我國(guó)南方某城市垃圾焚燒飛灰特性及固化/穩(wěn)定化處置實(shí)驗(yàn)

羅 歡,李鴻江,溫致平,王 石

(深圳市環(huán)境工程科學(xué)技術(shù)中心,深圳 518001)

1 引 言

生活垃圾焚燒法具有減容減量效果好、無(wú)害化程度高和資源能源再利用等優(yōu)點(diǎn),因此在垃圾處理技術(shù)中所占的比重迅速增加[1,2]。垃圾焚燒產(chǎn)生的飛灰因含有多種重金屬 (Cr、Pb、Cu等)和二噁英類(lèi)物質(zhì),根據(jù)《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》和《危險(xiǎn)廢物污染防治技術(shù)政策》,飛灰屬于危險(xiǎn)廢物,應(yīng)按照危險(xiǎn)廢物處理處置要求進(jìn)行安全填埋處置。然而,受多方面因素制約,目前許多垃圾焚燒飛灰未能進(jìn)行安全填埋處置。從國(guó)外的飛灰處置政策來(lái)看,大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家將垃圾焚燒飛灰列為危險(xiǎn)廢物,要求對(duì)其進(jìn)行無(wú)害化處理處置,但并沒(méi)有硬性要求進(jìn)行安全填埋處置,而是側(cè)重于對(duì)飛灰進(jìn)行無(wú)害化預(yù)處理和綜合利用;從國(guó)內(nèi)的飛灰處置政策來(lái)看,目前國(guó)家環(huán)保部發(fā)布的《2008年國(guó)家先進(jìn)污染防治技術(shù)示范名錄》已將“垃圾焚燒飛灰藥劑穩(wěn)定化—衛(wèi)生填埋技術(shù)”作為固體廢物處理的推薦示范技術(shù)。

本文在分析南方某城市垃圾焚燒廠飛灰特性、處理處置現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了飛灰穩(wěn)定化試驗(yàn)研究,并通過(guò)進(jìn)一步的人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和飛灰豁免管理分析,提出垃圾焚燒飛灰的處理處置建議,為該城市政府部門(mén)對(duì)垃圾焚燒飛灰的管理提供決策依據(jù)。

2 垃圾焚燒廠概況

本文調(diào)查的 7個(gè)垃圾焚燒廠總的設(shè)計(jì)處理能力為 4875 t/d,目前實(shí)際處理量達(dá)到 4700 t/d。各焚燒廠 (分別以 A、B、C、D、E、F、G表示)實(shí)際處理量如圖 1所示,日處理能力處于 300噸至1100噸之間。

圖1 南方某城市垃圾焚燒廠的生活垃圾處理量Fig.1 Municipal solid waste capacity of every incineration plant in a southern city

3 飛灰的產(chǎn)量及特性

3.1 飛灰產(chǎn)量

7個(gè)垃圾焚燒廠各自的煙氣處理工藝、飛灰產(chǎn)量及產(chǎn)率如表 1所示,其飛灰的總產(chǎn)量為 101.62 t/d,年產(chǎn)生量約 3.3萬(wàn) t。其中,A廠飛灰產(chǎn)生率高達(dá) 4%,是由于煙氣半干法處理系統(tǒng)處于調(diào)試期,石灰添加量較大,新增布袋除塵系統(tǒng)后原有電除塵系統(tǒng)仍然運(yùn)行,其除塵率較高;E廠采用控氣式 (CAO)靜態(tài)焚燒爐,煙氣中含塵量小,且煙氣處理過(guò)程中不加石灰,因此飛灰產(chǎn)生量很小(0.03 t/d)。其他生活垃圾焚燒廠的煙氣處理工藝均為半干式反應(yīng)塔 +活性炭吸附 +袋式除塵器,飛灰產(chǎn)生率處于 1.5%～2.6%之間。

3.2 飛灰特性分析

為了研究垃圾焚燒廠飛灰的基本特性,采集了A、B、C、D和 G廠的飛灰樣品。其中,E廠由于采用CAO靜態(tài)焚燒爐,煙氣處理不加石灰,因此飛灰產(chǎn)生量很小 (表 1),此處不作分析;F和 G廠焚燒的垃圾組分近似,煙氣處理工藝相同,在此僅對(duì) G廠飛灰作分析。

3.2.1 飛灰的化學(xué)組成

飛灰的化學(xué)組成采用 XRF-1700型 X射線熒光光譜儀分析 (波長(zhǎng)掃描式,X線光管功率 4 K W,可分析元素范圍為 5 B～92 U)。

表2 飛灰的化學(xué)組成Tab.2 Chemical composition of fly ash

從檢測(cè)結(jié)果 (見(jiàn)表 2)可知,不同焚燒廠飛灰的主要成分為 CaO、SiO2、MgO、Al2O3、Fe2O3、Na2O、SO3和 Cl,不同成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)各有差異。B廠和 C廠的飛灰由于在煙氣脫酸時(shí)噴入了過(guò)量的熟石灰,導(dǎo)致 CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高 (38.81%和30.50%);B、C和 D廠的飛灰中 Cl含量較高(24.53%、22.80%和 29.18%),一是可能由于焚燒垃圾中廚余量較大,含有較多的食鹽 (NaCl),二是可能垃圾中塑料數(shù)量較大;A和 G廠的飛灰中 SiO2、Al2O3和 Fe2O3含量較高,可能是由于垃圾中的灰土類(lèi)物質(zhì)帶入造成。

3.2.2 飛灰的重金屬浸出毒性分析

飛灰的重金屬浸出毒性采用《浸出毒性浸出方法翻轉(zhuǎn)法》 (GB5086.1-1997)、《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》(GB 5085.3-2007)進(jìn)行分析,其中重金屬含量采用等離子體發(fā)射光譜 ICP -AES進(jìn)行測(cè)試分析 (結(jié)果見(jiàn)表 3),5個(gè)廠的飛灰浸出液中 Pb均超標(biāo),此外,C廠的 Cd和 Zn超標(biāo),G廠的 Cd超標(biāo)。由此可見(jiàn),飛灰的主要超標(biāo)重金屬為 Pb,各廠飛灰的浸出液中至少存在一種有害成分含量超過(guò)鑒別標(biāo)準(zhǔn)限制,因此,根據(jù)危險(xiǎn)廢物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn),各廠垃圾焚燒飛灰均應(yīng)判定為危險(xiǎn)廢物,需要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定化處理。

表3 飛灰的重金屬浸出毒性Tab.3 Leaching toxicity of heavymetals in the fly ash(mg/L)

4 飛灰處理處置現(xiàn)狀

目前該 7個(gè)垃圾焚燒廠的飛灰處理處置情況如表 4所示。其中,E廠飛灰主要運(yùn)至危險(xiǎn)廢物安全填埋場(chǎng)進(jìn)行填埋處置,該安全填埋場(chǎng)日常主要用于填埋工業(yè)危險(xiǎn)廢物;B和 C垃圾發(fā)電廠的飛灰運(yùn)送至自建的飛灰安全填埋場(chǎng)進(jìn)行處置;而 A和 D廠的飛灰運(yùn)至生活垃圾填埋場(chǎng)與生活垃圾混合填埋; F和 G廠的飛灰在廠內(nèi)堆放暫存,亟待尋求新的處理途徑。由此可知,目前除了B、C和 E廠按要求將飛灰運(yùn)至安全填埋場(chǎng)填埋處置外,其他廠的飛灰處置方式均不符合危險(xiǎn)廢物處置要求。

垃圾焚燒廠飛灰未能進(jìn)行安全填埋主要是因?yàn)榘踩盥駡?chǎng)容量有限,飛灰安全處置成本較高。一方面,現(xiàn)有危險(xiǎn)廢物安全填埋場(chǎng)在設(shè)計(jì)初期往往是針對(duì)工業(yè)危險(xiǎn)廢物,并未考慮垃圾焚燒飛灰的處置,而目前飛灰的產(chǎn)生量太大,使得安全填埋場(chǎng)在規(guī)模上難以滿足處置要求;另一方面,飛灰的安全填埋處置成本高達(dá) 1600元/t,而多數(shù)垃圾焚燒廠采取BOT方式建設(shè),垃圾處理費(fèi)用中大多未包括飛灰的安全處置費(fèi)用,導(dǎo)致垃圾焚燒廠運(yùn)營(yíng)單位不愿承擔(dān)這筆費(fèi)用。因此,目前垃圾焚燒廠飛灰處置問(wèn)題的解決迫在眉睫。

表4 各個(gè)垃圾焚燒廠飛灰的目前處理處置情況Tab.4 The present situation of treatment and disposal of fly ash in different incineration plants

5 飛灰穩(wěn)定化試驗(yàn)研究

目前垃圾焚燒飛灰常用的預(yù)處理方法有水泥穩(wěn)定化、化學(xué)藥劑穩(wěn)定、熔融/玻璃化熱處理和化學(xué)浸提等[3～5],其中水泥穩(wěn)定化法由于設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、處理費(fèi)用低、材料來(lái)源廣泛,是目前應(yīng)用最為普遍的預(yù)處理方法[6]。

本文采用水泥穩(wěn)定化法對(duì)飛灰進(jìn)行了試驗(yàn)研究。由于上述垃圾焚燒廠飛灰的浸出液中 Cr、Cu和Ni均未超標(biāo) (見(jiàn)表 3),故飛灰穩(wěn)定化試驗(yàn)主要以超標(biāo)重金屬 Cd、Pb和 Zn為研究對(duì)象,采用這三種重金屬浸出濃度最高的 C廠飛灰作為樣品,研究不同水泥添加量與浸出液重金屬濃度的關(guān)系,結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同水泥添加量下飛灰中重金屬浸出毒性Fig.2 Leaching toxicity of heavymetals in the fly ash with different cement addition

由圖 2可知,飛灰經(jīng)水泥穩(wěn)定化后,浸出液中Cd、Pb和 Zn的濃度隨水泥所占比例的增加基本呈遞減趨勢(shì),即水泥越多,穩(wěn)定化效果越好。當(dāng)水泥添加量為 5%時(shí),浸出液中 Pb和 Zn的濃度 (0.84 mg/L和 24.98 mg/L)可以小于危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)濃度限值和危險(xiǎn)廢物進(jìn)入填埋區(qū)控制限值,而 Cd (2.45 mg/L)尚未達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn) (表 5)。當(dāng)水泥添加量為 10%時(shí),Cr、Pb和 Zn的浸出濃度分別為0.02 mg/L、0.36 mg/L和 48.0 mg/L,比預(yù)處理前分別降低了 99.9%、96.9%、70.9%,經(jīng)穩(wěn)定化處理后均可以滿足表 5的濃度限值。需要注意的是,Pb和 Zn的氫氧化物屬于兩性物質(zhì),過(guò)多的水泥會(huì)增加飛灰的堿性而使其重新浸出;且從經(jīng)濟(jì)角度考慮,添加過(guò)多的水泥會(huì)增加飛灰的總體積,浪費(fèi)有限的填埋場(chǎng)庫(kù)容。因此,建議飛灰穩(wěn)定化工藝中水泥的添加量為 10%,同時(shí)可考慮添加少量藥劑添加劑,以加強(qiáng)重金屬的穩(wěn)定化效果。

表5 標(biāo)準(zhǔn)濃度限值Tab.5 Standard concentration l imits (mg/L)

6 飛灰的豁免管理與風(fēng)險(xiǎn)分析

經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化預(yù)處理后的垃圾焚燒飛灰,如果經(jīng)檢驗(yàn)其中有毒有害物質(zhì)的濃度在可接受的范圍之內(nèi),就可以進(jìn)行豁免管理,進(jìn)行綜合利用或衛(wèi)生填埋處置。這種豁免管理方式既不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康造成潛在的威脅,又可以減少處理處置的費(fèi)用[7]。

6.1 人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

垃圾焚燒飛灰主要污染物為重金屬,其對(duì)人體的影響主要為非致癌風(fēng)險(xiǎn),對(duì)于非致癌污染物的危害效應(yīng)計(jì)算公式如下[7,8]：

式中：HQ為危險(xiǎn)系數(shù);ADD為暴露期間的平均日劑量,ADD=人體平均每天口服劑量/體重, mg/(kg·d);Rfd為非致癌參考劑量,mg/(kg·d)。如果幾種化學(xué)物質(zhì)同時(shí)存在時(shí),可以將每一種化學(xué)物質(zhì)或暴露途徑的危險(xiǎn)系數(shù)(HQ)相加,生成一個(gè)危險(xiǎn)指數(shù)(HI)：

式中：i為第 i種化學(xué)物質(zhì)或暴露途徑。在這種情況下,非致癌物質(zhì)的可接受風(fēng)險(xiǎn)為危險(xiǎn)指數(shù)小于 1.0;如果危險(xiǎn)指數(shù)大于 1.0,則可能存在非致癌影響。

6.2 模型

根據(jù)垃圾焚燒飛灰在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程,為了計(jì)算垃圾焚燒飛灰對(duì)人體健康造成的風(fēng)險(xiǎn),采用如下的假設(shè)模型[7]： (1)假設(shè)受影響居民的數(shù)量為 105人; (2)兒童平均體重假設(shè)為 16kg,成人平均體重為 70kg; (3)可能受害者的主要受害途徑為飲用受垃圾焚燒飛灰中重金屬污染的地下水; (4)其他暴露與其相比可以忽略不計(jì); (5)垃圾焚燒飛灰對(duì)人體的危害主要為非致癌影響; (6)成人每天飲用的總水量為 2L,兒童每天飲用的總水量為1L;(7)假設(shè)飲用水中的污染物100%被人體所吸收;(8)人體平均每天口服劑量 (mg/d)= C×L(C為水中有毒有害物質(zhì)的質(zhì)量濃度 (mg/L),C =實(shí)驗(yàn)室浸出液濃度值 ×DAF;L為人體每天飲用的總水量 (L/d)); (9)DAF取 100(DAF即稀釋衰減因子,為污染源中有毒有害物質(zhì)的濃度與飲用水井中有毒有害物質(zhì)濃度的比值); (10)假設(shè)飲用水中各種有毒有害物質(zhì)對(duì)人體健康危害的毒性作用呈相加關(guān)系,而不是協(xié)同或拮抗關(guān)系,則飲用水總的健康危險(xiǎn)指數(shù) (HI)為：

式中：i為飛灰中的第 i種化學(xué)物質(zhì)。

6.3 計(jì)算結(jié)果

以 C廠飛灰為例,飛灰未經(jīng)處理直接進(jìn)入環(huán)境中,則其人體健康風(fēng)險(xiǎn)如表 6所示。由表 6可知,C廠飛灰未經(jīng)處理前對(duì)兒童和成人的非致癌危險(xiǎn)指數(shù)分別為 56.60和 25.88,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可接受的風(fēng)險(xiǎn)水平 (即危險(xiǎn)指數(shù)小于 1),存在較高的非致癌風(fēng)險(xiǎn),因此必須進(jìn)行穩(wěn)定化處理,使其危險(xiǎn)性降低到一定程度以后,才能考慮進(jìn)一步的利用或處置。

C廠飛灰經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理 (添加 10%的水泥,養(yǎng)護(hù)時(shí)間 1天)后,對(duì)兒童和成人的非致癌危險(xiǎn)指數(shù)分別降到 0.67和 0.31(見(jiàn)表 7),約為未經(jīng)處理飛灰非致癌指數(shù)的 1.2%,均小于非致癌物質(zhì)的可接受風(fēng)險(xiǎn)值 (即 1.0)。因此,C廠飛灰經(jīng) 10%水泥穩(wěn)定化處理后可以從危險(xiǎn)廢物中豁免,進(jìn)行綜合利用或衛(wèi)生填埋處置,不會(huì)對(duì)人類(lèi)健康造成很大的影響。

表6 C廠飛灰的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.6 Human health risk assess ment result of fly ash in plant C

表7 C廠飛灰經(jīng)穩(wěn)定化處理后的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.7 Human health risk assessment result of the stabilized fly ash

7 結(jié)論與建議

7.1 該城市目前 7個(gè)生活垃圾焚燒廠的總設(shè)計(jì)處理能力為 4875 t/d,目前實(shí)際處理量達(dá)到 4700 t/d,飛灰的總產(chǎn)量為 101.62 t/d。

7.2 各焚燒廠飛灰的主要超標(biāo)重金屬為 Pb,飛灰浸出液中至少存在一種有害成分含量超過(guò)危險(xiǎn)廢物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)限制,均屬于危險(xiǎn)廢物,需要進(jìn)行穩(wěn)定化處理。

7.3 除了B、C和 E廠按要求將飛灰運(yùn)至安全填埋場(chǎng)填埋處置外,其他廠的飛灰處置方式均不符合危險(xiǎn)廢物處置要求。飛灰未能進(jìn)行安全填埋主要是因?yàn)楝F(xiàn)有安全填埋場(chǎng)容量有限,飛灰安全處置成本較高,而垃圾處理收費(fèi)中未包括飛灰的安全處置費(fèi)用。7.4 以重金屬浸出濃度最高的 C廠飛灰進(jìn)行穩(wěn)定化預(yù)處理試驗(yàn)表明,當(dāng)水泥添加量為 10%時(shí),Cr、Pb和 Zn的浸出濃度分別為 0.02 mg/L、0.36 mg/L和 48.0 mg/L,比預(yù)處理前分別降低了 99.9%、96.9%、70.9%,其浸出濃度均低于危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)濃度限值和危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)入場(chǎng)控制限值。

7.5 C廠飛灰未經(jīng)處理前對(duì)兒童和成人的非致癌危險(xiǎn)指數(shù)分別為 56.60和 25.88,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可接受

的風(fēng)險(xiǎn)水平;經(jīng)過(guò)添加 10%的水泥穩(wěn)定化處理后,對(duì)兒童和成人的非致癌危險(xiǎn)指數(shù)分別降到 0.67和0.31,其風(fēng)險(xiǎn)性約為未經(jīng)處理前的 1.2%,不會(huì)對(duì)環(huán)境和人體造成潛在威脅,可以進(jìn)行豁免管理。

7.6 針對(duì)該城市垃圾焚燒飛灰處理處置存在問(wèn)題,建議近期要求垃圾焚燒飛灰就地在廠內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定化預(yù)處理,重金屬浸出濃度應(yīng)低于《危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18598-2001)中的入場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)限值,經(jīng)預(yù)處理的飛灰可以送往垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)與垃圾共填埋,有條件的可以進(jìn)行安全填埋處置;遠(yuǎn)期可由政府統(tǒng)一建設(shè),或鼓勵(lì)企業(yè)自建飛灰熔融等無(wú)害化處理設(shè)施,將飛灰無(wú)害化處理后以便綜合利用。另外,政府部門(mén)應(yīng)盡快統(tǒng)一明確飛灰的處理處置費(fèi)用來(lái)源,以便規(guī)范垃圾焚燒廠的飛灰處理處置要求。同時(shí),應(yīng)加強(qiáng)飛灰的流向控制和管理,對(duì)飛灰的產(chǎn)生量和穩(wěn)定化預(yù)處理情況進(jìn)行監(jiān)控。

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