飞灰水泥固化与螯合稳定化产物的老化机理探讨
01碳化反应
碳化反应是飞灰体系最重要的老化反应。飞灰固化稳定化产物是一种碱性体系，碱性物质溶于孔隙水中，形成一定浓度的碱性溶液，持续与空气中的二氧化碳反应，形成碳酸氢盐和碳酸盐。
对于飞灰水泥固化体系，随着风化作用的持续发生，固化体表面或局部发生结构破坏，强度逐步降低，碱性金属盐类被淋溶迁移后，固化体系碱性环境逐渐演变成中性和酸性环境。碱性溶液中溶解的二氧化碳越多，体系pH降低越显著，局部可降低3~4个单位，部分区域 Zn、Cu等重金属的氢氧化物和碳酸盐沉淀开始缓慢溶解。当飞灰体系中孔隙水溶液呈酸性(pH<6)时，将会促进Pb、Cd、Sr、Cu、Zn等重金属的析出和还原性Fe、Mn的释放，重金属的环境风险会有一定升高。但是，水泥固化形成的完整块体结构限制了碳化作用的影响范围，一般仅在块体表面1~2cm厚度内较为显著。本课题组现场取样分析发现，自然老化6年后的水泥固化体表面采集样品的pH值降低至7.0~8.0之间，而块体表面之下10~15cm处样品的pH值在12.0左右，水泥固化体对重金属依然保持了较好的固定效果。
与水泥固化体系一样，碳化反应也被普遍认为是飞灰螯合体系的主要老化反应。由于飞灰螯合稳定化体系仍为松散堆积态，孔隙率和原始飞灰没有明显差别，有利于与二氧化碳气体充分接触，更容易发生碳化侵蚀，导致某些重金属的快速释放。本课题组对螯合稳定化后进入某填埋场填埋的飞灰现场取样分析发现：螯合稳定化后堆放1个月的样品，Pb浸出浓度已经从满足入场标准(<0.25 mg/L)升高至0.65mg/L;填埋6个月后的样品，Pb浸出浓度升高至1.95mg/L;填埋6年后的样品，Pb浸出浓度升至5.27mg/L。Pb浸出浓度随填埋龄持续升高的现象说明固定重金属的螯合作用难以持久发挥作用。
02可溶盐溶解
由于Na和K的氯化盐和硫酸盐溶解度很大，飞灰中的这些可溶盐迁移能力也相应较大，大气降水和其他水的侵入可使碱金属的氯化盐、硫酸盐、碳酸盐淋溶和迁移到比较远的距离，同飞灰体系中的碳酸钙和硫酸钙产生空间位移。此外，飞灰体系中易溶性盐类呈混合物可能提高或者降低另一些组分的溶解度。例如，氯化钠非常明显地提高碳酸钙的溶解度，急剧提高石膏的溶解度，从而促进碳化反应的进行。
03脱硅反应和脱铝反应
Al、Si是飞灰体系的骨架元素，飞灰体系的碱性溶解会促进二氧化硅化合物的迁移和氧化铝的析出，发生脱硅作用和脱铝作用，从而将已经被硅铝化合物固定的重金属释放出来。另外，水合氢离子(H3O)深入晶格中，置换K、Na、Ca、Mg，引起电荷条件的变化，并逐渐引起结构破坏，使重金属阳离子以及Si和Al阴离子转移到溶液中。
04氧化反应
飞灰体系具有较强的还原性。经历自然老化作用后，飞灰体系还原能力减弱，氧化还原电位发生改变，从而影响受氧化还原条件控制的重金属的释放，如Cr和As。
思考与展望
飞灰是垃圾焚烧处理过程污染物分离浓缩的终端产物，飞灰的环境风险主要来自于重金属的浸出释放，飞灰处理的主要目标是重金属环境风险的最小化。固化稳定化后进行规范的填埋处置构建了重金属环境风险控制的“多重屏障”，有利于实现重金属环境风险最小化的目标，因而是国内外采用最为广泛的飞灰处理技术。可靠的固化稳定化可以提供坚强的废物屏障，与现代化填埋场提供的工程屏障和良好选址提供的地质屏障相辅相成，共同切断重金属进入生态环境和人体的暴露途径，相当于给重犯(重金属及二噁英)带上镣铐(固化稳定化)，然后再关进监狱(填埋场)，并且把监狱建在容易隔离不易逃出的地方(选址)。
固化稳定化对重金属的固定效果在很大程度上取决于所采用的固化稳定化材料。我国常用的固化稳定化材料为水泥与螯合剂，由于其自身化学稳定性不同，固定重金属的机理不同，在填埋场地球化学条件下，固定重金属的长效性可能存在较大差异。长效性决定了重金属环境风险的“源项”大小，但是目前我国对飞灰固化稳定化长效性及其综合环境影响的系统研究还极为缺乏，固化稳定化材料选择及工艺设计还存在一定的盲区和误区。飞灰固化稳定化材料选择及工艺设计方面，应尽力避免“应试导向”工艺，即短期之内能够满足严格的填埋入场要求，但进入填埋场之后稳定化效果迅速衰减，重点支持“素质导向”工艺，即能够满足填埋入场要求，且进入填埋场之后稳定化效果能够基本保持。因此，我国现阶段应对各种飞灰固化稳定化方法的长效性和综合环境影响进行系统全面的研究与评估，在此基础上对我国飞灰固化稳定化材料选择、工艺设计及工程应用提出更为科学有力的指导，解决我国垃圾焚烧发展的“燃眉之急”与“后顾之忧”。
