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冶金渣基胶凝材料固化生活垃圾焚烧飞灰的性能研究

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许伟航, 傅平丰, 方贵稳, 王亮华. 冶金渣基胶凝材料固化生活垃圾焚烧飞灰的性能研究[J]. 矿产保护与利用, 2021, 41(3): 10-16. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2021.03.002
引用本文: 许伟航, 傅平丰, 方贵稳, 王亮华. 冶金渣基胶凝材料固化生活垃圾焚烧飞灰的性能研究[J]. 矿产保护与利用, 2021, 41(3): 10-16. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2021.03.002
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XU Weihang, FU Pingfeng, FANG Guiwen, WANG Lianghua. Solidification of Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash with Metallurgically Based Cementitious Materials[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2021, 41(3): 10-16. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2021.03.002
Citation: XU Weihang, FU Pingfeng, FANG Guiwen, WANG Lianghua. Solidification of Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash with Metallurgically Based Cementitious Materials[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2021, 41(3): 10-16. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2021.03.002
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冶金渣基胶凝材料固化生活垃圾焚烧飞灰的性能研究

  • 北京科技大学 土木与资源工程学院, 北京 100083

  • 基金项目:
    国家重点研发计划项目（2018YFC1900604）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（FRF-MP-20-21）
详细信息
    作者简介: 许伟航(1994-), 男, 内蒙古赤峰人, 硕士研究生, 主要从事大宗工业固废资源化研究, E-mail: a19801153785@163.com
    通讯作者: 傅平丰(1976-), 男, 浙江诸暨人, 博士, 副教授, 主要从事矿山环境治理研究, E-mail: pffu@ces.ustb.edu.cn

  • 中图分类号: X756

Solidification of Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash with Metallurgically Based Cementitious Materials

  • School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China

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    摘要

  • 以矿渣、钢渣、脱硫灰和磷酸淤渣为原材料，优化4种原料的配合比，制备出冶金渣基胶凝材料，考察其对垃圾焚烧飞灰中重金属的固化性能。结果表明：当m（矿渣）：m（钢渣）：m（脱硫灰）：m（磷酸淤渣）=36%：32%：12%：20%时，冶金渣基胶凝材料净浆试块的抗压强度达35.2 MPa。随着垃圾焚烧飞灰掺入量从10%增加到80%，固化体的强度不断下降；但是，当垃圾焚烧飞灰掺量高达到80%时，固化体抗压强度仍达2.2 MPa，Pb、Zn、Cr、Hg和As的固化率仍超过99%，垃圾焚烧飞灰固化体的抗压强度和重金属浸出浓度均满足《生活垃圾卫生填埋场污染控制标准（GB 16889—2008）》的要求。

    The metallurgically based cementitious materials were prepared by optimizing the mass ratio of blast furnace slag, steel slag, desulfurization ash and phosphoric acid sludge. The immobilization performances of heavy metals in Municipal Solid Waste Incineration (MSWI) fly ash were evaluated by using metallurgically based cementitious materials as binding agent. The results showed that the compressive strength of cement paste for metallurgically based cementitious materials reached 35.2 MPa with the mass ratio of blast furnace slag, steel slag, desulfurization ash and phosphoric acid sludge of 36%: 32%: 12%: 20%. When the mixing ratio of MSWI fly ash increased from 10% to 80%, the compressive strength of solidified matrix decreased gradually. However, while the mixing ratio of MSWI fly ash was as high as 80%, the compressive strength of solidified matrix still reached 2.2 MPa, and the immobilization rates of Pb, Zn, Cr, Hg and As were higher than 99%. The leaching concentration of heavy metals and the compressive strength of solidified matrix well met the requirements of 《Standard for Pollution Control on the Landfill Site of Municipal Solid Waste (GB 16889-2008)》.

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  • 图 1  磷酸淤渣(a)与脱硫灰(b)的XRD图谱

    Figure 1. 

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    图 2  保定垃圾焚烧飞灰的XRD图谱

    Figure 2. 

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    图 3  垃圾焚烧飞灰掺入量对固化体抗压强度的影响

    Figure 3. 

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    图 4  胶凝材料中钢渣配比对固化体抗压强度的影响

    Figure 4. 

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    图 5  胶凝材料中磷酸淤渣配对固化体抗压强度的影响

    Figure 5. 

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    图 6  冶金渣基胶凝材料固化垃圾焚烧飞灰固化体的XRD图谱

    Figure 6. 

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    图 7  冶金渣基胶凝材料固化垃圾焚烧飞灰固化体的SEM图

    Figure 7. 

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    表 1  4种原材料的主要化学成分

    Table 1.  Main chemical compositions of four raw materials  /%

    原材料 Fe2O3 Al2O3 SiO2 CaO MgO K2O Na2O P2O5
    磷酸淤渣 0.48 1.14 4.73 44.52 1.56 0.32 0.33 21.76
    钢渣 26.32 4.30 14.17 38.93 8.22 0.01 0.07 1.29
    脱硫灰 5.65 0.83 2.12 32.23 0.83 3.20 0.80 0.36
    矿渣 1.07 15.73 35.03 36.61 8.59 0.01 0.30 0.13
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    表 2  4种原料和垃圾焚烧飞灰中重金属含量

    Table 2.  Heavy metal contents in four raw materials and MSWI fly ash  /(mg·kg-1)

    材料 Pb Zn Cr As Hg
    磷酸淤渣 4.22 50.95 ND 32.12 0.01
    钢渣 1.26 39.75 422.30 8.14 0.17
    脱硫灰 2 412.81 192.20 ND 22.57 2.35
    矿渣 0.06 16.67 ND ND ND
    垃圾焚烧飞灰 1 502.00 2 526.00 42.40 28.70 6.46
    注：ND为未检测出。
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    表 3  正交试验方案配比及固化体的抗压强度

    Table 3.  Orthogonal experimentof ratios of four raw materials and compressive strength of solidified matrix

    编号 胶凝材料配比/% 抗压强度/MPa
    钢渣 脱硫灰 磷酸淤渣 矿渣 3 d 7 d 28 d
    A1 28 8 20 44 5.40 15.3 23.3
    A2 28 10 26 36 4.19 15.2 24.5
    A3 28 12 32 28 3.26 10.8 19.2
    A4 28 14 38 20 2.03 6.6 14.8
    A5 32 8 26 34 5.25 16.6 21.2
    A6 32 10 20 38 4.26 15.7 26.0
    A7 32 12 38 18 2.26 9.5 17.3
    A8 32 14 32 22 2.70 11.4 19.2
    A9 36 8 32 24 3.28 12.0 16.6
    A10 36 10 38 16 1.8 8.4 13.5
    A11 36 12 20 32 2.13 16.9 22.6
    A12 36 14 26 24 0.96 12.0 20.4
    A13 40 8 38 14 1.31 6.9 13.8
    A14 40 10 32 18 1.60 8.9 16.7
    A15 40 12 26 22 1.11 11.6 22.2
    A16 40 14 20 26 0.85 13.7 23.1
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    表 4  最优配比下冶金渣基胶凝材料净浆试块的抗压强度

    Table 4.  Compressive strength of metallurgically based cement paste with optimized ratio of four raw materials

    胶凝材料配比/% 抗压强度/MPa
    磷酸淤渣 钢渣 脱硫灰 矿渣 3 d 7 d 28 d
    20 32 12 36 26.9 28.3 35.2
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    表 5  垃圾焚烧飞灰掺入量对重金属浸出浓度和固化率的影响

    Table 5.  Effect of MSWI fly ash contents on leaching concentration and immobilization rate of five heavy metals

    垃圾焚烧飞灰掺入量/% 重金属浸出浓度/(μg·L-1) 重金属固化率/%
    Zn Cr As Pb Hg Zn Cr As Pb Hg
    10 9.6 1.4 1.4 2.3 4.60 99.77 99.98 99.86 99.99 99.01
    20 34.6 1.3 6.7 1.3 7.07 99.97 99.98 99.58 100.00 99.13
    30 7.1 1.5 2.9 2.0 3.10 99.92 99.98 99.50 99.99 99.14
    40 30.1 1.4 3.9 4.2 5.70 99.82 99.98 99.62 99.99 98.80
    50 95.7 1.2 3.3 4.7 8.70 99.88 99.95 99.61 99.99 98.53
    60 78.5 2.3 3.8 9.4 8.33 99.99 99.94 99.59 99.98 98.82
    70 8.3 2.6 4.3 25.6 5.08 99.99 99.94 99.27 99.96 99.38
    80 5.1 2.2 8.5 148.0 2.60 99.99 99.84 99.44 99.77 99.72
    标准值* 100 000 4 500 300 250 50
    *注：《生活垃圾卫生填埋场污染控制标准》(GB 16889-2008)对垃圾焚烧飞灰经固化稳定化后进入卫生填埋场的入场要求。
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    表 6  胶凝材料中钢渣配比对5种重金属固化率影响

    Table 6.  Effect of steel slag content in cementitious materials on the immobilization rate of five heavy metals  /%

    钢渣配比/% Zn Cr As Pb Hg
    12 99.99 99.82 99.54 99.84 98.76
    22 99.99 99.81 99.68 99.90 99.12
    32 99.99 99.93 99.63 99.91 99.60
    42 99.99 99.92 99.59 99.92 98.35
    52 99.99 99.90 99.55 99.83 99.46
    62 99.99 99.90 99.38 99.87 99.26
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    表 7  胶凝材料中磷酸淤渣配比对重金属固化率影响

    Table 7.  Effect of phosphoric acid sludge contentin cementitious materials on the immobilization rate of five heavy metals  /%

    磷酸淤渣配比/% Zn Cr As Pb Hg
    10 99.99 99.93 99.24 99.98 99.63
    20 99.99 99.97 99.40 99.87 99.60
    30 99.99 99.93 99.63 99.91 99.65
    40 100.00 99.65 99.63 99.89 99.68
    50 99.99 99.80 99.60 99.94 96.16
    60 99.99 99.77 99.45 99.92 93.97
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出版历程
收稿日期:  2021-05-03
刊出日期:  2021-06-25

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