生活垃圾焚燒飛灰處理技術研究進展

高艷華，季毛偉，劉子朋，劉浩

（1.北京城市學院，北京100083；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京102299）

隨著經(jīng)濟和生活水平提高，我國城鎮(zhèn)生活垃圾產(chǎn)生量增長迅速[1-2]。生活垃圾焚燒產(chǎn)生的飛灰日益增多，目前我國城市生活垃圾焚燒飛灰產(chǎn)出量每年約1000萬噸[3]，而在《國家危險廢物名錄》中飛灰被界定為危險廢物，飛灰安全處理問題亟待解決，日益成為研究熱點。

生活垃圾焚燒飛灰成分復雜且不確定，一般富含鉀、硅、氯等元素，以氯元素為例，飛灰中含有焚燒含氯塑料形成的氯化氫等酸性氣體與煙氣凈化系統(tǒng)中的堿性物質形成的含氯產(chǎn)物，以及廚余垃圾中的食鹽等無機氯鹽[4]，無機氯鹽的存在將會限制飛灰的建材資源化。飛灰也吸附有大量重金屬元素，例如：Pb、Zn、Cr等，重金屬易浸出，對環(huán)境造成二次污染，同時還含有高毒性、難降解的有機致癌物二噁英等[5]，已被很多國家列為危險廢物，在我國被列為HW18類危險廢棄物。若不能安全、科學地進行處置，不僅會導致環(huán)境污染，更是一種資源浪費。

綜上，飛灰處理不僅考慮隨飛灰產(chǎn)出量增長相應的處理能力提升問題，還應考慮環(huán)境保護問題，換言之，既考慮飛灰處理迫在眉睫問題，又需提升處理技術。飛灰處理技術問題是基本問題，因此，本文主要對我國目前生活垃圾焚燒飛灰的無害化及主要處理技術進行綜述，并對未來處理技術發(fā)展進行展望。

1 飛灰無害化及填埋處置技術

1.1 重金屬及二噁英處理技術

飛灰作為危險廢物，首先應處理其含有的重金屬、二噁英等有害物質后，才能進行填埋或資源化處理，下面分述之。

1.1.1 飛灰重金屬固化技術

已有的常用飛灰固化技術包括：水泥固化、化學固化及熱處理。水泥固化是指通過固化包容減少飛灰表面積，降低滲透性，同時水泥高pH值使的重金屬形成不溶性碳酸鹽或氫氧化物，達到無害化的目的；化學固化指在飛灰中加入螯合劑包裹重金屬元素，或發(fā)生化學反應將其轉變?yōu)槎栊晕镔|，減少重金屬浸出毒性；熱處理技術主要分為燒結、熔融或玻璃化方式，是利用高溫條件使二噁英、呋喃等有機物分解，重金屬則被固定在礦物結構中。各項固化技術的優(yōu)缺點對比見表1[6-12]。

表1 各項重金屬固化技術優(yōu)缺點對比表

1.1.2 飛灰中二噁英消減技術

二噁英作為一種持久性高毒污染物而受到廣泛關注，尤其是在垃圾焚燒的煙氣污染控制方面。隨著排放標準的不斷提高，垃圾焚燒過程中絕大部分二噁英都將進入飛灰中，而現(xiàn)有的關于飛灰二噁英削減及污染控制技術，較為薄弱。

目前，已有飛灰二噁英消減技術主要包括熱分解法、光降解法、機械化學法、生物降解法[13]，但缺乏對機理的深入研究。其中熱分解法是主要方法，李潤東等[14]研究發(fā)現(xiàn)，飛灰中二噁英等在1460℃下分解率達100%；嚴建華等[15]在氮氣條件下，250~400℃將飛灰加熱1h，二噁英濃度削減率67%~100%，400℃加熱1h為二噁英消減的最佳條件。

1.2 填埋處理技術

目前，在國內外廣泛采用填埋方式進行飛灰處理。我國主要有兩類場所可以進行飛灰填埋：危險廢物填埋場以及生活垃圾填埋場。

1.2.1 危險廢物填埋場填埋

作為危險廢物安全處置終端設施，危險廢物填埋場在我國危險廢物處置設施建設規(guī)劃中占有重要地位，其選址、設計、施工及質量保證、填埋廢物入場、運行管理、填埋場污染物排放、封場、監(jiān)測要求等均應符合2019年我國新《危險廢物填埋污染控制標準》的規(guī)定。該規(guī)范規(guī)定，進入采用雙人工復合襯層作為防滲層的柔性處理場時，危險廢物應符合表2中的限值[16]。

表2 危險廢物允許填埋有毒物質含量控制限值

1.2.2 生活垃圾場填埋

因新建危險廢物填埋場選址與建設愈加困難，已建成的填埋場長時間超負荷運轉，為緩解填埋壓力，充分利用生活垃圾填滿場，環(huán)境保護部2016年修訂了《危險廢物豁免管理清單》，飛灰位于該清單中，豁免條件為：飛灰滿足《生活垃圾填埋場污染控制標準》中6.3條含水率、二噁英含量要求，以及表3規(guī)定限值，在生活垃圾填埋場填埋過程中可不按危險廢物管理[17]。

表3 危險廢物允許填埋有毒物質含量控制限值

填埋技術較為成熟完善，但由于危險廢物填埋場選址建設愈加困難，且我國生活垃圾填埋場已進入高速封場階段，同時安全填埋處理費用高，飛灰并未作為資源加以利用，其發(fā)展前景不容樂觀。同時由于飛灰中水溶性鹽一般在30%左右，將不能滿足新版《危險廢物填埋污染控制標準》中水溶性鹽必須小于10%的入場要求[16]。尋找新的飛灰處理方式刻不容緩。

2 飛灰資源化利用技術

2.1 利用水泥窯協(xié)同處理飛灰

水泥窯工作系統(tǒng)具有高溫、堿性、余熱、負壓環(huán)境等特點，可固化重金屬及分解飛灰中的二噁英，同時可將飛灰用于水泥產(chǎn)品生產(chǎn)，實現(xiàn)飛灰資源化[18]。相比于傳統(tǒng)填埋技術，水泥窯處理飛灰，具有節(jié)約土地資源、費用低、處理產(chǎn)物長期環(huán)境穩(wěn)定性良好等優(yōu)勢，同時可將飛灰制成符合國家標準的水泥及工業(yè)鹽，使飛灰處理做到“減量化、無害化、資源化、穩(wěn)定化”處理效果，是目前飛灰資源化的主要處理方式。

為促進水泥企業(yè)處理生活垃圾飛灰，若符合《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標準》規(guī)定，飛灰可進入水泥窯，處置過程中不按危險廢物管理[19]，但應注意采取適當措施消除飛灰中氯離子對水泥窯系統(tǒng)以及水泥制品的影響。

生活垃圾焚燒飛灰中氯含量較高，例如：北京飛灰氯含量達20%[4]，氯離子會嚴重影響水泥燒成過程，并對預分解窯系統(tǒng)產(chǎn)生負面影響，例如：其易在水泥熟料生產(chǎn)線的預熱器內壁形成結皮，造成通風不良和預熱器堵塞[20]，飛灰氯含量限制其建材資源化利用。飛灰水洗預處理技術應運而生，并逐漸運用到實踐中，飛灰經(jīng)三級水洗去除氯鹽后再進入水泥窯處置[21]，從而促進飛灰無害化、資源化處置，因此該技術被廣泛推廣。例如，截止2018年，杭州已建成5個飛灰水洗項目，水洗處置能力累計達20萬噸/年[22]。

此外，飛灰可制成球狀的顆粒，以此為骨料制作輕質混凝土，可適用于隔音隔熱的非結構構件，實現(xiàn)飛灰資源化利用[23]。

2.2 利用工業(yè)固廢固化飛灰協(xié)同充填處理飛灰

目前，工業(yè)固廢與飛灰作為膠凝材料，與尾礦砂等材料一起制成充填材料，用于礦山充填的研究，由于協(xié)同利用固廢和危廢，同時保護環(huán)境，成為近幾年研究的熱點[24]。

礦渣具有活性鋁氧和硅氧四面體結構，與水混合有類似水泥的水硬性性質，礦渣是否可替代水泥用于飛灰固化引起學者的關注。岳鵬等[25]按不同水泥、飛灰、粉煤灰或礦渣的配比制作試件和強度測定，由試驗得出摻入粉煤灰或礦渣可提高固化體強度，為飛灰資源化提供技術支撐。

關于工業(yè)固廢固化飛灰的利用，也有學者在協(xié)同礦山充填方向進行初步探索。王珂等[26]利用鐵尾礦砂為骨料，高爐礦渣粉、飛灰和少量脫硫石膏為膠凝材料，飛灰摻量54%~60%，加水拌和，選用料漿濃度74%~86%制作試件，進行了抗壓和流動度試驗，研究表明，當飛灰、礦渣、脫水石膏質量比為60%：36%：4%時所制成的充填材料，28天抗壓強度13.18Mpa，高于我國礦山實際膠結充填強度一般值(1~6.5MPa)[27]，既盡可能多的處理飛灰，又符合充填材料強度要求，同時重金屬鎘浸出濃度符合要求。楊恒等[28]采用尾砂、礦渣粉、鋼渣微粉、脫硫石膏、飛灰制作試塊，后4種材料配比為67%：4%：14%：15%，膠砂比1:4，料漿濃度82%時，流動度(260mm)、抗壓強度(24.54MPa)均滿足充填要求。

利用工業(yè)固廢固化飛灰協(xié)同充填處理飛灰技術，相比于傳統(tǒng)填埋方式，固化效果顯著，并在地下處置危險固體廢棄物，是一種推廣前景良好的新技術。

2.3 其他資源化利用途徑

2.3.1 玻璃和陶瓷應用

通過高溫熔融使飛灰玻璃化，玻璃化后的產(chǎn)物可用于制作透水磚、瓷磚、地面鋪設轉、噴砂丸、混凝土骨料、路基土材料等，有著廣泛的用途[29-30]。

飛灰中含有大量SiO2，陶瓷生產(chǎn)需要消耗硅酸鹽物質，因此可用于陶瓷生產(chǎn)，但需要控制飛灰用量，以減少其金屬及氧化鐵對陶瓷性能的影響[23、29]。

2.3.2 農(nóng)業(yè)應用

因飛灰含有一定CaO，可代替石灰調節(jié)土壤酸堿度，此外，飛灰因含有磷鹽和鉀鹽，可用作植物肥料，但因飛灰所含的有毒物質對植物較強的毒害作用，故應嚴格控制用量[23、29]。

3 結論與展望

隨著經(jīng)濟及生活水平的提高，危險廢棄物飛灰產(chǎn)量日益增加，飛灰處理問題引起廣泛關注。本文綜述了飛灰有害物質處理3類技術，分危險廢物以及生活垃圾2種填埋場介紹飛灰傳統(tǒng)的填埋處理方式，重點綜述最新飛灰資源化利用技術，得出以下結論：

（1）飛灰成份中含可資源化利用的SiO2、CaO、AL2O3等物質，屬CaO-SiO2-L2O3體系，但其含有的重金屬、二噁英等有毒物質，以及氯鹽等可溶性鹽，不利于資源化利用的物質。因此，無害化是飛灰處理中需要重點解決的極為關鍵的問題。

（2）目前，填埋是我國生活垃圾焚燒飛灰的主要處理方式，但因土地資源日益緊張，同時為避免資源浪費，逐漸或正在發(fā)展的利用水泥窯、礦山充填協(xié)同處理飛灰的技術，既較好地處理飛灰，又實現(xiàn)資源化。因此，飛灰資源化將成為飛灰處理的主要研究方向。

基于上述結論，飛灰無害化技術對飛灰處理來說是極為關鍵的技術，既能固化重金屬又能去除二噁英的螯合劑研發(fā)有待進一步發(fā)展，同時適應惡劣環(huán)境變化的固化技術，以及飛灰處理過程中避免二次污染問題也有待進一步發(fā)展。

飛灰資源化利用，不僅限于建材領域，在農(nóng)業(yè)、化工等領域也有良好的發(fā)展前景。但資源化利用技術中仍存在較多技術、經(jīng)濟問題有待進一步研究。例如：氯離子處理技術，充填體的耐久性問題，充填施工工藝與技術、成本高經(jīng)濟效益低等問題有待進一步研究。