生活垃圾焚燒飛灰基本特性及穩(wěn)定化研究*

梁 梅，黎小保，劉海威，李 貝，王彩萍，高玉萍

（1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司中冶垃圾焚燒發(fā)電工程技術(shù)中心，北京 100038；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

目前，生活垃圾焚燒廠應(yīng)用最廣泛的飛灰穩(wěn)定化技術(shù)主要有水泥固化和化學(xué)藥劑法，在選擇合適的穩(wěn)定化工藝時(shí)，要結(jié)合飛灰特性進(jìn)行研究，筆者以湖北某生活垃圾焚燒發(fā)電廠焚燒飛灰為研究對象，對飛灰特性及穩(wěn)定化性能進(jìn)行了分析，為飛灰穩(wěn)定化工藝研究及設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 試驗(yàn)原料

該項(xiàng)目采用日立造船技術(shù)的機(jī)械爐排爐，煙氣凈化工藝為機(jī)械旋轉(zhuǎn)噴霧半干法（12%左右的石灰漿溶液）+袋式除塵器+活性炭噴射。脫酸反應(yīng)塔及袋式除塵器下飛灰經(jīng)刮板輸送機(jī)收集后送飛灰倉進(jìn)行儲存，進(jìn)而進(jìn)行穩(wěn)定化處理。

本研究中采用的飛灰取自該項(xiàng)目飛灰倉，飛灰在進(jìn)行試驗(yàn)前，均在105℃下干燥，達(dá)到恒重；穩(wěn)定化產(chǎn)物樣品取自該項(xiàng)目飛灰固化物儲倉出口產(chǎn)物。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 飛灰主要成分及礦物組成分析

采用X射線熒光光譜儀（XRF，X-ray Fluorescence）對飛灰樣品進(jìn)行成分分析。采用X-衍射分析儀（XRD，X-ray Diffraction）及掃描電鏡分析（SEM，Scanning Electron Microscope）對飛灰樣品進(jìn)行礦物分析。

1.2.2 飛灰中重金屬含量及浸出毒性試驗(yàn)

按照《固體廢棄物試驗(yàn)分析評價(jià)手冊》［1］中方法3050土壤消解方法對飛灰進(jìn)行消解。按照HJ/T 300—2007固體廢棄物浸出毒性浸出方法-醋酸緩沖溶液法對飛灰中重金屬進(jìn)行浸出實(shí)驗(yàn)，采用火焰原子吸收法（F-AAS，F(xiàn)ire-Atomic Absorption Spectroscopy）對飛灰消解液及浸出濾液中重金屬含量進(jìn)行測定。

1.2.3 飛灰中二惡英類有機(jī)污染物毒性測試

按照《同位素稀釋法高分辨氣相色譜/高分辨質(zhì)譜測定四到八氯代二惡英和呋喃》US EPA 1613B（1997）標(biāo)準(zhǔn)方法對飛灰中二惡英類有機(jī)物進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 飛灰主要成分及礦物組成分析

焚燒飛灰的主要化學(xué)成分見表1，礦物組成分析見圖1～2。由表1可以看出，焚燒飛灰的主要成分以CaO、SiO2、Al2O3、Na2O為主，其次含有少量的Fe2O3、MgO和K2O。飛灰中CaO含量高是由于煙氣脫酸采用石灰漿溶液所致。SiO2和Al2O3含量高，表明飛灰具有一定的膠凝活性，可添加激發(fā)劑激發(fā)其活性用于建材的生產(chǎn)。飛灰中Cl含量也較高，這是由于我國垃圾組分中含有大量的塑料所致，而Cl離子可以通過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，使穩(wěn)定化產(chǎn)物中Cu和Zn易浸出導(dǎo)致重金屬超標(biāo)［2］。由于飛灰具有一定的活性，有研究采用飛灰作為生產(chǎn)水泥的原料，但是飛灰中氯化物會造成預(yù)熱器和窯煅燒結(jié)圈和堵料等問題，甚至?xí)?dǎo)致水泥窯煙氣中二惡英的生成［3］，因而在采用飛灰生產(chǎn)水泥時(shí)，需要增加水洗作為預(yù)處理工藝。

表1 焚燒飛灰的主要化學(xué)成分 %

從圖1可以看出，垃圾焚燒飛灰的主要礦物成分為石英、氯鹽、碳酸鹽、硫酸鹽等，與表1飛灰主要成分結(jié)果一致。XRD衍射圖譜上呈現(xiàn)出較多小的、波紋狀的峰，說明飛灰中含有大量的非晶態(tài)的玻璃類物質(zhì)，大多數(shù)情況下，飛灰中的重金屬元素富集在非結(jié)晶相中，在晶體相中分布很少；XRD檢測圖譜中沒有發(fā)現(xiàn)含有重金屬的結(jié)晶相，表明飛灰中重金屬含量較少，可能包裹在硅酸鹽內(nèi)。圖2顯示飛灰顆粒普遍較細(xì)，一般在50 μm以下，部分顆粒小于10 μm，并且顆粒形狀各異，表面凹凸不平，存在很多微小的孔洞，具有較強(qiáng)的吸附作用。此外，顆粒表面含有大量的結(jié)晶態(tài)物質(zhì)和一些不規(guī)則的非晶態(tài)物質(zhì)，有針狀、棒狀、塊狀等不同形貌特征，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

綜合來看，飛灰屬于SiO2－Al2O3－ Fe2O3金屬氧化物體系，是由非晶態(tài)的物質(zhì)作為基質(zhì)，表面富含晶體物質(zhì)，具有一定的膠凝活性。用膠凝材料體系對飛灰進(jìn)行穩(wěn)定化/固化時(shí)，需要充分考慮Al2O3、SO3、Cl、重金屬等物質(zhì)對膠凝材料體系水化、凝結(jié)、硬化的影響。

2.2 重金屬及浸出毒性分析

垃圾燃燒時(shí)，蒸汽壓高、沸點(diǎn)低的易揮發(fā)元素會隨著煙氣進(jìn)入煙氣凈化處理裝置被捕集進(jìn)而富集于飛灰中，如Hg和Cd，而由于飛灰中Cl含量較高，可與金屬結(jié)合生成氯化物，改變金屬的揮發(fā)性，因而飛灰中重金屬種類較多。從表2可以看出，焚燒飛灰中Pb、Cu、Zn、Cd和Ni含量均較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過土壤中重金屬的含量。根據(jù)GB 5085.3—2007危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別，飛灰中Pb、Cu、Zn、Cd、Ni及Cr的浸出濃度均超過標(biāo)準(zhǔn)值，屬于危險(xiǎn)廢物。

表2 焚燒飛灰中重金屬元素的含量及浸出濃度

2.3 飛灰中二惡英類有機(jī)物毒性分析

生活垃圾焚燒煙氣主要采用噴射活性炭粉末去除煙氣中二惡英，而吸附了二惡英的活性炭在袋式除塵器中被收集進(jìn)入飛灰中，導(dǎo)致飛灰中含有少量的二惡英和呋喃。飛灰中二惡英類有機(jī)物檢測結(jié)果見表3，可以看出飛灰中各類二惡英類有機(jī)物含量不等，其中OCDD的含量最高，高達(dá)1 935.5 ng/kg，2，3，7，8－TCDD的含量最低，但其毒性當(dāng)量I－TEQ為553.6 ng/kg，滿足GB 16889—2008生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)入場要求。

2.4 飛灰穩(wěn)定化工藝分析

該項(xiàng)目飛灰穩(wěn)定化系統(tǒng)采用水泥+螯合劑工藝，見圖3。螯合劑采用日本進(jìn)口藥劑，水泥采用325#，水泥、螯合劑及水添加量分別占飛灰處理量的10%、1.75%及30%，由于原飛灰中二惡英類有機(jī)物毒性當(dāng)量滿足填埋場入場要求，此次穩(wěn)定化產(chǎn)物檢測不包括二惡英類，主要檢測結(jié)果見表4，可以看出，穩(wěn)定化處理后，飛灰中各類重金屬浸出濃度非常低，大多數(shù)未檢出，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，可以得出飛灰經(jīng)穩(wěn)定化處理后滿足生活垃圾填埋場入場標(biāo)準(zhǔn)，可直接送垃圾填埋場處置。

表3 焚燒飛灰中17種有毒PCDD/Fs的含量 ng/kg

目前國內(nèi)大多數(shù)垃圾焚燒發(fā)電廠采用水泥+螯合劑工藝，重金屬穩(wěn)定化中，螯合劑起主要作用，多采用進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格高，飛灰處理成本高達(dá)800元/t左右。為降低成本，國內(nèi)外也對穩(wěn)定化藥劑進(jìn)行了系列研究［4-6］，但藥劑價(jià)格始終居高不下。

表4 穩(wěn)定化產(chǎn)物含水率及重金屬浸出濃度

3 結(jié)論

1）焚燒飛灰屬于SiO2-Al2O3-Fe2O3金屬氧化物體系，是由非晶態(tài)物質(zhì)作為基質(zhì)，表面富含晶體物質(zhì)，具有一定的膠凝活性，可采用添加劑激發(fā)其活性，如礦粉、水泥等對重金屬離子進(jìn)行固化。

2）焚燒飛灰中含有較高濃度的Pb、Cu、Zn、Cd，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過土壤中重金屬的含量，其浸出毒性超過GB 5085.3—2007限值，如Pb、Cu、Zn、Cd、Ni及Cr均超標(biāo)。焚燒飛灰中二惡英類有機(jī)物毒性當(dāng)量滿足GB 16889—2008要求。

3）焚燒飛灰采用水泥+螯合劑穩(wěn)定化工藝后，其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足GB 5085.3—2007及GB 16889—2008要求，可直接送填埋場處置，但是螯合劑多引進(jìn)國外產(chǎn)品，價(jià)格高，使得飛灰固化成本居高不下，因而亟待開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)適用的固化劑。

［1］美國環(huán)境保護(hù)局.固體廢棄物試驗(yàn)分析評價(jià)手冊［M］.中國環(huán)境監(jiān)測總站，譯.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1992.

［2］IretskayaS，Nzihou A，Zahraoui C，et al.Metal leaching from MSW fly ash before and after chemical and thermal treatments［J］.Environ Prog，1999，18（2）：144-148.

［3］羅智宇，張?jiān)圃拢瑥埱澹?垃圾焚燒飛灰水洗去氯的實(shí)驗(yàn)研究［J］.環(huán)境衛(wèi)生工程，2008，16（3）：16-22.

［4］Sukandar T P，Masaru T，Isao A.Chemical stabilization of medical waste fly ash using chelating agent and phosphates： Heavy metals and ecotoxicity evaluation［J］.Waste Manage，2009，29 （7）：2065-2070.

［5］Sun Y F，Nobuhisa W，Qiao Wet al.Polysulfide as a novel chemical agent to solidify/stabilize lead in fly ash from municipal solid waste incineration［J］.Chemophere，2010，81（1）：120-126.

［6］王彩萍，周明凱，陳瀟，等.氯氧鎂水泥對焚燒飛灰固化作用及影響因素［J］.功能材料，2013，44（21）： 3186-3189.