近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，城市垃圾焚燒處理技術得到迅速普及。初步統(tǒng)計，2005年底全國垃圾焚燒日處理能力達到3萬t以上。按照飛灰產(chǎn)率3.00%計算，全國每年產(chǎn)生垃圾焚燒飛灰30萬t以上。垃圾焚燒飛灰中含有大量的重金屬，屬于危險廢物，在進入危險廢物填埋場之前必須經(jīng)過穩(wěn)定化/固化處理。傳統(tǒng)的穩(wěn)定化/固化處理技術包括水泥固化、石灰固化、化學藥劑穩(wěn)定化、燒結固化或熔融固化等[1]。石灰固化存在著固化體強度不高和對重金屬的穩(wěn)定效果不好等缺點。水泥固化是一種應用比較廣泛的固化/穩(wěn)定化方法，在成本上具有一定優(yōu)勢。但是水泥固化增容比較大，而且不適于處理含鉛高的飛灰。熔融處理和有機螯合劑穩(wěn)定化飛灰重金屬具有很好的效果，但是高昂的處理費用限制了其進一步推廣。與其他方法相比，采用微波加熱選擇性浸出垃圾焚燒飛灰，使重金屬與飛灰分離，不僅可以使飛灰無毒化，還可以進行資源回收。

微波加熱屬于體加熱，通過分子高速轉動產(chǎn)生內摩擦熱、無熱滯后性，具有加熱速度快、內部加熱、選擇性加熱、加熱均勻等特點。在浸出時，微波加熱促使物料顆粒表面破裂，暴露出新鮮表面，有利于液固反應的進行；同時在外加電場的作用下，極性分子迅速改變方向進行高速振動，不僅產(chǎn)生了熱量，而且增加了物質間的相互碰撞，強化了反應的進行[2]。因此，本研究將微波加熱優(yōu)點與酸浸法相結合，探索微波加熱選擇性浸出飛灰中重金屬的垃圾焚燒飛灰處置新工藝路線。

1試驗原料

樣品采自華東某生活垃圾焚燒廠。分別采集垃圾焚燒系統(tǒng)的煙道飛灰和布袋飛灰，在實驗室均勻混合后，在105℃烘干24h。冷卻后研磨混合均勻，用XRF- 1700型X射線熒光光譜儀測定其主要元素含量。采用改進的ASTMD6357-00a方法[3]消解飛灰和水洗飛灰樣品，過濾(0.45μm)后采用 PEElan6000型感應耦合等離子體原子發(fā)射光譜(重金屬)測定重金屬含量(表1)。

表1飛灰物質組成及重金屬含量

2試驗裝置和方法

由于飛灰中重金屬Pb和Zn含量較高，因此對重金屬的去除和回收以Pb和Zn為對象。飛灰在105℃烘干24h，然后研磨，混合均勻。先分別將不同濃度的浸出劑置于密封燒杯中，并在磁力加熱攪拌器上加熱到需要的溫度。然后，分別加入10g烘干混勻后的原飛灰或水洗飛灰后保持溫度同時攪拌。到反應時間后泥漿立即過濾。測定浸出液中目標重金屬含量。微波浸出過程采用新型的微波加熱密閉浸出設備，該試驗裝置的微波功率為0～1kW，頻率為2450MHz，并能實現(xiàn)自動控溫、控壓功能。

3試驗結果與討論

3.1不同浸出劑對重金屬浸出的影響

在其它浸出條件不變的情況下，比較不同濃度的各種浸出劑對鋅和鉛的浸出率。浸出劑濃度小于1M時浸出效率和浸出劑濃度呈強的正相關性，當濃度繼續(xù)增大時固液分離變得困難。對于1mol/L的不同浸出劑，鋅浸出率結果為硫酸81.7%、鹽酸68.4%、硝酸63.5%、醋酸59.5%、氫氧化鈉 8.7%；Pb浸出率分別為硫酸5.2%、鹽酸74.5%、硝酸65.0%、醋酸60.3%、氫氧化鈉26.7%。綜合考慮對Pb和Zn的浸出效果，選擇 1mol/LHCl作為后續(xù)試驗浸出劑。

3.2傳統(tǒng)加熱處理對重金屬浸出的影響

將浸出劑加熱到固定溫度，加入飛灰后浸出60min。結果表明，隨著處理溫度的升高，浸出率略有提高(圖1)。當處理溫度從30℃提高到95℃時，鋅的浸出率從59.94%提高到68.10%，鉛的浸出率從65.89%提高到70.23%。在傳統(tǒng)加熱過程中，能量是通過熱的對流、傳導和輻射從材料表面?zhèn)鬟f給材料體的。溫度影響試驗說明傳統(tǒng)加熱的“熱效應”不能顯著提高飛灰中重金屬的溶解。

3.3浸出劑濃度對垃圾焚燒飛灰重金屬微波浸出的影響

在固定微波功率為400W、液固比25、微波作用7min的條件下，鹽酸濃度對飛灰中重金屬浸出率影響的結果見圖2。從圖2可知，在微波作用下浸出劑濃度對Pb和Zn浸出率的影響與傳統(tǒng)浸出的規(guī)律一致。浸出劑濃度在1mol/L時，從飛灰中去除重金屬Pb、Zn效果最好，當濃度較高時會產(chǎn)生凝膠狀沉淀，使溶液過濾困難，從而使浸出率下降。

圖2浸出劑濃度對垃圾焚燒飛灰重金屬微波浸出的影響

3.4液固比對垃圾焚燒飛灰重金屬微波浸出的影響

固定浸出時間10min，微波功率800W，浸出劑濃度1mol/L，試驗結果見圖3。從圖3可看出，液固比對飛灰中重金屬浸出率有著重要的影響。其原因在于，隨著液固比增大，在微波加熱的作用下飛灰與浸出劑更加充分接觸，碰撞加劇，加快了體系反應速率，同時浸出體系壓力較大，浸出劑易于滲透到物料內部，從而可以強化反應的進行。對比圖1還可以看到，微波浸出液固比=10時浸出率要高于常規(guī)浸出時液固比=25時的浸出率，說明微波浸出時更加經(jīng)濟。

圖3液固比對垃圾焚燒飛灰重金屬浸出的影響

3.5微波輻射時間對飛灰重金屬浸出的影響

微波輻射時間對飛灰重金屬浸出率的影響如圖4所示。

圖4微波輻射時間對垃圾焚燒飛灰中重金屬浸出率的影響

從圖4可知，微波輻射后重金屬的浸出率有了明顯的提高，并在很短的時間內就可以達到很高的浸出率，但是隨微波輻射時間增加鉛鋅的浸出率不再明顯提高，這是由于飛灰中幾乎全部的鉛鋅都已經(jīng)被浸出。與傳統(tǒng)加熱預處理相比，鋅的浸出率提高了20多個百分點，充分顯示了微波預處理的優(yōu)越性。微波加熱是一個體加熱和選擇性加熱的過程，穿透力強，速度快，不同于熱傳導方式的傳統(tǒng)加熱。

在微波場內，微波透射進入溶液導致充分的體加熱。因此，微波影響礦物和溶劑間的局部反應。在單個顆粒上發(fā)生的局部過熱能夠提高反應動力學，導致顆粒破裂，暴露出新鮮的表面。內部表面積進一步擴大，這樣非常有利于浸出劑的進入，提高重金屬浸出率。

3.6微波濕法穩(wěn)定化處理后飛灰殘渣的浸出毒性分析

采用美國EPA的TCLP(Toxicity Characteristic Leaching Procedure)毒性浸出程序(US EPASW846-1311)分析飛灰處理前后的浸出毒性。試驗結果表明，各種重金屬的浸出濃度都遠遠低于危險廢物浸出毒性鑒別標準，因此微波濕法穩(wěn)定化處理后飛灰達到了無害化要求。

4結論

(1)首次提出微波選擇浸出垃圾焚燒飛灰中重金屬的無害化處理工藝路線，并得到優(yōu)化試驗條件為浸出劑鹽酸濃度1mol/L，液固比25∶1，浸出時間4min。

(2)采用微波處理飛灰重金屬可以得到滿意的效果，微波輻射浸出與傳統(tǒng)加熱浸出相比較，Pb、Zn浸出率得到明顯提高，可以達到90%～99%；在浸出率相同的前提下，微波浸出可減少浸出劑用量，縮短浸出時間。

(3)試驗選用新型的微波加熱密閉浸出設備去除飛灰中重金屬，處理后垃圾焚燒飛灰滿足無害化要求。

參考文獻

[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 ] 彭金輝,楊顯萬. 微波能技術新應用[M ]. 云南: 科技出版社, 1997.

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