城市生活垃圾焚燒飛灰利用處置現(xiàn)狀及環(huán)境管理

吳昊，劉宏博，田書磊，盧桂蘭，郝雅瓊*

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院 2.國家環(huán)境保護(hù)危險廢物鑒別與風(fēng)險控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展、城鎮(zhèn)化速度加快和人民生活水平的日益提高，生活垃圾產(chǎn)生量大幅增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國生活垃圾清運(yùn)量為2.28億t[1]，較2009年增加 7 100 萬t。目前國內(nèi)生活垃圾處理方法主要有填埋、堆肥、分類處理、焚燒等。其中，焚燒通過高溫滅菌使生活垃圾達(dá)到無害化處理，可減容90%、減量75%[2-3]，是目前生活垃圾處理處置的重要手段之一。同時，焚燒過程中產(chǎn)生的余熱還可用于供熱、發(fā)電，實(shí)現(xiàn)資源二次利用。

1 生活垃圾焚燒行業(yè)現(xiàn)狀

自1988年在深圳建成第一座垃圾焚燒廠以來，截至2018年底，我國垃圾焚燒無害化處理廠已達(dá)331座[5]，總處理能力為37.0萬t/d[6]。近10年生活垃圾填埋量與焚燒量及其占比如圖1所示。

圖1 2009—2018年生活垃圾填埋量與焚燒量及占比Fig.1 Quantity and proportion of domestic garbage landfill and incineration from 2009 to 2018

由圖1 可知，填埋仍是生活垃圾的主要處置方式，近10年填埋量逐年增加，但填埋量的占比卻呈逐年下降趨勢，從2009年的81.5%降到2018年的53.5%；而焚燒無論是年處理量還是占比，均呈逐年遞增趨勢，截至2018年底，年處理量和占比分別為 10 184.9萬t/a和46.5%。焚燒處理具有用地節(jié)省、處理速度快、減量效果好、污染控制佳及能源利用高等優(yōu)點(diǎn)，在國家產(chǎn)業(yè)政策的支持下，我國垃圾焚燒技術(shù)得到了迅速發(fā)展。

2 飛灰的產(chǎn)生現(xiàn)狀、污染特性及危害

2.1 飛灰產(chǎn)生現(xiàn)狀

隨著生活垃圾焚燒發(fā)電模式跨越式發(fā)展，焚燒過程產(chǎn)生的飛灰量也逐年增加。飛灰主要產(chǎn)生于生活垃圾焚燒發(fā)電廠的布袋除塵器等煙氣凈化系統(tǒng)以及來自煙道與煙囪底部沉降的少量底灰。我國生活垃圾焚燒爐型主要為爐排爐和循環(huán)流化床，其中爐排爐飛灰產(chǎn)率為2%～5%，循環(huán)流化床飛灰產(chǎn)率為8%～15%。按飛灰產(chǎn)生量約為焚燒垃圾量的3%～5%[7]計(jì)，2018年全國飛灰的產(chǎn)生量為305.5萬～509.2萬t。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年全國200個大、中城市工業(yè)危險廢物產(chǎn)生量為 4 643.0萬t[8]，飛灰產(chǎn)生量占危險廢物產(chǎn)生量的6.6%～11.0%，數(shù)量較大。

2.2 飛灰污染特性

飛灰是一種灰白色或深灰色細(xì)小粉末，具有含水率低、粒徑不均、孔隙率高及比表面積大的特點(diǎn)。因生活垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣脫酸過程中需要噴射大量的消石灰等堿性物質(zhì)，導(dǎo)致飛灰具有很高的酸緩沖能力和腐蝕性[7]。飛灰中主要元素有Si、Ca、Al、Fe等，還有較多的K、Na、Cl等元素，屬于CaO-SiO2-Al2O3(Fe2O3)體系。飛灰的組成與生活垃圾的組成及焚燒工藝密切相關(guān)，爐排爐與循環(huán)流化床2種爐型產(chǎn)生的飛灰主要成分如表1所示。由表1可知，爐排爐產(chǎn)生的飛灰中含有較多的CaO、Cl、Na2O、K2O等，循環(huán)流化床產(chǎn)生的飛灰中含有較多的CaO、SiO2、Al2O3。

表1 2種爐型產(chǎn)生飛灰的主要化學(xué)成分及其占比[9]Table 1 Main chemical components of fly ash produced by different furnace types %

生活垃圾中的含氯塑料及廚余垃圾焚燒分解后產(chǎn)生的氯化物富集于飛灰中，含氯元素占比高是我國飛灰的顯著特征之一，有的甚至高達(dá)37.3%[10]，其主要以Ca、Na和K的可溶性氯化物存在。多數(shù)研究表明，飛灰中重金屬濃度分布差異較大，但通過X射線衍射儀技術(shù)(XRD)分析未檢測到飛灰中含有重金屬的結(jié)晶礦物相組分，其原因可能是由于飛灰中重金屬占比較小(一般為0.5%～3.0%[11])。飛灰中重金屬多以無定形態(tài)存在，其中Zn、Pb、Cu、Cr相對濃度較高[12]。宋珍霞等[13]研究了重慶市垃圾焚燒發(fā)電廠焚燒飛灰，提出飛灰主要重金屬化學(xué)形態(tài)、濃度及浸出濃度(表2)。結(jié)果表明，飛灰中重金屬Pb、Zn的浸出濃度高于GB 5085.3—2007《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》中毒性浸出標(biāo)準(zhǔn)限值，其中Pb的浸出濃度是標(biāo)準(zhǔn)限值的7倍左右。

表2 飛灰重金屬形態(tài)、濃度及浸出毒性Table 2 Morphology, content and leaching toxicity of heavy metals in fly ash

2.3 飛灰環(huán)境風(fēng)險

3 飛灰資源化和無害化處理技術(shù)

3.1 固化/穩(wěn)定化技術(shù)

3.1.1水泥固化技術(shù)

水泥固化飛灰技術(shù)指將飛灰和水泥按一定比例混合后，通過固化包裹手段，使飛灰中的重金屬以氫氧化物或絡(luò)合物的形式被包裹在經(jīng)水化反應(yīng)后生成的水化硅酸鹽中，形成一種具有低重金屬浸出毒性且長期穩(wěn)定性好的塊狀水化硅酸鈣產(chǎn)物[16]。杜漸[17]采用硅酸鹽水泥固化飛灰，結(jié)果表明，水泥水化后一般形成鈣礬石和C-S-H凝膠，將重金屬離子包裹并固定，同時水泥漿體呈現(xiàn)強(qiáng)堿性，使飛灰中重金屬離子形成難溶的氧化物或碳酸鹽，防止重金屬浸出。該技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，目前，多采用普通硅酸鹽水泥作為飛灰固化劑。

3.1.2化學(xué)藥劑穩(wěn)定化技術(shù)

化學(xué)藥劑穩(wěn)定化技術(shù)指通過選擇與飛灰中重金屬性質(zhì)匹配的藥劑，與重金屬反應(yīng)形成不溶或難溶的化合物、絡(luò)合物或螯合物，使重金屬的遷移性減小、毒性降低[18]。常見的穩(wěn)定化藥劑主要包括無機(jī)藥劑如石膏、硫化物、鐵酸鹽、磷酸鹽，有機(jī)藥劑如高分子有機(jī)穩(wěn)定劑(EDTA)等?；瘜W(xué)藥劑對重金屬穩(wěn)定化具有選擇性。劉引等[19]采用2.5% Na2HPO4與7.5% Na2S復(fù)配無機(jī)藥劑穩(wěn)定飛灰重金屬，研究發(fā)現(xiàn)，飛灰中Cd、Pb、Se、Zn等重金屬浸出濃度均低于GB 5085.3—2007標(biāo)準(zhǔn)限值。Wang等[20]采用六硫代胍酸和四硫代氨基甲酸2種新型有機(jī)藥劑穩(wěn)定飛灰中重金屬，結(jié)果顯示，二者因具有豐富的硫化氫基團(tuán)，能夠與Zn、Cu、Ni、Pb、Cr、Cd等重金屬有效結(jié)合，穩(wěn)定化性能良好。

3.2 熱處理技術(shù)

熱處理技術(shù)指在較高溫度條件下，混合工業(yè)固體廢物或黏土等其他助劑實(shí)現(xiàn)飛灰中有機(jī)污染物的降解和重金屬的穩(wěn)定化。按照熱處理溫度不同，一般可分為燒結(jié)技術(shù)(700～1 100 ℃)、熔融/玻璃化技術(shù)(1 000～1 400 ℃)[15]。

3.2.1燒結(jié)技術(shù)

燒結(jié)技術(shù)指在低于熔點(diǎn)溫度條件下提供焚燒飛灰顆粒的擴(kuò)散能量，將大部分甚至全部氣孔從晶體中排除，使飛灰顆粒間產(chǎn)生黏結(jié)，變成致密堅(jiān)硬的燒結(jié)體，從而降低飛灰中重金屬的遷移能力[21]。Wong等[22]將飛灰作為替代鐵礦石燒結(jié)過程中部分鈣熔劑，結(jié)果表明，飛灰的加入對燒結(jié)指標(biāo)有所改善。目前，工程上多采用回轉(zhuǎn)爐對飛灰進(jìn)行燒結(jié)處理。

3.2.2熔融/玻璃化技術(shù)

熔融固化法又稱作玻璃化法，它是利用高于物質(zhì)熔點(diǎn)的溫度使其達(dá)到熔融狀態(tài)，在冷卻過程中將有毒重金屬固化在熔渣中。玻璃體的主體結(jié)構(gòu)為由[SiO4]四面體構(gòu)成的“短程有序、長程無序”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[23]，重金屬及其他金屬陽離子鍵接在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，玻璃體的重金屬浸出率極低。Yang等[24]通過玻璃化技術(shù)有效固化了飛灰中的Cr、Cd、Pb等重金屬，但在高溫條件下，部分重金屬易揮發(fā)，造成二次污染。

3.3 分離萃取技術(shù)

3.3.1生物浸提技術(shù)

生物浸提技術(shù)是在微生物(細(xì)菌或真菌)作用下將重金屬溶出的一種濕法冶金方法。Funari等[25]研究表明，采用生物浸提法可使飛灰中Zn、Cu、Pb的去除率均達(dá)90%以上。目前重金屬浸提中應(yīng)用最廣泛的微生物包括氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillusferrooxidans)、氧化硫硫桿菌(Thiobacillusthiooxidans)和鐵氧化鉤端螺旋菌(Leptospirillumferrooxidans)[26]。

3.3.2化學(xué)浸提技術(shù)

化學(xué)浸提技術(shù)主要是采用特定的化學(xué)試劑將飛灰中的重金屬分離、提取，實(shí)現(xiàn)重金屬回收。Tang等[27]采用新型工業(yè)化學(xué)萃取劑(Cyanex 572)從酸性飛灰滲濾液中分離Zn和其他重金屬，發(fā)現(xiàn)其對Zn的萃取選擇性高于Cd、Pb、Cu等重金屬。浸提過程中常用的化學(xué)浸提劑主要包括HCl、HNO3、H2SO4、NaOH、NH3和螯合劑等。

3.4 水熱處理技術(shù)

3.5 水泥窯協(xié)同處置技術(shù)

3.6 填埋技術(shù)

飛灰填埋一般采用袋裝固化處理后，按照分層、分單元、分區(qū)進(jìn)行填埋，在堆砌的過程中盡量避免飛灰袋破損導(dǎo)致泄漏?？紤]到滲濾液成分復(fù)雜，在填埋區(qū)交界處設(shè)置臨時雨水收集點(diǎn)，避免雨水滲入飛灰產(chǎn)生滲濾液，并在填埋單元邊界采用高密度聚乙烯(HDPE)膜進(jìn)行隔離?，F(xiàn)階段我國生活垃圾焚燒飛灰處理處置主要依靠藥劑螯合固化穩(wěn)定或水泥固化穩(wěn)定達(dá)到GB 18598—2019《危險廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》或GB 16889—2008《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》要求，再運(yùn)至危險廢物填埋場或生活垃圾填埋場進(jìn)行填埋。

4 飛灰管理存在的問題

4.1 飛灰填埋處置管理體系不完善

目前我國飛灰主要以填埋處置為主?！渡罾盥駡鑫廴究刂茦?biāo)準(zhǔn)》《危險廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了廢物入場限值，但生活垃圾填埋場運(yùn)行單位并不具備相應(yīng)的監(jiān)測能力，生態(tài)環(huán)境部門也未將入場飛灰是否達(dá)標(biāo)納入對填埋場運(yùn)行單位的監(jiān)督監(jiān)測體系，監(jiān)管缺位導(dǎo)致入場的飛灰普遍不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。未經(jīng)水泥固化處理的飛灰在填埋場開放作業(yè)條件下容易通過大氣揚(yáng)散，不達(dá)標(biāo)的化學(xué)螯合穩(wěn)定化飛灰在填埋場有可能成為污染地下水的環(huán)境隱患。部分地區(qū)垃圾焚燒企業(yè)在穩(wěn)定化預(yù)處理設(shè)施、填埋處置設(shè)施不足的情況下，違規(guī)轉(zhuǎn)移、貯存等情況時有發(fā)生。針對飛灰不規(guī)范填埋處置，現(xiàn)有的監(jiān)管體系不能有效發(fā)揮作用。

4.2 飛灰處理處置過程標(biāo)準(zhǔn)缺失

4.3 利用處置技術(shù)存在短板

飛灰的利用處置是生活垃圾焚燒行業(yè)的難題，成為生活垃圾焚燒全過程污染控制和風(fēng)險管理薄弱環(huán)節(jié)。經(jīng)國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)不斷創(chuàng)新，無害化處置和資源化利用技術(shù)有了較大突破并涌現(xiàn)成功技術(shù)應(yīng)用案例。但填埋技術(shù)和熱處理技術(shù)還存在著技術(shù)難點(diǎn)，如飛灰在填埋前預(yù)處理過程缺乏統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，對后期填埋存在安全隱患，高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)存在處置成本高、能耗高、二次飛灰等問題，技術(shù)的應(yīng)用推廣還需要進(jìn)一步探索。

5 對策與建議

5.1 強(qiáng)化飛灰環(huán)境污染綜合整治

結(jié)合開展焚燒行業(yè)嚴(yán)格執(zhí)法和守法保障專項(xiàng)行動，將飛灰處理處置情況作為重點(diǎn)調(diào)查內(nèi)容，全面掌握飛灰處理處置技術(shù)工藝、達(dá)標(biāo)情況、管理制度、監(jiān)測和執(zhí)法等方面的現(xiàn)狀。開展飛灰綜合整治行動，要求地方政府、主管部門、企業(yè)落實(shí)主體責(zé)任，切實(shí)做好飛灰污染防治工作，對不達(dá)標(biāo)不規(guī)范處理處置飛灰、飛灰貯存處置存在環(huán)境隱患的企業(yè)，采取嚴(yán)厲措施，限期整改；對嚴(yán)重污染環(huán)境的違法行為，依法進(jìn)行查處。

5.2 強(qiáng)化飛灰污染防治的監(jiān)督管理

嚴(yán)格按照危險廢物管理制度要求，強(qiáng)化對飛灰產(chǎn)生、利用和處置的執(zhí)法監(jiān)管，依法整改、淘汰或關(guān)停不符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的飛灰處置設(shè)施。督促生活垃圾焚燒企業(yè)加強(qiáng)自行檢測管理，按照國家規(guī)范自行或者委托第三方開展檢測；督促生活垃圾焚燒企業(yè)加強(qiáng)信息公開和向公眾開放，按要求及時公開生活垃圾焚燒飛灰的去向和處置方式等信息，強(qiáng)化社會監(jiān)督，消除公眾對飛灰處置的疑慮。

5.3 完善飛灰處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部已組織編制完成《生活垃圾焚燒飛灰固化穩(wěn)定化處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，出臺后將進(jìn)一步規(guī)范生活垃圾飛灰處理工程設(shè)計(jì)、建設(shè)與運(yùn)行管理行為。生態(tài)環(huán)境部著手修訂GB 16889—2008《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》，補(bǔ)充完善生活垃圾焚燒飛灰污染控制技術(shù)規(guī)范和技術(shù)政策。進(jìn)一步針對飛灰資源化產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和污染控制標(biāo)準(zhǔn)開展研究，從全過程無害化管理的角度提出飛灰的污染防治要求。

5.4 深入研發(fā)及推廣飛灰資源化利用技術(shù)

6 結(jié)語

隨著生活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步與應(yīng)用，我國飛灰產(chǎn)生量逐年增加，其作為危險廢物，資源化利用及處置過程環(huán)境風(fēng)險較大。目前國內(nèi)飛灰處理處置技術(shù)主要包括固化/穩(wěn)定化、熱處理、分離萃取及水熱處理等技術(shù)。固化/穩(wěn)定化技術(shù)—填埋及水泥窯協(xié)同處置是主流技術(shù)，熱處理技術(shù)燒結(jié)陶粒已實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，而熔融/玻璃化技術(shù)處于小規(guī)模處置試驗(yàn)階段，推廣應(yīng)用有待進(jìn)一步驗(yàn)證。低溫?zé)峤饧夹g(shù)成熟度不高，但可實(shí)現(xiàn)飛灰大規(guī)模處置，有望未來在解決我國飛灰處置中發(fā)揮重要作用。

在環(huán)境管理環(huán)節(jié)，應(yīng)加強(qiáng)飛灰處理處置日常監(jiān)督與管理，強(qiáng)化飛灰環(huán)境污染綜合整治，建立生活垃圾焚燒企業(yè)、資源化利用與處置企業(yè)管理臺賬。加大飛灰資源化利用技術(shù)研發(fā)與投入，開發(fā)適用性廣、穩(wěn)定效果好的螯合穩(wěn)定劑或開發(fā)能耗低的熱處理技術(shù)等。持續(xù)完善飛灰資源化和無害化技術(shù)、方式以及相應(yīng)的環(huán)境污染防控、產(chǎn)品質(zhì)量與安全要求等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作，規(guī)范利用處置行為，實(shí)現(xiàn)飛灰污染的有效防治。

由于我國飛灰高氯及高危險特性，飛灰的利用處置需要綜合考慮環(huán)境風(fēng)險、經(jīng)濟(jì)可行及社會影響。目前飛灰處置利用技術(shù)應(yīng)用和管理存在諸多問題，應(yīng)從源頭上強(qiáng)化垃圾分類，在過程中重點(diǎn)開發(fā)/選擇先進(jìn)的焚燒技術(shù)、研發(fā)新的固化/穩(wěn)定化藥劑、研究新的利用處置途徑和創(chuàng)新管理模式等，在經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境保護(hù)中尋找最佳平衡點(diǎn)。隨著技術(shù)和管理的不斷發(fā)展進(jìn)步，充分發(fā)掘飛灰無害化、資源化利用潛力。