水泥窑处置废弃物中重金属的迁移行为研究进展

摘要：本文就目前国内外利用水泥窑协同处置各种废弃物过程中，人们关注的各种重金属迁移问题的研究进行了综述性分析，结果表明：利用水泥窑处置可控的废弃物，不会显著提高熟料中的重金属含量；在水泥生产过程以及后续水泥产品使用过程中，各重金属的迁移量均很低，不会对环境和人们的身体健康带来不可预测的影响。另外，还进一步明确了尚需开展的研究工作。
关键词：水泥窑；废弃物；重金属；迁移；环境安全性
利用水泥窑协同处置废弃物已成为我国废弃物资源化利用技术的重要发展方向之一。大量的工业副产品、固体废弃物、城市生活垃圾等可以作为替代原燃料进入水泥生产中，不仅减轻了环境压力，而且实现了废弃物的资源化利用。然而由于来源的复杂性，在水泥窑处置过程中，废弃物将不可避免地会带入一定量的重金属，汇同原燃料中的重金属一起进入水泥生产系统中。这些重金属在水泥生产及使用过程中是否会对周边环境带来不利影响，便成了人们关注的焦点。
国际上对于金属元素在水泥熟料生产过程中的行为早就有过大量的研究，但主要集中于水泥原燃料所带入的碱金属元素对水泥窑和水泥熟料矿物的影响，以及对熟料矿物不同晶格形态的作用。随着利用水泥窑处理废弃物技术的应用，大量的研究工作转移到重金属在水泥熟料煅烧过程及水泥产品使用过程中的迁移行为。本文主要就目前国内外在该方面的工作进行综述，并在此基础上，进一步明确了尚需开展的工作，以系统评价重金属对环境安全性的影响。
1水泥产品中重金属的流向
普通硅酸盐水泥熟料由石灰石、粘土、铁矿石等原料经过高温烧结而成，这些原料中本身含有一定水平的重金属。长期的生产实践证明，随着矿石和燃料带入的重金属，并未给水泥生产和环境带来不利影响。由于废弃物来源复杂，人们担心其中的重金属是否会超常影响水泥生产和环境。国外的研究表明：波特兰水泥中超过80%的Pb、As、Cr、Ni元素，以及超过60%的Cd、Cu、Zn元素均来自于原燃料；因此，在大多数情况下，利用水泥窑处置废弃物，并不会显著提高后续水泥产品中重金属的含量。
重金属在水泥生产过程及后续水泥产品使用过程中的迁移行为见图1。

图1重金属在水泥生产过程以及后续水泥制品使用中的迁移行为示意图
由图1可知，在水泥熟料烧成系统中，熟料中重金属的来源由三部分组成：原料、燃料以及废弃物；而重金属的流向也包含三部分：被熟料固化；随窑灰排出；随烟气、粉尘带出；窑灰如入窑回收利用，则不会对环境造成影响；而对环境存在潜在危险的是由烟气、粉尘带出而进入大气的重金属。在水泥生产系统中，重金属来源包括：熟料、混合料、添加剂、缓凝剂；在水泥应用于混凝土建筑物过程中，混凝土中的重金属来源包括：水泥、骨料、混合材、添加剂。在混凝土建筑物使用过程中，由于风化、老化的影响，重金属随着周围水体的溶解而逐渐迁移进入环境，对环境存在潜在危险；在混凝土建筑物服役完成后，混凝土将被破碎，之后或填埋，或再生处理，其中的重金属也有可能迁移进入环境。以下重点就熟料煅烧过程中随烟气、粉尘带出的重金属，以及混凝土建筑物使用过程中重金属的迁移特性进行分述。
2水泥熟料生产过程中重金属迁移行为
由图1可知，通过各种渠道进入水泥窑煅烧的重金属，有三个流向：固结在水泥熟料中；随窑灰排出；随烟气、粉尘排出。随窑灰排出的部分，被收尘器捕获后将再一次进入窑系统，而随烟气排出的重金属，则会对环境造成潜在危险。国内外学者通过室内烧制熟料、工业实地测量等方法，研究了水泥生产过程中重金属的迁移行为。
德国水泥所，在1条3000t/d的四级旋风预热器窑上，实际测量了烟气中的重金属含量，统计了分解窑系统对各重金属的吸收率[1]，结果见表1。
表1预分解窑系统中对重金属的吸收率

由表1可知：大多数重金属在水泥熟料中的吸收率均能达到或超过90%。即使极具挥发性的Hg，在预分解系统内反复，吸收率也可达到50%。
分析表明：高沸点的不挥发重金属如Cu、Cr、Ni等，90%以上都能被生料吸收，直接进入熟料；难挥发的重金属，如Pb和Cd等，在水泥熟料煅烧过程中，首先形成硫酸盐和氯化物，这类化合物在700℃～900℃温度范围内冷凝，在窑和预热器系统内形成内循环，很少带出窑系统外，外循环量很少；易挥发的重金属Tl，一般在450℃～500℃的温度区冷凝，93％～98％都滞留在预热器系统内，其余部分可随窑灰带入回转窑系统，随废气排放的约占0.01％。