摻燒有機工業(yè)垃圾后生活垃圾焚燒飛灰底渣特性及重金屬固化特性*

張呈坡，錢柯貞，劉志軍，陳德珍，尹麗潔

(1 同濟大學(xué)熱能與環(huán)境工程研究所，上海 200092；2 上海多源固廢協(xié)同處理和能源化工程技術(shù)研究中心，上海 200092)

近年，將有機工業(yè)垃圾摻入生活垃圾進行焚燒發(fā)電已經(jīng)成為新的趨勢[2]，其處理工業(yè)的同時又可以將資源進一步利用。但是工業(yè)垃圾中含有大量的重金屬元素，焚燒過程中會釋放出重金屬危害環(huán)境及人類身體健康[3]。飛灰作為垃圾焚燒技術(shù)的主要副產(chǎn)品，重金屬浸出毒性高，被歸類為危險廢物[4]，因此，對飛灰中的重金屬進行處理非常必要。本課題將探究焚燒過程中不同工業(yè)固廢摻燒比例的情況下，飛灰和底渣中一些重金屬元素的遷移行為，并研究飛灰固化技術(shù)對重金屬穩(wěn)定化的影響，希望降低對環(huán)境的污染。

1 實驗物料和方法

飛灰取自湖北和浙江，其中，湖北的飛灰，工業(yè)固廢摻燒比例是35%，三個浙江樣品的摻燒剝比例分別為7%，8% 和11%。

1.1 不同摻燒比例飛灰重金屬總量分析

先將飛灰進行干燥處理，即放入105 ℃的烘箱中24 h。消解實驗是根據(jù)HJ 832-2017以及實驗室條件來做的。稱取風(fēng)干、過篩的樣品 0.25 g置于聚四氟乙烯消解罐中，依次加入 6 mL 硝酸、3 mL鹽酸、2 mL氫氟酸，進行微波消解，消解完后進行趕酸和定容后，通過ICP-OES測試液體樣品，最后進行換算得到各種元素的在飛灰中的總量[5]。

1.2 飛灰螯合

首先測量飛灰含水率，稱取飛灰50.00 g置于105 ℃的烘爐中，恒重至兩次稱量值的誤差小于1%，計算樣品含水率。根據(jù)含水率，計算出50 g干灰對應(yīng)的重量，將飛灰裝入燒杯中，根據(jù)螯合劑的比例2%、3%、4%、5%計算出螯合劑的值，按照30%的水灰比加水，螯合劑和水先進行混合，然后倒入燒杯中，開始攪拌，攪拌均勻后，封口，養(yǎng)護1天。

測定原灰pH值，取5.0 g樣品至500 mL燒杯中，加人 96.5 mL去離子水，用磁力攪拌器猛烈攪拌 5 min，測定 pH 值，大于11，決定用浸提劑2。

稱取螯合后的飛灰50.00 g置于105 ℃的烘爐中，恒重至兩次稱量值的誤差小于1%，計算樣品含水率。根據(jù)螯合后的含水率，稱 2.00 g干灰樣品，置于 200 mL燒杯中，根據(jù)樣品的含水率，按液固比為 20∶1(L/kg)計算出所需浸提劑的體積，加人浸提劑，將液體轉(zhuǎn)移到離心管中并固定在翻轉(zhuǎn)式振蕩裝置上，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為30 r/min，振蕩18 h。在振蕩過程中有氣體產(chǎn)生時，應(yīng)定時在通風(fēng)櫥中打開提取瓶，釋放過度的壓力。翻轉(zhuǎn)結(jié)束后進行離心處理，用過濾器和針管，過濾并收集浸出液，于4 ℃下保存。通過ICP-OES測量浸出液中重金屬濃度[6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同摻燒比例飛灰重金屬含量

圖1是在不同工業(yè)垃圾摻燒比例下，飛灰中硒、鎳、砷、鉻、鎘、錳、銅、鉛、鋅等元素的總量。

圖1 不同工業(yè)垃圾摻燒比例下，飛灰中的元素總量

如圖1(a)所示，在低摻燒比的情況下，隨著摻燒比例的增加，硒的含量略微有點下降，35%的摻燒情況下，硒的含量明顯增加，是摻燒比例為7%時的8.3倍。在低摻燒比時，鎳的總量隨著摻燒比增加而增加；在高摻燒比時，鎳的含量比11%的摻燒比略微有點下降。砷的總量隨著摻燒比的增加，先減少后增加；35%的摻燒比例下其砷的比例明顯高于7%～11%摻燒比時。低摻燒比和高摻燒比例不同的規(guī)律的可能原因如下，首先，摻燒比例的數(shù)據(jù)是有一定誤差的，其次，其摻燒的工業(yè)固廢的種類、比例不一樣。

如圖1(b)所示，鉻的含量隨著摻燒比的增加，先增加后減少。鎘的含量在低摻燒比時基本保持不變，當(dāng)摻燒比增加時，鎘的含量有所增加，35%的摻燒情況下，鎘的含量是摻燒比例為7%時的2.8倍。錳的含量與摻燒比沒有明顯關(guān)系。

如圖1(c)所示，銅的含量在低摻燒比時，隨著摻燒比的增加，基本保持不變。當(dāng)摻燒比增加時，銅的含量有所增加。35%的摻燒情況下，銅的含量是摻燒比例為7%時的1.2倍。鉛的含量在低摻燒比時基本保持不變，35%的摻燒情況下，鉛的含量是摻燒比例為7%時的0.74倍。鋅的含量與摻燒比沒有明顯關(guān)系。

2.2 不同摻燒比例底渣重金屬含量

圖2是在不同工業(yè)垃圾摻燒比例下，底渣中硒、鎳、砷、鉻、鎘、錳、銅、鉛、鋅等元素的總量。

圖2 不同工業(yè)垃圾摻燒比例下，底渣中的元素總量

如圖2(a)所示，硒的含量隨著摻燒比例的增加，先增加后減少，但普遍遠遠低于在飛灰中的含量。鎘的含量在低摻燒比時，隨著摻燒比的增加，基本保持不變。當(dāng)摻燒比增加時，鎘的含量有所增加。35%的摻燒情況下，鎘的含量是摻燒比例為7%時的1.5倍。砷的含量隨著摻燒比例的增加而增加，但并不明顯。

如圖2(b)所示，鎳的含量隨著摻燒比例的增加，先增加后減少，35%的摻燒情況下，鎳的含量是摻燒比例為7%時的0.4倍。鉛的含量與摻燒比關(guān)系沒有太明顯的趨勢。銅的含量隨著摻燒比例的增加而增加，35%的摻燒情況下，銅的含量是摻燒比例為7%時的1.8倍。

如圖2(c)所示，鉻的含量在低摻燒比時，在一定范圍內(nèi)波動，在高摻燒比時，有所下降，35%的摻燒情況下，鉻的含量是摻燒比例為7%時的10%。錳的含量隨著摻燒比例的增加而略微有點下降，趨勢并不明顯，35%的摻燒情況下，錳的含量是摻燒比例為7%時的60%。鋅的含量隨著摻燒比例的增加，先增加后降低。

2.3 垃圾焚燒重金屬遷移規(guī)律

重金屬的遷移受重金屬自身沸點，垃圾特性，運行環(huán)境等因素影響。一般來說，垃圾焚燒后，產(chǎn)出煙氣，飛灰，底渣三種產(chǎn)物，由于煙氣里面重金屬含量很少，這里只考慮底渣和飛灰。一般沸點較低的重金屬(砷、硒、鎘、鉛等)容易進入飛灰，而沸點比較高的重金屬(鉻、鎳)容易進入底渣。垃圾本身的水、氧元素、硫元素、氯元素等也會與重金屬發(fā)生反應(yīng)，影響其遷移路徑。而運行環(huán)境中的溫度、凈化方式等對重金屬的遷移都會有一定的影響。

圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)都是較低摻燒比例下，元素的遷移規(guī)律。從圖3中可以看出，硒、砷、鉛、鎘、鋅五種元素容易遷移到飛灰中，鎳、鉻、錳、銅四種元素容易遷移到底渣中，且在低摻燒比例下，元素在飛灰、底渣中的質(zhì)量分數(shù)大多具有波動性，與摻燒比的聯(lián)系較少。

圖3 不同工業(yè)垃圾摻燒比時，元素遷移規(guī)律

對比圖3(c)和圖3(d)可以發(fā)現(xiàn)，在高摻燒比的情況下，硒更多的遷移到飛灰中。在11%的摻燒比時，有73%的硒遷移到飛灰中，在35%的摻燒比時，有97%的硒遷移到飛灰中。同樣，在高摻燒比的情況下，鉻更多的遷移到飛灰中。在11%的摻燒比時，有14%的鉻遷移到飛灰中，在35%的摻燒比時，有40%的鉻遷移到飛灰中。其他元素的隨著摻比量的增高變化不大。

2.4 飛灰螯合

如圖4所示，砷、鋅、鎘的浸出濃度全部達標。鉛的浸出濃度在添加合適比例的螯合劑時達標，隨著藥劑添加比例增加鉛的浸出濃度下降。硒的浸出濃度基本不達標，并且在螯合劑比例超過一定界限后，更高的螯合劑添加比會導(dǎo)致硒的浸出濃度增加。

圖4 添加不同比例福來西后，部分元素的浸出濃度(固化時間：1天)

3 結(jié) 論

本文主要對不同摻燒比飛灰、底渣中的元素含量進行分析，并對垃圾焚燒后一些元素的遷移規(guī)律和固化進行探討。在高摻燒比的情況下，飛灰中硒的總量大大提升，別的重金屬沒有特別明顯趨勢。在底渣中，砷、銅的總量都隨著摻燒比的增加而增加，而其他幾種元素，沒有明顯的趨勢。硒、砷、鉛、鎘、鋅五種元素容易遷移到飛灰中，鎳、鉻、錳、銅四種元素容易遷移到底渣中，且在低摻燒比例下，元素在飛灰、底渣中的質(zhì)量分數(shù)大多具有一定的波動性。但是由于樣品量有限，還需進一步研究統(tǒng)計摻比量對重金屬的影響。

砷、鋅、鎘的浸出濃度全部達標。鉛的浸出濃度在添加合適比例的螯合劑時達標，隨著藥劑添加比例增加鉛的浸出濃度下降。硒的浸出濃度基本不達標，并且在螯合劑比例超過一定界限后，更高的螯合劑添加比會導(dǎo)致硒的浸出濃度增加。