生活垃圾焚燒爐渣資源化利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

金興乾

(青島康恒再生能源有限公司，山東 青島 266111)

1 前 言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市生活垃圾的產(chǎn)生量正在迅速增加。2015年我國生活垃圾清運量已經(jīng)達(dá)到1.8億t，國內(nèi)多個城市的生活垃圾填埋場存在庫容不足的問題，超過200個城市出現(xiàn)“垃圾圍城”的現(xiàn)象[1]。作為生活垃圾衛(wèi)生填埋的替代技術(shù)，生活垃圾焚燒技術(shù)逐漸成為生活垃圾實現(xiàn)無害化、減量化的主要方案，丹麥與荷蘭接近100%的生活垃圾由焚燒處置[2]。

焚燒發(fā)電技術(shù)作為一種較為成熟的生活垃圾處理，目前在我國也已得到廣泛應(yīng)用。截止2015年底，國內(nèi)投產(chǎn)、在建及簽約的生活垃圾焚燒發(fā)電項目共計330座，分?jǐn)?shù)要生活垃圾能力超過30萬t/d[3]。垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)減量化效果明顯，焚燒后可使垃圾減容80%至90%，質(zhì)量減少約75%，并可對焚燒過程中產(chǎn)生的熱能進(jìn)行回收利用。2014年我國生活垃圾焚燒無害化處理量為5 300萬t，焚燒過程中約有20%的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為灰渣，其中爐渣約占80%，焚燒1t生活垃圾約產(chǎn)生200～250kg爐渣，日處理量為1 000t的生活垃圾焚燒廠，一年產(chǎn)生約7～9萬t的爐渣[2]。

中國《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》明確規(guī)定：焚燒爐渣按照一般固體廢棄物處理。基于資源有效再生利用及節(jié)約填埋處理土地資源的理念，歐美等國在20世紀(jì)下半葉便已開始對生活垃圾焚燒爐渣資源化利用的研究；我國在2010年10月頒布了《生活垃圾焚燒爐渣集料》(GB/T25032-2010)，為生活垃圾焚燒爐渣的合理綜合利用提供了國家標(biāo)準(zhǔn)[1]。隨著生活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用與推廣范圍不斷擴(kuò)大，爐渣的產(chǎn)量也將與日俱增，如何在依托相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)爐渣的綜合利用便成了亟待解決的問題。

2 國內(nèi)生活垃圾焚燒爐渣特點

生活垃圾焚燒爐渣是焚燒爐上殘留的焚燒殘渣，包括爐排上的殘留物和從爐排間掉落的顆粒物，是一種淺灰色的鍋爐底渣，隨著含炭量的增加顏色變深。大顆粒爐渣(>20mm)以陶瓷、磚塊和鐵為主，小顆粒爐渣主要為熔渣和玻璃和其他一些不可燃無機(jī)物及未完全燃燒的有機(jī)物組成[2]。爐渣密度約為2.3g/cm3，pH值約為8～13，主要成分為二氧化硅、氧化鈣、三氧化二鋁、三氧化二鐵、氧化鎂及少量的氧化鉀、氧化鈉等[3]，見表1。

生活垃圾焚燒爐渣元素組成較為復(fù)雜，含有多種重金屬，Zhang等針對上海一處生活垃圾焚燒設(shè)施的研究表明，生活垃圾焚燒爐渣富集了生活垃圾中70%以上的重金屬(主要為Zn、Cr、Cu和Pb)[4]。

根據(jù)對生活垃圾焚燒爐渣的浸出毒性檢測結(jié)果可知，爐渣浸出液中鎘、總鉻、鎳、鋅、銅、鋇、鉛、硒、汞、六價鉻、砷、鈹均未超出《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》(GB5085.3-2007)“表1 浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)值”。分析結(jié)果如表2所示，且結(jié)果表明生活垃圾焚燒發(fā)電廠爐渣不屬于危險廢物。

表1 爐渣全成分分析結(jié)果Tab.1 Analysis results of MSW slag component (%)

此外，爐渣中的鉛、銅和鋅的含量是土壤平均含量的26、14和13倍。因此爐渣的直接填埋將造成極大的生態(tài)風(fēng)險。我國每年爐渣產(chǎn)量巨大，而實際利用率較低。目前國內(nèi)對爐渣的利用主要集中在簡單的堆積、填埋或用于建筑材料[2]。

表2 生活垃圾焚燒爐渣浸出毒性檢測結(jié)果及分析Tab.2 The results and analysis of leaching toxicity test of MSW slag (mg/L)

3 國內(nèi)生活垃圾焚燒爐渣資源化利用技術(shù)

經(jīng)焚燒產(chǎn)生的爐渣組分較為混雜，其處理工藝需要經(jīng)過水力跳汰與磁選工藝可去除大部分金屬雜質(zhì)，再經(jīng)研磨、篩分等處理后，可以多種途徑進(jìn)行綜合利用。

為便于爐渣的深度資源化利用，需要對爐渣進(jìn)行預(yù)處理。通過篩分裝置將直徑小于100mm的爐渣顆粒篩選出來進(jìn)入下一道工序；而體積較大的渣塊、石塊、混凝土塊及大塊的金屬則進(jìn)行一級破碎；未完全燃燒的垃圾被人工撿出，集中后送回垃圾焚燒爐重新焚燒。該工藝完成后對于直徑小于100mm的爐渣顆粒進(jìn)行一級磁選，利用磁力除鐵器磁選爐渣中的磁性金屬。經(jīng)過一級磁選后的爐渣，進(jìn)行二級破碎，目前的技術(shù)可將破碎后的顆粒細(xì)度調(diào)整到1～4mm左右。接著對二級破碎后的顆粒進(jìn)行二級磁選工藝技術(shù)，經(jīng)二級磁選后的爐渣依次進(jìn)行浮力重選其他金屬、非金屬尾沙沉淀工藝技術(shù)、工藝水流程等。整個工藝處理過程沒有對外排放污水的情況，做到了污水的“零排放”。相應(yīng)工藝流程如下圖。

圖 垃圾焚燒爐渣資源化利用工藝流程Fig. MSW slag resource utilization flow diagram

3.1 爐渣預(yù)處理及金屬回收

爐渣中的廢舊金屬，主要為鐵、銅和鋁等，通?？苫厥战饘俸繛?%～8%，具有一定的資源化回收價值，往往通過回收處理使其再次利用[5-6]。夏溢等對生活垃圾焚燒爐渣中有價金屬鐵、鋁、銅的可回收性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示生活垃圾焚燒爐渣中鐵的磁選回收率為14.8%，Al和銅的回收率為73.1%和52.7%[7]。

3.2 生活垃圾焚燒爐渣制作環(huán)保磚

經(jīng)過預(yù)處理后的爐渣含水率2%左右，密度為1 250kg/m3左右，吸水率為9%左右。使用飽和硫酸鈉溶液，連續(xù)5次循環(huán)浸泡和烘干爐渣后，爐渣質(zhì)量損失約為4.31%，爐渣的堅固性可達(dá)到制造免燒磚的要求。荷蘭與美國率先將生活垃圾焚燒爐渣用作建筑材料，較為常見的利用方式是將爐渣和其它骨料按照一定比例混合后，與水和水泥共同制作成混凝土磚。自1985年起，美國開始評估應(yīng)用生活垃圾焚燒爐渣所制成的免燒磚在應(yīng)用過程中對陸地和海洋環(huán)境的影響。研究人員在海底用爐渣制成的免燒混凝土磚建成了兩座人工暗礁，并對周邊環(huán)境進(jìn)行了持續(xù)6年的跟蹤監(jiān)測，結(jié)果表明并無有毒有害成分由混凝土磚中浸出并釋放入環(huán)境。之后一系列對生活垃圾焚燒爐渣作為混凝土替代骨料的可行性研究表明，生活垃圾焚燒灰渣制成的免燒磚符合美國材料試驗標(biāo)準(zhǔn)(ASTM)[8]。Rothel等利用生活垃圾焚燒灰渣制成的免燒磚建造了一個船庫，并對庫內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行30個月的監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明，庫內(nèi)空氣的TSP、顆粒態(tài)和氣態(tài)PC-DD/PCDF、揮發(fā)性Hg及揮發(fā)和半揮發(fā)有機(jī)物等無明顯變化，該研究結(jié)果說明灰渣中的污染物被有效截留在了水泥磚中[9]。上述研究結(jié)果證明，從工程實踐及環(huán)保角度而言，生活垃圾焚燒爐渣制作環(huán)保磚或建筑材料是可行的。

3.3 生活垃圾焚燒爐渣路基填充料

生活垃圾焚燒爐渣的物理化學(xué)性質(zhì)與工程特性與常見的輕質(zhì)天然骨料(如黃沙等)相似[10]。爐渣通過上述工藝處理后，可與瀝青或水泥及其它骨料混合用于鋪裝路面。對這種混合料進(jìn)行金屬元素浸出的跟蹤測試，結(jié)果表明其鉛、鎘和鋅的釋放量較低。利用其對環(huán)境和人類健康的影響及生命周期評價，發(fā)現(xiàn)只要管理技術(shù)得當(dāng)，該混料利用的各項風(fēng)險均低于可接受風(fēng)險的標(biāo)準(zhǔn)值，可以避免對環(huán)境造成二次污染[11]。將爐渣用作道路、停車場等地基的填充材料在歐洲和美國都有成功應(yīng)用的經(jīng)驗，在我國也較為常見[12]。位于上海浦東的苗圃路試驗段是生活垃圾焚燒爐渣應(yīng)用的案例之一，通過觀測路面狀況、路表彎沉、基層強度和模量，證實了生活垃圾焚燒爐渣集料用于道路基層材料的部分替代骨料在道路工程建設(shè)上是可行的，且可以獲得良好的長期使用效果[13]。

4 生活垃圾焚燒爐渣資源化時應(yīng)注意的問題

生活垃圾焚燒爐渣的資源化利用已被證實是可行的，而且存在著多種資源化利用的方式。但由于其含有重金屬等有毒有害物質(zhì)，在極端條件下存在一定的浸出風(fēng)險；同時，其中含有的鋁、鋅等元素會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氫氣，造成建材開裂，影響使用性能；爐渣中含有大量玻璃等脆性成分，只有去除這些雜質(zhì)，才能夠?qū)t渣應(yīng)用為道路工程材料[12]；未經(jīng)處理的爐渣尚不能全面滿足各種綜合利用方式的技術(shù)要求。爐渣必須經(jīng)過充分預(yù)處理，從而消除或降低其對人群健康和環(huán)境的不利影響[1]。

同時，目前的濕法預(yù)處理工藝通過水流的沖擊作用，可以實現(xiàn)鐵、鋅和銅等有價金屬的高效回收，但該工藝尚存在鋁流失、水耗高、設(shè)備占地面積大、污泥污水產(chǎn)生量大等問題[14]，在此基礎(chǔ)上探索爐渣的新型預(yù)處理技術(shù)也是未來的一大課題。

5 結(jié)論與展望

生活垃圾焚燒爐渣經(jīng)過合理預(yù)處理后可進(jìn)行多種資源化綜合利用，此舉既解決了爐渣的出路問題，又節(jié)約了物料。相關(guān)研究結(jié)果已表明，只要預(yù)處理工藝合理、運行管理得當(dāng)，生活垃圾焚燒爐渣的綜合利用不會對環(huán)境造成二次污染。隨著生活垃圾焚燒技術(shù)在國內(nèi)的不斷推廣，生活垃圾焚燒爐渣如何處置已逐漸成為突出的環(huán)保問題，如何因地制宜地設(shè)計生活垃圾焚燒爐渣的綜合利用方案將成為未來的研究熱點。