生活垃圾焚燒飛灰處置及資源化利用研究

文_龐俊峰 張建平 秦淼 李強 黃亞繼

1.光大環(huán)保固廢處置（蘇州）有限公司；2.東南大學能源與環(huán)境學院，能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室

我國城市生活垃圾的產(chǎn)量持續(xù)走高，隨著焚燒發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，垃圾焚燒項目已成為環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)置領(lǐng)域的重點。由于焚燒垃圾及工業(yè)危廢時都會產(chǎn)生大量飛灰，且飛灰中富集了大量的重金屬屬于危廢，若處置不科學將會對生態(tài)環(huán)境造成影響，因此對焚燒飛灰進行科學的再生利用是目前主要的研究熱點。

1 焚燒飛灰的來源

根據(jù)收集位置不同，將垃圾焚燒后產(chǎn)生的灰渣分為爐渣和飛灰，爐渣占比約80%左右，飛灰占比20%左右。爐渣主要由熔渣、有色金屬、陶瓷碎片、玻璃碎片等組成。焚燒飛灰主要是垃圾焚燒過程中在煙氣凈化、除塵裝置、熱回收利用系統(tǒng)中的捕集物。

2 焚燒飛灰的組成與性質(zhì)

焚燒飛灰成分既有無機物也有有機物，飛灰中無機有害物有Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和Zn 等重金屬，有機物有二噁英等致癌物。焚燒飛灰中含量最高的三種元素分別是O、Ca、Cl。氯元素存在的形式有NaCl、 KCl 等金屬氯化物和氯代有機物。焚燒飛灰中主要的氧化物是 CaO、 K2O、 Na2O、SO3和SiO2，飛灰形成玻璃體的主要成分是CaO、SiO2和Al2O3。

3 焚燒飛灰重金屬毒性研究

垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)生的焚燒飛灰中含有銅、鉛、鎳、錳、鎘等大量毒性重金屬以及可溶性的鹽類物質(zhì)，但都可以通過酸洗、水洗、磁力分離、電分離、離子交換和微生物分離等方法去除。酸洗結(jié)合化學穩(wěn)定化處理成本雖低，但無害化處理不徹底。研究表明，焚燒飛灰旋風熔融技術(shù)能使二噁英快速分解，熔渣形成致密的玻璃體，有效控制重金屬浸出。

4 焚燒飛灰水洗脫鹽

生活垃圾焚燒飛灰中有17%～22%的可溶性鹽，主要為Na、K 和Ca 的氯化物。氯元素含量太高不利于固化形成各種結(jié)構(gòu)，水洗可以洗去部分堿性氯化物和硫化物，從而增加飛灰中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和化學穩(wěn)定性。實驗表明，灰與水質(zhì)量比一般在1:3/4，且蒸發(fā)結(jié)晶前的預處理非常關(guān)鍵，因此生活垃圾焚燒飛灰水洗脫鹽逐漸成為一種適應(yīng)性廣泛、處理效果好、成本較低的技術(shù)。

5 焚燒飛灰處置和資源化利用

5.1 安全填埋法

安全填埋法是指將焚燒飛灰在現(xiàn)場進行螯合固化處理后送入安全填埋場填埋，這是目前焚燒飛灰最常用的處理方法。但填埋會占用大量土地資源，2020 年6月起我國將實施《危險廢物填埋污染控制標準》（GB18598-2019）中第6 條填埋標準，要求水溶性鹽總量低于10%方可進入柔性填埋場，否則進入剛性填埋場。

5.2 固化穩(wěn)定化法

固化穩(wěn)定化法包括水泥固化、瀝青固化、熔融固化、化學藥劑固化等。固化法是國內(nèi)外垃圾焚燒飛灰無害化工程中最常見的方法。如水泥固化法雖然成本低、工藝簡單，但水泥固化法產(chǎn)物增容明顯?；瘜W穩(wěn)定法是通過利用化學藥劑和化學反應(yīng)來降低飛灰中的有毒有害物質(zhì)的溶解性、遷移性和毒性。

5.3 重金屬提取法

重金屬提取法主要是將大部分重金屬從焚燒飛灰中分離出來，實現(xiàn)重金屬的回收，同時使飛灰成為普通廢棄物或成為建筑材料進行資源化利用。提取方法主要包括酸堿浸提、生物浸提、螯合劑浸提、電滲析法提取等。

5.3.1 酸堿浸提法

各種濕法冶金工藝和過程都被用于焚燒飛灰中重金屬的提取，酸堿浸提常用的試劑包括HCl、HN03、H2S04、NaOH 等。其中HCl、HN03可提取絕大部分金屬，H2S04能溶解除Ca、Pb 以外的大部分金屬，堿能選擇性地提取Zn 和Pb。為了減少酸堿消耗又能提升金屬的提取率，可采用與酸堿提取相結(jié)合的工藝。

5.3.2 生物浸提法

生物浸提取焚燒飛灰中的金屬常用的微生物包括細菌和真菌，主要反應(yīng)包括氧化還原反應(yīng)，形成有機酸或無機酸，釋放出配合物這三個步驟。有研究確定了焚燒飛灰中重金屬生物淋濾浸出的最佳條件為pH4.0,飛灰濃度1%，硫粉量5g/L，在此條件下焚燒飛灰中重金屬的去除率最佳，通過X 射線能譜分析發(fā)現(xiàn)沉淀得到的銅和鋅純度分別超過90%。

5.3.3 螯合劑浸提法

螯合劑浸提法是將螯合劑與焚燒飛灰中金屬反應(yīng)生成可溶性配合物。螯合劑主要有HCl、NTA、EDTA、DTPA 等。研究中使用近臨界水處理飛灰，繼而用NTA 提取飛灰中的有毒金屬，近臨界水處理后的飛灰用NTA提取率比對照平均提高3 倍。經(jīng)螯合劑處理后的飛灰顆粒表面孔隙度明顯降低，有機螯合劑中含硫官能團是影響重金屬穩(wěn)定的主要因素 。

5.3.4 電滲析提取法

電滲析提取法最先用于對污染土壤的修復項目，也有研究報道此技術(shù)對垃圾焚燒飛灰進行處理。電滲析法分離焚燒飛灰浸出液中重金屬效果與電流密度、液固比、處理時間等參數(shù)均有關(guān)系。研究結(jié)果表明：電流密度0.8mA/cm2，液固比10(ω)和處理時間14d 條件下飛灰浸出液中重金屬分離效果最好。飛灰中大量NaCl 被移除，可溶態(tài)和碳酸鹽態(tài)重金屬含量降低。

5.4 熱處理法

熱處理方法主要包括燒結(jié)處理、固化處理、玻璃化處理等，能夠顯著減少焚燒飛灰容積、減輕重量、降低重金屬浸出毒性度。經(jīng)處理后可形成高附加值的產(chǎn)物，用于生成再生建筑材料或者再生保溫材料。

5.4.1 燒結(jié)技術(shù)

燒結(jié)是將待處理的危險廢物與細小的玻璃屑、玻璃粉混合，經(jīng)混合造粒成型后在1000 ～1100℃高溫熔融下形成玻璃固化體。受到焚燒飛灰中存在的硫酸鹽、氯鹽影響，燒結(jié)物不適于作為建筑原料，而經(jīng)過水洗預處理的飛灰大大提高了燒結(jié)產(chǎn)品的性能。水洗焚燒飛灰燒結(jié)產(chǎn)品可以作為混凝土骨料，是較理想的替代材料。

5.4.2 熔融固化技術(shù)

近年來熔融技術(shù)在我國發(fā)展較快，焚燒飛灰經(jīng)加熱熔融后二噁英等有機污染物高溫分解，大部分重金屬經(jīng)過高溫熔融后被固化在熔渣中，熔渣可作為路基、建材、陶瓷等原料，灰渣熔融后可減容60%～70%。

5.4.3 熔融玻璃化技術(shù)

焚燒飛灰玻璃化過程中需要混合額外輔助材料使其形成具有玻璃成分的物質(zhì)，比如添加一定量的P2O5、 Fe2O3和TiO2等成核物質(zhì)。所得熔渣主要用于填埋和再生利用。熔渣成分包括CaO、MgO、Al2O3、SiO2等。等離子體熔融熔技術(shù)是玻璃化技術(shù)的主要應(yīng)用，有機物被完全分解，無機物被熔融成理化性質(zhì)穩(wěn)定的熔渣，實現(xiàn)焚燒飛灰的無害化和資源化。

5.4.4 水泥窯協(xié)同處置技術(shù)

水泥窯協(xié)同處置技術(shù)是利用水泥回轉(zhuǎn)窯在高溫煅燒水泥熟料的同時焚燒處置危險廢棄物，該技術(shù)既能充分利用焚燒飛灰有機成分的熱值實現(xiàn)節(jié)能，完全利用飛灰中的無機成分替代部分常規(guī)原料生產(chǎn)水泥熟料，又能使飛灰中的有毒有害物質(zhì)在新型干法水泥窯的高溫環(huán)境中完全焚毀，使污染飛灰中的有毒有害重金屬固定到熟料中。

6 結(jié)語

目前,我國將焚燒飛灰資源化處置再利用提上了更高的要求，一是可以制備熔融陶瓷砂，可作為綠色鑄造環(huán)保用砂；二是可以制備保溫材料，可以生產(chǎn)陶瓷纖維，保溫巖棉等產(chǎn)品；三是可以制備微晶泡沫玻璃，作為天棚材料和保溫構(gòu)件；四是可以制備微晶鑄石，用于煤炭、電力、化工等行業(yè)。這些新技術(shù)的推廣也將為我國固廢和危廢綠色處置和資源化利用作出全新的貢獻。