垃圾焚燒飛灰處理技術(shù)研究

孫晶晶

（廈門市政環(huán)能股份有限公司，福建 廈門 361000）

0 前言

飛灰主要的物理特性是灰白色的顆粒狀，表面積和孔隙率都比較大，主要的形狀特點(diǎn)是棒狀和角質(zhì)狀。它的化學(xué)成分主要包含鋁、鈣、硅等，在焚燒過程中重金屬會(huì)在飛灰中富集，如處理不當(dāng)將會(huì)造成環(huán)境污染[1]。此外，飛灰的腐蝕性能因?yàn)樵跓煔饷撍峁に囍挟a(chǎn)生消石灰而變強(qiáng)。另外，飛灰中存在部分重金屬和有機(jī)化合物，具有非常高的浸出毒性，加大了處置飛灰所產(chǎn)生污染物的難度，如果不經(jīng)過處理就排放到環(huán)境中，就非常容易對大氣和水體等造成二次污染，因此充分處理焚燒垃圾時(shí)所產(chǎn)生的飛灰尤為重要。

1 飛灰的產(chǎn)生和污染特性

1.1 飛灰的產(chǎn)生

飛灰是把垃圾焚燒后通過熱回收利用和煙氣凈化系統(tǒng)所收集到的物質(zhì)[2]。焚燒垃圾所產(chǎn)生飛灰量的多少同垃圾的類型、焚燒設(shè)備和處理工藝相關(guān)，通常是焚燒垃圾總量的3%～5%（垃圾分類好的城市飛灰產(chǎn)生量為2%～3%）。其主要物質(zhì)及重金屬含量分別見表1、表2。

表1 垃圾焚燒飛灰主要成分

表2 垃圾焚燒飛灰中重金屬含量 （單位：ppm）

1.2 飛灰的污染特性

焚燒垃圾產(chǎn)生的飛灰中包含有毒有害物質(zhì)，它們的主要污染特性如下。

（1）重金屬：生活垃圾的成分非常復(fù)雜，在各種成分里包含部分重金屬，其中飛灰重金屬污染的主要元素是鉛、鎘和鋅等。如果環(huán)境不利飛灰浸出時(shí)，其毒性會(huì)明顯提升并導(dǎo)致污染。目前，生活垃圾中的電池、電器、半導(dǎo)體、鍍金材料和顏料等是造成垃圾焚燒過程中產(chǎn)生重金屬的主要來源[3]，隨著垃圾分類的逐步完善，垃圾焚燒所產(chǎn)生的重金屬將逐漸減少。

（2）二噁英：焚燒垃圾時(shí)會(huì)產(chǎn)生少量的二噁英等劇毒有機(jī)污染物。二噁英屬于一類劇毒物質(zhì)，大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，低濃度的二噁英（PCDD）就會(huì)對動(dòng)物產(chǎn)生致死效應(yīng)。從職業(yè)暴露和工業(yè)事故受害者身上得到的一些二噁英對人體的毒性數(shù)據(jù)及臨床表現(xiàn)來看，人們暴露在含有PCDD的環(huán)境中，可引起皮膚痤瘡、頭痛、失聰、憂郁、失眠等癥，并可能導(dǎo)致染色體損傷、心力衰竭、癌癥等癥狀。人們越來越重視二噁英造成的危害。

（3）溶解鹽：飛灰包含質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%的溶解鹽，主要是鈉、鉀和鈣的氯化物，如果處理不當(dāng)既會(huì)造成地下水和附近區(qū)域的污染，同時(shí)大量的氯會(huì)導(dǎo)致其他污染物的溶解度增加并有可能影響到飛灰的固化和穩(wěn)定化處理效果。

2 飛灰處理技術(shù)

2.1 化學(xué)藥劑穩(wěn)定法

化學(xué)藥劑穩(wěn)定法是指通過水將飛灰和一些化學(xué)藥劑進(jìn)行混合處理，把飛灰里含有的重金屬轉(zhuǎn)化為溶解性較低和低毒性的物質(zhì)?；瘜W(xué)藥劑通過降低飛灰中的重金屬總量和限制重金屬的溶出減少重金屬的浸出量，其主要通過將飛灰中的一些重金屬溶解出來，減少飛灰中的重金屬含量。另外，重金屬和化學(xué)藥劑會(huì)產(chǎn)生不溶的化合物，可以避免其在其他環(huán)境條件下溶解。使用無機(jī)藥劑可以讓飛灰的表面產(chǎn)生新的物質(zhì)，這種物質(zhì)具有限制飛灰內(nèi)部的重金屬溶出的效果，但是這種物質(zhì)在pH值較低的環(huán)境中會(huì)被破壞，導(dǎo)致飛灰的重金屬重新溶解。這時(shí)，利用硫脲等把可溶重金屬物質(zhì)轉(zhuǎn)化為不可溶物質(zhì)，能夠確保重金屬不會(huì)溶出。經(jīng)過化學(xué)藥劑處理過的重金屬浸出量都可以滿足浸出的要求，但在特殊情況下飛灰的處理也會(huì)出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象。因此，國內(nèi)在使用化學(xué)藥劑處理飛灰時(shí)，基本都會(huì)加入一定比例的水泥對穩(wěn)定化的飛灰進(jìn)行進(jìn)一步固化，增強(qiáng)藥劑固化體的強(qiáng)度，進(jìn)一步降低極端條件下重金屬浸出的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 高溫處理

飛灰的高溫處理就是對飛灰進(jìn)行玻璃化或玻璃陶瓷化處理，在高溫條件下將飛灰進(jìn)行熔融固化，有效分解飛灰中的有毒有機(jī)化合物[4]。在高溫下重金屬會(huì)被禁錮在二氧化硅網(wǎng)狀晶格里，使其狀態(tài)穩(wěn)定，同時(shí)飛灰的體積和重量經(jīng)高溫處理后會(huì)減少。研究人員發(fā)現(xiàn)，在不同的升溫速率和顆粒直徑下的熔融效果是有很大差距的，在較高的升溫速率環(huán)境中，較大的顆粒直徑具有較好的生成力學(xué)性能。相關(guān)研究者還發(fā)現(xiàn)，很多金屬都具有較強(qiáng)蒸發(fā)率，并且二氧化硅網(wǎng)狀晶格對重金屬有很大的禁錮作用。

目前，高溫處理的方式主要有回轉(zhuǎn)窯處理資源化工藝（如天津市固廢處置中心項(xiàng)目）、等離子體資源化工藝（如海安市等離子體示范工程項(xiàng)目）等。

2.3 飛灰水洗+水泥窯協(xié)同處理

在國家政策的支持下，水泥窯協(xié)同處理飛灰近幾年發(fā)展勢頭良好。水泥窯協(xié)同處理飛灰主要利用垃圾焚燒飛灰取代部分水泥原料，作為原料投加到水泥生產(chǎn)工藝中，從而達(dá)到節(jié)約成本、治理廢物的雙重目的。因?yàn)轱w灰中含有大量的氯離子，對水泥灰漿后期的硬度發(fā)展有著很大的抑制作用，并且飛灰中的鹽分及重金屬會(huì)對水泥品質(zhì)造成不良影響，所以飛灰在進(jìn)入水泥窯前需要進(jìn)行水洗，盡可能除掉飛灰中存在的氯離子、可溶性鹽及重金屬類。

飛灰水洗工藝可簡要分為“洗、提、蒸”三步法?！跋础敝笇w灰加水制漿后進(jìn)行多級逆流漂洗脫氯除鹽，水洗后的濕灰經(jīng)壓濾脫水進(jìn)入水泥窯協(xié)同處置；“提”是對濾液進(jìn)行多級加藥處理、精制提純，去除鈣、鎂離子、重金屬等雜質(zhì)；“蒸”是將提純后的濾液通過MVR系統(tǒng)蒸發(fā)結(jié)晶，制得氯化鉀、氯化鈉等工業(yè)鹽。

飛灰水洗+水泥窯協(xié)同處理技術(shù)近幾年在某些城市相繼使用，比如浙江建德、浙江桐廬、浙江寧波、江西弋陽、安徽蕪湖、福建大田等。

2.4 飛灰處理技術(shù)對比分析

幾種飛灰處理技術(shù)的比較見表3。

表3 飛灰處理技術(shù)的比較

3 資源化利用方向

近年來，飛灰的處理方向正在由無害化轉(zhuǎn)向資源化，因是有毒有害物質(zhì)，對飛灰進(jìn)行資源化利用時(shí)要綜合考慮3點(diǎn)要素：①適合性，要考慮飛灰的物理化性質(zhì)對特定加工過程的影響和適用性；②使用性能，唯有技術(shù)經(jīng)濟(jì)最佳的工藝技術(shù)才會(huì)被大范圍接受；③對周遭環(huán)境的影響，如果其毒性是無法處理的，要進(jìn)行危險(xiǎn)性評估，防止在進(jìn)行資源化利用時(shí)產(chǎn)生二次污染[5]。目前，飛灰的資源化利用主要有以下幾個(gè)方向。

根據(jù)國家對醫(yī)學(xué)本科院校教學(xué)和實(shí)習(xí)要求，以及西南醫(yī)科大學(xué)臨床教學(xué)基地的規(guī)定，結(jié)合本科室的實(shí)際情況，制定脊柱外科臨床醫(yī)學(xué)本科學(xué)生實(shí)習(xí)階段培訓(xùn)內(nèi)容（本科室常見疾病臨床特點(diǎn)、查體內(nèi)容、常規(guī)治療方案、可能并發(fā)癥、臨床可能的預(yù)后情況等）；培訓(xùn)方法（帶教具體步驟及實(shí)施方案）和培訓(xùn)目標(biāo)（學(xué)生掌握本科室常見病的臨床特點(diǎn)、查體方法、治療方案、可能并發(fā)癥、臨床可能的預(yù)后情況，了解少見疾病臨床特點(diǎn)、治療措施等）。

3.1 飛灰制造混凝土

飛灰也可用于生產(chǎn)混凝土。有學(xué)者對飛灰單獨(dú)進(jìn)行了具體試驗(yàn)，并混合礦渣和稻殼灰等，對各種配料比、混凝土的力學(xué)和重金屬浸出及耐久性能進(jìn)行測試。通過試驗(yàn)得知，只加入飛灰的混凝土具有良好的性能，而且浸出值也滿足要求，可以當(dāng)作普通混凝土的材料來使用。通過添加飛灰合成的高強(qiáng)混凝土體積穩(wěn)定性和沒添加的基本一樣，重金屬浸出濃度也符合要求，并且不會(huì)對施工的安全使用造成不良影響。

3.2 飛灰燒結(jié)成陶粒

把飛灰和廢玻璃作為主要的原料利用燒結(jié)技術(shù)制作成玻璃陶粒，實(shí)現(xiàn)飛灰同廢玻璃的資源化利用和無害化處理。有學(xué)者開展了用污泥和飛灰一起燃燒制作陶粒的研究，通過試驗(yàn)得知，這兩者內(nèi)的多種重金屬都被陶粒有效固化，浸出濃度符合GB/T 5085.3—2007的要求。此外，部分學(xué)者正在開展飛灰與廚余垃圾厭氧發(fā)酵沼渣混合熱解后制陶的可能性，這些研究都為城市垃圾資源化利用提供了新途徑。

3.3 土壤改良劑

飛灰呈堿性，具有較大的酸緩沖容量，能夠代替土壤中的石灰，達(dá)到調(diào)節(jié)土壤酸堿度的目的。但將飛灰作為土壤改良劑使用時(shí)，要對加入量進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免造成土壤污染。

3.4 飛灰制除磷材料

飛灰顆粒大小不均，表面粗糙，具有較大的比表面積和較高的孔隙率，還含有一定量的鈣、鋁、鐵鹽，其可溶性重金屬鹽也可以為磷酸根的沉淀提供陽離子，非常適合用作除磷吸附劑[6]。但是，粉末飛灰在運(yùn)輸過程中可能會(huì)造成粉塵污染且吸附完成后難以從污水中收集，因此這限制了飛灰作為吸附劑的實(shí)際應(yīng)用[7]。目前，有學(xué)者提出了飛灰重金屬螯合固定與制備可漂浮輕質(zhì)顆粒吸附材料的耦合技術(shù)，有望破解飛灰作為吸附劑應(yīng)用的難題。

4 未來發(fā)展趨勢分析

通過表3分析，我們可以對焚燒飛灰處理技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢有一個(gè)比較清晰的認(rèn)識(shí)。

（1）目前我國飛灰最主要的處理方式是固化/穩(wěn)定化-填埋處理技術(shù)，但是采用這種處理技術(shù)時(shí)需要占用非常多的土地資源，而且仍然含有二噁英和重金屬，會(huì)造成潛在的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。將來相關(guān)處理標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)得到逐漸完善和提升，這種處理技術(shù)可以在土地資源比較寬裕且飛灰產(chǎn)生量較少的中小型城市中應(yīng)用。

（2）高溫?zé)Y(jié)制備陶粒處理技術(shù)可以把飛灰中的二噁英降解掉95%以上，經(jīng)過燒結(jié)后所得的物質(zhì)是輕質(zhì)致密固體，其可以當(dāng)作陶粒使用，但是這種處理工藝比較難，燒結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的廢氣不好處理，會(huì)產(chǎn)生比較多的二次飛灰，還存在較多的技術(shù)難題需要研究攻關(guān)。

（3）采用等離子體熔融處理技術(shù)能夠把飛灰中的二噁英和其他有機(jī)污染物完全分解，最后產(chǎn)生可以直接做建材化利用且無毒無害的玻璃體渣，但是這種處理技術(shù)的投資成本比較高（約1萬元/t）、處置成本高（約2 400元/t）、技術(shù)開展難度也比較大，另外還會(huì)產(chǎn)生二次飛灰和廢氣處理等問題，所以現(xiàn)在僅僅是小規(guī)模應(yīng)用，要得到大范圍的應(yīng)用還需要較長的時(shí)間。

（4）水泥窯協(xié)同處理技術(shù)是通過水泥窯對飛灰進(jìn)行處理，該技術(shù)不僅可以達(dá)到飛灰的無害化處理目的，還實(shí)現(xiàn)了飛灰的資源化利用，在解決垃圾處理問題的同時(shí)，也推動(dòng)了水泥行業(yè)向綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展，社會(huì)效益和環(huán)境效益顯著。水泥窯協(xié)同處理飛灰技術(shù)成熟，具有完善的體系標(biāo)準(zhǔn)，是大中型城市水泥廠的首選處理技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景[8]。

5 結(jié)語

隨著生活垃圾量逐年增加，垃圾焚燒項(xiàng)目“三廢”處理日益受到關(guān)注，特別是飛灰中十分復(fù)雜的組分和有毒有害物質(zhì)，更是受到社會(huì)各界重點(diǎn)關(guān)注。因此對飛灰進(jìn)行無害化處置，做好減量化控制具有重要意義。雖然目前對傳統(tǒng)的飛灰處理技術(shù)研究比較多，但是仍難以解決存在各種問題，因此對飛灰處理的研究要堅(jiān)持不懈。各地在做好垃圾分類、控制源頭減量的同時(shí)，還要結(jié)合土地資源、財(cái)政能力、產(chǎn)業(yè)布局等情況積極研究適合當(dāng)?shù)氐娘w灰處理方式，讓飛灰得到合理處置，生態(tài)環(huán)境得到優(yōu)化。