生活垃圾固结技术及其安全性研究
一、前言
城市生活垃圾以每年8％～10％的速度增大，处理生活垃圾的压力也随之增加。目前，生活垃圾处理技术有填埋、焚烧、堆肥、资源化回收利用等。几十年来垃圾处理的实践表明，还没有一种处理技术是高效而无污染的，每一种处理技术均有其不容忽视的弊端，如填埋产生沼气和渗滤液、孳生蚊蝇；焚烧产生二噁英（Dioxin）和呋喃等有害物质；堆肥产品中玻璃等杂质影响堆肥质量，肥效不高等［1，2］。为了充分利用原有处理设施，解决填埋场内陈腐垃圾的出路问题，增加填埋场可利用空间，将填埋场内3年以上的陈腐垃圾取出，加入固结剂，使陈腐生活垃圾中的有毒有害物质，特别是含有的重金属离子固结并达到稳定化，不给环境带来二次污染。并且固结后的固结体具有一定的强度可以用于道路建设。本项目采用新型固结技术对生活垃圾进行固结，并对其固化效果和安全性进行分析和研究。
二、实验方法
1.原材料
（1）矿渣：采用宝田新型建材有限公司生产的磨细矿渣，比表面积为460m2/kg，化学成分如表1所示。
（2）钢渣：采用宝钢冶金建设公司生产的磨细钢渣，比表面积500m2/kg，化学成分如表1所示。
（3）固化剂：自配。
（4）生活垃圾：陈腐生活垃圾（陈腐三年以上）。
表1矿渣和钢渣化学成分（w t％）
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2.实验方法
生活垃圾固结体力学性能测试方法采用国标GB/T17671—1999《水泥砂浆强度检验方法》进行，干湿循环试验采用试件浸水4d，然后在80℃±5℃烘干5h，再在水中浸泡5h作为一次循环，耐水性试验采用在水中浸泡30d后测定试件的质量和强度。抗冻性能试验采用GBJ82－85规定，先将试件浸水 4d，在饱和面干条件下，放入－20～－17℃的冰箱中4h，然后取出在10～20℃的水中融化4h作为一次循环。抗硫酸盐侵蚀试验采用GBJ82－85 规定方法进行。
耐高温试验采用在80℃条件下29天，然后在室温24小时的强度与标准条件下强度之比。固结体中重金属浸出毒性采用国家标准 GB5086.2—1997枟固体废物浸出毒浸出方法水平振荡法枠［3］进行，重金属最大可浸出量参考美国EPASW—846（TCLP）毒性浸出实验方法［4］进行。 三、结果与讨论
1.生活垃圾固结效果研究
生活垃圾固结体强度是采用矿渣、钢渣和固化剂固结一定量生活垃圾成型试件，在20℃±3℃条件下养护7天、28天时，测定其强度，表2所示为固化剂不同掺量对生活垃圾固结体强度的影响。
表2 生活垃圾固结体强度 |
由试验结果可知，随固化剂掺量增加，生活垃圾固结体的强度提高。当固化剂掺量达3％时，生活垃圾固结体强度7天达24.7MPa，28天强度达38.4MPa。同时还可以认为，生活垃圾固结体早期强度随固化剂用量增加而提高。
2.生活垃圾固结体强度发展规律
由以上的实验数据可知生活垃圾固结体具有较高的抗压强度，为了了解该材料长期强度发展情况，我们对其长龄期的强度进行测定。图1所示是生活垃圾固结体强度发展情况。
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图1生活垃圾固结体强度发展规律
由图1中结果可以看出，生活垃圾固结体不仅具有较高的早期强度，而且后期强度发展潜力也很大，无强度倒缩现象，养护120天时，其强度值可达49MPa。
3.生活垃圾固结体耐久性能
表3所示是生活垃圾固结体耐久性能，由表中试验结果可知，经过30次干湿循环后，生活垃圾固结体强度损失伴随固化剂用量增加而下降，当固化剂用量大于20％时，固结体强度非但没有下降，而且有一定强度提高。
在本实验范围内，经过高温80℃下7天，强度提高5％～8％，在水中30天强度基本没有损失，并且随固化剂用量增加，固结体耐水性能提高。故在高温和水中环境下，生活垃圾固结体均能满足道路工程应用的技术要求。此外，由试验结果分析还可以看出，经100次冻融循环后，生活垃圾固结体强度损失为2％～14％，并随固结剂用量增加，固结体抗冻融循环性能提高。可以认为，当固化剂用量在20％以上时，生活垃圾固结体基本满足工程所需的抗冻要求。生活垃圾固结体的抗硫酸盐侵蚀性能是其耐久性的一个重要方面。由于地下水及一些土壤中常含有一定浓度的SO42-，使固结体经常受到硫酸盐侵蚀。硫酸盐对陈腐生活垃圾固结体的侵蚀是一个复杂的物理化学过程。生活垃圾的孔隙和微裂缝对其抗硫酸盐侵蚀能力影响很大。
表3 生活垃圾耐久性能 |
由抗硫酸盐侵蚀和抗氯盐侵蚀试验结果可知，在5％NaSO4溶液中浸泡30天，生活垃圾固结体强度提高1％～10％不等。由此可见生活垃圾固结体具有非常优越的抗硫酸盐侵蚀能力。在5％NaCl溶液中浸泡30天，固结体强度损失小于16％，并且随固化剂用量增加生活垃圾固结体抗氯盐侵蚀能力有明显提高。
4.生活垃圾固结体浸出毒性研究
由以上的实验结果可以发现，生活垃圾固结体具有较高的物理力学性能和耐久性能，为了进一步了解该材料使用的安全性，我们对其进行浸出毒性研究。表4所示是生活垃圾固结体56天龄期的重金属浸出量比较情况。
表4 生活垃圾56天固结体H重金属浸出毒性（mg/L） |
由表中结果可以发现固结体采用国标的水平振荡法测试出的重金属离子可浸出量均小于国家固体废物排放标准和国家废水排放标准的排放要求，采用美国EPA的（TCLP）的旋转振荡法测试出的重金属离子最大浸出量也均小于固体废物排放标准和国家废水排放标准的排放要求。同时可以看到未经固结前的陈腐生活垃圾的重金属浸出毒性，远远超过国家固体废物排放标准和国家废水排放标准的排放要求。采用固结剂的固结方法将陈腐生活垃圾中的重金属离子稳定在固结体中，其稳定陈腐生活垃圾中的重金属离子的效果Pb达98.33％、Zn达99.78％、Cd达97.06％、Cr达99.72％、Cu达98.89％、Ni达 100％。
5.生活垃圾固结体重金属稳定机理分析
采用多级提取过程实验方法可以分析固结体中重金属的存在状态，从而可以确定其固结重金属的长期稳定性。表5所示是多级提取的实验结果。
表5 多级提取程序实验结果（％） |
由表5可以看出，陈腐生活垃圾固结体中的重金属离子Pb、Zn、Cr、Cd的分布形态，Pb的酸溶态占11.69％，这部分属于重金属碳酸盐和氢氧化物，在酸性条件下易浸出，在这一形态中的百分含量不到12％不会超过国家排放标准；非晶型氧化铁占16.85％，这部分属于重金属硫酸盐、重金属单体和氧化物铬酸盐等，这种形态下重金属离子是较难浸出的；晶型氧化铁态占50.43％，这部分属于重金属硫酸盐、重金属单质和氧化铬酸盐等，较难被还原，重金属离子很难浸出；残渣态占15.5％，属于硅酸盐、铝—硅酸盐、重金属单质和氧化物，重金属离子在这种形态时不可能浸出。85％以上的Zn、Cr、Cd离子都在有机结合态和非晶型铁氧化态、晶型氧化铁、残渣态形态存在于固结体中，说明固结剂引发的物理化学反应连同重金属离子一起反应生成了重金属硫酸盐、重金属单质和氧化物铬酸盐、硅酸盐、重金属单质和氧化物等稳定的矿物相，在自然条件下，重金属离子基本上不可能浸出。陈腐垃圾固结体可以安全地在工程中使用。
四、结论
（1）本固结技术可使生活垃圾固结体28天强度达38MPa以上，并且长期强度无倒缩现象。
（2）耐久性试验结果表明，采用本固结技术的生活垃圾固结体具有较佳的抗冻性能、耐水性和抗干湿循环能力、抗硫酸盐侵蚀性能等耐久性能。
（3）采用固结剂的固结方法将陈腐生活垃圾中的重金属离子稳定在固结体中，其稳定陈腐生活垃圾中的重金属离子的效果Pb达98.33％、Zn达99.78％、 Cd达97.06％、Cr达99.72％、Cu达98.89％、Ni达100％。以稳定的形态存在于固结体中，生活垃圾固结体可以长期安全地在工程中使用。
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