MSWI底灰中重金属在填埋场中的迁移转化机理研究

With the promotion of municipal solid waste incineration (MSWI) technology, a large number of MSWI residues generated. Heavy metals in the MSWI residues during the landfilling and re-use process has a potential hazard to the surrounding environment. Appropriate disposal of MSWI bottom ash proportion of 80% of the MSWI residues becomes a new environment problem. By selecting the external factors related to the long-term stability of MSWI bottom ash, such as temperature, moisture and rainfall, and optimizing these parameters value, an accelerated aging test is designed to simulate the changes of heavy metals morphology and leaching characteristics in landfill conditions. Biodegradation and geochemical reactions are considered for heavy metal migration in MSWI bottom ash. The kinetics of precipitation/dissolution model and geochemical reaction models coupled with field research, laboratory simulations and field tests are combined to establish a dynamics model of the MSWI heavy metals, which is applied to predict the long-term heavy metals morphological changes, migration and transformation mechanism during MSWI bottom ash landfill process. The study has important scientific significance and application value, and provide a theoretical basis for the safe disposal or reuse of MSWI bottom ash.

随着城市生活垃圾焚烧（MSWI）技术的推广，大量MSWI灰渣产生。由于MSWI灰渣中含有一定量的重金属，在填埋以及再利用过程中对周围环境的存在潜在危害。因此，占MSWI灰渣比重80%的MSWI底灰的安全处置成为固体废弃物处理领域的新问题。本课题通过筛选影响MSWI底灰长期稳定性的外界环境因素，如温度、含水率、降雨等，并优化这些参数值，设计出一个可加速MSWI底灰老化的试验，来模拟重金属矿物形态和渗出特性在填埋场条件下的变化过程，并综合考虑生物降解、地球化学变化等多种反应对重金属迁移的影响。将动力学沉淀/溶解模型和地球化学反应模型耦合起来，并与实地调研、实验室模拟试验和现场试验相结合，研究MSWI底灰中的重金属随时间的形态变化、迁移转化机理，建立可预测MSWI底灰中重金属迁移转化机理的动力学模型。该课题具有重要的科学意义和应用价值，为MSWI底灰的安全处置或再利用奠定一定的理论基础。

市政生活垃圾（MSW）经焚烧处理后有相当一部分重金属富集在MSWI底灰中。底灰在填埋场中受到地球化学等因素的影响，含有的重金属的形态和迁移性不断发生变化，对周围环境存在潜在风险。本研究对新鲜底灰的基础理化性质进行了分析，包括底灰的物理组成、含水率、总孔隙率、矿物形态以及重金属含量等。在实验室条件下对MSWI底灰进行了为期64周的模拟填埋试验，并对产生的渗滤液的性质进行了分析。模拟试验包括缺氧柱和好氧柱，分别测定了两个柱中产生的渗滤液的pH、ORP、TP、TN、COD和TOC等指标。根据试验结果，发现渗滤液的性质随时间和模拟降雨次数的增加而不断发生变化，其中pH值持续下降，pH在试验结束时仍维持在强碱性，而ORP则逐渐升高然后下降；COD、TOC 、TN和TP可分为急速上升、快速下降、缓慢下降和基本稳定四个阶段。采用ICP-AES和XRF技术并对新鲜底灰和试验过程中从取样口采集的底灰进行重金属检测，发现新鲜底灰中Cu、Zn和Cr含量均超出标准值。底灰中重金属含量较高，但不同重金属的含量和渗出总量差异较大。主要的几种重金属渗出总量从高到低为：Cu>Cr>Ni>Zn>Pb，同种元素在不同条件下的渗出量不同但渗出率差异较小，渗出率从高到低为：Ni>Cu>Cr>Pb>Zn，Ni的渗出率在20%左右，Cu和Cr在3%~8%之间，Pb和Zn的渗出率低于0.12%。利用XRD和XAFS技术对试验底灰中Zn的形态进行测试并采用Ifeffit软件进行拟合分析，发现新鲜灰中存在Zn2SiO4、ZnFe2O4、ZnO和ZnSO4四种Zn的化合物。并建立了渗流模型，对底灰中重金属的渗出性进行了预测。通过本项目的研究，可以对以底灰重金属在填埋场中长期渗出性做出风险评估。