能利用等优点 m，在国内应用越来越广。如今国内已建和在建的城市生活 垃圾焚烧发电厂已达 100余座。采用焚烧法处理城市生活垃圾时，大量重金属因 为高温而挥发进入烟气，并最终富集在占焚烧垃圾总量 0.5% 3%的飞灰中 【 8。研 究表明飞灰中富集了较高浓度的挥发态重金属，如铅、铜、镉、锌等重金属 及盐类。在焚烧过程中这些重金属的形态发生了改变，转化为更易迁移的存在形 式。并且，它们大多具有致畸致癌性，若焚烧飞灰处置不当，其中的有害元素释 放到环境中，对周边人群的健康和生态环境会造成巨大威胁。国家危险废物名录 明确规定了焚烧飞灰为危险废物，飞灰的处置必须

27、严格按照危险废物的标准进行。 因此城市生活垃圾焚烧飞灰（以下简称焚烧飞灰 ） 中重金属污染防治技术研 究成 为生活垃圾焚烧工艺末端处理的首要问题。 1.1.1焚烧飞灰的产生 我国人口众多、垃圾量巨大，人均土地资源和能源都比较有限，城市垃圾数 量却在逐年增加。据有关部门统计 112， 13 ， 2000年我国垃圾产生量已达到 1.5亿多 吨，垃圾侵占土地面积已超过 5亿平方米，全国已有 200多座城市被垃圾包围， 且垃圾量以每年 8到 10个百分点递增。近日，我国环保产业协会副会长陈泽峰提 出， 2015和 2020年中国城市垃圾年产量将达 1.79亿吨和 2.1亿吨。然而，城市垃 圾填埋场地可

28、容纳的垃圾已愈来愈少，填埋场地日渐匮乏 。同时，卫生填埋的防 渗措施一旦出现故障，采用的补救措施将十分昂贵。另外，垃圾堆肥因受产品质 量、价格和市场等因素的影响，发展受到抑制。而垃圾焚烧法以处理能力大、减 量化效果显著、节约有限土地资源 12， 14并可通过余热和焚烧发电来回收资源 15， 16 的优势逐步得到重视。目前，焚烧己经逐渐成为中国垃圾处理的首选技术。据中 国城市建设研究院的统计 17， 2006年，炉排焚烧炉数量为 25座，流化床焚烧炉 数量为 24座，其他型式为 14座。到 2010年 5月底，国内已经建成的垃圾焚烧发 电厂有 82座，总处理能 力约为 7.0万吨 18。 然而，无论是哪种焚烧技术，都不可避免地伴生垃圾焚烧终产物，垃圾焚烧 灰渣。有研究表明 19:垃圾焚烧后产生的垃圾焚烧灰渣约占原生活垃圾质量的