分散式生活垃圾熱處理底渣特性及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

黃超民 龍於洋 沈東升

【摘 要】隨著垃圾圍城問題的日益突出，傳統(tǒng)生活垃圾處理方式存在各種弊端，因此分散式生活垃圾熱處理方式開始受到關(guān)注。由于其處理溫度相對(duì)較低，可能大部分重金屬等有害物質(zhì)將會(huì)殘留在底渣中，因此底渣處理處置是分散式生活垃圾熱處理能否順利推廣的關(guān)鍵。為了評(píng)估分散式生活垃圾熱處理產(chǎn)生的底渣是否存在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問題，文章通過分析底渣物理、化學(xué)特征及底渣中重金屬含量，并考察其斑馬魚生物毒性，進(jìn)而綜合評(píng)估其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明，分散式垃圾熱處理產(chǎn)生底渣重金屬含量符合《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB16889—2008）入場填埋標(biāo)準(zhǔn)，生物毒性較低，可安全填埋。

【關(guān)鍵詞】分散式生活垃圾熱處理;底渣;重金屬;斑馬魚;生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

【中圖分類號(hào)】X701 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）03-0108-05

0 前言

近年來，我國城市生活垃圾以每年約4億t的產(chǎn)生量快速增長[1]，隨之而來的生活垃圾處理問題也日益窘迫。垃圾最傳統(tǒng)的處理方式是填埋，但填埋廠址選擇需遠(yuǎn)離居住區(qū)，這造成垃圾運(yùn)輸費(fèi)用相應(yīng)增加，垃圾處理成本隨之提高[2]。同時(shí)，填埋方式造成的二次污染也非常嚴(yán)重，如滲濾液等處理也較為困難[3]。

目前，熱處理是全球生活垃圾處理的主流工藝[4]。城市生活垃圾熱處理由于具有處理時(shí)間短、減量化顯著（減重率達(dá)70%，減容率達(dá)90%）[4]、無害化徹底及可回收垃圾燃燒余熱等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為不少城市解決垃圾問題的主要手段。然而，我國近年來由于鄰避效應(yīng)等問題造成垃圾集中式處理選址困難，同時(shí)存在運(yùn)輸成本高等問題，導(dǎo)致垃圾集中式熱處理在我國大范圍推廣受阻，分散式生活垃圾熱處理技術(shù)的市場需求開始擴(kuò)大，該技術(shù)已經(jīng)在全國各地進(jìn)行了試用，在很大程度上解決了生活垃圾圍城問題。

但相較于傳統(tǒng)熱處理方法，分散式生活垃圾熱處理仍存在較多問題。由于燃燒溫度比傳統(tǒng)熱處理低，因此重金屬等有害物質(zhì)可能大部分殘留在底渣內(nèi)。如果對(duì)燃燒產(chǎn)生的底渣處置不當(dāng)，會(huì)占用大量土地資源，而且其中的有害成分隨著雨水進(jìn)入水體和土壤，存在潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，并可能通過食物鏈危及人體健康[5]。垃圾熱處理后底渣的安全性是直接關(guān)系該類技術(shù)能否順利推廣的關(guān)鍵問題之一。因此，針對(duì)燃燒后產(chǎn)生的底渣有必要進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

綜上所述，本文基于某公司開發(fā)的分散式垃圾熱處理設(shè)備，為了明確組分不同的垃圾汽化后底渣的安全處置及再生資源化利用可能性，分析兩類典型的生活垃圾（紙張類與餐廚類）的底渣的物化性質(zhì)，提出可再生利用方向;研究了燃燒后底渣的斑馬魚生物毒性和重金屬含量，從而綜合評(píng)估其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，判斷其是否達(dá)到填埋處理標(biāo)準(zhǔn)。

1 材料與方法

1.1 分散式垃圾熱處理設(shè)備及生活垃圾來源

本文選用的是某公司所提供的分散式生活垃圾熱處理設(shè)備。設(shè)備燃燒的生活垃圾取自附近若干村莊日常產(chǎn)生的生活垃圾。通過分揀處理與組分調(diào)節(jié)，按照質(zhì)量百分比將生活垃圾調(diào)節(jié)組分分揀為兩類生活垃圾（以餐廚類為主和以紙張類為主）。兩類生活垃圾的物理性質(zhì)見表1，兩種生活垃圾的原始重金屬含量如圖1所示。

1.2 燃燒爐工況

兩類生活垃圾分別在分散式垃圾熱處理設(shè)備燃燒爐中進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，投料方式為機(jī)械進(jìn)料，進(jìn)料時(shí)間間隔約24 h，燃燒處理量約1 m3/d。兩次燃燒實(shí)驗(yàn)過程中助燃系統(tǒng)的參數(shù)基本保持一致，進(jìn)氣量約80 m3/h，爐膛內(nèi)氧氣含量約11.2%。兩次燃燒過程中，爐膛溫度基本保持一致，整體平均溫度控制在300～400 ℃，但局部溫度短時(shí)間內(nèi)會(huì)高于450 ℃。

1.3 底渣物理化學(xué)特征分析

為明確垃圾燃燒后產(chǎn)生的底渣再生資源化利用可能性，需要分析底渣的物理、化學(xué)特征。為此，對(duì)以上兩類垃圾燃燒底渣樣本進(jìn)行如下測試。

（1）燒失量：按四分法取樣，準(zhǔn)確稱取1 g試樣，置于已灼燒恒重的瓷坩堝中，將蓋斜置于坩堝上，放在高溫爐內(nèi)從低溫開始逐漸升高溫度，在600～700 ℃灼燒15～20 min，取出坩堝，置于干燥器中冷至室溫。稱量，如此反復(fù)灼燒，直至恒重，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

（2）化學(xué)能譜分析（EDS）：外送至天合科研協(xié)作中心測定。

1.4 重金屬測定

采用三酸消解的方法對(duì)底渣樣品進(jìn)行消解[6]。稱取0.25 g樣品至聚四氟乙烯坩堝中，加入濃硝酸5 mL，密封加熱1 h，后加入5 mL高氯酸，加蓋消解3 h，加2.5 mL氫氟酸消解，直到顏色透明，開蓋趕酸。待剩余溶液約1 mL時(shí)停止加熱，冷卻至常溫后加入2.5 mL硝酸，定容至50 mL，過膜后待測。重金屬浸出液，采用FZ-4翻轉(zhuǎn)型振蕩器，根據(jù)國標(biāo)法《固體廢物浸出毒性浸出方法——硫酸硝酸法》（HJ/T 299—2007）得到浸出液。重金屬含量測定參照Tessier法[7]，使用原子吸收光譜儀——火焰法進(jìn)行測定，測定的元素包括鉛（Pb）、鎳（Ni）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）。

1.5 重金屬平衡分析

本文依托的分散式垃圾熱處理設(shè)備，由氣化室、焦油吸收塔、生物滴濾塔組成。因此，本文研究重金屬平衡，計(jì)算重金屬含量由原始垃圾、底渣、直排煙氣、處理后的煙氣、處理后的廢水、污泥等部分組成，以燃燒紙張垃圾進(jìn)行燃燒過程重金屬平衡計(jì)算，原始垃圾取自進(jìn)爐燃燒垃圾，并用破碎機(jī)將其剪切破碎制得樣品進(jìn)行消解處理;底渣取自燃燒垃圾后產(chǎn)生的爐渣并進(jìn)行消解;污泥取自生物滴濾塔中生物電化學(xué)系統(tǒng)和生物填料中產(chǎn)生的污泥;直排煙氣和處理后煙氣分別于直排煙囪和生物滴濾塔出氣口進(jìn)行取樣，處理后的廢水取自焦油吸收塔和生物滴濾塔。重金屬平衡計(jì)算方法如下：

原始垃圾中重金屬含量（單位：mg/kg）：=

底渣中重金屬含量（單位：mg）：= ×ma

污泥中重金屬含量（單位：mg）：= ×mb

煙氣中重金屬含量（單位：mg）：= ×V4

廢水中重金屬含量（單位：mg）：= ×V5

其中， 、 、 、 、 為原始垃圾、底渣、污泥、煙氣、廢水消解液的濃度（mg/L）;V1、V2、V3為消解液的定容體積（L）;V4、V5為吸收液的定容體積（L）;m1、m2、m3為原始垃圾消解的質(zhì)量（kg）;ma、mb為燃燒后底渣、污泥產(chǎn)生的質(zhì)量（kg）。

1.6 斑馬魚生物毒性分析

在斑馬魚胚胎暴毒過程，每隔24 h于顯微鏡下觀察，挑出死亡胚胎以免感染其他個(gè)體，統(tǒng)計(jì)死亡個(gè)數(shù)及軀體彎曲、心包囊腫、游囊缺陷和軀體痙攣發(fā)生率，連續(xù)觀察6 d（144 hpf）。其中，軀體痙攣主要表現(xiàn)為斑馬魚發(fā)生連續(xù)性或間斷性身體震顫、抽搐行為，不同于正常游動(dòng)行為[8];判定死亡和其他畸形率按照經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）的標(biāo)準(zhǔn)方法（OECD TG236，2006）。本實(shí)驗(yàn)中每個(gè)試驗(yàn)組投放30條斑馬魚，設(shè)置平行組，為保證溶液濃度恒定和溶氧充分，本試驗(yàn)選擇半靜態(tài)實(shí)驗(yàn)法，8 h更換一次試驗(yàn)液，試驗(yàn)周期為6 d（144 hpf）。觀察144 h內(nèi)斑馬魚的行為特征、中毒癥狀，記錄死亡數(shù)和畸形數(shù)。

2 結(jié)果

2.1 生活垃圾底渣物化性質(zhì)

2.1.1 物理特性

圖2為兩類垃圾底渣的燒失量，紙張類和餐廚類兩類垃圾的底渣燒失量都較低，分別為6.2%和4.4%，而一般情況下混合生活垃圾的燒失量約5%[11]。根據(jù)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB 1596—91），水泥生產(chǎn)中通常作為活性混合材料的底渣，其燒失量的國家標(biāo)準(zhǔn)分別為低于5%（一級(jí)）和低于8%（二級(jí)）。

2.1.2 化學(xué)組成

為確定燃燒底渣的化學(xué)成分，明確其綜合化利用的可能方向，對(duì)其進(jìn)行EDS能譜分析。紙張類和餐廚類底渣的EDS能譜結(jié)果見表2。紙張垃圾底渣的主要元素（質(zhì)量分?jǐn)?shù)>5%）有C、O、Al、Si、Ti，此外有少量的Na、Cl、K、Ca等。該類垃圾底渣中C含量較高，達(dá)到51.19%;而餐廚類底渣中O含量較高，達(dá)到22.94%，這可能與不同類生活垃圾本身元素組成有關(guān)。由圖3可知，兩類垃圾氣化底渣的元素組成形態(tài)有Al2O3、SiO2、MgO等。

2.2 生活垃圾底渣重金屬分析

2.2.1 重金屬質(zhì)量平衡分析

為明確燃燒過程中重金屬的遷移狀況，需要進(jìn)行生活垃圾重金屬平衡研究，主要考慮生活垃圾燃燒底渣中重金屬含量、燃燒產(chǎn)生廢水中的重金屬含量、煙氣中重金屬含量及廢氣處理生物吸附的重金屬含量。以紙張垃圾燃燒后產(chǎn)生的底渣為研究對(duì)象（如圖4所示），結(jié)果表明，該設(shè)備燃燒過程中重金屬輸入量與輸出量基本守恒。6種元素在底渣中的富集程度為Pb，Ni>Cr，Cd>Cu，Zn。鎳、鉛主要?dú)埩粼诘自校s50%），銅、鋅主要富集在后續(xù)處理設(shè)備產(chǎn)生的廢水和煙氣中（約80%）。

2.2.2 底渣重金屬含量

紙張類垃圾底渣浸出液中Cd、Cr、Ni、Cu、Zn、Pb 6種重金屬的濃度分別為0.006、0.051、0.106、0.078、0.367、

0.002 mg/L（如圖5所示），而餐廚類垃圾浸出液中各種重金屬含量比紙張類垃圾中同類重金屬含量都低。根據(jù)《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16889—2008）對(duì)燃燒底渣的入場要求可知（浸出液中Cd、Cr、Ni、Cu、Zn、Pb標(biāo)準(zhǔn)限值分別為0.15、4.5、0.5、40、100、0.25mg/L），該設(shè)備燃燒產(chǎn)生的不同類垃圾的底渣皆符合填埋標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 生活垃圾底渣生物毒性

水體中重金屬、持久性有機(jī)物、氨氮等有毒物質(zhì)會(huì)影響斑馬魚的存活，通過LC50（半數(shù)致死濃度）來衡量其毒性大小。如圖6所示，將各試驗(yàn)組144 h的斑馬魚死亡條數(shù)換算成死亡率，可以看出，不同垃圾底渣浸出液的生物毒性不同，但總體來說，兩種未稀釋倍數(shù)的底渣浸出液對(duì)斑馬魚的致死率均控制在20%以下，對(duì)斑馬魚胚胎造成的畸形率均未超過50%，且兩類底渣的死亡率和畸形率均有顯著性差異（P<0.05）。雖然暴露期內(nèi)斑馬魚存在死亡個(gè)體，但死亡的斑馬魚并未出現(xiàn)腮部、腹部微紅等急性中毒現(xiàn)象，且致死率均超過50%，無法計(jì)算半致死濃度[20]，因此受試浸出液無急性毒性效應(yīng)。

3 討論

垃圾底渣燒失量越低，表明燃燒效率越高[9]。同時(shí)，燒失量也會(huì)影響底渣的綜合利用，對(duì)于水泥、燒磚等行業(yè)來說，底渣中的未燃碳是有害成分[10]。因此，底渣燒失量越低，表明底渣綜合利用的可能性越高。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相比較而言，餐廚類垃圾的燃燒底渣（燒失量為4.4%）作為水泥原料的資源化利用可能性更高。紙張類垃圾僅符合二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，這可能是因?yàn)榧垙堫惱饕衫w維狀有機(jī)物質(zhì)和結(jié)合水組成[12]，該分散式熱處理設(shè)備由于其局部溫度遠(yuǎn)低于集中式焚燒爐，纖維狀有機(jī)物質(zhì)和結(jié)合水未能全部礦化，形成的底渣在600 ℃環(huán)境下進(jìn)一步礦化，導(dǎo)致紙張類垃圾底渣燒失量偏高。因此，控制降低燃燒垃圾中紙張類垃圾的比重是降低燒失量最直接有效的措施，同時(shí)適當(dāng)提高爐內(nèi)燃燒溫度，亦可降低燒失量[13]。

垃圾熱處理所產(chǎn)生爐渣的處置目前主要有兩個(gè)途徑，即安全填埋或綜合化利用。其中，爐渣的可資源化利用的方向如制備陶瓷磚或制作混凝土，伍浩然[14]報(bào)道了將爐渣制備陶瓷磚，其性能指標(biāo)可達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn);Pyo[15]報(bào)道了爐渣作混凝土原料，研究發(fā)現(xiàn)濕渣固化技術(shù)可提高混凝土試件質(zhì)量，提高抗壓強(qiáng)度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩類垃圾底渣的元素組成含量雖差異較大，但組分類似，均含有一定量的水泥原料成分，如Al2O3、SiO2、MgO等。采用合適的工藝手段，垃圾底渣可以用作水泥混合材、水泥原料，豐富其綜合利用的可能性[16，17]。

生活垃圾在燃燒處理過程中重金屬會(huì)發(fā)生不同程度的遷移，由固態(tài)向氣態(tài)遷移，從而使其分布在底渣和煙氣中。Cahill[18]和Davison[19]等人對(duì)重金屬的遷移進(jìn)行研究，指出影響重金屬在燃燒過程中遷變特性的最大因素是重金屬蒸發(fā)壓力和沸點(diǎn)。針對(duì)該設(shè)備燃燒垃圾過程重金屬平衡分析，結(jié)果表明，鎳、鉛主要?dú)埩粼诘自校s50%），這是由于其沸點(diǎn)高于2 000 ℃，屬于難揮發(fā)性重金屬。鎳、鉛大量保留在底渣中，對(duì)于后續(xù)底渣填埋處理，可能造成鎳、鉛等重金屬成分隨著雨水進(jìn)入水體和土壤，對(duì)水體和土壤及植被和生物等造成危害，并通過食物鏈危及人體健康。因此，針對(duì)該熱處理設(shè)備底渣的重金屬毒性分析時(shí)，鎳、鉛是重點(diǎn)檢測對(duì)象。銅、鋅主要富集在后續(xù)處理設(shè)備產(chǎn)生的廢水和煙氣中（約80%），這是由于其沸點(diǎn)相對(duì)較低，屬于揮發(fā)性重金屬。因此，針對(duì)該設(shè)備后續(xù)廢水和煙氣達(dá)標(biāo)排放考察時(shí)，重金屬類銅、鋅是重點(diǎn)檢測對(duì)象。在燃燒過程中，大部分以氣態(tài)形式進(jìn)入后續(xù)處理設(shè)備中。結(jié)果表明，造成重金屬在燃燒過程中遷移的最大因素是爐膛溫度和壓力，與Cahill[18]和Davison[19]等研究結(jié)果一致。

針對(duì)兩類垃圾測定其重金屬含量，結(jié)果表明，該設(shè)備燃燒不同類垃圾產(chǎn)生的底渣皆符合填埋標(biāo)準(zhǔn)。此外，通過分析垃圾底渣本身的重金屬含量發(fā)現(xiàn)，紙張類垃圾底渣中會(huì)存在較多的銅、鋅元素（Cu、Zn含量分別為7.32、7.81 mg/kg），銅、鋅的沸點(diǎn)相對(duì)較低，主要富集在后續(xù)處理設(shè)備產(chǎn)生的廢水和煙氣中，為了確保后續(xù)的煙氣及廢水達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，可適當(dāng)減少紙張類垃圾進(jìn)爐處理量。

雖然上述兩類垃圾底渣中重金屬含量較低，填埋不存在重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，但是底渣仍舊存在其他有機(jī)物的殘留可能性。因此，將底渣填埋時(shí)，需選用一種綜合性的判斷標(biāo)準(zhǔn)。本文進(jìn)行生物毒性測試，綜合評(píng)價(jià)其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性。以斑馬魚為受試魚類，考察兩類垃圾底渣溶出水質(zhì)的生物毒性，評(píng)估底渣填埋處置對(duì)環(huán)境的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種底渣浸出液無明顯急性毒性效應(yīng)，不會(huì)對(duì)斑馬魚的存活造成影響。雖然水體中的污染物質(zhì)會(huì)破壞斑馬魚胚胎的組織結(jié)構(gòu)，影響胚胎的正常孵化，造成心功能異常、心包囊水腫、軀體彎曲等多種畸形[21]，但是兩種底渣浸出液對(duì)斑馬魚胚胎造成的畸形率均未超過50%，對(duì)孵化率的影響不大，仍有較高的孵化率[22]，因此兩種底渣浸出液發(fā)育毒性效應(yīng)較低，不會(huì)對(duì)斑馬魚造成明顯危害。致死率和畸形率的結(jié)果表明，這兩種底渣的生物毒性都較小。綜合重金屬含量和斑馬魚生物毒性，結(jié)果表明，產(chǎn)生的底渣生態(tài)毒性風(fēng)險(xiǎn)較低，可填埋處置或綜合利用。

參 考 文 獻(xiàn)

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