生活垃圾焚燒飛灰壓制砌塊與減容填埋技術

朱新才，趙由才，周 雄，張 駿，夏發發，陳善平，全學軍

(1．重慶科技學院，重慶 401331； 2.同濟大學 環境科學與工程學院，上海 200092；3.上海市環境工程設計科學研究院有限公司,上海 200232； 4.重慶理工大學，重慶 400054)

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生活垃圾焚燒飛灰壓制砌塊與減容填埋技術

朱新才1，趙由才2，周 雄1，張 駿2，夏發發2，陳善平3，全學軍4

(1．重慶科技學院，重慶 401331； 2.同濟大學 環境科學與工程學院，上海 200092；3.上海市環境工程設計科學研究院有限公司,上海 200232； 4.重慶理工大學，重慶 400054)

目前我國生活垃圾焚燒廠的建設速度遠遠超過危險廢物填埋場的建設速度，大量的飛灰亟待安全處置。相對于其他處置技術，化學穩定化填埋被廣泛應用，但需耗費大量重金屬螯合劑以及填埋場庫容，且滿足技術規范的危廢填埋場的填埋能力和使用年限均受限制。針對以上問題，對生活垃圾焚燒飛灰砌塊減容潛力、重金屬降低浸出進行研究，分析了飛灰壓制砌塊-減容填埋的可行性，并進行工藝設計，初步確定了工藝投入和綜合效益。結果表明：生活垃圾焚燒飛灰在高壓作用下可減容60%以上，重金屬浸出濃度明顯降低，可減少30%～70%螯合劑的使用量；設計的減容填埋工藝使填埋場壽命增加1～2倍，節省飛灰直接處理成本200元/d(不含設備投入)；壓制后的飛灰砌塊形狀規則、質地緊實，有利于減少傳統飛灰填埋過程中的揚塵以及機械化轉運、填埋成本，提高了管理水平和生產效率。

生活垃圾焚燒飛灰；壓制；減容；工藝設計；安全填埋場

隨著城市建設的發展和城市規模的擴大，城市人口數量驟增，生活垃圾產量也快速遞增，使原有的垃圾填埋場日益飽和或已經飽和，而新的填埋場卻因各種原因選址困難。采取垃圾焚燒的方法可以大大減少生活垃圾的體積，從而更大限度地延長現有垃圾填埋場的使用壽命。此外，隨著生活水平的提高，垃圾中可燃、易燃物的含量大幅增多，提高了生活垃圾的熱值。隨著垃圾焚燒技術越來越廣泛地在國內外推廣，所產生的垃圾飛灰也越來越多。生活垃圾經焚燒后，會產生占垃圾總質量23%左右的底灰及3%～5%的飛灰。飛灰主要包括SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3和硫酸鹽、鈉鹽、鉀鹽等反應物，還有Hg、Mn、Mg、Sn、Cd、Pb、Cr等重金屬元素以及痕量級二噁英類有機物，另加其他種類污染物，屬于危險廢物，其安全處理日益受到國內外的關注[1-2]。

1 飛灰的處理技術現狀

目前飛灰常用的處理處置方法有:固化/穩定化，包括水泥固化、瀝青固化、化學藥劑穩定化等[3]；高溫處理，包括燒結與熔融/玻璃化等，然后填入專門填埋場或資源化利用[4]；提取飛灰中的重金屬，包括酸浸取、生物及生物制劑提取、高溫提取等，然后將提取的重金屬資源化利用[5]。如圖1所示。

圖1 飛灰的處理處置方法

以上處理法對飛灰均有不同程度的作用。客觀上熔融固化處理效果最好，但成本高，使用范圍有限。水泥基固化處理會使廢物最終體積增大0.5～1倍，增加了最終處置的費用，占用大量嚴格符合技術規范的危險廢物填埋場庫容。重金屬提取著力于飛灰中重金屬的回收與利用，但飛灰中的重金屬一般并不是稀有金屬，其附加值低，回收過程易造成二次污染，因此從環境和經濟的角度講并不實用[6]。化學藥劑處理是應用最為廣泛的飛灰處理技術，工藝相對簡單，化學穩定化后的飛灰直接進入填埋場填埋處置。但目前我國生活垃圾焚燒廠的建設速度遠遠超過危險廢物填埋場的建設速度，每天大量的飛灰都在等著安全處理。而滿足技術規范的危險廢物填埋場的填埋能力和使用年限也是有限的。由此尋找更經濟合理的處理方法迫在眉睫。

垃圾飛灰是非常細小的粉塵，飛灰顆粒非常松散地堆積在一起，顆粒間存在明顯的間隙，且飛灰由于生成過程的影響，其往往也具有一定的孔隙率。由于這些空隙和孔隙的存在，不僅使得飛灰的表觀密度很小，體積龐大，而且使得飛灰中的重金屬比較容易浸出，從而對環境造成危害。因此，若能改變飛灰的結構，使其致密化，則可以大大降低其表觀體積，同時減少重金屬的浸出量，不僅降低飛灰處置過程的環境污染風險，而且節省了飛灰填埋場庫容，減少了化學螯合劑的使用量，從而降低了飛灰的處置成本，實現生活垃圾高效、經濟的快速消納處置。

2 飛灰壓制砌塊減容填埋潛力分析

利用高壓環境使物質發生變化，以達到特殊的效果是一種常見的手段。粉末冶金利用高壓實現了顯著節能、省材、高密度等一系列目標，充分利用了礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、廢舊金屬等原料[7]，因此高壓亦可作為飛灰安全化處置的一種潛在新技術。在高壓條件下，使飛灰達到很高的密度，變成大比重的飛灰砌塊，可以解決傳統飛灰填埋過程中轉運困難、揚塵大等問題，而且能改善工作環境，降低填埋成本，在工程應用上具有很大的前景。

2.1 飛灰減容潛力分析

利用取自上海老港焚燒廠的生活垃圾焚燒飛灰，研究了高壓壓制對飛灰減容的效果。所用壓力系統其壓強可調節范圍為0～ 600 MPa，在此區間內，選取了若干壓強對原生飛灰進行壓制，并測定壓制后的飛灰砌塊密度。從圖2中壓制效果可以直觀地觀察到一定質量飛灰在壓制前后顯著減容，并由疏松松散轉變為規則、密實的狀態。

原生飛灰密度為0.79 g/cm3，不同壓強作用下的飛灰砌塊的密度變化如圖2所示。原生飛灰的密度隨著壓強的增大而增大，當壓強低于50 MPa時，飛灰砌塊密度隨壓強增大上升迅速。但壓強高于50 MPa時，壓強的上升對飛灰砌塊密度增加的效果明顯減弱。

如圖2所示：在壓制過程的前期，主要是壓縮飛灰顆粒之間的間隙，這一過程相當于排出空氣，因此所受到的阻力較小，壓縮效率隨壓強上升變化顯著。當顆粒間間隙被壓縮盡后，顆粒間相互接觸。一方面，飛灰顆粒本身形狀不一；另一方面，由于飛灰本身具有較大比表面積，即內部存在一定孔隙，因此壓制過程的后期，顆粒內部孔隙被破壞，同時壓制前期因顆粒形狀不一而無法壓縮的空隙也因飛灰顆粒結構的破碎而被填充。但在壓制的后期，由于壓力要克服的是飛灰顆粒的結構應力，因此阻力明顯上升，壓制效率顯著降低，且飛灰間空隙與顆粒內孔隙的逐漸減小，飛灰砌塊的密度上升逐漸平緩，并有趨近與某一常值的趨勢。飛灰砌塊與密度變化關系表明：飛灰在有效壓強作用下，其密度可以提高至少1倍，體積減容60%以上，減容潛力巨大。實際應用過程中，應以產品的要求和成本綜合考慮，確定最終壓制壓強。

圖2 原生飛灰密度與壓強之間的關系

2.2 飛灰砌塊重金屬浸出降低潛力分析

隨著飛灰顆粒間的緊實度增加，顆粒間的結合更加緊密，飛灰顆粒物理性質改變，比表面積降低。因此，飛灰砌塊的重金屬浸出理論上將會有所降低。取樣的上海老港飛灰樣品，其原生飛灰中主要檢出Cr、Cu、Hg、Pb、Zn等重金屬，其中濃度超標的主要是Pb，其次是Hg。飛灰砌塊重金屬浸出濃度隨壓制壓強的變化趨勢如圖3所示。

圖3 飛灰重金屬浸出濃度與壓制壓強的關系

Hg的浸出濃度基本隨壓強無變化，其原因可能是Hg的存在形態一般為游離態，主要吸附于飛灰顆粒上，與飛灰中其他組分結合不緊密，浸出濃度波動于規定限制量附近。Cr，Pb，Zn，Cu在壓力作用下浸出濃度明顯降低，在50 MPa壓強后，其浸出濃度出現穩定波動，但對于含量較高的Pb而言，其濃度依然超過規定限制。結合圖2，重金屬浸出效果主要受飛灰顆粒間的間隙影響，當在壓強作用下，間隙被壓縮，飛灰顆粒無法與浸提液體有效接觸，減少了浸提面積，從而降低了浸出速率和濃度。但飛灰顆粒間間隙被充分壓縮后，再增大壓強對重金屬浸出效果影響不大，存在最經濟壓強。

從重金屬浸出效果來看，飛灰砌塊的重金屬浸出濃度降低明顯下降，飛灰壓制砌塊減少了約30%的重金屬浸出，換句話說，高壓壓制砌塊工藝對于飛灰穩定化而言，不僅具有明顯的減容效果，節省填埋場庫容，而且能減少約30%的螯合劑的使用，降低了工藝成本。

3 飛灰壓制砌塊-減容填埋工藝

3.1 工藝流程設計

圖4 飛灰砌塊壓制減容填埋工藝流程

相較于傳統化學穩定化填埋工藝，此工藝的不同主要體現在高壓壓制系統和轉運系統。臥式攪拌系統則要求出料的穩定化飛灰含水率低于30%，以利于高壓壓制系統穩定運行。高壓壓制系統選用特制的液壓壓縮設備，將穩定化飛灰壓縮為標準砌塊大小(600 mm×240 mm×200 mm)。壓制后的飛灰利用市場上現有的混凝土砌塊輸送、搬運機械及運輸機械轉運至填埋場處置。進入填埋場的飛灰砌塊按產生批次進行編號并分單元填埋。轉運填埋全流程自動化、機械化操作，減少人工的使用，降低人員的環境暴露風險。

3.2 投資估算

表1 飛灰壓制砌塊—減容填埋工藝投資估算

由于飛灰砌塊形狀規則，因此有利于提供工藝的自動化水平和作業效率，沒有了傳統作業過程中的攤鋪、壓實等作業，降低了飛灰揚塵的產生，避免了大氣污染。與上海老港現有飛灰處理工藝(表2)相比，減容填埋工藝增加的設備主要是高壓壓制設備，節省了傳統工藝中的挖掘機、壓實機、鋼結構平臺和路基箱等。利用吊車等轉運設備可以使填埋更加精細化，按生產批次分區填埋也有利于飛灰處置的安全管理。

表2 上海老港焚燒飛灰現有工藝成本分析

3.3 效益分析

表3 經濟效益分析

由表3綜合分析可知，砌塊減容填埋工藝相對于普通化學穩定化填埋工藝，其噸處理成本(不含設備投入)可節省至少200元,同時可以大幅度延長填埋場使用壽命，增長填埋場服務年限，相對降低了填埋場全周期投入成本。

4 結束語

日益增長的飛灰產生量、有效的填埋場庫容，被廣泛應用的飛灰化學穩定化填埋技術難以滿足處理的要求。經過壓制處理的飛灰，其密度顯著提高，減容60%以上，減少了填埋體積；同時重金屬浸出顯著降低，可減少30%～70%的螯合劑使用量，降低了處理成本。成型的飛灰砌塊形狀規則，有利于自動化、機械化填埋。經設計的填埋工藝處理，飛灰處理直接成本可降低至少200元/t(不含設備投入)。規劃化、精細化的工藝流程有效杜絕了飛灰揚塵污染問題，降低了處置企業的綜合管理成本。

[1] 張瑞娜,趙由才,許實，等.生活垃圾焚燒飛灰的處理處置方法[J].動力工程,2008,28(2): 284-287.

[2] 朱新才,胡桂川,林順洪.城市生活垃圾在機械爐排爐內焚燒過程研究及數值模擬[J].環境工程學報,2013,7(12):4958-4964.

[3] 婁性義．固體廢物處理與利用[M].北京:冶金工業出版社,1995.

[4] SHIN-ICHI SAKAI,MASAKATSU HIRAOKA.Municipal solid waste incinerator residue recycling by thermal process[J].Waste Management,2000(20):249-258.

[5] ECKE H,SAKANAKURA H,MATSUTO,et al.State-of-the-art treatment process for municipal solid waste incineration residues in Japan[J].Waste Management & Research,2000,18(1):41-51.

[6] MANGIALARDI T.Disposal of MSWI fly ash through a combined washing-immobi lisation process[J].Journal of Hazardous Materials,2003,B98:225-240.

[7] 黃培云,粉末冶金原理[M].北京:冶金工業出版社,1997.

(責任編輯 劉 舸)

Pressing Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash Bricks for Landfill Volume Reduction

ZHU Xin-cai1, ZHAO You-cai2, ZHOU Xiong1, ZHANG Jun2,XIA Fa-fa2,CHEN Shan-ping3, QUAN Xue-jun4

(1.Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331,China;2.College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092,China;3.Shanghai Research Institute of Environmental Engineering Design and Science,Shanghai 200232,China; 4.Chongqing University of Technology，Chongqing 400054,China)

The construction speed of municipal solid waste incineration (MSWI) is currently faster than that of hazardous waste landfill in China, so that the disposal of MSWI fly ash becomes a pressing problem of the day.In comparison with other technologies, the chemical stabilization is applied widely, while still consume plenty of chelating agent and landfill volume. Restriction from total volume and service life of hazardous waste landfill, it is urgent to find a novel, economical and efficient technology for quick disposal of MSWI fly ash. In this study, the fly ash was pressed at high hydraulic load to reduce considerably both the volume and the quantity of chelating agents so that remarkably extend the service life of landfill. It was shown that the volume can be reduced over 60 % and the heavy metals leaching concentration of MSWI bricks was down obviously after pressing, which indicated the usage of chelating agent can be reduced by 30%～70%. A novel volume reduction landfill process was proposed, the investment and benefit were evaluated. The service life can be prolonged for more than one to two times. The direct cost for the disposal of fly ash could be decreased by 200 RMB/t (not including the investment of equipment). The MSWI fly ash bricks were of regular shape and tight texture, which can avoid the dust in conventional landfill, promote automation, improve management and efficiency.

MSWI fly ash；pressing； process design； volume reduction； security landfill

2016-09-22 基金項目：國家科技支撐項目“村莊/農戶聚集區生活垃圾中廢塑料提質及分流分類處理與示范研究”資助項目(2014BAL02B05-02 )

朱新才(1954—)，男，四川宜賓人，教授，主要從事垃圾焚燒研究；通訊作者 全學軍(1963—)，男，教授，主要從事環境污染治理研究，E-mail: hengjunq@cqut.edu.cn。

朱新才，趙由才，周雄，等.生活垃圾焚燒飛灰壓制砌塊與減容填埋技術[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(11):78-83.

format：ZHU Xin-cai,ZHAO You-cai, ZHOU Xiong,et al.Pressing Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash Bricks for Landfill Volume Reduction[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):78-83.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.11.014

X705

A

1674-8425(2016)11-0078-06