村鎮(zhèn)小型生活垃圾熱處理爐底渣的理化特性*

胡婷婷 胡雨燕 吳樹桐 錢柯貞 陳德珍

(同濟大學機械與能源工程學院，熱能與環(huán)境工程研究所，上海 201800)

村鎮(zhèn)生活垃圾通常指在日常生活或為日常生活提供服務的活動中產(chǎn)生的固體廢物[1]。村鎮(zhèn)兩級居住社區(qū)人均生活垃圾產(chǎn)生量分別為0.5～1.0、0.4～0.9 kg/d[2]。根據(jù)第七次人口普查結果，我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政區(qū)人口總數(shù)為5.09億，以人均垃圾產(chǎn)生量為0.75 kg/d計算，生活垃圾年產(chǎn)量為1.39億t，村鎮(zhèn)生活垃圾的治理是改善農(nóng)村地區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要組成部分[3]，隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和美麗鄉(xiāng)村建設的實施，村鎮(zhèn)生活垃圾處理面臨挑戰(zhàn)，也引發(fā)社會關注。

我國目前有38 498個鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政區(qū)，人口數(shù)量多且經(jīng)濟發(fā)展水平各異。經(jīng)濟發(fā)達且交通便利的村鎮(zhèn)一般采用“村收集，鎮(zhèn)轉運，縣處理”的全集中形式處理生活垃圾，部分村鎮(zhèn)采用“鎮(zhèn)縣集中”“鎮(zhèn)縣分別集中”“村鎮(zhèn)縣協(xié)同”的生活垃圾混合處理模式[4]。但是，我國國土面積69%為山區(qū)丘陵，山區(qū)農(nóng)村人口居住分散、道路交通不便，集中式治理模式的垃圾運輸成本高，難以持續(xù)良性運轉[5]3839。交通運輸不便的欠發(fā)達地區(qū)(丘陵、山區(qū)等)，生活垃圾以隨意堆放或分散處理為主[6]。分散式小型生活垃圾熱處理設備，如焚燒爐、氣化焚燒爐和熱解爐等，具有垃圾減容減量化效果顯著，投資建設費用低，選址靈活，適用范圍廣等優(yōu)點，已在我國多地廣泛存在，尤其是農(nóng)村[7]。2020年《城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設施補短板強弱項實施方案》中明確指出“在生活垃圾日清運量不足300噸的地區(qū)探索開展小型生活垃圾焚燒設施試點”。該政策的出臺將促進小型分散式垃圾熱處理設備在更大范圍內推廣應用。

雖然分散式小型生活垃圾熱處理設備在很大程度上能夠解決村鎮(zhèn)的生活垃圾處理問題，但由于設備容量小，工況不易穩(wěn)定，運行維護缺乏規(guī)范，處理過程中產(chǎn)生的“三廢”排放是否能穩(wěn)定達到相關排放標準，缺乏大量數(shù)據(jù)的支撐。針對分散式小型生活垃圾熱處理設備底渣，雷鳴等[5]3840對我國廣西、云南、廣東的部分農(nóng)村地區(qū)處理規(guī)模在2～10 t/d的3種小型農(nóng)村生活垃圾熱處理爐6個底渣樣本中11種重金屬的浸出濃度進行分析，發(fā)現(xiàn)其均低于《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)限值，且易揮發(fā)的4種重金屬Hg、Pb、Cd、Se在底渣中的浸出濃度均值表現(xiàn)出以焚燒爐、氣化焚燒爐、氣化熱解爐的順序遞增的特征。黃超民[8]基于某氣化焚燒爐，分析了兩種典型生活垃圾組分(紙張和餐廚)焚燒后底渣的理化性質，發(fā)現(xiàn)底渣中含有一定量的水泥原料成分，如CaCO3、Al2O3、SiO2、MgO等，可作為水泥生產(chǎn)替代原料；其浸出毒性滿足《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB 16889—2008)限值，且生物毒性低。與已經(jīng)得到廣泛研究的城市生活垃圾焚燒底渣相比，關于村鎮(zhèn)小型生活垃圾熱處理設備底渣理化特性的研究尚不充分。

本研究針對不同地域村鎮(zhèn)實際使用的5種主流生活垃圾處理工藝，即氣化焚燒、氣碳互補對沖燃燒、小型焚燒、熱解和簡易焚燒，選取了7臺熱處理設備進行取樣，分析了10個底渣樣本的熱灼減率、物理組成、化學組成、晶相組成、重金屬含量和浸出特性，并討論了處理工藝、工作區(qū)域及季節(jié)對底渣理化特性的影響，為村鎮(zhèn)生活垃圾熱處理爐底渣的環(huán)境污染評價、處置和資源化利用提供數(shù)據(jù)基礎。

1 材料與方法

1.1 調查對象

本研究選擇了位于我國西南部及東部地區(qū)的5個村鎮(zhèn)作為采樣點，所選采樣點使用的小型垃圾熱處理爐包括氣化焚燒爐、氣碳互補對沖燃燒爐、小型焚燒爐、熱解爐和簡易焚燒爐共5種爐型。采樣點分布、熱處理設備、樣品的基本信息見表1。

如圖1所示，氣化焚燒爐指爐體分為雙燃燒室，在一燃室、二燃室中分別實現(xiàn)垃圾的熱解氣化和氣體燃燒的爐型[5]3837。氣碳互補對沖燃燒爐則是在氣化焚燒爐的基礎上，在一燃室中通過物理手段，利用爐排將干燥、碳化、熱解渣燃燒過程進行分層，使向下的熱解氣燃燒火焰與向上的熱解炭燃燒火焰對沖[9]。小型焚燒爐指配備有煙氣處理系統(tǒng)的小型生活垃圾焚燒設備，可對爐膛熱量進行煙氣干燥等基礎利用。簡易焚燒爐則僅具有爐膛及煙囪結構，垃圾由人工送入爐膛，經(jīng)燃燒后由爐排下的出渣口排渣，煙氣則直接由爐膛上方的煙囪排出。熱解爐則是在溫度相對較低的條件下讓垃圾緩慢熱解，熱解氣經(jīng)由排氣口收集或處理，焦油、水蒸氣及其他部分組分混合形成黏稠膠狀廢棄物經(jīng)由廢料口排出、收集及處理[10]。由表1可知氣化焚燒爐一燃室設計爐溫均為850 ℃；熱解爐一燃室爐溫為700 ℃左右，經(jīng)靜電除塵器處理后的煙氣進入二次熱解室，原理為電熱解，無二次風助燃。各爐型二燃室焚燒溫度均為850～1 100 ℃。

表1 樣品的來源及其工藝技術

圖1 熱處理工藝流程及測溫點位置

作為樣品的底渣均在輸送設備末端部位進行采集，混勻后進行物理組分的測定并以圓錐四分法進行縮分，儲存于密封容器帶回實驗室冷藏保存，具體采樣方法參考《生活垃圾焚燒灰渣取樣制樣與檢測》(CJ/T 531—2018)。

1.2 分析方法

分析指標包括: 熱灼減率、物理組成、化學組成、晶相組成、重金屬含量、浸出濃度等。

底渣的物理組成分析：采用人工分揀的方式，將樣品分類為玻璃、磚石、金屬、未燃盡物(包括熱解炭)以及混合類。首先使用 16目篩網(wǎng)(粒徑1.25 mm)對底渣樣品進行篩分，過16目篩網(wǎng)的部分歸類為混合類。其余部分再經(jīng)過人工篩選分類、稱重和計算比例。

分析物理組成后的樣品去除金屬、玻璃和磚石，按比例配置檢測樣，使用球磨機對檢測樣進行破碎，過100目篩網(wǎng)(粒徑140 μm)，稱重后密封備用。

熱灼減率依據(jù)CJ/T 531—2018進行檢測；元素組成采用X射線熒光光譜(XRF，BRURER AXS SRS 3400)分析；礦物成分使用 X 射線衍射(XRD，BRUKER AXS D8-advance)，采用Cu-Kα輻射在 40 kV 的電壓和 40 mA的電流下測量，以2°/min的掃描速率在10°～70°的 2θ范圍掃描記錄。表面形貌特征使用肖特基場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，F(xiàn)EI Nova Nano SEM 450)來分析。重金屬含量按照《土壤和沉積物 金屬元素總量的消解 微波消解法》(HJ/T 832—2017)，將固體樣品中的重金屬轉移到溶液中后檢測得到；重金屬浸出毒性采用《固體廢物 浸出毒性浸出方法 硝酸硫酸法》(HJ/T 299—2007)分析；底渣的消解液和浸出液中的重金屬(As、Cd、Cr、Mn、Pb、Zn、Cu、Ni)濃度通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-72OES，Optima 2100DV)檢測。

2 結果與分析

2.1 物理組成及熱灼減率

表2為底渣的物理組成及熱灼減率。底渣中58%以上是人工挑揀困難的混合類成分，占比最高可達到87.24%。不同工藝下的村鎮(zhèn)生活垃圾熱處理后的底渣物理組成存在差異，樣品1、2、3所使用的是同一爐型的氣化焚燒爐，樣品2含有17.77%的未燃盡物，目測多是骨渣，可能是因為該樣品采樣點鄉(xiāng)鎮(zhèn)以旅游行業(yè)為主，產(chǎn)生的垃圾主要是廚余垃圾[11]，廚余垃圾中動物骨頭焚燒未完全。該爐型采用旋轉爐排，可實現(xiàn)底渣的破碎和自動出渣，底渣中混合類占比介于65%～69%。樣品3、4來自位于同一鄉(xiāng)鎮(zhèn)垃圾填埋場的不同熱處理設備。盡管熱處理工藝有所不同但底渣組分基本相似：主要為混合類(66%左右)、未燃盡物質(15%左右)、磚石(10%左右)。樣品4由于來自熱解工藝，底渣的未燃盡物中發(fā)現(xiàn)部分熱解炭，只是產(chǎn)量較少(7.45%)，混合類和未燃盡物表面也會附著細碎的垃圾炭，整體呈黑褐色，有明顯的刺鼻性氣味。ADILI等[12]研究發(fā)現(xiàn)，垃圾中可燃成分受熱超過250 ℃后，基本沒有力學強度，在外力作用下極易粉碎，本研究涉及的熱解處理設備采用固定爐排，人工出渣，因此，該設備產(chǎn)生的底渣中也是以混合類為主，占比達到67.77%。

表2 底渣的物理組成及熱灼減率1)

安徽冬季底渣樣品8、10組成差距不大，不可燃物(玻璃+金屬+磚石)占比約30%，夏季樣品9未燃盡物是冬季的兩倍左右，說明季節(jié)對村鎮(zhèn)生活垃圾組成有一定影響，夏季是垃圾產(chǎn)生的高峰期且有機垃圾含量高于冬季[13]，造成底渣物理組成有一定差異。該爐型采用類似城市生活垃圾焚燒爐的往復爐排，但由于該工藝對入爐垃圾進行了破碎預處理，因此底渣中混合類組分也超過58%。

樣品5來自路邊小型焚燒爐，垃圾主要來源于路邊，如清掃灰塵、塑料袋、落葉枯枝等，入爐前垃圾經(jīng)過簡單分揀，剔除了建筑垃圾、碎金屬等不可燃垃圾，故焚燒后混合類占比達到86.42%。樣品6來自路邊露天搭建的簡易焚燒爐，入爐垃圾為秸稈、玉米殼等農(nóng)村產(chǎn)業(yè)垃圾和部分生活垃圾，未發(fā)現(xiàn)大量磚石、陶瓷等垃圾，該樣品中混合類占比超過80%，與石炎等[14]的研究結果(生物質焚燒底渣以細小顆粒為主，在0.25～0.90 mm粒徑范圍內分布最多，粒徑小于2 mm的顆粒質量分數(shù)達80.51%)接近。熱灼減率方面，10個樣品中僅4個樣品滿足《生活垃圾焚燒污染控制標準》(GB 18485—2014)限值(≤5%)。熱解爐(樣品4)和小型焚燒爐(樣品5)、簡易焚燒爐(樣品6)底渣的熱灼減率分別為37.18%、19.72%和18.81%，超標嚴重。3個氣化焚燒爐底渣樣品(樣品1、2、3)有兩個超標，但數(shù)值差距不大；對于氣碳互補對沖燃燒爐(樣品7～10)，除樣品7外，其余3個樣品滿足標準，最小值為3.27%。熱灼減率數(shù)據(jù)表明，熱處理工藝對底渣的燃盡程度有顯著的影響。

2.2 化學組成

村鎮(zhèn)小型生活垃圾熱處理爐底渣的化學組成見圖2，將其整理后與參考文獻[15]至[20]中整理得到的城市生活垃圾焚燒底渣化學組成進行對比，結果見表3。從表3可看出，城市生活垃圾焚燒底渣的主要化學成分為CaO(11.12%～39.87%)、SiO2(13.73%～61.95%)、Al2O3(6.36%～24.93%)和Fe2O3(2.73%～14.17%)，還有少量的MgO、K2O和 Na2O等，含有大量的活性礦物，屬于CaO-SiO2-A12O3-Fe2O3系統(tǒng)。村鎮(zhèn)生活垃圾熱處理后所產(chǎn)生的底渣化學組成占比基本處于城市生活垃圾焚燒底渣化學組成占比范圍內，ZnO、Cl、P2O5和K2O占比則明顯超出城市生活垃圾焚燒底渣占比范圍，磷、鉀含量高是因為相比于我國城市生活垃圾中3.14%的竹木類含量[21]，村鎮(zhèn)生活垃圾中竹木類生物質含量較高，達到13.42%[22]，而磷和鉀是生物質的主要營養(yǎng)元素，其灰渣中通常含有較多的磷和鉀[23]，從而導致村鎮(zhèn)生活垃圾熱處理爐底渣中P2O5和K2O含量較高。樣品1、2、3來自同一熱處理工藝、不同地域運行的設備，其化學組成中CaO和 SiO2總占比在60%左右，設備所處地域對底渣化學組成影響不大。同一地域采樣的樣品3、4，分別來自氣化焚燒和熱解工藝，盡管熱處理工藝存在差異，但是底渣化學組成分布規(guī)律大抵相似，CaO占比接近40%，其次SiO2(約26%)，F(xiàn)e2O3不到10%。熱解爐底渣的Al2O3、Cl和K2O占比略高于氣化焚燒爐底渣。來自安徽同一設備不同季節(jié)的4個底渣樣品(樣品7～10)中，CaO+SiO2+Fe2O3+Al2O3總占比約為73%，季節(jié)性差異不大。本研究底渣樣品中Cl占比為2.95%～5.55%，略高于城市生活垃圾焚燒底渣(0.42%～3.25%)[24-26]，可能是因為所涉設備渣斗均為干式密封，而城市垃圾焚燒爐大多為濕式密封，底渣中的可溶氯多被密封水洗滌除去?？傮w而言，村鎮(zhèn)小型生活垃圾熱處理爐底渣的化學組成受地域、熱處理工藝和季節(jié)的影響不大。

注：化學組成的占比為質量分數(shù)，表3同。

表3 村鎮(zhèn)小型生活垃圾熱處理爐底渣與城市生活垃圾焚燒底渣的化學組成

2.3 晶相組成

一般城市生活垃圾焚燒底渣中存在的主要晶相有：硅酸鹽(鈣黃長石、斜灰石、透輝石)、碳酸鹽(方解石)、氧化物(石英、赤鐵礦等)以及一些其他鹽類(氯化物和硫酸鹽)等[27-28]。本研究中底渣樣品的XRD分析結果見圖3。底渣中的最主要成分為石英和方解石，氯化物主要以石鹽和鉀石鹽形式存在?？傮w來說，熱處理工藝、季節(jié)、地理區(qū)域對村鎮(zhèn)小型生活垃圾熱處理爐底渣的晶相組成影響不大，且與城市生活垃圾焚燒底渣成分相似。

A—石英；B—方解石；C—鎂氧；D—硅化鋇；E—赤鐵礦； F—鋁酸三鈣；G—蒙脫石；H—石鹽；I—鉀石鹽；J—鈣鋁黃長石

2.4 重金屬特性

2.4.1 重金屬含量

10個樣品重金屬質量濃度見表4。由表4可知，10個樣品中重金屬含量平均值表現(xiàn)為：Zn>Cu>Mn>Cr>Ni>Pb>As>Cd。生活垃圾熱處理過程中重金屬的含量和遷移特性不僅僅與其物理揮發(fā)特性相關，氧化還原氣氛、運行溫度、氯化物、硫和其他礦物質的金屬存在形態(tài)、爐型、氣體速度引起的顆粒的機械夾帶等因素都會影響殘渣和飛灰中的重金屬含量分配[29]。ZHANG等[30]研究城市生活垃圾焚燒飛灰和底渣中的重金屬分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，80%以上的As、Cr、Cu和Ni，74%～94%的Zn和46%～79%的Pb都保留在底渣中。本研究中也發(fā)現(xiàn)Cu、Zn、Cr、Mn、Pb等難揮發(fā)的重金屬在底渣中的含量相對較高，而Cd、As等易揮發(fā)的重金屬含量相對較低。與城市生活垃圾焚燒底渣相比[31-37]，除了Pb和Zn之外，本研究的底渣樣品其余重金屬含量普遍較高，重金屬污染風險高。對于同種爐型的底渣，貴州的樣品(樣品1)中Mn(2 072.91 mg/kg)均明顯高于云南的樣品(樣品2、3)，這可能是因為樣品1取樣地區(qū)土壤Mn含量高。蔣宗宏等[38]發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)存在典型的“大塘坡式”錳礦區(qū)，礦區(qū)土壤Mn平均含量是該省土壤背景值的2.56倍。除As外，樣品2、3中重金屬含量比較接近，樣品3中的As高達393.06 mg/kg，可能因為該地區(qū)巖石中As含量高[39]，巖石風化產(chǎn)生的渣土進入生活垃圾。

對比來自相同地點不同熱處理工藝(氣化焚燒工藝和熱解工藝)的樣品3、4，發(fā)現(xiàn)不同熱處理工藝對底渣中重金屬含量有明顯影響，樣品3、4存在明顯差異。兩種處理工藝總體上爐內氣氛不同，氣化焚燒工藝(樣品3)爐內氧氣含量高于熱解工藝(樣品4)，樣品3中Cu、Mn、Pb、Zn含量明顯大于樣品4，而Cr(989.65 mg/kg)卻低于樣品4(1 328.49 mg/kg)，這與YU等[40]發(fā)現(xiàn)的結果(還原性氣氛下會促進垃圾中Cr、Cu、Pb及Zn的揮發(fā)，抑制Ni和Cd的揮發(fā))略有不符。這是由于熱解爐的實際運行溫度相對低，重金屬Cr形成的絡合物沒能得到進一步分解，Cr被固定住，從而增加了Cr在底渣中的殘留量[41]。

對比不同季節(jié)的安徽樣品(樣品7～10)，夏季樣品9中Zn、Pb、Mn、Cu明顯高于其他季節(jié)。除了Cu以外，2019年冬季(樣品8)和2020年冬季(樣品10)底渣重金屬含量總體差距不大。

樣品5中As、Cd、Cr分別為676.28、193.73、2 969.58 mg/kg，含量異常高，可能是因為隨著取樣點附近游客數(shù)量增長，旅游活動產(chǎn)生的塑料袋、玻璃、布料、泡沫、石棉瓦等固體垃圾急劇增加，入爐垃圾中重金屬含量高。

與GB 15618—2018中pH 為5.5～6.5 下的標準限值(見表4)相比較，底渣中除了少數(shù)樣品中As、Ni、Pb含量低于標準限值外，其余重金屬含量均遠高于標準，甚至部分樣品中的Cr和Cd遠超標準中會引起農(nóng)產(chǎn)品質量安全的管制值(Cr：850 mg/kg，Cd：2.0 mg/kg)，說明這些底渣如果進入到農(nóng)業(yè)土壤中會引起重金屬污染問題，因此應避免將其直接暴露于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

2.4.2 重金屬浸出特性

表5為底渣的重金屬浸出質量濃度。采用硫酸/硝酸浸提時，半數(shù)以上樣品可檢測到Cr、Zn、Mn和Pb，但浸出濃度都低于標準限值；樣品8檢測到微量的Cu浸出，其余樣品沒有測到，說明Cu在底渣中很穩(wěn)定；樣品5的As浸出濃度最高，這與其As含量最高(見表4)有關。對比樣品3、4，它們采樣的地點相同，但工藝有差異。盡管樣品4中As含量不到樣品3的1/3，但樣品4檢測到As浸出，樣品3卻沒有。有可能因為樣品4來自熱解工藝，熱解為還原性氣氛，該氣氛下形成As(Ⅲ)的化合物，它比氧化氣氛下形成的As(Ⅴ)化合物更容易溶出[42]。對于Cd，樣品4、5均有檢測出，由于樣品5的Cd含量高，其浸出濃度也高于樣品4；其余樣品未檢測到As和Cd?？傮w而言，本研究中底渣的重金屬浸出濃度低于GB 5085.3—2007限值，屬于一般固體廢棄物。這與其他學者對村鎮(zhèn)級別的生活垃圾熱處理爐底渣的重金屬浸出毒性的研究結論一致。雷鳴[43]對農(nóng)村氣化焚燒、焚燒、氣化爐3種爐型的底渣的重金屬形態(tài)分布進行研究，發(fā)現(xiàn)底渣重金屬主要以穩(wěn)定性好的殘渣態(tài)存在，而易溶性的弱酸提取態(tài)占比最少，不易浸出。桂莉[44]對農(nóng)村生活垃圾熱解爐底渣的重金屬特性進行研究也得出底渣浸出毒性低的結論。底渣重金屬穩(wěn)定性受處理工藝影響較大，氣化焚燒和氣碳對沖燃燒工藝產(chǎn)生的底渣重金屬穩(wěn)定性優(yōu)于其余3種。

表4 底渣的重金屬質量濃度

表5 底渣的重金屬浸出質量濃度1)

3 結 論

(1) 本研究中村鎮(zhèn)小型生活垃圾熱處理爐底渣樣品的物理組成以小于等于1.25 mm的顆粒(混合類)為主；10個樣品中，僅4個樣品熱灼減率達標，垃圾處理工藝的減量化水平不夠高。

(2) 所涉底渣樣品的化學組成以CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3為主，晶相組成包括石英、方解石、赤鐵礦、鈣鋁黃長石、石鹽和鉀石鹽等礦物；除少數(shù)樣品中As、Ni、Pb含量低于GB 15618—2018標準限值外，其余重金屬含量均遠高于該標準，但所有樣品的重金屬浸出毒性均低于GB 5085.3—2007標準限值。

(3) 地域、熱處理工藝和季節(jié)對底渣的物理組成、熱灼減率、重金屬含量和浸出毒性影響較大，但對化學組成和晶相組成的影響不大。