微波作用下的垃圾焚烧飞灰湿法稳定化研究
近年来，随着我国社会经济的发展和城市化进程的加快，城市垃圾焚烧处理技术得到迅速普及。初步统计，2005年底全国垃圾焚烧日处理能力达到3万t以上。按照飞灰产率3.00%计算，全国每年产生垃圾焚烧飞灰30万t以上。垃圾焚烧飞灰中含有大量的重金属，属于危险废物，在进入危险废物填埋场之前必须经过稳定化/固化处理。传统的稳定化/固化处理技术包括水泥固化、石灰固化、化学药剂稳定化、烧结固化或熔融固化等[1]。石灰固化存在着固化体强度不高和对重金属的稳定效果不好等缺点。水泥固化是一种应用比较广泛的固化/稳定化方法，在成本上具有一定优势。但是水泥固化增容比较大，而且不适于处理含铅高的飞灰。熔融处理和有机螯合剂稳定化飞灰重金属具有很好的效果，但是高昂的处理费用限制了其进一步推广。与其他方法相比，采用微波加热选择性浸出垃圾焚烧飞灰，使重金属与飞灰分离，不仅可以使飞灰无毒化，还可以进行资源回收。
微波加热属于体加热，通过分子高速转动产生内摩擦热、无热滞后性，具有加热速度快、内部加热、选择性加热、加热均匀等特点。在浸出时，微波加热促使物料颗粒表面破裂，暴露出新鲜表面，有利于液固反应的进行；同时在外加电场的作用下，极性分子迅速改变方向进行高速振动，不仅产生了热量，而且增加了物质间的相互碰撞，强化了反应的进行[2]。因此，本研究将微波加热优点与酸浸法相结合，探索微波加热选择性浸出飞灰中重金属的垃圾焚烧飞灰处置新工艺路线。
1试验原料
样品采自华东某生活垃圾焚烧厂。分别采集垃圾焚烧系统的烟道飞灰和布袋飞灰，在实验室均匀混合后，在105℃烘干24h。冷却后研磨混合均匀，用XRF- 1700型X射线荧光光谱仪测定其主要元素含量。采用改进的ASTMD6357-00a方法[3]消解飞灰和水洗飞灰样品，过滤(0.45μm)后采用 PEElan6000型感应耦合等离子体原子发射光谱(重金属)测定重金属含量(表1)。
表1飞灰物质组成及重金属含量 |
2试验装置和方法
由于飞灰中重金属Pb和Zn含量较高，因此对重金属的去除和回收以Pb和Zn为对象。飞灰在105℃烘干24h，然后研磨，混合均匀。先分别将不同浓度的浸出剂置于密封烧杯中，并在磁力加热搅拌器上加热到需要的温度。然后，分别加入10g烘干混匀后的原飞灰或水洗飞灰后保持温度同时搅拌。到反应时间后泥浆立即过滤。测定浸出液中目标重金属含量。微波浸出过程采用新型的微波加热密闭浸出设备，该试验装置的微波功率为0～1kW，频率为2450MHz，并能实现自动控温、控压功能。
3试验结果与讨论
3.1不同浸出剂对重金属浸出的影响
在其它浸出条件不变的情况下，比较不同浓度的各种浸出剂对锌和铅的浸出率。浸出剂浓度小于1M时浸出效率和浸出剂浓度呈强的正相关性，当浓度继续增大时固液分离变得困难。对于1mol/L的不同浸出剂，锌浸出率结果为硫酸81.7%、盐酸68.4%、硝酸63.5%、醋酸59.5%、氢氧化钠 8.7%；Pb浸出率分别为硫酸5.2%、盐酸74.5%、硝酸65.0%、醋酸60.3%、氢氧化钠26.7%。综合考虑对Pb和Zn的浸出效果，选择 1mol/LHCl作为后续试验浸出剂。
3.2传统加热处理对重金属浸出的影响
将浸出剂加热到固定温度，加入飞灰后浸出60min。结果表明，随着处理温度的升高，浸出率略有提高(图1)。当处理温度从30℃提高到95℃时，锌的浸出率从59.94%提高到68.10%，铅的浸出率从65.89%提高到70.23%。在传统加热过程中，能量是通过热的对流、传导和辐射从材料表面传递给材料体的。温度影响试验说明传统加热的“热效应”不能显著提高飞灰中重金属的溶解。
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图1传统加热时温度对垃圾焚烧飞灰重金属浸出的影响 |
3.3浸出剂浓度对垃圾焚烧飞灰重金属微波浸出的影响
在固定微波功率为400W、液固比25、微波作用7min的条件下，盐酸浓度对飞灰中重金属浸出率影响的结果见图2。从图2可知，在微波作用下浸出剂浓度对Pb和Zn浸出率的影响与传统浸出的规律一致。浸出剂浓度在1mol/L时，从飞灰中去除重金属Pb、Zn效果最好，当浓度较高时会产生凝胶状沉淀，使溶液过滤困难，从而使浸出率下降。
 图2浸出剂浓度对垃圾焚烧飞灰重金属微波浸出的影响 |
3.4液固比对垃圾焚烧飞灰重金属微波浸出的影响
固定浸出时间10min，微波功率800W，浸出剂浓度1mol/L，试验结果见图3。从图3可看出，液固比对飞灰中重金属浸出率有着重要的影响。其原因在于，随着液固比增大，在微波加热的作用下飞灰与浸出剂更加充分接触，碰撞加剧，加快了体系反应速率，同时浸出体系压力较大，浸出剂易于渗透到物料内部，从而可以强化反应的进行。对比图1还可以看到，微波浸出液固比=10时浸出率要高于常规浸出时液固比=25时的浸出率，说明微波浸出时更加经济。
 图3液固比对垃圾焚烧飞灰重金属浸出的影响 |
3.5微波辐射时间对飞灰重金属浸出的影响
微波辐射时间对飞灰重金属浸出率的影响如图4所示。
 图4微波辐射时间对垃圾焚烧飞灰中重金属浸出率的影响 |
从图4可知，微波辐射后重金属的浸出率有了明显的提高，并在很短的时间内就可以达到很高的浸出率，但是随微波辐射时间增加铅锌的浸出率不再明显提高，这是由于飞灰中几乎全部的铅锌都已经被浸出。与传统加热预处理相比，锌的浸出率提高了20多个百分点，充分显示了微波预处理的优越性。微波加热是一个体加热和选择性加热的过程，穿透力强，速度快，不同于热传导方式的传统加热。
在微波场内，微波透射进入溶液导致充分的体加热。因此，微波影响矿物和溶剂间的局部反应。在单个颗粒上发生的局部过热能够提高反应动力学，导致颗粒破裂，暴露出新鲜的表面。内部表面积进一步扩大，这样非常有利于浸出剂的进入，提高重金属浸出率。
3.6微波湿法稳定化处理后飞灰残渣的浸出毒性分析
采用美国EPA的TCLP(Toxicity Characteristic Leaching Procedure)毒性浸出程序(US EPASW846-1311)分析飞灰处理前后的浸出毒性。试验结果表明，各种重金属的浸出浓度都远远低于危险废物浸出毒性鉴别标准，因此微波湿法稳定化处理后飞灰达到了无害化要求。
4结论
(1)首次提出微波选择浸出垃圾焚烧飞灰中重金属的无害化处理工艺路线，并得到优化试验条件为浸出剂盐酸浓度1mol/L，液固比25∶1，浸出时间4min。
(2)采用微波处理飞灰重金属可以得到满意的效果，微波辐射浸出与传统加热浸出相比较，Pb、Zn浸出率得到明显提高，可以达到90%～99%；在浸出率相同的前提下，微波浸出可减少浸出剂用量，缩短浸出时间。
(3)试验选用新型的微波加热密闭浸出设备去除飞灰中重金属，处理后垃圾焚烧飞灰满足无害化要求。
参考文献
[1] Nagib S, Inoue K. Recovery of lead and zinc from fly ash generated from municipal incineration p lants by means of acid and /or alka-line leaching [ J ]. Hydrometallurgy, 2000, 56 (3) : 2692292.
[ 2 ] 彭金辉,杨显万. 微波能技术新应用[M ]. 云南: 科技出版社, 1997.
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