一种生活垃圾焚烧炉渣的处理方法与流程

本发明涉及环境保护技术领域，具体涉及一种生活垃圾焚烧炉渣的处理方法，提高生活垃圾焚烧炉渣工程性能的同时降低重金属溶出。

背景技术：

随着城市土地成本的增加，垃圾填埋的方式日益受到制约，越来越多的城市生活垃圾以焚烧的方式进行处理。截止到2015年，我国拥有城市生活垃圾焚烧炉220座，每天处理生活垃圾6175.5万吨。垃圾焚烧产生了大量的生活垃圾焚烧炉渣，据统计，每焚烧1吨生活垃圾会产生0.2吨的生活垃圾焚烧炉渣。据此估计，我国每年产生的生活垃圾焚烧炉渣数量约1200万吨。

目前，大量的生活垃圾焚烧炉渣被用于建筑材料，例如作为土建结构层材料，生产水泥，砌砖等。然而，生活垃圾焚烧炉渣含有大量的孔隙结构，影响了生活垃圾焚烧炉渣作为建筑材料的工程特性。新鲜的生活垃圾焚烧炉渣中还含有约5％的未燃尽有机物，这些有机物在环境中被慢速分解，使生活垃圾焚烧炉渣在使用过程中不断形成新的孔隙结构，降低了建筑的工程稳定性。此外，生活垃圾焚烧炉渣中含有高浓度的重金属，重金属的溶出也是限制生活垃圾焚烧炉渣高效使用原因之一。

鉴于此，开发新型的生活垃圾焚烧炉渣预处理技术，减少其孔隙结构并限制其在使用过程中形成新的孔隙结构，同时减少生活垃圾焚烧炉渣作为建筑材料使用过程中重金属的溶出，对于提高生活垃圾焚烧炉渣的工程特性，拓宽生活垃圾焚烧炉渣的利用途径具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明提供一种生活焚烧炉渣的处理方法，提高生活垃圾焚烧炉渣工程性能的同时降低其重金属溶出。

一种生活垃圾焚烧炉渣的处理方法，包括如下步骤：

(1)取新鲜淬火的生活垃圾焚烧炉渣于带有通风装置的密闭容器中，强制通风进行风化处理；

(2)将经风化处理的生活垃圾焚烧炉渣浸泡于纳米二氧化硅和纳米碳酸钙的混合溶液中；

(3)将浸泡后的生活垃圾焚烧炉渣沥水后烘干，然后冷却至室温。

在强制通风过程中，空气在热湿的环境下将生活垃圾焚烧炉渣中的有机物不断氧化，使其有机物含量低于1.5％，降低生活垃圾焚烧炉渣使用过程中新空隙的形成，提高生活垃圾焚烧炉渣的稳定性。同时，空气中的二氧化碳与生活垃圾焚烧炉渣中的游离态重金属发生碳酸化作用，形成碳酸盐，提高了重金属在环境中的稳定性。

风化处理处理过程中风量和通风时间对炉渣改性具有较大的影响。优选地，步骤(1)中通风量为0.4-0.8m³/kg·min，通风时间为70～80h；步骤(1)的风化处理过程中控制温度为25-35℃。

通风量低于0.4m³/kg·min会导致生活垃圾焚烧炉渣中有机物降解效率的降低，通风量高于0.8m³/kg·min将导致小颗粒生活垃圾焚烧炉渣的质量损失，在优选的0.4-0.8m³/kg·min的范围内对于有机物的降解效果及炉渣的质量损失都能控制在较好的范围内。通风时间影响有机物的降解程度和降解速率，通风时间低于70h会导致有机物降解不够完全，通风时间高于80h，有机物的降解趋于缓慢，且会导致生活垃圾焚烧炉渣的黏土化，影响炉渣的颗粒状态，控制在70～80h内，有机物可以完全降解，且降解速率也能满足炉对颗粒状态的要求。

在通风的过程中采取保温措施，利用反应产生的热量将温度维持在25-35℃，过低的温度将导致风化反应速率降低。

在浸泡过程中，纳米二氧化硅和纳米碳酸钙将炉渣中的孔隙进行填充，降低了生活垃圾的孔隙率，增加了生活垃圾焚烧炉渣作为建筑材料的抗压强度。同时，利用纳米二氧化硅和纳米碳酸钙的包裹作用，进一步降低了生活垃圾焚烧炉渣中游离重金属的溶出性。

纳米二氧化硅与纳米碳酸钙混合液的浓度、组成及浸泡时间也会对炉渣改性产生较大的影响。

优选地，步骤(2)的混合溶液的质量浓度为30％-35％；步骤(2)的混合溶液纳米二氧化硅与纳米碳酸钙以csio2:ccaco3为1-2:1进行配比；步骤(2)中浸泡时间为20～30h。该浸泡时间是指从搅拌结束后开始计时。

混合液浓度低于30％会影响其对生活垃圾焚烧炉渣孔隙的填充以及外表面的包裹作用，当混合液浓度高于35％时，混合液浓度进一步提高对生活垃圾焚烧炉渣孔隙填充的提升作用不再显著。

纳米二氧化硅与纳米碳酸钙混合液中溶剂为水，本发明中混合液的质量浓度是指纳米二氧化硅与纳米碳酸钙质量总和占混合溶液总质量的百分比，即100g混合溶液中纳米二氧化硅与纳米碳酸钙质量总和为30～35g。

纳米二氧化硅与纳米碳酸钙的质量比参照该两种物质在生活垃圾焚烧炉渣的质量比，有利于混合液有效成分与生活垃圾焚烧炉渣固有成分的融合，并保持生活垃圾焚烧炉渣化学成分的基本稳定。

浸泡时间低于20h不利于纳米二氧化硅与纳米碳酸钙对炉渣孔隙的填充，从而影响改性后生活垃圾焚烧炉渣的机械特性。浸泡时间长于30h，纳米二氧化硅与纳米碳酸钙对炉渣机械特性(抗压强度)提升不再显著。

为使垃圾焚烧炉渣在混合溶液中均匀分散，进一步优选地，生活垃圾焚烧炉渣加入混合溶液中后先在50-100rpm的转速下搅拌1～2h。

更进一步优选地，反应中的各参数采用上述优选的组合，在上述优选条件组合下，能兼顾到各方面的处理效果。

最优选地，步骤(1)中通风量为0.7m³/kg·min，通风时间为70～80h；步骤(1)的风化处理过程中控制温度为30℃；步骤(2)的混合溶液的质量浓度为33％，混合溶液纳米二氧化硅与纳米碳酸钙以csio2:ccaco3为2:1进行配比；步骤(2)中生活垃圾焚烧炉渣加入混合溶液中后先在50-100rpm的转速下搅拌1h，再浸泡30h。

干燥和冷却的过程进一步提高了纳米二氧化硅和纳米碳酸钙在生活垃圾焚烧炉渣中的牢固度。

优选地，步骤(3)中烘干温度为100～120℃，烘干时间以将生活垃圾焚烧炉渣烘干至含水率低于1.0％为准。

优选地，纳米二氧化硅的粒径为15-30nm，纳米碳酸钙的粒径为30-60nm，均可通过市购获得。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

先以风化处理的方式降低生活垃圾焚烧炉渣的有机物含量至1.5％以下，提高生活垃圾焚烧炉渣的工程稳定性，降低重金属的溶出性；然后利用30％的纳米二氧化硅和纳米碳酸钙混合溶液填充生活垃圾焚烧炉渣的孔隙结构，利用烘干的方法提高纳米二氧化硅和纳米碳酸钙在生活垃圾焚烧炉渣孔隙中的牢固度，从而提高生活垃圾焚烧炉渣的抗压强度。同时，纳米二氧化硅和纳米碳酸钙对生活垃圾焚烧炉渣的包裹作用进一步降低了生活垃圾焚烧炉渣中重金属的溶出。

本发明工艺简单，投资和运行费用低，可将生活垃圾焚烧炉渣的抗压强度提高75％以上，极大的拓宽了生活垃圾焚烧炉渣的利用途径。

以上三个处理步骤存在相互协同的作用。风化处理加速炉渣中残留有机物的降解，形成的新孔隙被纳米二氧化硅与纳米碳酸钙填充，避免了生活垃圾焚烧炉渣在使用过程中形成新空隙，提高了生活垃圾焚烧炉渣使用的稳定性；风化处理过程中，炉渣中游离的金属与二氧化碳反应形成碳酸盐，降低了金属的溶出性；利用纳米二氧化硅与纳米碳酸钙对炉渣表面进行包裹，进一步降低了炉渣中金属的溶出性。

浸泡和冷却的过程有利于纳米二氧化硅与纳米碳酸钙与生活垃圾焚烧炉渣固有成分的融合，保证改性后炉渣使用的机械特性的稳定，降低炉渣中金属的溶出性。

附图说明

图1风化处理对生活垃圾焚烧炉渣烧失率(a)，孔隙率(b)和碳酸盐含量的影响效果图。

图2纳米sio2和纳米caco3处理前后生活垃圾焚烧炉渣孔隙率变化图。

图3是纳米sio2和纳米caco3处理前后生活垃圾焚烧炉渣抗压强度变化。

图4是纳米二氧化硅和纳米碳酸钙混合溶液浓度对炉渣孔隙率和抗压强度的影响图。

图5是不同浸泡时间对于炉渣孔隙率和抗压强度的影响图。

具体实施方式

实施例1

取新鲜淬火的生活垃圾焚烧炉渣于两端通风的密闭容器中，控制温度为30℃。启动风机，调节风机风量为0.7m³/kg·min，对生活垃圾焚烧炉渣进行风化处理，风化处理持续96h。取不同风化时间段样品进行检测，不同风化时间生活垃圾焚烧炉渣烧失率、孔隙率和碳酸盐含量变化如图1所示(其中(a)为烧失率变化图、(b)为孔隙率变化图、(c)为碳酸盐含量变化图)。风化处理后，生活垃圾焚烧炉渣的烧失率(600℃)降低(图1中(a))，孔隙率提高(图1中(b))，表明生活垃圾焚烧炉渣中的未燃尽有机物被氧化分解，降低了生活垃圾焚烧炉渣使用过程中有机物分解带来的不稳定性。同时生活垃圾焚烧炉渣的碳酸盐含量增加(图1中(c))，重金属的溶出量有所降低(表1)。

实验过程还发现，当风化时间超过80h时，炉渣出现一定程度的黏土化，影响了炉渣的颗粒结构，进而影响炉渣的二次利用。此外，当风机风量低于0.4m³/kg·min时，炉渣有机物降解效率降低，降解有机物所需时间明显加长，生活垃圾焚烧炉渣黏土化效应相应增加。当风机风量高于0.8m³/kg·min时，由于风力太大，小颗粒炉渣被吹散，导致炉渣的质量损失太大。因此，本发明中风化时间优选在70～80h内，风机风量控制在0.4～0.8m³/kg·min时

表1不同处理时期生活垃圾焚烧炉渣重金属溶出率(mg/g)

配制浓度33％的纳米二氧化硅和纳米碳酸钙混合溶液(csio2:ccaco3＝2:1)。取经风化处理的生活垃圾焚烧炉渣样品浸泡于纳米二氧化硅和纳米碳酸钙混合溶液中，在50-100rpm的速度下搅拌1h，再浸泡24h后取出。沥水后，于110℃的温度下烘干5h，使生活垃圾焚烧炉渣含水率低于1.0％。烘干后，取出生活垃圾焚烧炉渣冷却至室温。经过纳米二氧化硅和纳米碳酸钙混合溶液处理的生活垃圾焚烧炉渣，其孔隙率大幅降低(图2)，抗压强度大幅提高(图3)，同时，重金属的溶出量进一步降低(表1)。

调节纳米二氧化硅和纳米碳酸钙混合溶液(csio2:ccaco3＝2:1)的浓度分别为20％，30％和40％，其他实验条件不变，得到纳米二氧化硅和纳米碳酸钙混合溶液浓度对炉渣孔隙率和抗压强度的影响，如图4所示。当混合液浓度从20％上升至30％时，炉渣的孔隙率明显下降(图4中(a))，抗压强度明显提升(图4中(b))。当混合液浓度从30％提升至40％时，孔隙率的下降和抗压强度的提升并不显著，因此，本发明优选混合液浓度30～35％。

在纳米二氧化硅和纳米碳酸钙混合溶液浓度为30％的情况下，不同浸泡时间对于炉渣孔隙率和抗压强度的影响如图5所示。当浸泡时间低于20h时，浸泡时间的增加有利于纳米二氧化硅和纳米碳酸钙对炉渣孔隙的填充，降低了炉渣的孔隙率(图5中(a))，同时提高了炉渣的抗压强度(图5(b))。当浸泡时间高于30h后，纳米二氧化硅和纳米碳酸钙混合溶液对孔隙率的下降和抗压强度的提升并不显著。

以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。