一种基于细菌的固体废弃物焚烧炉渣无害化强化处理方法
阅读说明：本技术 一种基于细菌的固体废弃物焚烧炉渣无害化强化处理方法 (Bacteria-based harmless strengthening treatment method for solid waste incinerator residues ) 是由 唐强 黄钰程 高玉峰 史培新 田盎然 张军辉 廖昕 何稼 王志丰 卞夏 于 2021-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于细菌的固体废弃物焚烧炉渣无害化强化处理方法。本发明处理方法为：将原始炉渣移入细菌与钙源的混合液1中,所述原始炉渣在混合液的液面以下,抽真空并超声处理,之后浸泡,固液分离得到预处理炉渣和混合液2；用尿素溶液喷洒所述预处理炉渣的表面,并将环氧树脂喷涂在所得炉渣的表面得到炉渣1；将所得炉渣1放入石灰与淀粉的混合物中并翻滚,使得炉渣1和混合物充分混合得到炉渣2；将所得炉渣2取出,并在所述炉渣2的表面喷洒所述混合液2得到炉渣3；将炉渣3表面覆盖土工布,养护5-14天,即完成炉渣的无害化处理。本发明处理方法可有效的对炉渣材料表面裂缝进行修复,完成晶体间胶结,并大幅降低其吸水率,从而提升其强度。(The invention provides a bacteria-based harmless strengthening treatment method for solid waste incinerator residues. The processing method comprises the following steps: transferring original slag into a mixed solution 1 of bacteria and a calcium source, vacuumizing and ultrasonically treating the original slag below the liquid level of the mixed solution, then soaking, and performing solid-liquid separation to obtain pretreated slag and a mixed solution 2; spraying urea solution on the surface of the pretreated slag, and spraying epoxy resin on the surface of the obtained slag to obtain slag 1; putting the obtained slag 1 into a mixture of lime and starch, and rolling to ensure that the slag 1 and the mixture are fully mixed to obtain slag 2; taking out the obtained slag 2, and spraying the mixed liquid 2 on the surface of the slag 2 to obtain slag 3; covering the surface of the slag 3 with geotextile, and maintaining for 5-14 days to finish the harmless treatment of the slag. The treatment method can effectively repair the surface cracks of the slag material, complete the cementation between crystals and greatly reduce the water absorption rate of the slag material, thereby improving the strength of the slag material.)
技术领域
本发明涉属于建筑材料技术领域，尤其是指一种基于细菌的固体废弃物焚烧炉渣无害化强化处理方法。
背景技术
伴随着城市化的推进及经济的发展，市政固体废弃物(也称生活垃圾)产量逐年提升，填埋处理等常规处理方法因土地资源的突显及对周边环境负面影响等原因，其发展到了瓶颈。焚烧处理生活垃圾因其占地空间小、对初始垃圾减容减重成效高(减容70％，减重70-80％)、能源可回收利用而得到了政策扶持并快速发展。生活垃圾进行焚烧处理后，在炉膛内仍会残余20-30％的炉渣。这部分炉渣因含有多种重金属，部分环境浸出指标可能超标，除此之外含铝化合物的存在也会导至其遇水发生反应体积膨胀，进而影响到其规模化应用，比如用作道路填料或是混凝土外掺剂等。现有技术中对固体废弃物的处理方法以及优缺点如下：
首先，直接进场填埋局限性及缺点：稳定化药剂成本较高，即使只是1％的掺量，考虑到全国一年几千万吨炉渣的产量，这笔开支过于高昂；水泥等硅酸盐类固化剂有类似的作用，但增容增重太多。最后考虑到各城市现在卫生填埋场有限的库容资源，入场填埋并不是一个好的方法。
其次，湿法/干法处理：这种处理方式涉及到大量的二次污染，特别是酸废水以及对应产生的污泥，建议慎重使用。
最后，炉渣自身物理化学形态上的局限性：炉渣因此初始垃圾来源不同，在烧结过程中生成不同结晶。生成的部分重金属化合物为水溶性形态或是酸溶性形态，因此其中重金属极易在自然环境中释放，从而进入地下水土环境，通过食物链影响人体健康，同时，烧结晶体间有时缺少强有力的胶结，进而导致炉渣表面有着较多开口裂缝，裂缝的存在大幅提升了炉渣的吸水率，吸水率的增高进而降低了材料的强度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于细菌的固体废弃物焚烧炉渣无害化强化处理方法。
一种基于细菌的市政固体废弃物焚烧炉渣无害化强化处理方法，包括以下步骤：
S1：将原始炉渣移入细菌与钙源的混合液1中，所述原始炉渣在混合液的液面以下，抽真空并超声处理，之后浸泡6-36h，固液分离得到预处理炉渣和混合液2；
S2：用尿素溶液喷洒S1中所述预处理炉渣的表面，并将环氧树脂喷涂在所得炉渣的表面得到炉渣1；
S3：将S2所得炉渣1放入石灰与淀粉的混合物中并翻滚，使得炉渣1和混合物充分混合得到炉渣2；
S4：将S3中所得炉渣2取出，并在所述炉渣2的表面喷洒S1中所述混合液2以及尿素溶液得到炉渣3；
S5：将S4中炉渣3表面覆盖土工布，养护5-14天，即完成炉渣的无害化处理。
在本发明的一个实施例中，S1中真空条件为真空度小于或等于-75kPa。
在本发明的一个实施例中，S1中所述细菌为巴氏芽孢杆菌、球形芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌和蓝细菌中的一种或多种。所述细菌可产生脲酶的微生物，所述脲酶可以促进尿素水解生成碳酸根，与钙离子结合生成碳酸钙。
在本发明的一个实施例中，S1中所述细菌的OD600大于1。
在本发明的一个实施例中，S1中所述钙源选自硝酸钙、乙酸钙和氯化钙中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，S1中所述细菌与钙源的混合液中的钙源浓度为0.5-1.5mol/L。
在本发明的一个实施例中，，S1中所述超声的频率为30-60kHz，超声的时间为5-40分钟。
在本发明的一个实施例中，S2中所述尿素溶液浓度与S1中所述钙源浓度比为1：0.76-1：1。
在本发明的一个实施例中，S2中尿素溶液至少喷洒三次。
在本发明的一个实施例中，S3中所述石灰与淀粉的混合物中所述淀粉的质量占总质量的3-10％。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1，超声波主要有4个作用：
(1)洗去表面易脱落重金属；(2)扩大孔隙及裂缝宽度，使得细菌及钙源和尿素溶液更容易进入；(3)超声波清洗后炉渣表面及内部更加高低不平，这增大了其比表面积，使得有了更大的化学反应场所；(4)破碎细菌细胞，使得细菌中的脲酶溶解到溶液中，更易进炉渣微小入孔隙中以提升对微小孔隙的填充效果。
2，环氧树脂主要有5个作用：
(1)将残余尿素和钙源封锁在孔隙中从而避免其流失，使反应得以长时间进行；(2)能够对炉渣表面孔隙和裂缝起到封堵填充作用；(3)环氧树脂有很好的粘结性，可以让细菌生成的碳酸钙牢牢固定在炉渣表面及内部；(4)环氧树脂可以有效粘结石灰与淀粉混合物，为接下来石灰及细菌的外部钙化包裹处理做铺垫；(5)可以促进重金属发生离子交换、螯合效应等化学反应，将重金属固化为更加稳固的化合物使其不易浸出。
3，石灰主要有3个作用：
(1)石灰可以为细菌生成碳酸钙提供钙源；(2)本身可以与水和空气中的二氧化碳形成碳酸钙以固化炉渣内的重金属等有害物；(3)石灰的掺入可以提升炉渣强度。
4，淀粉主要有2个作用：
(1)为其中细菌提供养分；(2)提升环氧树脂与石灰的黏接性能。
土工布主要作用为保水保湿，为碳酸钙生产提供合适的反应条件。
本发明所用细菌源自天然环境，所以环保无害，除强化炉渣骨料外，无任可附产物产生，避免二次污染。本发明处理方法可有效的对炉渣材料表面裂缝进行修复，完成晶体间胶结，并大幅降低其吸水率，从而提升其强度。同时，完成对其中重金属的结晶包裹，有效避免了其中有害重金属的溶出。除此之外，成本低廉，适合批量使用，产出的强化炉渣骨料还可进行销售，按现行骨料来估算，经济效益巨大。
本发明所用细菌源自天然环境，所以环保无害，除强化炉渣骨料外，无任可附产物产生，避免二次污染。本方法可有效的对炉渣材料表面裂缝进行修复，完成晶体间胶结，并大幅降低其吸水率，从而提升其强度。同时，完成对其中重金属的结晶包裹，有效避免了其中有害重金属的溶出。除此之外，成本低廉，适合批量使用，产出的强化炉渣骨料还可进行销售，按现行骨料来估算，经济效益巨大。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是垃圾焚烧炉渣破碎后骨料；
图2是炉渣颗料表面SEM图；
图3是本发明碳酸钙胶结生成过程；
图4是本发明工艺流程图；
图5是本发明处理前后重金属浸出变化。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
在本例中，准备无水氯化钙，钙离子浓度为0.5mol/L。准备巴氏芽孢杆菌菌液，用分光光度计测量OD600，其OD600为1.3。将炉渣移入细菌与钙源混合液中，没入液面以下，并抽真空使得相对真空度为-75kPa，并利用超声波处理5分钟，超声波频率为30kHz，而后继续浸泡6小时；准备尿素溶液，其浓度与钙源比例控制为1：0.8。将炉渣取出，在其表面喷洒尿素溶液3次，在最后一次喷洒完成后，在其表面喷涂环氧树脂。准备石灰与淀粉，其中淀粉质量约占总质量的3％，将二者混合后搅拌均匀，迅速将炉渣放入石灰与淀粉混合体中并稍滚动，使其表面沾满混合物。将炉渣取出，在其表面喷洒细菌然后继续喷洒两次尿素及钙源混合溶液。在炉渣表面覆盖一层土工布，养护5天。取出炉渣颗粒，完成炉渣颗粒无害化处置及强化流程，得到最终样品。
实施例2
在本例中，准备无水氯化钙，钙离子浓度为1mol/L。准备巴氏芽孢杆菌菌液，用分光光度计测量OD600，其OD600为1.3。将炉渣移入细菌与钙源混合液中，没入液面以下，并抽真空使得相对真空度为-75kPa，并利用超声波处理20分钟，超声波频率为45kHz，而后继续浸泡12小时；准备尿素溶液，其浓度与钙源比例控制为1：0.9。将炉渣取出，在其表面喷洒尿素溶液3次，在最后一次喷洒完成后，在其表面喷涂环氧树脂。准备石灰与淀粉，其中淀粉质量约占总质量的5％，将二者混合后搅拌均匀，迅速将炉渣放入石灰与淀粉混合体中并稍滚动，使其表面沾满混合物。将炉渣取出，在其表面喷洒细菌然后继续喷洒两次尿素及钙源混合溶液。在炉渣表面覆盖一层土工布，养护10天。取出炉渣颗粒，完成炉渣颗粒无害化处置及强化流程，得到最终样品。
实施例3
在本例中，准备无水氯化钙，钙离子浓度为1.5mol/L。准备巴氏芽孢杆菌菌液，用分光光度计测量OD600，其OD600为1.3。将炉渣移入细菌与钙源混合液中，没入液面以下，并抽真空使得相对真空度为-75kPa，并利用超声波处理40分钟，超声波频率为60kHz，而后继续浸泡36小时；准备尿素溶液，其浓度与钙源比例控制为1：1。将炉渣取出，在其表面喷洒尿素溶液3次，在最后一次喷洒完成后，在其表面喷涂环氧树脂。准备石灰与淀粉，其中淀粉质量约占总质量的10％，将二者混合后搅拌均匀，迅速将炉渣放入石灰与淀粉混合体中并稍滚动，使其表面沾满混合物。将炉渣取出，在其表面喷洒细菌然后继续喷洒两次尿素及钙源混合溶液。在炉渣表面覆盖一层土工布，养护14天。取出炉渣颗粒，完成炉渣颗粒无害化处置及强化流程，得到最终样品。
实施例4
在本例中，准备无水氯化钙，钙离子浓度为1mol/L。准备球形芽孢杆菌菌液，用分光光度计测量OD600，其OD600为1.3。将炉渣移入细菌与钙源混合液中，没入液面以下，并抽真空使得相对真空度为-75kPa，并利用超声波处理20分钟，超声波频率为45kHz，而后继续浸泡12小时；准备尿素溶液，其浓度与钙源比例控制为1：0.9。将炉渣取出，在其表面喷洒尿素溶液3次，在最后一次喷洒完成后，在其表面喷涂环氧树脂。准备石灰与淀粉，其中淀粉质量约占总质量的5％，将二者混合后搅拌均匀，迅速将炉渣放入石灰与淀粉混合体中并稍滚动，使其表面沾满混合物。将炉渣取出，在其表面喷洒细菌然后继续喷洒两次尿素及钙源混合溶液。在炉渣表面覆盖一层土工布，养护10天。取出炉渣颗粒，完成炉渣颗粒无害化处置及强化流程，得到最终样品。
测试例
1，将实施例1、实施例2、实施例3和实施例4所得样品以及未处理的固体炉渣进行吸水率验证、金属浸出以及CBR值变化实验，其中，吸水率及CBR试验按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)进行，重金属浸出采用TCLP法进行测定。实验结果见表1-2以及图5。
图5为不同操作方法下成品的重金属浸出特性。从图中可以看出，炉渣经过案实施例1处理后，其重金属浸出平均可以减少21.5％左右；经过实施例2处理后，其重金属浸出平均可以减少29.5％左右；经过实施例3处理后，其重金属浸出平均可以减少42.4％左右；经过实施例4处理后，其重金属浸出平均可以减少33.5％左右。
表1为不同操作方法下成品的吸水率。从表中可以看出，炉渣经过案例1处理后，其吸水率降低了11.5％左右；经过案例2处理后，其吸水率可以减少28.2％左右；经过案例3处理后，其吸水率可以减少34.0％左右；经过案例4处理后，其吸水率可以减少15.4％左右。
表2为不同操作方法下成品的CBR值。从表中我们可以看出，炉渣经过案例1处理后，其CBR值提高了约16.3％；经过案例2处理后，其CBR值提高了约18.7％；经过案例3处理后，其CBR值提高了约24.3％；经过案例4处理后，其CBR值提高了约14.4％。
经过本发明处理过后，由于在细菌作用下产生了碳酸钙沉淀从而封闭了炉渣的开口孔隙，炉渣的吸水率显著下降。开口孔隙的闭合提升了炉渣的单颗粒的强度，同时碳酸钙还覆盖了炉渣表面，这使得其CBR值显著提升。此外，碳酸钙覆盖炉渣表面和内部孔隙，使得其中的重金属被碳酸钙外壳包裹，不易浸出。此外，炉渣中的重金属元素还容易产生离子交换、螯合反应等化学反应将其转化为更加稳定的化合物，从而进一步提升无害化处理效果。适量增大钙源及尿素浓度、提升超声波频率、增加处理时间和养护时长可以提升处理效果。相较于球形芽孢杆菌，巴氏芽孢杆菌效果更佳。
表1处理前后吸水率变化
表2处理前后CBR值变化
处理方法
CBR值
未处理
81.5％
实施例1
94.8％
实施例2
96.7％
实施例3
101.3％
实施例4
93.2％
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
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