城市垃圾焚燒產(chǎn)物對環(huán)境的影響及其資源化利用

張志偉+汪軍

摘 要： 闡述了城市垃圾焚燒飛灰的基本性質(zhì)和不同粒徑顆粒所含各種重金屬含量以及它們對水體和環(huán)境的危害，介紹了不同粒徑飛灰的物理化學(xué)性質(zhì)和在不同條件下的處理方式，在此基礎(chǔ)上提出了一種“無害化”、“資源化”、“減量化”的有效措施處理飛灰，即水泥窯煅燒處理；還介紹了城市垃圾焚燒產(chǎn)物中二噁英的基本性質(zhì)、毒性和對人體的危害，從垃圾入爐前、焚燒時(shí)、煙氣中等三個(gè)方面進(jìn)行處理，并提出了減少二噁英的生成防治措施及去除的方法；介紹了城市垃圾焚燒底灰的物理化學(xué)性質(zhì)，提出了一種資源化利用的方案，即制成燒結(jié)磚.

關(guān)鍵詞： 飛灰； 重金屬； 水泥窯； 二噁英； 燒結(jié)磚

中圖分類號(hào)： TK 16文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1008-8857（2016）03-0143-04

Abstract： The properties of fly ash from the incineration of municipal solid waste（MSW），the heavy metal concentration in the fly ash particles with different particle sizes and its harm to the waters and environment were discussed in this paper.The physicochemical properties of fly ash and its disposal methods were introduced.An effective disposal method of fly ash calcination by cement kiln for its recycling，reusing and reducing was put forward.The properties，toxicity and harm to human bodies of TCDDs produced from MSW incineration were also introduced.Some measures which could reduce the generation of TCDDs and remove TCDDs from three aspects were put forward.The physicochemical properties of bottom ash from MSW incineration was introduced.A wastetoresource method of bottom ash was put forward by making baked brick.

Keywords： fly ash； heavy metal； cement kiln； TCDDs； baked brick

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市的建設(shè)，我國城市垃圾產(chǎn)量急劇增加.2002年我國城市生活垃圾已達(dá)1.5億t以上，已有多達(dá)35億m2的土地面積被這些垃圾侵占，而在城市中約有三分之二的城市面積被垃圾占領(lǐng)，有四分之一的城市把鄉(xiāng)村作為解決垃圾危機(jī)的途徑[1].因此，這些快速增加的城市垃圾已經(jīng)成為了阻礙社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要因素，同時(shí)也對人類的生活環(huán)境造成了很大的危害.因此，為了使我國的城市垃圾實(shí)現(xiàn)“資源化”、“減量化”、“無菌化”的目標(biāo)，我國長期著力探究經(jīng)濟(jì)、有效的垃圾處理措施.焚燒垃圾是城市處理垃圾的主要方法之一.由于焚燒后的垃圾體積比原來縮小50%以上，進(jìn)行垃圾分類收集處理的可燃性垃圾在焚燒后體積甚至可縮小至原來的10%，所以焚燒垃圾能達(dá)到“減量化”的要求.對于熱值高的垃圾還可以在焚燒后進(jìn)一步進(jìn)行余熱回收利用.但是城市垃圾焚燒飛灰的水溶性鹽分含量很高，并且垃圾焚燒后富集了大量有毒重金屬和二噁英類物質(zhì)，對生態(tài)環(huán)境和人體健康有很大的危害.

1 城市垃圾焚燒飛灰的性質(zhì)及處理方法

1.1 飛灰的組成及性質(zhì)

飛灰一般是指垃圾經(jīng)過焚燒處理后在焚燒產(chǎn)物處理裝置中收集得到的殘留物，其中包含吸收塔殘?jiān)?、除塵器余燼和洗滌塔污泥.飛灰的殘留物中可能還會(huì)有一些化學(xué)反應(yīng)剩余產(chǎn)物、加入的化學(xué)藥劑殘留物及煙道灰泥等[2].

飛灰一般情況下是一些細(xì)小的粉塵微粒，含水量較少，它們的顆粒直徑分布不均勻，而且顆粒形態(tài)不規(guī)則，表面粗糙，孔隙率高.由于顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且存在很多細(xì)微的孔隙，所以飛灰的表面積很大，這使得其表面容易吸附一些重金屬.以上海浦東御橋垃圾焚燒處理廠為例，其垃圾焚燒后的產(chǎn)物主要化學(xué)成分為CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3，其礦物組成較為復(fù)雜，主要為SiO2、Al2SiO5、NaCl、KCl、CaAl2、Si2O8、Zn2SiO4、CaCO3和CaSO4，還有少量的CaO、Ca2Al2、SiO7、PbO、Cu2CrO4 等[3].

1.2 飛灰的成分及其對環(huán)境的不良影響

根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，飛灰的粒徑分布可以近似用正態(tài)分布表示，大部分飛灰的粒徑在54～280 μm之間，占總質(zhì)量的80%以上；粒徑小于54 μm的飛灰所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足3%；剩余15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的為粒徑大于280 μm的飛灰.在粒徑小于54 μm的細(xì)顆粒飛灰中，各重金屬（其中包括Mn、Pb、Zn、Cu、Ni和Cr）含量都很小，占不到總質(zhì)量的5%.在粒徑為54～280 μm的中等大小的顆粒中，各重金屬所占比例很大，除Pb外的其他重金屬如Ni、Cr等含量都占60%以上；而且Mn、Cu、Cd、Zn、Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也很高，在40%以上.在粒徑大于280 μm的較大顆粒中，各重金屬所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都較低，只有Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占到50%以上，Zn、Cu、Mn、Cd等次之，占35%左右，Cr 和Ni 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，只有15%左右[4].

飛灰焚燒后，在焚化物中所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高的主要是含有Ca、Na和K的氯化物的溶解鹽[5].若不經(jīng)過處理排放，這些氯化物溶解鹽在大自然中會(huì)以各種形式污染環(huán)境，如其中含有的水溶性鹽分會(huì)被雨水等沖刷出來，流入土壤、地下水及地表水，這些污染水同時(shí)還會(huì)影響附近動(dòng)植物的生長發(fā)育.不僅如此，飛灰中的氯化物還可以增加Pb、Zn等部分重金屬污染物的溶解性，從而使這些重金屬污染物在環(huán)境中不容易降解、遷移.

1.3 飛灰“資源化”處理方法

1.3.1 飛灰焚燒處理的主要技術(shù)

現(xiàn)在國際上通用的焚燒飛灰處理技術(shù)主要有固化/穩(wěn)定化處理、濕式化學(xué)處理和高溫處理三種[6].

固化/穩(wěn)定化處理是現(xiàn)今國際上比較通用的處理飛灰的手段.固化作用是使廢物殘?jiān)械奈廴境煞纸Y(jié)塊、沉淀、被包裹或難分解.固化的一種最常用的方式是水泥固化.水泥固化技術(shù)的基本原理是通過結(jié)塊、包裹降低其可滲透性，并通過填實(shí)孔隙包團(tuán)等方法減小這些廢渣的表面積，實(shí)現(xiàn)無毒化、穩(wěn)態(tài)化的目的.該技術(shù)不足之處是處理一些濕度較大的廢物時(shí)水泥用量會(huì)大大提高，使殘?jiān)捏w積增大，這也增加了處理之后運(yùn)輸?shù)睦щy，使處置成本提高，此外還需要提供超出預(yù)計(jì)的場地掩埋這些廢料.

濕式化學(xué)處理的基本原理是通過加入化學(xué)試劑進(jìn)行反應(yīng)，使有毒、有害物質(zhì)通過化學(xué)反應(yīng)降低其毒性及穩(wěn)定性，并且增加溶解性的過程.該技術(shù)具有處理過程相對比較簡單、運(yùn)行處理費(fèi)用較少等優(yōu)點(diǎn).但是，濕式化學(xué)法的處理過程中會(huì)產(chǎn)生高濃度無機(jī)鹽廢水，這些廢水要安全排放必須要進(jìn)行處理，這又帶來了新的問題；并且垃圾焚燒飛灰及重金屬組分復(fù)雜，要想找到普遍適用的化學(xué)穩(wěn)定劑比較困難.

高溫處理包括爐渣熔融和加壓燒結(jié)兩種方式.飛灰焚燒時(shí)，其中的有害物質(zhì)如二噁英類物質(zhì)在高溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)會(huì)徹底被破壞并分解，其分解率高達(dá)99%.但是這種處理方式成本很高，因?yàn)槠渌枘茉聪暮艽蟛⑶姨幚碣M(fèi)用也很高.加熱融化過程中，飛灰中的固體顆粒的結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化，在高溫下飛灰會(huì)發(fā)生相變?nèi)廴谧兂扇墼?，熔渣呈液態(tài)形式.隨后經(jīng)快速冷卻的過程，結(jié)構(gòu)又發(fā)生變化，熔渣又變成玻璃態(tài)，這種玻璃態(tài)的晶體能將重金屬固化在網(wǎng)格中，使結(jié)晶達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài).燒結(jié)是在高溫下進(jìn)行，飛灰固體顆粒晶體中的大部分甚至全部氣孔被排出，在低于熔點(diǎn)溫度下結(jié)構(gòu)重新改變，形成了結(jié)構(gòu)致密、硬度較大的燒結(jié)體.在燒結(jié)過程中，各種重金屬可以有效地被晶體固化.

1.3.2 焚燒飛灰的再利用處理方法

采用水泥窯煅燒處理飛灰具有明顯的優(yōu)勢.水泥窯與焚燒爐內(nèi)部情況對比如表1所示.

由于水泥窯內(nèi)煅燒溫度高于焚燒爐，而且物料在水泥窯內(nèi)高溫區(qū)域的停留時(shí)間也長于焚燒爐，所以在水泥窯中二噁英比在焚燒爐中被破壞得更徹底.另外，水泥窯中的堿性環(huán)境有利于吸附飛灰中的一些揮發(fā)成分，對HF、HCl、SO2有很強(qiáng)的中和作用；當(dāng)溫度在1 450 ℃時(shí)，可以通過一系列的化學(xué)反應(yīng)將重金屬固化在熔渣中，而且由于經(jīng)過硬化處理后的水泥石結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬緊致，在經(jīng)適當(dāng)處理后，可以使飛灰中有害物質(zhì)固結(jié)在熔渣中，不易釋放出來.在水泥窯內(nèi)廢氣冷卻得較快，避免了二噁英與呋喃的再次反應(yīng).

垃圾焚燒飛灰經(jīng)高溫煅燒后燒結(jié)成具有陶瓷狀結(jié)構(gòu)的固體.這些成分可用作混凝土原料，以及作為路基、堤壩等建筑原料.在歐美發(fā)達(dá)國家，生活垃圾經(jīng)過焚燒處理后其飛灰中的K、Na等氯化物含量較低，常將其放入水泥窯進(jìn)行高溫煅燒.煅燒產(chǎn)物可以作為硅酸鹽水泥的原料.

2 二噁英的性質(zhì)及其處理方法

2.1 二噁英的性質(zhì)及其對生物的危害

經(jīng)過焚燒處理后，城市垃圾的焚燒產(chǎn)物主要是煙氣、飛灰和爐灰，其中有毒物質(zhì)二噁英主要存在于煙氣和飛灰中.二噁英是一種在工業(yè)上無實(shí)際用途的副產(chǎn)物.二噁英具有相對穩(wěn)定的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，在常溫、常壓下為白色固體，二噁英的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，分子無極性，通常狀況下不容易分解，難溶于水，但是易溶于脂肪和四氯化碳；在強(qiáng)酸性、強(qiáng)堿性和一般的氧化狀態(tài)下能保持一定的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；熔沸點(diǎn)較高，通常在500 ℃開始分解，800 ℃時(shí)很快就完全分解；二噁英具有脂溶性，會(huì)積聚在動(dòng)物脂肪組織及植物的某些部位[7].

在自然環(huán)境條件下，二噁英的分子結(jié)構(gòu)受光分解、水解和微生物降解作用的影響較小，因而能夠以一定的穩(wěn)定性和持久性廣泛地分布于自然界中[8].

二噁英是一類急性劇毒物質(zhì)，通常小劑量的二噁英就能導(dǎo)致生物的死亡.生物體攝入低濃度的二噁英會(huì)引起免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能障礙，誘發(fā)DNA突變，由此會(huì)導(dǎo)致畸形或者誘發(fā)癌癥[9].

2.2 二噁英的主要來源

自然界中二噁英的主要來源一般是伴隨著有機(jī)物的燃燒；人類活動(dòng)產(chǎn)生二噁英的途徑一般是燃燒生物質(zhì)能源如火力發(fā)電過程，植物或動(dòng)物皮毛的燃燒，焚燒塑料、垃圾或抽煙等過程；另外，在非燃燒的條件下也可能產(chǎn)生二噁英，如在布料或紙張的漂白過程中使用一些會(huì)發(fā)生反應(yīng)的添加劑等；在金屬的冶煉過程中也容易產(chǎn)生二噁英.

2.3 減少二噁英生成及去除二噁英的方法

降低二噁英排放的手段主要是在垃圾焚燒后的處理過程中對產(chǎn)生的二噁英進(jìn)行處理.根據(jù)二噁英的性質(zhì)可知，在高溫環(huán)境下二噁英能夠分解.因此，使用達(dá)到一定溫度的水泥窯并配置煙氣處理裝置是能夠有效地減少二噁英的產(chǎn)生.

2.3.1 入爐前的措施

城市垃圾在入爐焚燒前要經(jīng)過預(yù)處理，如進(jìn)行垃圾分類、預(yù)熱分解等措施，以實(shí)現(xiàn)垃圾在水泥窯內(nèi)能在特定溫度（約980 ℃）充分地進(jìn)行燃燒.這樣可以使垃圾中含有的可以催化產(chǎn)生二噁英的一些金屬含量減少并且降低含氯物質(zhì)的入爐，有助于保護(hù)環(huán)境.

2.3.2 焚燒時(shí)的措施

垃圾焚燒過程中生成二噁英的主要原因有燃燒溫度不夠、缺氧燃燒、燃燒不充分等.因而，采用提高燃燒溫度（大于900 ℃），在高溫燃燒區(qū)引入充足的氧氣，以及使煙氣在高溫通道增加駐留時(shí)間（一般要在2 s以上）等措施，使物質(zhì)中含有的二噁英充分分解.由此可見，采用水泥窯高溫煅燒垃圾焚燒飛灰是控制其中二噁英的一種很好的方法[10].

2.3.3 煙氣中的二噁英的減少和防治措施

采用布袋等高效除塵器和往煙氣中噴入一定量的氟可以有效防止二噁英在煙氣中生成.因?yàn)樵诨瘜W(xué)性質(zhì)上，氟與氯的結(jié)合性強(qiáng)，大于二噁英與氯的結(jié)合性.這種方法還避免了使用靜電除塵時(shí)一些有催化作用的金屬顆粒如Cu、Ni、Fe等參與催化生成二噁英.

3 城市垃圾底灰的性質(zhì)及其利用

3.1 底灰的物理化學(xué)性質(zhì)

垃圾焚燒產(chǎn)物的底灰是指焚燒后在爐底產(chǎn)生的灰渣和掉落灰等物質(zhì)，主要成分是熔融塊，還包括一些熔渣、灰渣和一些金屬及有機(jī)物燃燒的剩余殘?jiān)?底灰的吸水率、表觀密度和堆積密度分別為5.5%、3 273.11 kg·m-3和2 210 kg·m-3.底灰的細(xì)度模數(shù)為3.535，屬于粗砂，其中SiO2、CaO和Al2O3含量較高.

3.2 底灰的資源化利用——制燒結(jié)磚

由于城市垃圾焚燒底灰具有與天然骨料的物理化學(xué)性質(zhì)相似和重金屬浸出濃度較低兩個(gè)特點(diǎn)，所以可以用來制成燒結(jié)磚.當(dāng)所用原材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為膨潤土摻量57%、底灰（粒徑小于0.15 mm）摻量40%、玻璃粉3%時(shí)，所制成的燒結(jié)磚抗折強(qiáng)度較高，約為11 MPa.燒結(jié)磚能在建筑等行業(yè)中再利用，實(shí)現(xiàn)了資源化利用.

4 結(jié) 論

垃圾焚燒技術(shù)憑借著“減量化”的特點(diǎn)突出，已經(jīng)成為了很多城市垃圾處理的重要途徑之一，而焚燒時(shí)所產(chǎn)生的對環(huán)境構(gòu)成威脅的產(chǎn)物是人們所關(guān)心的，也是垃圾焚燒技術(shù)需突破的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn).在垃圾焚燒過程中對飛灰進(jìn)行預(yù)處理及完全燃燒以減少飛灰中的有害物質(zhì)，對于產(chǎn)生的飛灰進(jìn)行燒結(jié)處理和資源化利用都是處理焚化物質(zhì)的有效方法{11}.應(yīng)更加規(guī)范垃圾焚燒處理各環(huán)節(jié)的進(jìn)程，著力于“無害化”處理，以保護(hù)生態(tài)環(huán)境和人們的身體健康.

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