城市垃圾焚燒飛灰處理方法及探討

摘要：本文闡述了中國城市垃圾焚燒處理現(xiàn)狀，從重金屬飛灰穩(wěn)定化的需求方面介紹了化學(xué)穩(wěn)定化、水泥固化和熔融固化三種飛灰穩(wěn)定技術(shù)。通過已有實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用分析了三種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，得出我國未來垃圾焚燒飛灰處理的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：重金屬；化學(xué)穩(wěn)定化；水泥固化；熔融固化

中圖分類號(hào)：TL941+.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2017）03-0158-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.03.083

Abstract： This paper describes the present situation of municipal solid waste incineration in China ， and three kinds of technologies which were chemical stabilization， cement solidification and melting solidification are introduced in the paper. Advantages and disadvantages of the three technologies were analyzed based on the experiment result and application， the trend of the treatment of fly ash in China is obtained.

Key words： Heavy metal； Chemical stabilization； Cement solidification； Melt solidification

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，生活垃圾量在逐年增加。2015年，我國城市生活垃圾清運(yùn)量超過1.9億噸，比2014年增多1280萬噸。隨著城市生活垃圾產(chǎn)量不斷增多，城市垃圾填埋場的容量愈來愈少。中國越來越多使用焚燒法處理生活垃圾。截止2015年末，中國一共運(yùn)營垃圾焚燒發(fā)電廠220座，年處理生活垃圾6176萬噸[1]。

垃圾焚燒后產(chǎn)生的灰渣占原垃圾質(zhì)量的20%，其中飛灰約為原垃圾質(zhì)量的3%。飛灰中吸附有大量重金屬元素Pb、Zn、Cr及二噁英等。重金屬易浸出，對(duì)環(huán)境造成二次污染。因此，飛灰在《國家危險(xiǎn)廢物名錄》中也被界定為危險(xiǎn)廢棄物。飛灰必須經(jīng)過穩(wěn)定化處理，將其中的有害成分（二噁英和重金屬）降低到規(guī)定限值，才能進(jìn)入填埋場進(jìn)行安全填埋。

目前，許多國家采用化學(xué)穩(wěn)定化、水泥固化、熔融固化等處理垃圾焚燒飛灰，然后進(jìn)行填埋。化學(xué)穩(wěn)定化通過加入藥劑物理化學(xué)反應(yīng)，將飛灰顆粒及其內(nèi)部的重金屬元素包裹，或轉(zhuǎn)變?yōu)槎栊晕镔|(zhì)，降低其浸出毒性；水泥固化法將水泥與飛灰混合反應(yīng)形成水泥塊，該方法對(duì)含高毒重金屬廢物的處理有效，固化工藝和設(shè)備比較簡單，設(shè)備和運(yùn)行費(fèi)用低；熔融固化是在1200℃以上時(shí)，對(duì)固體廢物進(jìn)行熔融，使廢物中的有害物質(zhì)穩(wěn)定，從而減少其釋放的過程。本文中，將針對(duì)以上三種技術(shù)手段分析未來中國焚燒飛灰的處理趨勢(shì)。

1 螯合劑化學(xué)處理

穩(wěn)定化技術(shù)主要使用螯合劑固定飛灰中的重金屬，是目前應(yīng)用最多的處理方法。經(jīng)過螯合劑處理的飛灰中的重金屬含量滿足GB16889—2008要求，可以進(jìn)入生活垃圾衛(wèi)生填埋場單獨(dú)填埋，既能減輕填埋場庫容壓力，也能降低飛灰處置成本。

傳統(tǒng)的螯合劑有無機(jī)和有機(jī)藥劑兩類。無機(jī)藥劑主要是磷酸鹽。由于無機(jī)穩(wěn)定后的廢棄物在環(huán)境pH條件改變時(shí)重金屬會(huì)發(fā)生浸出，目前在一些地區(qū)已被禁用[2]。另一種則是有機(jī)螯合劑。有機(jī)螯合劑包括氨基羧酸類、有機(jī)膦酸類和羥基羧基類等[3]。有機(jī)螯合劑的螯合能力主要取決于聚合物的鏈段結(jié)構(gòu)以及取代基的數(shù)目，同時(shí)還要保證環(huán)境改變的條件下不會(huì)溢出。

余召輝等[4]采用氨基羧酸鹽有機(jī)藥劑，針對(duì)上海市垃圾焚燒廠的飛灰樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，飛灰中Pb元素的易浸出態(tài)比例從27.49%下降到了0.29%。但Cr、Cu前后變化并不顯著。

徐穎等[5]選用二丙基二硫代磷酸銨（ADD）作為螯合劑，對(duì)飛灰處理前后的穩(wěn)定化率進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)螯合劑加藥量達(dá)到飛灰質(zhì)量的1.5%時(shí)，Pb、Zn、Cd的穩(wěn)定化率達(dá)到95.6%、85.5%和93.4%，浸出濃度滿足危險(xiǎn)廢物填埋標(biāo)準(zhǔn)。但是飛灰受到Ph值的影響，在Ph<3時(shí)，產(chǎn)物中的重金屬會(huì)再度溢出。

螯合劑穩(wěn)定化處理飛灰，可有效降低飛灰中的易浸出態(tài)重金屬的含量，滿足衛(wèi)生填埋的標(biāo)準(zhǔn)。但是螯合劑不是對(duì)所有重金屬都有顯著效果，且在酸性環(huán)境下重金屬容易重新溢出。

2 水泥固化處理

水泥固化的應(yīng)用最為廣泛。該技術(shù)將飛灰和水泥混凝土混合形成水泥固化體，通過固化包容減少飛灰的表面積和降低可滲透性，達(dá)到無害化的目的。水泥固化處理費(fèi)用低、工藝簡單，重金屬固定效果好。由于水泥具有高的pH值，使得重金屬形成不溶性的氫氧化物或碳酸鹽形式固定。固化水泥還可作為建筑、路基等的填充料或者混泥土和瀝青的骨料。美國環(huán)保局曾將該技術(shù)稱為處理有毒有害廢物的最佳技術(shù)。

但滲入飛灰的固化水泥改變了固化體的結(jié)構(gòu)，降低了水泥的力學(xué)性能。固化水泥需要降級(jí)使用。于竹青等[6]針對(duì)飛灰混合硅酸鹽水泥的浸出率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焚燒飛灰摻量從0%-50%時(shí)，固化水泥表現(xiàn)穩(wěn)定，Pb、Zn、Cd等浸出率均比原始飛灰有大量降低，低于國家標(biāo)準(zhǔn)。隨垃圾焚燒飛灰摻量的增加，水泥的力學(xué)性能下降得非常明顯。水泥含量20%的情況下，28d的抗壓強(qiáng)度下降到7.1MPa，低于10MPa的建筑材料要求標(biāo)準(zhǔn)。李天鳴等[7]發(fā)現(xiàn)，水泥固化對(duì)廢棄物體積增加較大，增容達(dá)到50%。目前的衛(wèi)生填埋場都設(shè)計(jì)有最大庫容。華東、華南等地區(qū)土地資源非常緊張，水泥固化技術(shù)推廣會(huì)有一定的障礙。

3 熔融固化處理

熱熔融固化處理技術(shù)在減重、減容、重金屬穩(wěn)固化及處理周期等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。熔融爐主要有表面熔融爐、旋風(fēng)熔融爐、回轉(zhuǎn)窯熔融爐和等離子體熔融爐等。美國、俄羅斯等國家研究利用等離子熔融技術(shù)處理垃圾焚燒飛灰、醫(yī)療垃圾及飛灰、放射性廢物等。中國天楹股份有限公司在通州灣靜脈產(chǎn)業(yè)園采用等離子體熔融處理30噸/天的飛灰。

王勤等[8]采用自主設(shè)計(jì)的等離子體熔融爐對(duì)杭州焚燒飛灰進(jìn)行熔融玻璃固化實(shí)驗(yàn)。等離子電弧的宏觀溫度達(dá)到1400-1500℃，滿足熔融垃圾焚燒飛灰的要求。在氬氣、氮?dú)獾榷栊詺怏w環(huán)境下，加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CaO和SiO2，反應(yīng)后得到一種呈墨黑色、堅(jiān)硬、均質(zhì)而致密的玻璃態(tài)渣體。

CaO的添加率達(dá)到20%的時(shí)候，熔渣中重金屬的固化效果最好，玻璃體對(duì)Cu、Zn、Cd、Pb的揮發(fā)具有非常顯著的抑制效果。硅酸鹽結(jié)構(gòu)單元由位于四面體頂點(diǎn)的4個(gè)O2-和位于中心的Si4+構(gòu)成，每個(gè)O2-與硅離子結(jié)合構(gòu)成一個(gè)四面體結(jié)構(gòu)[9]。Cu、Zn、Cd、Pb等重金屬成為連接SiO4四面體的鏈被禁錮在硅酸鹽基體內(nèi)，從而使重金屬的浸出變得非常困難，具備良好的穩(wěn)定性。

曲烈等[9]將垃圾焚燒飛灰與陶粒7：3配比，在1140℃焙燒反應(yīng)，得到致密的陶粒顆粒。陶粒的表面裂紋較少和形成致密的表面釉層，形成封閉氣孔結(jié)構(gòu)，很好地固化了Cu、Zn、Pb、Cr等元素。重金屬浸出率均遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)于水泥固化和螯合劑混合處理，熔融固化技術(shù)能使飛灰無機(jī)化，重金屬完全屏蔽在玻璃體內(nèi)，浸出率低并且可封存時(shí)間足夠長。同時(shí)飛灰在反應(yīng)后減重減容，不存在水泥固化的痛點(diǎn)。隨著國家對(duì)環(huán)保的要求越來越高，土地的問題日益尖銳。熔融固化技術(shù)必將是飛灰處理處置的最終解決方案。

4 總結(jié)與討論

綜上的三種解決方法當(dāng)中，螯合劑混合固化方法簡單，且增容較低，但是我國垃圾焚燒飛灰成分復(fù)雜，僅用螯合穩(wěn)定化難以整體解決飛灰的重金屬污染問題。水泥固化技術(shù)費(fèi)用低、操作簡單，固化體穩(wěn)定性高。但是，隨著國家法規(guī)要求的日益嚴(yán)格，水泥固化的費(fèi)用也會(huì)增加，同時(shí)增容時(shí)增大的土地要求也會(huì)失去價(jià)廉的優(yōu)勢(shì)。新的固化方法熔融固化法很好的綜合了控制重金屬浸出率和減容等優(yōu)點(diǎn)，但熔融固化成本昂貴。由于我國各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不均勻，采取單一的固化技術(shù)難以從整體上解決我國危險(xiǎn)廢物的污染問題。預(yù)計(jì)在一線城市或者經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，熔融固化法會(huì)最先得到應(yīng)用；在全國中小型城市，市場可能以水泥固化加藥劑螯合為主，綜合兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)性也能滿足當(dāng)?shù)刎?cái)政的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]中國國家統(tǒng)計(jì)局2015年年鑒.

[2]Hong K I， Tokunaga S， Kajiuchi T Extraction of heavy metals from MSW incinerator fly ashes by chelating agents[J]. J. Hazard Mater， 2000， 75（1）：57-73.

[3]Padmi S T， Tanaka M， Aoyama I chemical stabilization of medical waste fly ash using chelating agent and phosphates： Heavy metals and ecotoxicity evaluation[J]. Waste Manage， 2009，29（7）： 2065-2070.

[4]余召輝，張瑞娜，畢珠潔等.藥劑穩(wěn)定化法處理飛灰中重金屬的研究[J].環(huán)境衛(wèi)生工程，2016，24（1）：24-26.

[5]章驊，何品晶.城市生活垃圾焚燒灰渣的資源化利用[J].上海環(huán)境科學(xué)，2002.10（1）：6-10.

[6]于竹青，含重金屬廢棄物的水泥固化性能及作用機(jī)理[C]，2009.

[7]李天鳴，工業(yè)固體廢物固化處理技術(shù)探討[J].石油化工安全環(huán)保技術(shù)，2011.27（5）：41-46.

[8]王勤，嚴(yán)建華，潘新潮等.利用熱等離子體熔融垃圾焚燒飛灰[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2011，（1）：141-145.

[9]曲烈，劉志華，王超等.垃圾焚燒灰-玻璃粉輕質(zhì)陶粒重金屬固化效應(yīng)研究[J].四川建材，2016，42（6）：84-86.

收稿日期：2017-05-10

作者簡介 ：張楚（1984-），男，博士，研究員，研究方向?yàn)楣虖U行業(yè)。