簡(jiǎn)述垃圾焚燒飛灰處理技術(shù)

趙 潔，葉 紅，張曉佳，呂靈靈，葉闌珊，張新功

（青島惠城環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，山東 青島 266500）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的加快，生活垃圾產(chǎn)量急劇增加。預(yù)計(jì)到2020年底，我國(guó)垃圾總焚燒量達(dá)59.14萬t／d。因焚燒處理方式能夠最大程度的使生活垃圾減容化、減量化、資源化，所以，垃圾焚燒飛灰產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用，預(yù)計(jì)年產(chǎn)生飛灰量約為1000萬噸。可見，垃圾飛灰產(chǎn)量巨大。垃圾焚燒飛灰是垃圾焚燒廠煙氣凈化系統(tǒng)收集而得到的殘余物，一般包括除塵器飛灰和吸收塔飛灰，其中包括煙道灰、加入的化學(xué)試劑以及反應(yīng)產(chǎn)物等。

垃圾焚燒飛灰中含有大量的Hg、Pb和Cd等毒性重金屬以及大量的二噁英類物質(zhì)，是一種高比表面積物質(zhì)。自然界的微生物和水解作用難以自然分解消除二噁英，它的毒性相當(dāng)于砒霜的900倍，被稱為 “世紀(jì)之毒”。二噁英有致癌毒性、生殖毒性以及遺傳毒性，萬分之一克，甚至億分之一克的二噁英就會(huì)給生物造成難以修復(fù)的傷害甚至危害子孫后代的健康和生活?！秶?guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》明確規(guī)定，垃圾飛灰為危險(xiǎn)廢棄物。

1 垃圾焚燒飛灰處理技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 水泥固化／穩(wěn)定化-填埋

目前，水泥固化是全世界應(yīng)用最廣泛的危險(xiǎn)廢物固化技術(shù)，也是我國(guó)主要的飛灰處置方式之一。早在1991年Hamernik等［1］就研究了在混凝土中添加45%的垃圾飛灰，可達(dá)到與未加飛灰的混凝土相似的抗壓強(qiáng)度。但水泥中未經(jīng)預(yù)處理的垃圾飛灰中的有毒有害物質(zhì)依然存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。后國(guó)內(nèi)外提出穩(wěn)定化技術(shù)，其關(guān)鍵是穩(wěn)定化藥劑的加入。穩(wěn)定化藥劑主要分為無機(jī)類藥劑和有機(jī)類藥劑，其中高分子螯合劑的研發(fā)技術(shù)在日本已基本成熟。國(guó)內(nèi)目前主要開發(fā)重金屬螯合劑。陳善平等［2］研究將無機(jī)磷藥劑和有機(jī)硫藥劑相結(jié)合的方式來處理飛灰。與水泥固化技術(shù)相比，這種技術(shù)具有易于操作，穩(wěn)定化效果好，用量少，不增容，不增加飛灰質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，但是幾乎沒有哪種穩(wěn)定化藥劑可以普遍適用，而且隨著飛灰的大量增加，填埋場(chǎng)地壓力劇增，起不到減量化的作用，加之填埋場(chǎng)使用壽命有限，固化體的安全填埋處置費(fèi)用高。并且經(jīng)過處理的飛灰直接填埋后環(huán)境是否安全還沒有得到驗(yàn)證。之后，學(xué)者們［3-5］研究添加無機(jī)、有機(jī)等藥劑穩(wěn)定化與水泥固化技術(shù)相結(jié)合的方式來處理處置垃圾飛灰。從研究結(jié)果可以看出，經(jīng)過預(yù)處理后的飛灰，重金屬穩(wěn)定性增強(qiáng)，進(jìn)一步進(jìn)行水泥固化后環(huán)境安全可靠性更大。該技術(shù)工藝成熟、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，但由于在預(yù)處理過程成不僅可以去除飛灰中的重金屬等有害物質(zhì)，同時(shí)也將部分 SiO2、Al2O3、Fe2O3洗掉，膠凝活性下降，導(dǎo)致水泥材料的抗壓強(qiáng)度下降。

1.2 高溫熔融處理技術(shù)

高溫熔融處理技術(shù)是在高溫下將二噁英等物質(zhì)徹底分解，同時(shí)固化重金屬。主要分為燒結(jié)法和熔融法。目前，該處理技術(shù)已在日本等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展應(yīng)用。

1）燒結(jié)法。燒結(jié)法是采用溫度在1000～1100℃條件下，飛灰中的氣孔從晶體中排除，致使顆粒黏結(jié)，最終飛灰燒制成致密堅(jiān)硬的燒結(jié)體。1996年，Nowok J W.等［6］發(fā)表了關(guān)于燒結(jié)法處理飛灰并探究了影響燒結(jié)體質(zhì)量的影響因素。2001年，Mangialardi T等［7］對(duì)預(yù)處理后的飛灰將其放在1140℃高溫下煅燒形成燒結(jié)體的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了一系列的研究，結(jié)果表明，抗壓強(qiáng)度符合混凝土中抗壓強(qiáng)度的要求。隨后，李潤(rùn)東等［8］探究了燒結(jié)條件對(duì)焚燒飛灰燒結(jié)特性的影響。

2）熔融法。熔融法是在1400℃的專用燃燒爐下使飛灰熔融，冷卻后轉(zhuǎn)為熔渣，作為其他行業(yè)的原材料使用，最終達(dá)到飛灰的綜合利用。2000年，Sakai S［9］研究城市生活垃圾通過熔融法處理達(dá)到循環(huán)利用。李潤(rùn)東等［10］探究了垃圾焚燒飛灰熔融過程二噁英分解特性，研究表明，經(jīng)過該技術(shù)處理后，飛灰中的二噁英可有效分解，分解率大約在99%以上。Park YJ等［11］采用1500℃熔融，后玻璃固化，抗折能力強(qiáng)及產(chǎn)品強(qiáng)度達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。王學(xué)濤等［12］在自己建設(shè)的旋風(fēng)爐上利用熔融法處理飛灰，研究發(fā)現(xiàn)熔融后熔渣重金屬浸出率顯然低于美國(guó)EPA標(biāo)準(zhǔn)要求。高飛等［13］、趙鵬等［14］利用熱等離子體發(fā)生器裝置對(duì)飛灰進(jìn)行熔融處置的，結(jié)果表明，最終產(chǎn)物中重金屬固化效果非常好，并可進(jìn)行綜合利用。趙俊東等［15］在垃圾焚燒飛灰燒結(jié)處理新工藝及爐內(nèi)氣流特性中闡述了一種以煤為燃料的低溫?zé)Y(jié)處理工藝，并用數(shù)值模擬了爐內(nèi)冷態(tài)的氣流特性。高溫熔融處理技術(shù)減容率大、減量率高，產(chǎn)出的熔渣質(zhì)量穩(wěn)定，沒有重金屬溶出，可資源化利用，可以將二噁英及其它有機(jī)污染物等徹底分解，但在高溫熔融時(shí)會(huì)產(chǎn)生易揮發(fā)的重金屬?gòu)U氣，需要在煙氣排放處安裝處理裝置，其工藝復(fù)雜，能源消耗大、處理成本高。目前在國(guó)內(nèi)尚未大規(guī)模推廣。

1.3 水泥窯共處置技術(shù)

水泥窯協(xié)同處置技術(shù)由于具有創(chuàng)新性、技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)、治理效果好，基本達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用水平，因此該技術(shù)在2018年被收錄入 《國(guó)家先進(jìn)污染防治技術(shù)目錄 （固體廢棄物處理處置、環(huán)境噪聲與振動(dòng)控制領(lǐng)域）》。水泥窖共處置技術(shù)是指利用水泥窖中1600℃高溫以及封閉的環(huán)境，不僅將飛灰中的二噁英等有機(jī)物徹底分解，還可以防止易揮發(fā)的有害物質(zhì)，將重金屬固熔于水泥熟料中，不再滲出。實(shí)現(xiàn)飛灰無害化、減量化處置以及再生利用。2012年北京市一水泥廠實(shí)現(xiàn)了水泥窖協(xié)同處置技術(shù)的應(yīng)用，日處理百余噸飛灰，首次在北京實(shí)現(xiàn)了垃圾焚燒飛灰無害化、零填埋、減量化、資源化利用。經(jīng)技術(shù)成果鑒定，該技術(shù)中飛灰預(yù)處理水洗工藝中水經(jīng)過處理后回收循環(huán)利用，無污水排放，耗水量?jī)H為國(guó)際同類技術(shù)的1／20，處于國(guó)際領(lǐng)先［16-17］。該技術(shù)方法的優(yōu)點(diǎn)是預(yù)處理后的垃圾飛灰可作為水泥原料，操作簡(jiǎn)單，易于控制，污染廢物徹底被處理，實(shí)現(xiàn)資源化利用，缺點(diǎn)就是在作為水泥原料前，為避免重金屬揮發(fā)，須減少飛灰中可溶性鹽的含量，以確保水泥質(zhì)量。

1.4 生物／化學(xué)浸提法

生物／化學(xué)浸提法主要是利用微生物的降解和浸提來實(shí)現(xiàn)重金屬的轉(zhuǎn)化，借助各種氧化還原反應(yīng)可以提取出飛灰里面的重金屬。該技術(shù)反應(yīng)條件溫和，但成本高，重金屬含量低，回收比較困難。

1.5 水熱處理技術(shù)

水熱處理技術(shù)是指在一定的溫度、壓力的堿性條件下，飛灰中加入適量的硅源、鋁源，形成硅鋁酸鹽等礦物，通過離子交換、吸附、沉淀等物理、化學(xué)作用將重金屬固定于沸石中，從而實(shí)現(xiàn)飛灰的無害化處理。早在1997年，Ma等［18］利用飛灰在水熱條件下添加NaOH合成雪硅鈣石。之后，Bayuseno等［19］系統(tǒng)的研究了水熱條件下的各項(xiàng)工藝條件。國(guó)內(nèi)學(xué)者金劍［20］研究水熱法將垃圾焚燒飛灰中重金屬穩(wěn)定化處理同時(shí)去除廢水中重金屬，結(jié)果表明當(dāng)液固比為10／1、碳酸鈉投加量 （以20 g干灰質(zhì)量計(jì)）為4～5 g時(shí)處理效果最佳。馬曉軍［21］研究利用水熱處理飛灰合成沸石，具有非常高的利用價(jià)值。同濟(jì)大學(xué) Xie等［22］研究在水熱溫度為533K時(shí)，添加0.1% （與飛灰量之比）的碳酰肼，飛灰中的毒性最低。水熱處理技術(shù)在堿性條件下處理煤飛灰［23］已成功應(yīng)用，同樣該技術(shù)在處理垃圾焚燒飛灰方面可以取得很好的效果。水熱處理技術(shù)是一種新興技術(shù)，雖然反應(yīng)條件對(duì)設(shè)備有一定要求，但其無害化程度高，而且反應(yīng)產(chǎn)物可以再利用。因此，水熱處理飛灰經(jīng)濟(jì)又環(huán)保，在未來該方法應(yīng)該具有很大的應(yīng)用潛力。

除去以上介紹的幾種處理技術(shù)外，目前還有超臨界流體萃取技術(shù)，該技術(shù)雖能有效實(shí)現(xiàn)重金屬分離、提純，回收利用，但其對(duì)設(shè)備以及工藝技術(shù)要求過高，投資比較大，萃取釜無法連續(xù)操作，造成裝置空置率比較高等缺點(diǎn)。以上每種技術(shù)都各有利弊，隨著垃圾焚燒飛灰日益增長(zhǎng)、可利用土地面積日益稀少，飛灰以及經(jīng)過處理后的產(chǎn)物今后必定是向資源化再生的方向發(fā)展，而將來飛灰處理技術(shù)必然是向普遍適用性、穩(wěn)定性強(qiáng)、成本低和資源化再生的方向發(fā)展，因此，對(duì)于飛灰處理技術(shù)仍需要不斷完善。

2 結(jié)語

現(xiàn)階段，垃圾焚燒飛灰處理技術(shù)多種多樣，其中，固化／穩(wěn)定化處理技術(shù)較為成熟，水泥窯協(xié)同處置技術(shù)逐漸普及工業(yè)化，高溫熔融技術(shù)、水熱處理技術(shù)等的研究動(dòng)態(tài)不斷更新，但是每種技術(shù)各有利弊，想要實(shí)現(xiàn)垃圾焚燒飛灰的無害化、可循環(huán)化，實(shí)現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，還需進(jìn)一步研究與完善。未來，垃圾焚燒飛灰處理技術(shù)必定是向無害化、零填埋資源化技術(shù)方向發(fā)展。