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固化过程

固化过程

——废弃物和污染物的固定和封装

Dr.-Ing.WolfgangMeissner1,JosefMayer2,Dr.JanezSussa3

一摘要

固化，有的时候也成为稳定化、固定化、包容化，指对污染物质进行固定和包裹，降低污染物的浸出度，对其进行永久性控制的一种无害化处理技术。

固化技术主要用于无机废弃物的处理方面，特别是在处理重金属污染方面得到广泛的应用。

同时也可以用来处理有机污染物和放射性污染物。

一般可以采用固化技术处理的废弃物有如下几种：

1.无机废弃物/固体，例如石油化工行业失效的催化剂、焚化厂的飞灰和废渣的处理，尤其是可以用于城市垃圾处理厂和危险废弃物焚烧厂。

2.无机污泥，例如镀锌厂或皮革厂产生的含有重金属的污泥。

3.放射性污泥。

4.市政和工业污水处理厂污泥。

5.受污染的土壤。

固化过程就是将污染物通过物理密封、化学固定等方法进行固定，形成新的固化产品。

通常采用水泥、石灰石或者粉煤灰作为添加剂加入水中，也采用如硫化物、铁盐、水玻璃、黏土、沸石等作为添加剂进行化学固定。

根据污染物处理方式的不同和最终产品的不同，固化后的产品可以就地处理、运往垃圾填埋场进行集中处理，或者在建筑工程中进行利用（如作为路基或堤坝基础等）。

此外，固化的最终产品可以用于制作模型。

硬化后的模型可以再利用，或者用来构筑垃圾填筑池。

图1固化设备

二固化过程描述

固化过程是指通过对污染物进行物理包裹和化学固着，将污染物固定在新的固化产品中。

将加入的材料/废弃物进行连续混合，或者分批次加入水泥、石灰石、石膏、粉煤灰、铁矿渣等物质和水并充分混合搅拌。

在这个过程中，废弃物及其中的污染物质被封装和固定。

在物理包裹过程中，加入的材料会被胶结材料和添加剂固定，因此，这是微囊化（单个微粒的囊化）和巨囊化（一团团颗粒或整个污染物）之间的不同。

在物理包裹过程中，表面孔隙度大幅度降低，表面的孔道将逐渐被阻塞，从而使得水份无法进入渗透进去。

浸出过程受到最终固化产品表面及断裂面的限制。

图2物理包裹过程

在化学固化过程中，污染物会被整体包裹在晶格中或者最终形成的固化产品中。

在处理重金属污染物过的过程中，加入材料的逐渐沉淀过程使得重金属形成不溶性沉淀，最终将重金属固定在最终的固化产品中。

交联剂的碱度由粘合剂中重金属种类决定，形成不溶性的氢氧化物沉淀和碳酸盐沉淀。

有时也采用一些特殊的化学沉淀法来固定重金属，如采用硫化物或者有机磺化合物（例如TMT15）来沉淀等。

此外，化学吸附和物理吸附也可以用来固着和固定污染物质。

例如，在吸附过程中，黏土等特殊材料表面带有电荷，可以对重金属和有机分子进行吸附。

这类特殊材料一般采用如斑脱土、蛭石、或离子交换树脂等物质。

图3化学固化过程

根据污染物处理方式的不同和最终产品的不同，固化后的产品将就地处理，或运往垃圾填埋场进行集中处理，或者在建筑工程中再利用（如作为路基或堤坝基础等）。

此外，固化的最终产品可以用于制作模块。

经硬化后的模块可以再利用，或者运往垃圾填埋场集中处理。

图4固化模块（混凝土块）

三应用

可以进行固化的废弃物材料/类型有：

1.无机固体废弃物，如利用石油化工行业的催化剂、粉煤灰和焚化厂的优质矿渣，特别是生活垃圾和危险废弃物焚化厂。

2.无机污泥，如镀锌和皮革厂的含有重金属的污泥

3.放射性污泥

4.市政和工业污水处理厂污泥

5.土壤污染。

固化设备目标客户：

1.废弃物处理场

2.垃圾填埋场，特别是危化品垃圾填埋场

3.危废焚烧厂

4.焚烧设备：

市政垃圾和危险废弃物焚烧厂、发电厂

5.废弃物处理公司、土壤处理公司

6.化工厂

7.石油化工工厂

8.金属加工厂，如镀锌厂

9.核电站和放射性污染物处理厂

图5多种添加材料（无机颗粒、含有重金属的污泥，生活污泥）

四固化设备

固化系统由以下几种设备构成：

1.废弃物进料斗（底部设有筛网，防止对下游设备的损害）

2.废弃物输送系统，如拖链输送机、螺旋输送机、泥浆泵等

3.添加剂料仓

4.添加剂输送设备，如螺旋输送机、气动输送机等

5.废弃物和添加剂计量系统（质量或体积）

6.工艺是水箱和工艺供水系统

7.化学添加剂投加和计量系统

8.搅拌器（连续搅拌或批量搅拌）

9.最终固化产品的输送和装载设备

10.其他选配：

产品熔铸设备、模型压实和运输设备

根据实际应用，固化单元可以配备相应的附件，如抽真空装置和过滤单元等。

进料斗经由轮式装载机进料，也可以通过改造，采用卡车和废料车进料。

进料斗的设计避免了架桥现象的发生，即使对于一些非常难以处置的材料时（如无机污泥、市政污泥等），也可以做到。

进料斗可以安装防护网，保护下游设备、防止类似石块等的大颗粒进入。

从进料斗卸料是通过双螺杆输送器进行。

根据生产所需的给料量和输送材料的性质，采用手动齿轮箱或变频器进行输送量调节。

图6进料斗

拖链输送机更适用于材料/废弃物的输送。

根据废弃物的特性和固化单元的设计，特别是进料斗和混合器之间的距离，一般可以采用螺旋输送机、带式输送机或泥浆泵。

拖链输送机在输送物料种类和固化方法同设计不一致的时候，可以保证高灵活性和可靠性。

在固体/大块材料和泥浆的运输过程中，拖链输送机的可靠性比一般输送机高15%（以干物质计）。

拖链输送机在输送材料过程中机械负荷较低，因此机械磨损较低。

拖链输送机由坚固的钢制框架构成，底部安装可再生的耐磨保护面板，通过法兰盘和柔性紧固件将各输送单元连接起来，串接的制动链一般采用C45钢或42Cr-Mo4钢链接，底部的链条通过低磨损锰钢制成的齿轮连接，输送机叶片的选择按照所投加的材料/废弃物性质确定。

图7拖链输送机（内部和外部）

添加剂加料仓采用气动填充。

气动夹管阀通过限位开关控制，防止料仓过满。

料仓装备自动的气动仓顶过滤器，在料仓填充时启动。

自动清洗装置通过时间或者压差进行控制。

根据需要，料仓需要同时装备限位开关和连续水平监控系统。

为预防架桥现象产生，料仓的锥形底部装有气动膨胀装置，机械震打装置或采用特殊方式振动底部，避免料仓圆锥形底部产生架桥现象。

根据添加物特性的不同，料仓向输送系统之间的过渡可以采用滑动阀和/或星机系统。

总体来说，物料是通过螺旋输送机运输到固化单元的。

根据添加物的性能和应用的不同，选择无轴螺旋输送机或有轴螺旋输送机。

螺旋输送机被设计为槽式螺旋输送机或者管式螺旋输送机，通过手动齿轮箱或变频器进行输送量调节。

基于材料的选择和这些特殊的设计，特别是在低转速情况下，螺旋输送机的运行磨损可以非常低，在添加高磨蚀性物质的时候，螺旋输送机需要装备防磨保护板。

投加材料/废弃物和添加剂通过体积计量单元或重称量桶控制添加量。

不管是采用容积控制还是质量控制单元，都是基于最终固化产品中需要的数量和搅拌器的类型来确定（连续搅拌或分批搅拌）。

容积控制单元由进料斗和计量螺杆组成。

计量螺旋输送机的类型根据计量材料的性质决定。

通过手动齿轮箱或变频器进行输送量调节。

根据定量物料的规格，对进料斗进行改进并加强混合搅拌，确保计量螺旋输送机填充连续均匀，材料计量准确。

总的来说，重量计量一般在称量室中通过称重鼓分批测定。

在特定条件下也可以采用连续称重系统。

由于废弃物的特点及废弃材料种类较多，一般很少采用连续进料系统投加材料/废弃物。

图8容积计量单元

工艺用水系统由工艺水箱（确保同市政供水独立开来），加压和水压保持系统，排水控制系统和必要的计量阀构成。

化学添加剂通过计量泵计量后投加到水中，通过静态混合器充分均匀混合。

按照最终固化产品的应用的不同，采用不同的混合装置：

1.连续运行的带桨叶的双轴搅拌机

2.连续运行犁铧式混合器

3.批处理犁铧式混合器

混合装置是固化单元最重要的装置，确保投加的材料/废弃物、水、化学添加剂得到充分的混合，保证最终固化产品的质量。

混合装置需要安装手动齿轮调节装置或变频器控制装置来调整控制系统。

混合器需要选择合适的外部材料和混合工具来降低磨损。

为了防止磨损，混合器外壳一般采用可再生耐磨材料作为保护板。

混合设备的混合强度和停留时间由混合设备的规格、物料填充高度、混合器的轴转速及混合设备的调整决定。

图9运行中的双轴搅拌机

图10双轴搅拌机（内部，全新）

图11犁铧式混合器（分批混合器）

最终固化产品的输送和装载一般通过带式输送机运输。

为了在料车中达到均匀完全填充，PURATEK提供了多种带式输送机供选择：

1.带式输送机和串联式带式输送机

2.可滑动的带式输送机（也可用于反向输送）

3.旋转式带式输送机

4.伸缩式带式输送机（也可以用于旋转式）

物料输送一般采用料车移动方式或输送带移动方式进行输送。

在料车移动系统中，料车可以单个输送，也可以多个集中起来通过轨道输送。

通过特殊的旋转平台，满载的料车可以直接装入特制的卡车中运走。

料车输送带为料车的操作提供了一个很好的平台，移走满载的料车，放回空载的料车，并为部分料车提供了一个中间调节贮存平台。

图12带式输送机装载过程

图13料车输送带

固化的最终产物也可以被铸造成不同的形状，压紧、硬化后形成模具。

混合物可以在极短的时间内成形/破碎，然后大约在30天就可以达到最终的强度。

硬化后的模具具有极低的孔隙率，水份无法进入。

仅在混凝土块的表面有少量渗出。

模型的生产需要使用大量的混合器。

混合器容量根据模具规格的不同进行调整。

在混合物完全成形/破碎后，即可将混合器清空。

因此，成形的模具通过混合系统的辊道输送机运输。

为了确保最终固化产品的压实度和模型的最终强度，混合器底部安装振动压实单元。

填充好的模具通过辊道输送机运输出去。

在辊道输送系统的末端，填充好的模具用叉车送往硬化区。

图14辊道输送系统运送模具（自动运行）

五最终固化产品处理

图15从模具中剥离出来的模块（经处理后的废弃物）

根据废弃物处理方法的不同和最终产品的不同，固化后的最终产品可以就地处理，或者运往批准的填埋场填埋，或者用于建筑工程中。

例如作为路基或者堤坝基础。

就地处理或者运往填埋场处理均需要不同程度的压实，最终形成固化产品的集成块。

此外，固化后的最终产品可以被铸造成为模型。

固化后的模型可以再利用或用来构成垃圾填筑池。

图16集成的最终固化产品（集成块）

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