垃圾焚烧飞灰浸出行为与机理研究

论文摘要

近年来，我国日益关注危险废物的处置和利用过程中的环境风险问题。作为一种典型危险废物-垃圾焚烧飞灰在处置过程中的环境风险也随着焚烧技术快速推广而备受关注，对焚烧飞灰在不同场景下的浸出规律的认识是全面科学评价焚烧飞灰处置与利用过程中环境风险的步骤。本文旨在研究焚烧飞灰中主要成分和重金属的浸出行为与机理，探讨焚烧飞灰在不同条件和不同时间尺度下的浸出动力学。借助连续化学提取（SCE）的方法加速焚烧飞灰矿物相分级溶解，并结合XRF和XRD分析飞灰主要成分与物相构成，对焚烧飞灰中主要成分和重金属的浸出过程进行了研究。发现不同时间尺度的浸出行为控制过程不同：初始阶段的表面溶解和扩散是快速过程，主要由矿物相的溶解过程控制，浸出物的存在形态对应于SCE中的水溶与可交换态；随着时间的推移，酸溶相的中和过程逐渐控制了飞灰的浸出进程，浸出物主要是以碳酸盐和Fe-Mn氧化物结合态形式存在；基体相的化学风化过程控制了长期浸出过程，浸出物主要以有机结合态和残渣态形式存在。采用批试验的方法，研究了焚烧飞灰浸出测试中的主要控制因素对飞灰主要成分和重金属的浸出行为的影响。结果表明：浸取剂种类、浸取剂pH值、液固比、浸取时间对焚烧飞灰初始阶段的主要成分（Ca、K、Na和Cl）浸出影响很小，而重金属的浸出能力受到以上4种控制因素不同程度的影响；浸取剂种类和浸取剂的pH值控制着批试验浸出体系的性质，并对酸溶态的分解与浸出有很大的影响。采用柱试验和类柱试验的方法研究了过流系统中焚烧飞灰的浸出行为。过流系统中飞灰主要成分（Ca、K、Na和Cl）在浸取初期可以形成浸出高峰，峰面随飞灰层厚度的增加而不断升高，同时浸出峰随时间的推移迅速减小；重金属在过流系统中也形成了浸出峰面，其变化规律与主要元素类似，只是浸出峰面随时间推移而减少的速度较慢。经过过流系统长期浸出后的飞灰在TCLP浸出测试中的浸出能力反而超过原灰，这与飞灰酸中和能力减弱有关。利用“定pH值滴定”的方法，研究了分批式系统中焚烧飞灰酸中和能力，并与过流系统的酸中和过程进行比较分析。在分批式系统中，焚烧飞灰可溶相的快速溶解导致酸消耗量快速升高，含Ca成分的溶解消耗大量的H+，当焚烧飞灰中矿物的溶解进程受到了限制时，酸消耗量趋于稳定，浸出过程进入基质相破坏与溶解阶段；由于过流系统中pH峰面的形成与迁移，批反应系统中的酸中和容量的概念在过流系统中不适用。在以上研究的基础上，将试验研究与地球化学模型相结合，分析焚烧飞灰在不同时间尺度下的浸出机理与动力学模型。利用多相非催化反应和核收缩模型分析了批试验中的重金属浸出过程机理，建立了一种可以预测不同液固比条件下重金属浸出自抑制动力学模型，并以重金属Pb为例，验证了重金属浸出机理与模型的准确性；飞灰浸出过程中长期的化学风化缓慢而复杂，并受多种因素控制，构建飞灰长期浸出模型需要考虑到水流传质、酸中和反应、二次沉淀形成、碳酸化反应、表面特征变化以及其他复杂的化学反应等多个方面。总之，本文将试验研究与数学模型相结合，系统研究了焚烧飞灰在不同试验条件和不同时间尺度下的浸出行为与机理，这对全面科学评价焚烧飞灰处置与利用过程中环境风险具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 我国城市生活垃圾产生规模与处理现状
• 1.1.2 我国垃圾焚烧飞灰产生、处理处置与管理现状
• 1.1.3 焚烧飞灰中重金属潜在的环境风险
• 1.2 研究进展
• 1.2.1 焚烧飞灰的形成
• 1.2.2 焚烧飞灰化学组成、矿物学和形态学特征
• 1.2.3 飞灰成分的浸出
• 1.2.4 飞灰浸出行为评价方法
• 1.2.5 焚烧飞灰特殊性及其在浸出行为研究方面面临的问题
• 1.3 研究内容与技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 第二章 焚烧飞灰理化特性与浸出过程研究
• 2.1 飞灰的主要成分
• 2.2 飞灰的物相构成
• 2.3 焚烧飞灰的形态
• 2.4 重金属形态分布
• 2.5 重金属浸出特性
• 2.6 焚烧飞灰浸出过程
• 2.6.1 表面浸出和溶解的初始阶段
• 2.6.2 酸溶相的浸出行为
• 2.6.3 基体相的分解
• 2.6.4 重金属元素释放过程
• 2.6.5 浸出控制过程鉴别
• 2.7 本章小结
• 第三章 焚烧飞灰浸出测试影响因素研究
• 3.1 浸取剂对飞灰浸出行为的影响
• 3.1.1 不同浸取剂的缓冲能力
• 3.1.2 浸取剂对主要元素浸出浓度的影响
• 3.1.3 浸取剂对重金属浸出浓度的影响
• 3.2 初始pH值
• 3.3 液固比
• 3.3.1 液固比对浸出液pH的影响
• 3.3.2 液固比对主要成分浸出浓度的影响
• 3.3.3 液固比对重金属浸出规律的影响
• 3.4 浸取时间
• 3.5 控制条件的作用机理
• 3.6 本章小结
• 第四章 过流系统中焚烧飞灰浸出行为研究
• 4.1 试验设计与方法
• 4.1.1 柱试验
• 4.1.2 类柱试验
• 4.2 主要元素浸出规律
• 4.2.1 柱试验
• 4.2.2 类柱试验
• 4.3 重金属浸出规律
• 4.3.1 柱试验
• 4.3.2 类柱试验
• 4.4 过流系统飞灰浸出行为特点
• 4.5 本章小结
• 第五章 飞灰浸取测试中的酸中和行为研究
• 5.1 批试验的中和过程
• 5.1.1 定pH值滴定实验
• 5.1.2 酸中和容量与时间、pH值的关系
• 5.1.3 缓冲成分的作用
• 5.2 过流系统中的中和过程
• 5.2.1 柱试验
• 5.2.2 类柱试验
• 5.3 批试验与过流系统中和特性比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 焚烧飞灰浸出机理与动力学研究
• 6.1 焚烧飞灰和水溶液间交互作用的一般性描述
• 6.1.1 浸出体系中发生的化学反应（封闭系统）
• 6.1.2 溶质传输（开放系统）
• 6.2 一种批浸出系统中重金属动力学模型
• 6.2.1 批浸出反应体系
• 6.2.2 核收缩模型的局限
• 6.2.3 浸出后飞灰颗粒特性
• 6.2.4 飞灰浸出动力学
• 6.2.5 一种新的重金属浸出自抑制模型介绍
• 6.2.6 飞灰中重金属Pb浸出动力学模型验证
• 6.3 飞灰长期风化过程分析
• 6.3.1 浸出过程的时间尺度
• 6.3.2 飞灰基质相分解动力学
• 6.3.3 焚烧长期化学风化概念模型
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 研究成果及发表的学术论文
• 致谢
• 博士研究生学位论文答辩委员会决议书