医疗垃圾焚烧灰特性实验研究

　　摘要:医疗垃圾焚烧灰的固化/稳定化处理取决于其理化特性·利用XRF,XRD,SEM和AAS对布袋飞灰(FA1)、烟道飞灰(FA2)、底灰(BA)在化学成分、物相、微观形貌、重金属含量和渗沥行为等方面的特性进行了研究·结果表明:FA1中Cl,SO3,碱金属和活性炭含量较高,不宜直接作为水泥的部分替代物用于建筑,且Cd,Zn,Pb的渗沥浓度超过危险废物填埋允许限值,处理后方能进入危废填埋场填埋;FA2,BA的主要物相分别为硬石膏、复杂硅酸盐,重金属渗沥浓度低于危险废物规定的阈值·

　　关键词:医疗垃圾;焚烧灰;物相;重金属;渗沥

　　医疗垃圾焚烧处理具有消毒杀菌彻底、减容减量效果显著、技术成熟等多方面优点·“非典”之后,这一方法在我国得到大力推广·医疗垃圾经焚烧后将产生约30%的底灰和3%的飞灰[1],这些焚烧灰(尤其是飞灰)中含有相当量的二恶英、重金属等毒物,如果处理不当会对人类生存环境造成严重二次污染·

　　1材料和方法

　　1.1焚烧灰样品及分析方法

　　焚烧灰样品取自沈阳危险废物焚烧中心的15t·d-1的医疗垃圾焚烧炉,该炉工艺流程如图1所示·该工艺主要由焚烧和烟气净化装置两部分组成,焚烧部分由回转窑和二燃室组成,并设有余热锅炉;烟气净化装置依次为急冷塔、喷活性炭装置、半干法除酸系统、布袋除尘器·本文收集了该焚烧炉的三种灰样:飞灰(FA1)取自布袋除尘器排灰口,烟道飞灰(FA2)取自二燃室出口、底灰(BA)取自水冷排渣口·

　　1.2分析方法

　　焚烧灰的化学成分分析用日本理学株式会社生产的ZSX100e型X射线荧光光谱仪(XRF)·热灼减率(LOI)是指干燥后的灰样在600℃下灼热3h后测定的质量变化·物相分析用荷兰PANalytical公司生产的X'PertProMPD型X射线衍射仪·微观形貌在灰样经喷金处理后用SSX-550扫描电镜及能谱仪进行分析·

　　2检测结果及分析

　　2.1化学成分和热灼减率

　　表1为3种不同部位焚烧灰的主要化学成分和灼减率分析结果,为保证数据的有效性和可靠性,数据为每种灰样的3个平行样品的测定平均值·从表中可看出,BA中SiO2的含量比FA1和FA2都高,达到了40.9%,而FA1,FA2中Na2O,K2O等易挥发的碱金属元素含量比底灰高·FA1中Cl质量分数为12.31%,主要是由于医疗垃圾中有高含量的PVC塑料及消毒剂,而且氯化物一般沸点低、易挥发进入布袋飞灰中·FA1中还含有1.31%的F,可能是医疗垃圾中氟哌酸抗感冒药等有机氟化合物焚烧后挥发的结果·FA2为深黄色,SO3质量分数高达24.9%,为FA1中的2倍左右·BA中SiO2,CaO,Al2O3三者质量分数之和超过70%,高温下容易玻璃化·

　　2.2物相分析

　　焚烧灰主要由金属、非金属氧化物及盐组成,然而相同或相似的化学成分可以存在不同的物相结构,而物相结构的不同将影响渗沥特性及处理方式的选择[2-3]·3种焚烧灰的XRD分析如图2所示·FA1选取的是经600℃灼烧后除去有机物图2焚烧灰渣的XRD分析图Fig.2XRDpatternofincineratorashes的试样,FA1中含有大量的硬石膏(CaSO4)、氯化钠(NaCl)晶体化合物,这样的飞灰不宜直接作为水泥的部分替代物用于建筑目的,原因有两方面,其一是硫酸盐易形成过量的钙矾石,在水泥水合过程中孔隙容积增加,导致砂浆膨胀破坏混凝土结构;其二是碱金属氯化物不仅能抑制水泥的水合反应,而且极易腐蚀混凝土中的钢筋[8-9]·FA2主要物相为硬石膏(CaSO4),这与2.1节化学成分分析中SO3高含量相符·BA的主要物相为斜硅石(Ca2SiO4),蓝晶石(Al2SiO5),透辉石(CaMgSi2O6)等复杂的硅酸盐及少量石灰石(CaCO3),石英(SiO2)·

　　2.3微观形貌

　　图3a,图3b分别是FA1,BA放大1000倍,150倍的扫描照片·FA1颗粒呈现不规则海绵状,颗粒间有较高的孔隙率,粒径范围约在0.1～5μm之间,与燃煤飞灰光滑球形颗粒形貌区别明显[10]·BA呈大小不均的不规则颗粒,最大颗粒的长度可达150μm,最小的颗粒粒径在1μm左右·研究表明[11],焚烧灰的形貌特征与它们的重金属渗沥行为有明显关系·像FA1这样粒径小、多孔松散、比表面积大的颗粒,浸出液容易浸入内部,促进重金属的溶解·而BA这样粒径大、外表面致密的颗粒一定程度上能阻止重金属的渗沥·

　　2.4重金属含量

　　焚烧灰中重金属含量见表2·挥发性金属Zn,Pb,Cd在Cl含量高的燃烧条件下易形成沸点低的金属氯化物,烟气冷凝过程中浓缩集结在飞灰表面,因此飞灰重金属含量比BA高[4]·Cu是二恶英形成中最活跃的重金属元素,垃圾燃烧后Cu转化为高沸点的Cu2O停留在BA中,但容易被微小颗粒带入飞灰,同时原料中的高含量的Cl有利于CuCl2(沸点为993℃)的形成[12],从而部分挥发进入飞灰中,因此Cu在飞灰、底灰中含量相差不大·极易挥发的金属As,Hg在燃烧过程中主要以气态形式存在,大部分在急冷塔被除去,少部分停留在布袋飞灰中·一些低挥发性的亲岩重金属Ni,Cr主要存在于BA中,但部分可能被固体颗粒夹带入飞灰中·由于二燃室温度为1100℃,其出口烟气温度高,导致FA2中挥发性的重金属Pb,Cd含量较低,若Zn的含量介于FA1与BA间,可能是由于炉内排出的烟气夹带有稳定的Zn的氧化物·

　　2.5重金属渗沥行为

　　表2列出了几种重金属的浸出液浓度·从表2可看出,FA1中几种重金属浸出液浓度均高于BA·FA1中Cd,Zn,Pb的浸出液浓度分别达到了2.96,377.93和6.5mg·L-1,均超过《危险废物填埋污染控制标准》(GB18595—2001)规定的允许填埋限值,其中Cd,Zn的浸出液浓度超标4～5倍,这样的危险废物预处理后方能进入危废填埋场填埋·Cd的渗沥毒性比生活垃圾焚烧灰[3]高,主要是医疗垃圾中含有相对多的Cd作为稳定剂和颜料的塑料,飞灰中Cd容易释放进入渗沥液·按照浸出液毒性鉴别标准,FA2,BA均不属于危险废物·BA虽有较高含量的Zn,Cu,Cr,Ni却不易渗沥,主要原因是BA中含有许多不易溶解的复杂硅酸盐·可见,焚烧灰中重金属含量多少并不代表其对环境的危害性,其毒性取决于重金属相关化合物在环境中的溶解性·

　　3结论

　　(1)FA1中Cl,SO3含量较高,主要以氯化钠(NaCl),硬石膏(CaSO4)的形式存在,其不宜直接作为水泥的部分替代物用于建筑材料,水泥固化前应进行预处理;FA1灼减率高达31.2%,宜采用燃料型熔融方式,以充分利用活性炭的燃烧热·

　　(2)FA1中Cd,Zn,Pb浸出液浓度超过危险废物填埋允许限值,不能直接进行危废填埋·

　　(3)FA2中有高含量SO3,主要物相为硬石膏(CaSO4),按照浸出液毒性鉴别标准,烟道积灰不属于危险废物·

　　(4)BA主要由复杂硅酸盐组成,虽然其中Zn,Cu,Cr,Ni等含量较高,但渗沥率却非常低,可以采用填埋法处理·

　　参考文献:

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　　[2]李润东,聂永丰,李爱民,等·垃圾焚烧飞灰理化特性研究[J]·燃料化学学报,2004,32(2):175-179·(LiRun-dong,NieYong-feng,LiAi-ming,etal.Studyonphysicalchemicalcharacteristicsofflyashfrommunicipalsolidwasteincinerator[J].JournalofFuelChemistryandTechnology,2004,32(2):175-179.)

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　　刘汉桥,蔡九菊,齐鹏飞,田冬青