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垃圾焚烧处理以其显著的减量化、无害化和资源化优势被认为是当前我国生活垃圾处理的最佳方式之一[1]。但是,垃圾焚烧过程中会产生占焚烧垃圾量3%~5%左右的飞灰[2]。飞灰中常含有高浓度的重金属,对环境危害极大,在最终填埋处置之前必须进行稳定化处理[3]。化学稳定法一般指通过加入化学药剂进行反应,使有毒有害物质转变为低溶解性、低迁移性以及低毒性化合物的过程[4]。化学稳定法的最大特点是无害化、效率高且增容少。如果改善药剂的性能和结构,还能够提高稳定化产物的长期稳定性,避免其二次浸出。目前,常用的稳定剂包括磷酸盐、硫化物、绿矾、石灰、硅酸盐、铁酸盐以及高分子有机化合物等[5-6]。磷酸盐对土壤中Pb、Cu、Zn和Cd等重金属均有良好的稳定效果[7-8];无机胶体铝酸盐氧化物(CAO)对Pb也有很好的稳定化作用[9]。但是,用无机稳定剂处理的飞灰在酸性环境中其重金属仍容易浸出,因此,近年来人们开始重视对有机稳定剂的研究[3]。
氨基硫代甲酸盐及其衍生物、有机多聚磷酸盐、巯基重金属捕收剂、EDTA接聚体和壳聚糖及其衍生物等[8, 10-12]有机药剂的稳定化效果优于无机药剂,受环境pH影响也较小。但有机药剂来源困难,使用成本高,或稳定过程需要加热从而增加能耗[3, 13]。因此,采用常规且廉价的无机药剂与有机螯合剂进行复配并用于稳定飞灰中的重金属成为研究的热点[14-15],因为其在满足相关标准的同时还可以降低成本。目前,复合药剂稳定飞灰重金属的研究主要集中在多元复合药剂的配伍技术及最佳稳定条件探究等方面[13, 16-17],并采用浸出方法来评价药剂的稳定效果。此研究方法应用广泛,但是其研究重点是评估重金属的稳定效率,对药剂稳定飞灰重金属的作用机制的研究还不够深入。重金属的稳定及浸出行为应该是多种因素共同作用的结果,飞灰中重金属的形态特征以及飞灰微观结构与矿物组成对重金属的浸出行为也有着不可忽视的作用[18]。此外,复合药剂各成分投加量对稳定化效果的影响程度及其相关的药剂成本分析等方面的报道也比较少。
本研究以重庆某垃圾焚烧厂的飞灰为对象,对比研究了重过磷酸钙与氨基二硫代甲酸型重金属螯合剂复配对飞灰重金属的稳定效果及其经济效益,并探究了稳定药剂对飞灰微观形貌和矿物学特征的影响以及对重金属的作用机制,以期为经济高效稳定化药剂的选择提供参考。
有机螯合剂与磷酸盐联合稳定垃圾焚烧飞灰中重金属的作用机理
Stabilization mechanism of heavy metals in MSW incineration fly ash using organic chelating-phosphate complex agent
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摘要: 为探讨二硫代氨基甲酸型有机螯合剂(FACAR)和重过磷酸钙(TSP)对垃圾焚烧飞灰中重金属Pb、Cd、Ni的稳定作用机制,对稳定前后的飞灰采用BCR连续提取法、X射线衍射(XRD)分析以及扫描电镜-能谱(SEM-EDS)联用等分析方法进行了表征。结果表明:投加质量分数5%的FACAR能有效稳定飞灰中Pb、Cd和Ni,其浸出浓度低于《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB 16889-2008)规定的浸出浓度限值;采用3% FACAR和3% TSP复配药剂处理,可使飞灰达到GB 16889-2008进场要求;经复合药剂稳定处理后的飞灰颗粒表面孔隙度明显降低,飞灰中Pb、Cd和Ni的形态均由不稳定态向稳定态转化。该复合稳定剂的稳定机制主要为螯合、共沉淀和吸附联合作用机制,其中,有机螯合剂中含硫官能团是影响重金属稳定的主要因素,且重金属具有优先与含硫官能团结合的特性。Abstract: Municipal solid waste (MSW) incineration fly ash were stabilized by combining dithiocarbamate chelating resin agent (FACAR) with triple superphosphate (TSP). For the pristine and stabilized fly ash, BCR sequential extraction procedure, X-ray diffraction (XRD) analysis and scanning electron microscope-energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS) measurement were performed to explore the mechanism of heavy metals stabilization. The results indicated that 5% FACAR addition could effectively stabilize heavy metal Pb, Cd and Ni in fly ash, and the leaching concentrations of Pb, Cd and Ni were lower than the limits stipulated in Standard for Pollution Control on the Landfill Site of Municipal Solid Waste (GB 16889-2008). Moreover, the fly ash treated by the combination of 3% FACAR and 3% TSP could meet the requirements of GB 16889-2008 and the cost obviously decreased, its surface porosity was reduced significantly, and the unstable forms of Pb, Cd and Ni changed to stable ones. The stabilization of Pb, Cd and Ni was mainly ascribed to the joint mechanisms of chelation, co-precipitation and adsorption. Furthermore, the sulfur functional groups contained in the FACAR were the main factors affecting the heavy metals stabilization, which could be preferentially bonded with the sulfur functional groups.
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Key words:
- fly ash /
- heavy metals /
- phosphate /
- organic chelating agent /
- stabilization mechanism
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表 1 垃圾焚烧飞灰中重金属的含量及其浸出浓度
Table 1. Concentrations of heavy metals in MSWI fly ash and their leaching contents
重金属元素 重金属含量/(mg·kg−1) HJ/T 300-2007浸出浓度/(mg·L−1) GB 16889-2008标准限值/(mg·L−1) Pb 1 086.86 3.35 0.25 Cd 85.17 0.28 0.15 Ni 68.73 0.79 0.5 Cr 108.47 0.50 4.5 Cu 553.21 0.21 40 Zn 5 846.16 0.85 100 表 2 TSP与FACAR对飞灰中重金属的稳定化效果
Table 2. Stabilization effect of TSP and FACAR on heavy metals in fly ash
添加剂量/% TSP稳定后重金属浸出浓度/(mg·L−1) FACAR稳定后重金属浸出浓度/(mg·L−1) Pb Cd Ni Pb Cd Ni 0 3.35 0.28 0.79 3.35 0.28 0.79 1 2.25 0.19 0.48 2.12 0.02 0.29 2 1.81 0.18 0.42 0.80 ND 0.08 3 1.53 0.17 0.39 0.28 ND ND 4 1.38 0.17 0.37 ND ND ND 5 1.37 0.16 0.37 ND ND ND 填埋标准1) 0.25 0.15 0.50 0.25 0.15 0.50 注:ND表浓度低于仪器检出限;1)《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB 16889-2008)规定的浸出浓度限值。 表 3 飞灰中Pb浸出浓度的方差分析
Table 3. Variance analysis of the leaching concentrations of Pb
项目 平方和 自由度 均方差 F 显著性(P<0.05或P<0.01) FACAR添加量 1.069 2 0.534 5 178.167 有(P<0.01) TSP添加量 0.193 2 0.096 5 32.167 有(P<0.05) 误差 0.012 4 0.003 总和 1.274 8 注:F0.95(2, 4) =6.94,F0.975 (2, 4) =10.65,F0.99 (2, 4) =18.00。 表 4 飞灰中Cd浸出浓度的方差分析
Table 4. Variance analysis of the leaching concentrations of Cd
项目 平方和 自由度 均方差 F 显著性(P<0.05或P<0.01) FACAR添加量 0.007 746 2 0.003 873 172.133 有(P<0.01) TSP添加量 0.000 402 2 0.000 201 8.933 无 误差 0.000 09 4 0.000 022 5 总和 0.008 238 8 表 5 飞灰中Ni浸出浓度的方差分析
Table 5. Variance analysis of the leaching concentrations of Ni
项目 平方和 自由度 均方差 F 显著性(P<0.05或P<0.01) FACAR添加量 0.058 2 2 0.029 1 24.766 有(P<0.05) TSP添加量 0.010 3 2 0.005 15 4.383 无 误差 0.004 7 4 0.001 175 总和 0.073 2 8 表 6 FACAR/TSP复配药剂与其他药剂稳定化效果对比
Table 6. Comparisons of stabilization effect between compound agent FACAR/TSP and other agents
药剂名称 稳定条件 浸出方法 原灰 稳定后 二丁基二硫代磷酰铵[10] 0.1 mol·L−1药剂溶液与飞灰按液固比32∶20混合,室温1 d后烘箱60 ℃烘干10 h TCLP Pb=33.8 mg·L−1
Cd=6.2 mg·L−1Pb=10.4 mg·L−1
Cd=5.6 mg·L−1硫基螯合剂[23] 与蒸馏水按质量比为1∶3混合配置溶液,按与飞灰质量21%螯合剂溶液+30%蒸馏水稳定 HJ/T 300-2007 Pb=21.320 mg·L−1
Ni=0.621 mg·L−1Pb=0.151 mg·L−1
未检出Ni四硫代联氨基甲酸[11] 稳定剂TBA、飞灰与去离子水按比例1∶10∶10(mol∶kg∶kg)混合,充分搅拌后,在70 ℃干燥4~5 h,研磨 TCLP Pb=6.5 mg·L−1
Cd=3.21 mg·L−1
Ni=6.45 mg·L−1Pb=1.18 mg·L−1
未检出Cd
Ni=0.526 mg·L−1二乙氨基荒酸锌和磷酸钠[15] 二乙氨基荒酸锌、磷酸钠和去离子水按质量比1∶8∶20配置溶液,再与飞灰按液固比20∶100混匀,在室温下自然养护5 d HJ/T 300-2007 Pb=1.793 mg·L−1
Cd=0.856 mg·L−1
Ni=0.306 mg·L−1达到GB 16889-2008
中的浸出限值本研究FACAR/TSP 按FACAR与纯水质量比12∶100配置溶液,将TSP、飞卡溶液和飞灰按质量比为3∶25∶100混合,室温条件下养护2 d HJ/T 300-2007 Pb=3.348 mg·L−1
Cd=0.280 mg·L−1
Ni=0.79 mg·L−1Pb=0.065 mg·L−1
未检出Cd
未检出Ni表 7 飞灰颗粒表面的元素组成及其质量分数(以飞灰干重计)
Table 7. Composition and mass fraction (dry weight) of elements on fly ash particles surface %
元素 浸出前的质量分数 浸出后的质量分数 C 11.42~17.97 13.66~29.48 O 39.89~51.64 34.23~57.54 Ca 20.83~42.53 12.55~41.65 Si — 3.96~17.76 S — 3.48~6.57 P 0~2.59 1.67~3.55 Pb 0~0.70 0.86~2.92 Cd 0.24~0.58 0.05~0.48 Ni 0~0.75 0.11~0.63 Cr 0~0.22 0.07~0.68 Cu 0~0.55 0.09~0.81 Zn 0~1.09 1.35~3.67 Al — 1.26~6.70 Mg — 0~1.35 注:“—”表示未检出。 -
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