垃圾焚燒飛灰的資源化利用進(jìn)展

胡玉龍 邱琪麗

(南京工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院,江蘇 南京 211167)

2020年,中國城市生活垃圾清運(yùn)量達(dá)2.351×108t,其中無害化垃圾處理量達(dá)2.345×108t,無害化處理率達(dá)99.7%[1]。目前,生活垃圾主要處置方式為填埋、焚燒和堆肥[2]。我國的垃圾處理方式主要是填埋,但是填埋土地占用量大,因土地資源緊缺等問題,焚燒在垃圾處置中所占的比例越來越大[3]。采用焚燒處理垃圾,可以減容90%,減量75%,減少填埋土地占用,達(dá)到資源化利用等目的[4]。生活垃圾焚燒處理的占比從2015年25%上升至2020年的36%[5]。

垃圾焚燒飛灰中含有大量重金屬,已被《國家危險廢物名錄》規(guī)定為編號HW18的危險廢物,必須進(jìn)行妥善處置[6]。將飛灰中的重金屬加以資源化利用,是妥善處置焚燒飛灰的最佳方法,本文綜述了垃圾焚燒飛灰的主要資源化利用途徑。

1 飛灰的理化特性

垃圾焚燒飛灰是一種灰白色或深灰色的細(xì)小粉末,是由顆粒物、反應(yīng)產(chǎn)物、未反應(yīng)產(chǎn)物和冷凝產(chǎn)物聚集而成的不規(guī)則物體。飛灰顆粒比表面積大,使得一些揮發(fā)性重金屬,如Pb、Cd等易吸附在其表面[7-9]。Yue等[10]對垃圾焚燒飛灰做了SEM電鏡分析,結(jié)果表明飛灰具有多孔結(jié)構(gòu),使得其中的重金屬很容易被滲透到環(huán)境中。當(dāng)其被水泥固化后,可以減少重金屬的浸出。

垃圾焚燒飛灰主要由Ca、Si、Al、Cl、Na、K、S、Fe、Mg、P等元素組成。由此可以看出,飛灰中易溶成分含量較高,這些可溶性組分是困擾飛灰穩(wěn)定化處理與資源化利用的主要問題之一[11]。此外,飛灰中Cl-含量也較高,Cl-與重金屬形成配合物影響重金屬離子在環(huán)境中的遷移性[12],在飛灰的處置過程中,必須重視對Cl-的去除。

焚燒飛灰的化學(xué)組成因垃圾成分、焚燒設(shè)備、焚燒操作條件和空氣污染控制設(shè)備種類的不同而有所變化[13]。焚燒飛灰的主要成分都是氧化物,這是由于焚燒爐內(nèi)的強(qiáng)氧化環(huán)境導(dǎo)致的[14]。垃圾焚燒(MSWI)飛灰的主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 MSWI飛灰主要化學(xué)成分Tab. 1 Major chemical components of MSWI fly ash

2 資源化利用

雖然垃圾焚燒飛灰中含有大量的重金屬等有害物質(zhì),但是只要經(jīng)過合適的處置,就可以作為資源進(jìn)行再利用,不僅可以減輕垃圾填埋場的壓力,還可以變廢為寶,實(shí)現(xiàn)二次利用[22]。在對垃圾焚燒飛灰進(jìn)行資源化利用時,需要考慮以下三個因素:(1)飛灰本身的物理化學(xué)性質(zhì)是否適于采用該種資源化處置手段;(2)經(jīng)過該種資源化處置后,所得的最終產(chǎn)品是否具有良好的性能,是否具備實(shí)用性、市場可行性和經(jīng)濟(jì)性;(3)該種資源化處置手段能否對飛灰起到穩(wěn)定化作用,消除其對環(huán)境的危害[13]。

目前,飛灰的資源化利用主要有以下幾個方面。

2.1 農(nóng)業(yè)應(yīng)用

2.1.1 土壤改良劑

在土壤中摻入飛灰,可以降低土壤的容積密度、水力傳導(dǎo)率,提高持水能力。這是因?yàn)轱w灰的粒度分布與淤泥相近,從而改變了土壤的結(jié)構(gòu)性能。其次,飛灰還可以改變土壤的pH值。根據(jù)飛灰的來源不同,飛灰有酸性也有堿性,因此可以作為土壤的pH緩沖劑。此外,飛灰甚至可以改變土壤的生物特性。將飛灰加入未經(jīng)風(fēng)化的沙土中,可大大抑制其中的微生物的呼吸、酶活性以及土壤中的氮循環(huán),如硝化作用和氮的礦化[23]。

2.1.2 植物養(yǎng)料

氮、磷、鉀是肥料必備的3種主要元素。由于飛灰中含有大量磷和鉀(氮已在燃燒中損耗),因此可以代替化肥供給植物養(yǎng)分。飛灰的摻加量可根據(jù)生長植物和土壤酸性適當(dāng)增加或減少,但總飛灰量不宜超過耕作所需土壤量的5%～10%[24]。Chen等[25]的研究結(jié)果表明,其他肥料與飛灰的混合使用可以減少有機(jī)、無機(jī)肥料的使用,氮、磷、鉀肥的減少量分別為45.8%、33.5%和69.6%。飛灰既可以作為土壤改良劑,又可以豐富土壤中的營養(yǎng)元素,有益于植物的生長,另一方面,還可以減少化肥的使用,減少環(huán)境污染。

1.3.1 近期療效判定標(biāo)準(zhǔn) 痊愈為用藥后無癲癇發(fā)作；顯效為用藥后癲癇發(fā)作次數(shù)明顯減少（減少次數(shù)≥50.0%）；有效為用藥后癲癇發(fā)作次數(shù)有所減少（減少次數(shù)≥25.0%）；無效為未達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)甚或惡化。

2.1.3 殺蟲劑

飛灰可以對50多種主要的作物病蟲害產(chǎn)生影響,比如蚱蜢、稻飛虱、棉鈴蟲等。Benassi等[26]發(fā)現(xiàn)在土壤中加入5%的飛灰,可以顯著減少由根結(jié)線蟲引起的根部損傷,進(jìn)而促進(jìn)番茄植株的生長。

飛灰在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的優(yōu)勢以及不足之處如表2所示。

表2 飛灰在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)[23]Tab. 2 Advantages and disadvantages of MSWI fly ash in agricultural applications

2.2 土木工程

飛灰的主要成分屬于CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3體系,與常用的高爐礦渣、粉煤灰等輔助性膠凝材料非常接近,因此可以用作建筑材料和巖土工程材料[24]。

2.2.1 水泥、混凝土

飛灰的主要成分是CaO、SiO2、Fe2O3和Al2O3,非常適合作為水泥生產(chǎn)的原材料。另外,利用飛灰替代水泥原材料,除了略微增加了水泥的凝固時間,對水泥的強(qiáng)度、收縮率、質(zhì)量損失沒有任何影響[27-29]。

Yao等[30]人在飛灰作為水泥原材料的應(yīng)用中,提出了一種更為環(huán)保的系統(tǒng)——WCCB系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):分解飛灰中的二噁英、多氯聯(lián)苯以及其他復(fù)雜有機(jī)物;回收或固定飛灰中的重金屬;在水洗廢水中回收鹽類。

飛灰不僅可以作為水泥原料制備水泥,還可以直接取代部分水泥制備混凝土?；炷恋囊粋€重要的工程性質(zhì)是抗壓強(qiáng)度[33]。Fujii等[34]的研究表明,將飛灰作為輔助膠凝材料取代部分水泥摻入混凝土中,可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。此外,和制備水泥相比,直接制備混凝土,無需進(jìn)行水洗等預(yù)處理,從而減少了工藝、設(shè)備成本[34]。

雖然飛灰在水泥中的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟,但有必要進(jìn)行更多的研究,如飛灰中一些元素對熟料的結(jié)構(gòu)和水化作用的影響;飛灰制成的水泥的長期重金屬毒性浸出特性;水泥的短期和長期機(jī)械特性和耐久性;飛灰中氯的排放對水泥窯的腐蝕影響等[31]。

2.2.2 輕骨料

飛灰在作為輕骨料應(yīng)用時,由于其中的SiO2含量偏低,只能作為輔料。使用飛灰、反應(yīng)灰、沉淀污泥等制成的骨料,密度遠(yuǎn)低于正常骨料[35]。Quina等[36]提出了利用飛灰混合頁巖、污泥,制作輕骨料的方案,在最佳配比下,輕骨料的容積密度可達(dá)613 kg·m-3,顆粒強(qiáng)度為821 N,一小時吸水率為11.6%,可以達(dá)到700等級的輕骨料要求(GB/T 17431.2—1998)。在用飛灰替代瀝青砂膠中的細(xì)骨料的研究中,也發(fā)現(xiàn)添加8%～16%的飛灰,符合要求[37]。將飛灰用于制作輕骨料,是具有可行性的,在制成輕骨料的同時,還可以穩(wěn)定其中的重金屬。

由于在輕骨料的制作中,一般都需要進(jìn)行高溫?zé)Y(jié),在此過程中容易對環(huán)境產(chǎn)生二次污染,因此,仍然需要繼續(xù)探索更節(jié)能的、更清潔的利用途徑。

2.2.3 路基、堤壩

垃圾焚燒飛灰與燃煤飛灰在組成上極為相近,與水混合后自身存在一定的凝硬特性,飛灰與水泥混合具有一定的硬度,滿足路基材料的需求,同時水泥的水化產(chǎn)物及堿性環(huán)境還可以抑制重金屬的滲濾,滿足環(huán)保的要求,因此可以用飛灰作為路基、堤壩[38]。由于飛灰的密度比堤壩中其他填充物質(zhì)小,可以減少堤壩負(fù)荷,減輕地面沉降[39]。飛灰的使用還可以降低材料的膨脹、提高加州承載比(CBR)和彈性模量值[40]。

2.3 其他應(yīng)用

2.3.1 沸石

沸石是具有晶體結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽類礦物,可由含Si、Al的材料合成。而飛灰的成分含有大約15%～30%的SiO2和Al2O3[41]。飛灰因其具有高含量的活性相、高比表面積等性質(zhì)非常適合作為沸石合成的初始原料。而且飛灰中的Si/Al含量比較低,可以合成具有高離子交換容量、高選擇性、高孔隙容量的低Si沸石[42]。在飛灰的穩(wěn)定化處理中,經(jīng)過熔融處理或是水熱處理后,就會產(chǎn)生沸石[43]。

利用飛灰制作沸石,最大的問題就是制作中需要消耗較多的能量,而且合成沸石會產(chǎn)生含有大量重金屬的廢水,仍需要進(jìn)行后續(xù)處理[41]。

2.3.2 玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷

陶瓷生產(chǎn)要消耗大量的硅酸鹽物質(zhì),而飛灰中含有大量的SiO2,這是飛灰能用于陶瓷生產(chǎn)的基礎(chǔ),并且細(xì)顆粒的飛灰可直接加入陶瓷原料中,不需要進(jìn)行預(yù)處理。但飛灰中所含大量的氧化鐵和金屬會影響陶瓷的性能,必須嚴(yán)格控制飛灰加入量[39]。

飛灰在生產(chǎn)玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷等產(chǎn)品時,都需要經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)、玻璃化過程,不僅可以利用高溫固定重金屬,甚至可以脫除二噁英。這個資源化途徑最大的問題仍然是高溫能耗以及高溫過程中的二次污染。

2.3.3 污泥調(diào)節(jié)劑

污泥中的重金屬主要來源于廢水,而且其中的水分含量高達(dá)95%,在處理前需要進(jìn)行脫水處理以達(dá)到減量、降低成本的目的。而廢水中所含的少量的油,則增加了污泥脫水的難度,要解決這個問題就需要在污泥中添加助濾劑。飛灰可以減少過濾過程中的毛細(xì)吸水時間,降低比電阻,從而輔助污泥的過濾過程。由于飛灰會導(dǎo)致污泥濾液中的重金屬含量增加,因此飛灰的添加量不宜過高,一般為3%～4%[44]。

2.4 飛灰資源化利用總結(jié)

飛灰的應(yīng)用具有很大的潛力,主要資源化利用途徑如表3 所示。飛灰之所以歸類為危險廢棄物,主要是其中所含的重金屬,因此最理想的方式就是將其中的重金屬提取出來,再進(jìn)行利用。但以目前的技術(shù)手段,難以實(shí)現(xiàn)對各種重金屬進(jìn)行統(tǒng)一的、低成本的、大量的提取。結(jié)合各手段的優(yōu)點(diǎn)加以發(fā)展,是解決這一難題的關(guān)鍵。

表3 飛灰資源利用途徑比較[24,44]Tab. 3 Comparison of utilization approaches of MSWI fly ash[24,44]

3 展望

垃圾焚燒飛灰之所以沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用,主要有以下兩個原因:(1)飛灰的化學(xué)特性、礦物特性以及形態(tài)特性的易變性,阻礙了飛灰的直接應(yīng)用;(2)飛灰在環(huán)境中的浸出特性容易造成二次污染。因此,在未來的處理與應(yīng)用中,我們必須重視飛灰在環(huán)境中的變化以及長期的、潛在的影響。圖1[41]給出了飛灰的可持續(xù)管理程序。

圖1 生活垃圾焚燒飛灰可持續(xù)管理程序Fig. 1 Sustainable management procedure for MSWI fly ash

飛灰的收集必須涵蓋所有焚燒飛灰,再根據(jù)來源不同進(jìn)行分流處置。一部分直接進(jìn)行處理、回收利用,實(shí)現(xiàn)資源再生,其余部分進(jìn)行飛灰的處置,再實(shí)現(xiàn)資源利用或是進(jìn)行最終的填埋處置。在飛灰的處置過程中的資源利用,可以大大減少資源浪費(fèi),并減少飛灰的填埋量,減輕垃圾填埋場的填埋壓力。另外,在飛灰的處置利用過程中,采用生命周期評估法(LCAs),評估飛灰對環(huán)境的長期影響將是未來飛灰處置的發(fā)展趨勢。