城市垃圾焚燒飛灰無害化處置技術(shù)研究進展

陳昕 胡友彪 查甫更 徐國春 楊琳 汪飛

摘 要：該文圍繞城市生活垃圾焚燒飛灰的處置，重點總結(jié)了國內(nèi)外生活垃圾焚燒飛灰的無害化處置技術(shù)，包括熱處理法、分離法以及固化/穩(wěn)定法等，分析了各種處理處置方法的優(yōu)缺點與存在的問題，并對城市垃圾焚燒、飛灰無害化處理技術(shù)的進一步發(fā)展進行了展望。

關(guān)鍵詞：城市生活垃圾;飛灰;重金屬;穩(wěn)定化

中圖分類號 X705? 文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）19-0146-04

2019年，我國生活垃圾的清運量高達24206.2萬t[1]。城市生活垃圾的主要處置方法有填埋、堆肥、焚燒等，我國垃圾處置以填埋、焚燒法為主，其他方法為輔[2，3]。填埋法作為一種經(jīng)濟簡便的處理方法多年來在我國得到了廣泛應(yīng)用，然而，填埋需要占用大量土地資源[3]，垃圾填埋場地變得日益緊張稀缺;并且在填埋過程中，雨水滲透和垃圾降解反應(yīng)，產(chǎn)生大量的垃圾滲濾液，污染附近的土壤和地下水系統(tǒng)。

目前，焚燒法在城市生活垃圾處置中占比逐年上升，2019年中國垃圾焚燒廠為389家，處理量為12174.2萬t，占垃圾無害化處理量的50.7%。經(jīng)焚燒處理后的生活垃圾質(zhì)量和體積分別減少70%、90%，能有效改善填埋法的不足之處;且焚燒能銷毀固廢中有機物質(zhì)，降低病原體和微生物引發(fā)的風險[4]，焚燒產(chǎn)生的熱量可供暖發(fā)電，達到廢物資源化利用的同時。因此，焚燒逐漸成為固體廢物處置的主要方法，然而，城市生活垃圾焚燒后產(chǎn)生的固體殘留物飛灰（約占焚燒固體廢物的2%～5%），由于富集高濃度重金屬、二噁英、可溶性鹽類等有毒污染物，被列入《國家危險廢物名錄》，在填埋之前需要進行無害化處置。本文綜述了近年來文獻報道中應(yīng)用較多的飛灰無害化處置技術(shù)，包括熱處理、分離以及固化/穩(wěn)定化[5]，并對其各自的優(yōu)缺點進行了系統(tǒng)的整理和歸納。

1 熱處置技術(shù)

該技術(shù)是將飛灰與助熔劑混合，在700～1600℃高溫作用下加熱，灰渣表面的有害物質(zhì)得到二次揮發(fā)，二噁英、呋喃被分解[6]，飛灰中殘留的重金屬元素固化成晶體結(jié)構(gòu)，不易被浸出，常用于飛灰的解毒和減容。根據(jù)飛灰加熱溫度和添加輔料的不同，熱處理技術(shù)主要分為，燒結(jié)（900～1100℃）、熔融/玻璃化（>1100℃）2種。

1.1 燒結(jié)處置法 燒結(jié)法是將飛灰與其他助劑混合造粒，在低于混合物熔點的溫度下，粉末顆粒發(fā)生擴散、聚集和碰撞，將大部分甚至全部氣孔從晶體中排出，使顆粒間相互黏結(jié)，形成致密堅固的燒結(jié)體。燒結(jié)體會將重金屬固定于新形成的晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，限制其遷移，極大降低了重金屬浸出毒性，燒結(jié)產(chǎn)物具有較高的抗壓強度和密度，常用于陶瓷和建筑輕骨料的生產(chǎn)[7，8]。T. Mangialardi[9]對意大利4種不同垃圾焚燒廠的飛灰進行了燒結(jié)測試，結(jié)果表明，成型壓力28N/mm2、溫度1140℃和燒結(jié)時間60min是制造水洗飛灰燒結(jié)體的最佳條件，燒結(jié)后飛灰浸出液中重金屬濃度遠低于固體廢物處置法規(guī)定限值，燒結(jié)產(chǎn)品可以滿足混凝土重骨料需求，但高氯含量的飛灰會降低混凝土骨料的抗壓強度和腐蝕鋼筋，在使用前需要進行降氯預(yù)處理。燒結(jié)處置技術(shù)升溫速度快、溫度高，有利于二噁英的降解。但由于飛灰中殘留氯和重金屬含量較高，在生產(chǎn)前需要進行預(yù)處理，降低其在建筑中的浸出風險。

1.2 熔融/玻璃化處置法 熔融和燒結(jié)過程相似，二者的區(qū)別在于熔融溫度更高，飛灰的高融化溫度使該技術(shù)在實際工程應(yīng)用中具有局限性。但經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn)，添加助熔劑可以降低熔化溫度，將飛灰或飛灰混合物轉(zhuǎn)化為剛性非晶玻璃基體，有害元素被封裝在玻璃結(jié)構(gòu)中，不易受到浸出或化學侵蝕[10，11]，同時也可以利用玻璃體良好的固化性能和機械特性來替代建筑材料，如道路建設(shè)的底基層、磚和石板等，實現(xiàn)飛灰的再循環(huán)利用。

目前，熔融爐主要有電弧爐、電阻爐、等離子體爐等。Ma等[12]使用直流電弧等離子體爐，在1250～1400℃條件下對飛灰進行熔融處置，結(jié)果表明，經(jīng)等離子體爐處理的飛灰體積減小68.7%～82.2%，重量損失23.8%～56.7%，飛灰成功熔融比例為氧化鈣20%～48%，氧化鋁10%～15%，二氧化硅40%～65%，水洗預(yù)處理降低了重金屬揮發(fā)速率，熔渣中重金屬浸出量遠低于國家標準。

近年來，大量研究集中在降低飛灰熔融溫度的添加輔料的種類、比例、含量等方面。Gao等[13]使用B2O3為助熔劑，通過控制添加比例，對城市生活垃圾焚燒飛灰進行熔融實驗以降低熔化溫度并保持玻璃碴的化學耐久性。當B2O3添加量從0增加到15%時，在高溫的作用下，B2O3影響了飛灰中耐火礦物的熔融特性，飛灰的熔融溫度從1211℃下降到986℃。液態(tài)爐渣的產(chǎn)生導(dǎo)致顆粒表面積減少和重金屬傳質(zhì)阻力增加，此外，隨著爐渣粘度降低，飛灰顆粒更易附聚，提高了重金屬的化學穩(wěn)定性。

熔融處置技術(shù)具有高減容率，能夠降解飛灰中二噁英和呋喃，產(chǎn)生的玻璃態(tài)抗浸出渣將非揮發(fā)性重金屬封裝在玻璃基質(zhì)中，有效避免其對環(huán)境的污染。然而，揮發(fā)性成分、酸性氣體、重金屬和其他化合物會隨著煙氣排放，釋放到環(huán)境中，因此熔融后要進行尾氣的凈化處置。且熱處理過程能耗大，二次飛灰中的重金屬富集，處置設(shè)備價格昂貴，飛灰的高氯含量會腐蝕設(shè)備，縮短設(shè)備使用壽命，故該方法運行成本較高，僅在部分發(fā)達國家普及應(yīng)用[14]。

2 分離技術(shù)

2.1 水洗（分離）法 飛灰中的氯化物（如氯化鈉、氯化鉀和氯化鈣等）易溶于水，通過簡單水洗操作可以有效地從飛灰殘渣中去除[15，16]。Chiang等[17]將水洗作為飛灰預(yù)處理工藝，結(jié)果表明，飛灰中大部分有害氯化物、硫酸鹽和重金屬得到去除，氯離子含量顯著降低。在熔融溫度為1450℃，液固比為10時生成的熔渣中銅和鉛的玻璃化率相對較高，水洗加強了重金屬玻璃化程度，此外，水洗后飛灰中鈉、鉀、鈣、鎂的玻璃化率也高于未經(jīng)處理的飛灰。

飛灰性質(zhì)、液固比和提取時間是影響水洗的關(guān)鍵因素，Yang等[18]研究發(fā)現(xiàn)，活性炭殘渣水洗的最佳操作條件為液固比為3mL∶1g，萃取時間為5min，水洗后超過70%的氯化物和近25%的硫酸鹽得到去除。此外，水洗過程進行二氧化碳曝氣，可以有效提高氯鹽的分離效果并降低水洗液中重金屬濃度。