广西垃圾焚烧飞灰水泥土工程环境特性与改良研究_胡莉强.pdf
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1、第4 8卷 第3期2 0 2 3年6月 广西大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fG u a n g x iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)V o l.4 8N o.3J u n.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 0-1 3;修订日期:2 0 2 3-0 4-1 8 基金资助:交通部重点研发项目(2 0 2 0M S 4 1 1 0);国家自然科学基金项目(4 2 0 0 7 2 5 0);广西自然科学基金项目(2 0 1 7 G X N S F B A 1 9 8 1 9 9
2、)通讯作者:刘宗辉(1 9 8 7),男,湖南武冈人,广西大学高级工程师,博士;E-m a i l:l z h 8g x u.e d u.c n。引文格式:胡莉强,李嘉祺,蓝天帅,等.广西垃圾焚烧飞灰水泥土工程环境特性与改良研究J.广西大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 8(3):5 3 8-5 4 9.D O I:1 0.1 3 6 2 4/j.c n k i.i s s n.1 0 0 1-7 4 4 5.2 0 2 3.0 5 3 8广西垃圾焚烧飞灰水泥土工程环境特性与改良研究胡莉强1,李嘉祺2,蓝天帅3,杨波3,刘宗辉2*,张晓磊4(1.广西新发展交通集团有限公司,广西 南宁5
3、 3 0 0 2 9;2.广西大学 土木建筑工程学院,广西 南宁5 3 0 0 0 4;3.广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁5 3 0 0 1 1;4.同济大学 土木工程学院,上海2 0 0 0 9 2)摘要:为了提高生活垃圾焚烧飞灰在软土路基水泥土搅拌桩中资源化利用的适用性,采用掺蔗渣灰、水洗、无机试剂螯合及有机试剂螯合4种方法对飞灰进行预处理,通过单轴抗压强度试验获得不同飞灰掺量、不同方法改良后飞灰水泥土的强度特性,并开展重金属提取和重金属表面溶出试验,模拟水泥土搅拌桩在不同服役环境下的重金属浸出特性。试验结果表明:飞灰掺量能显著影响水泥土强度;相同飞灰掺量下,掺蔗渣灰对飞灰水泥土强度
4、促进效果最明显,而无机试剂效果不明显;无机试剂及有机试剂均能提升重金属固化率,而掺蔗渣灰效果不明显;未经重金属固化预处理的原灰水泥土在水平振荡法和硫酸硝酸法下,各重金属浸出浓度分别满足 污水综合排放标准(G B8 9 7 81 9 9 6)和 危险废物填埋污染控制标准(G B1 8 5 9 82 0 1 9)。关键词:垃圾焚烧飞灰;水泥土;重金属浸出中图分类号:TU 4 7 2.6 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-7 4 4 5(2 0 2 3)0 3-0 5 3 8-1 2S t u d yo ne n g i n e e r i n ga n de n v i r o n m e
5、 n t c h a r a c t e r i s t i c sa n d i m p r o v e m e n t o f f l ya s hc e m e n t-s t a b i l i z e ds o i lf r o md o m e s t i cw a s t e i n c i n e r a t i o n i nG u a n g x iHUL i q i a n g1,L I J i a q i2,L ANT i a n s h u a i3,YAN GB o3,L I UZ o n g h u i2*,Z HAN GX i a o l e i4(1.G u
6、a n g x iN e wD e v e l o p m e n tT r a n s p o r t a t i o nG r o u pC o.,L t d.,N a n n i n g5 3 0 0 2 9,C h i n a;2.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e,G u a n g x iU n i v e r s i t y,N a n n i n g5 3 0 0 0 4,C h i n a;3.G u a n g x iR o a da n dB r i d g e
7、E n g i n e e r i n gG r o u pC o.,L t d.,N a n n i n g5 3 0 0 1 1,C h i n a;4.C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n g,T o n g j iU n i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt oi m p r o v et h ea p p l i c a b i l i t yo fm u n i c i p a ls o l i dw
8、a s t e i n c i n e r a t i o nf l ya s h第3期胡莉强,等:广西垃圾焚烧飞灰水泥土工程环境特性与改良研究(M SW I F A)f o rr e s o u r c e u t i l i z a t i o ni n c e m e n t-s t a b i l i z e d s o i l m i x i n g p i l e o fs o f ts o i lf o u n d a t i o n,f o u r m e t h o d so fa d d i n gs u g a r c a n ea s h,w a t e r w a s
9、 h i n g,i n o r g a n i cr e a g e n tc h e l a t i o na n do r g a n i cr e a g e n tc h e l a t i o n w e r eu s e dt o p r e t r e a t M SW I F A.T h es t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c so ff l ya s hc e m e n t-s t a b i l i z e ds o i li m p r o v e db yd i f f e r e n t M SW I F A c o
10、 n t e n t sa n d m e t h o d s w e r e o b t a i n e d b y u n i a x i a l c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t.T h e l e a c h i n gc h a r a c t e r i s t i c s o f h e a v y m e t a l s i n c e m e n t s o i l m i x i n g p i l e s u n d e r d i f f e r e n t s e r v i c ee n v i r o n
11、m e n t sw e r es i m u l a t e db yh e a v ym e t a le x t r a c t i o na n ds u r f a c ed i s s o l u t i o nt e s t s.T h er e s u l t ss h o wt h a tM SW I F Ac a no b v i o u s l yp r o m o t et h es t r e n g t ho fc e m e n t-s t a b i l i z e ds o i l.S u g a r c a n ea s h,w a t e rw a s h
12、 i n ga n do r g a n i cr e a g e n tc h e l a t i o na l lp r o m o t et h es t r e n g t ho f f l ya s hc e m e n ts o i li nv a r y i n gd e g r e e s,a m o n g w h i c hs u g a r c a n ea s hh a st h e m o s to b v i o u se f f e c t,a n dt h e i n o r g a n i ca g e n th a sn oo b v i o u se f
13、f e c to nt h es t r e n g t h.B o t h i n o r g a n i c r e a g e n tc h e l a t i o n a n d o r g a n i c r e a g e n t c h e l a t i o n c a n i m p r o v e t h e s o l i d i f i c a t i o n r a t e o f h e a v ym e t a l s,b u t t h ee f f e c to fs u g a r c a n ea s hi sn o to b v i o u s.T h
14、el e a c h i n gc o n c e n t r a t i o no fe a c hh e a v ym e t a la r es t i l ll o w e rt h a nt h el i m i tv a l u e si nt h ei n t e g r a t e d w a s t e w a t e rd i s c h a r g es t a n d a r d(G B8 9 7 81 9 9 6)a n dt h es t a n d a r df o rp o l l u t i o nc o n t r o lo nt h eh a z a r
15、d o u sw a s t el a n d f i l l(G B1 8 5 9 82 0 1 9)u n d e rt h eh o r i z o n t a lo s c i l l a t i o n m e t h o da n ds u l f u r i ca c i dn i t r i ca c i dm e t h o d.K e yw o r d s:m u n i c i p a l s o l i dw a s t e i n c i n e r a t i o nf l ya s h;c e m e n t-s t a b i l i z e ds o i l;
16、h e a v ym e n t a ll e a c h i n g0 引言焚烧法已经成为我国垃圾无害化处理的重要手段之一,其副产物飞灰的产量大幅增加。生活垃圾焚烧后的飞灰中富集了C d、C r、P b、H g、C u、Z n等重金属1,具有一定的生物毒性,当前焚烧后的飞灰主要处置方法是进行初步的稳定化处理再入库填埋。另一方面,飞灰的主要成分为C a O、A l2O3、S i O2等,与水泥、粉煤灰等胶凝材料同属C a S i A l体系,其资源化利用引起研究者们的广泛关注,在路基工程、建筑材料和土工技术等多个领域具有广阔应用前景2-7。由于飞灰颗粒细小且具有一定火山灰活性,因此可填充水泥土
17、孔隙并水化产生C SH凝胶,促进水泥土强度发展。将飞灰作为添加材料替代水泥用于水泥土搅拌桩,不但可以节约水泥用量,同时所形成的飞灰固化物能很好地防止重金属渗出,是当前飞灰资源化利用的研究方向之一。目前已有部分学者研究了飞灰在软土加固中实现资源化利用的可行性:S h o w等8发现将飞灰作为固化剂可使海相黏土的强度提高7 5倍以上;陈建建等9、梁仕华等1 0的研究表明:飞灰可显著提高软土的抗剪强度;俞钦钦等1 1、L i a n g等1 2、Z h a等1 3发现飞灰在5%1 0%掺量条件下对水泥土强度有促进效果。然而,当前大多数研究中所选用的飞灰来自于流化床焚烧工艺,随着我国垃圾焚烧技术的升级
18、,流化床将逐步被炉排炉代替,焚烧工艺的变化将导致飞灰的化学成分发生改变,主要表现在S i O2和A l2O3含量的大幅降低,且由于地域不同,可能导致垃圾组分不同,飞灰化学成分也有区别,原有的强度方面研究成果将不再适用。此外,飞灰水泥土重金属浸出情况与其所赋存的环境密切相关,当前各种关于重金属浸出的试验方法和评价标准差异较大,模拟水泥土搅拌桩服役环境,探索重金属浸出特性,有利于科学评价飞灰在水泥土搅拌桩中资源化利用的安全性。针对炉排炉工艺所产生的飞灰,有必要探索飞灰水泥土工程环境特性及改良措施,以确保安全处理的前提下满足工程技术需求1 4。本文选用活性相对较低、污染物含量相对较高的广西贺州炉排炉
19、飞灰为研究对象,采用掺蔗渣灰、水洗、无机试剂螯合及有机试剂螯合4种方法对飞灰进行预处理,通过单轴抗压强度试验获得不同飞灰935广西大学学报(自然科学版)第4 8卷掺量、不同方法改良后飞灰水泥土的强度特性,并开展水泥土重金属提取和重金属表面溶出试验,模拟水泥土搅拌桩在不同服役环境下的重金属浸出特性,通过对比分析不同改良方法下的飞灰水泥土工程环境特性变化规律,进一步探究飞灰及其改良方式在实际工程中的适用范围,研究成果为推动生活垃圾焚烧飞灰在软土路基水泥土搅拌桩中资源化利用提供科学依据和参数支持。1 试验材料与试验方法1.1 试验材料本文选用的飞灰取自广西贺州市某垃圾焚烧电站,焚烧工艺为机械炉排炉,
20、呈深灰色,取回后在1 0 5下烘干2 4h,过孔径为0.1mm筛后测试其基本物理特性、二噁英和重金属含量。试验所用飞灰相对质量为2.3 5,堆积密度为2.1g/c m3,比表面积为4.8 6 2m2/g,p H为1 2.0 9,二噁英含量为0.0 7 6g T E Q/k g,飞灰的重金属含量见表1。对比相关文献1 5-1 6 可以看出:国内广西贺州、浙江杭州、上海的飞灰中Z n、C u含量较为接近,但浙江杭州、上海飞灰的P b、C r含量是广西贺州的35倍,美国和意大利飞灰中的重金属,除C d较为接近外,其余含量均高于国内。蔗渣灰取自广西南宁市某制糖厂,飞灰和蔗渣灰的主要化学成分见表2。可以
21、看出,飞灰的化学组成以C a O为主,蔗渣灰则以S i O2为主,在水泥土中掺入少量蔗渣灰可以实现飞灰与蔗渣灰在化学成分上的优势互补。相比国内江苏、上海、浙江等地,广西贺州飞灰中的S i O2和A l2O3含量较低1 7-1 8。水泥固化剂选用P O 4 2.5普通硅酸盐水泥(O P C)。试验用土取自广西某高速路软弱土路基,取土后风干、粉碎并过孔径为0.5mm筛备用。根据 土工试验方法标准(G B/T5 0 1 2 32 0 1 9)测定得到试验用土的主要物理性质指标见表3。表1 飞灰的重金属含量T a b.1 H e a v ym e t a l c o n t e n t o fM S
22、W I F Am g/k gZ nC uP bC dC r41 0 04 0 110 9 01 7 13 8表2 飞灰和蔗渣灰的主要化学成分T a b.2 M a i nc h e m i c a l c o m p o s i t i o no fM S W I F Aa n ds u g a r c a n ea s h试验材料质量分数/%C a OS i O2M g OF e2O3A l2O3飞灰3 5.72.5 41.5 70.7 50.6 3蔗渣灰5.3 17 5.2 53.0 93.34.0 8表3 试验用土的主要物理性质指标T a b.3 M a i np h y s i c a
23、 l c h a r a c t e r i s t i c so f s o i l含水率/%相对质量塑限/%液限/%塑性指数p H3 0.12.7 22 43 91 55.1 91.2 试验方案及方法1.2.1 试样配比根据研究目标,分别设计强度和重金属浸出2类试验。首先改变原灰和水泥掺量,研究原灰水泥土的强度和环境特性,然后在此基础上进一步设计飞灰改良预处理实验。通过对比原灰、蔗渣灰和P O 4 2.5水泥的化学成分,计算确定蔗渣灰掺量分别为飞灰质量的4%、8%、1 2%,使飞灰中的S i O2含量接近于水泥。有研究1 9表明:p H为45的H3P O4具有较好的除氯效果,F e S O
24、4的质量分数为1%7%时对重金属的固化效果较好,计算确定H3P O4质量分数为4%,F e S O4质量分数分别为2.0%、4.0%、6.0%。有机螯合剂与原灰取自同一垃圾焚烧发电站,参考该发电站的固化 稳定化工艺,兼顾重金属固化效果与成本,计算确定螯合剂掺量为飞灰质量的1.2 5%、045第3期胡莉强,等:广西垃圾焚烧飞灰水泥土工程环境特性与改良研究2.5%、5.0%。飞灰水泥土配合比设计参数见表4。表4 飞灰水泥土配合比设计参数T a b.4 S a m p l ep r e p a r a t i o np a r a m e t e r so f f l ya s hc e m e n
25、 t-s t a b i l i z e ds o i l飞灰种类配合比(飞灰、水泥、土的质量比)改良材料质量分数/%养护龄期/d土体含水率/%原灰水洗灰原灰+蔗渣灰无机螯合(药洗)灰有机螯合灰01 09 0;51 08 51 01 08 0;1 51 07 501 58 5;51 58 01 01 57 5;1 51 57 01 01 08 04、8、1 22、4、61.2 5、2.5 0、5.0 07、1 4、2 8、6 03 01.2.2 试样制备养护及预处理方法(1)试样制备及养护。按设计配合比称取一定量飞灰、水泥与土均匀混合。按土体含水率为3 0%、水灰比为0.5加入所需的水量,以2
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