簡述垃圾焚燒飛灰處理技術

趙 潔，葉 紅，張曉佳，呂靈靈，葉闌珊，張新功

（青島惠城環?？萍脊煞萦邢薰?，山東 青島 266500）

隨著我國經濟快速發展以及城市化進程的加快，生活垃圾產量急劇增加。預計到2020年底，我國垃圾總焚燒量達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，垃圾焚燒飛灰產業在國內廣泛應用，預計年產生飛灰量約為1000萬噸?？梢?，垃圾飛灰產量巨大。垃圾焚燒飛灰是垃圾焚燒廠煙氣凈化系統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、加入的化學試劑以及反應產物等。

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，是一種高比表面積物質。自然界的微生物和水解作用難以自然分解消除二噁英，它的毒性相當于砒霜的900倍，被稱為 “世紀之毒”。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給生物造成難以修復的傷害甚至危害子孫后代的健康和生活?！秶椅ｋU廢物名錄》明確規定，垃圾飛灰為危險廢棄物。

1 垃圾焚燒飛灰處理技術現狀

1.1 水泥固化／穩定化-填埋

目前，水泥固化是全世界應用最廣泛的危險廢物固化技術，也是我國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，可達到與未加飛灰的混凝土相似的抗壓強度。但水泥中未經預處理的垃圾飛灰中的有毒有害物質依然存在潛在風險。后國內外提出穩定化技術，其關鍵是穩定化藥劑的加入。穩定化藥劑主要分為無機類藥劑和有機類藥劑，其中高分子螯合劑的研發技術在日本已基本成熟。國內目前主要開發重金屬螯合劑。陳善平等［2］研究將無機磷藥劑和有機硫藥劑相結合的方式來處理飛灰。與水泥固化技術相比，這種技術具有易于操作，穩定化效果好，用量少，不增容，不增加飛灰質量等優點，但是幾乎沒有哪種穩定化藥劑可以普遍適用，而且隨著飛灰的大量增加，填埋場地壓力劇增，起不到減量化的作用，加之填埋場使用壽命有限，固化體的安全填埋處置費用高。并且經過處理的飛灰直接填埋后環境是否安全還沒有得到驗證。之后，學者們［3-5］研究添加無機、有機等藥劑穩定化與水泥固化技術相結合的方式來處理處置垃圾飛灰。從研究結果可以看出，經過預處理后的飛灰，重金屬穩定性增強，進一步進行水泥固化后環境安全可靠性更大。該技術工藝成熟、系統簡單、成本低，經濟環保，但由于在預處理過程成不僅可以去除飛灰中的重金屬等有害物質，同時也將部分 SiO2、Al2O3、Fe2O3洗掉，膠凝活性下降，導致水泥材料的抗壓強度下降。

1.2 高溫熔融處理技術

高溫熔融處理技術是在高溫下將二噁英等物質徹底分解，同時固化重金屬。主要分為燒結法和熔融法。目前，該處理技術已在日本等發達國家發展應用。

1）燒結法。燒結法是采用溫度在1000～1100℃條件下，飛灰中的氣孔從晶體中排除，致使顆粒黏結，最終飛灰燒制成致密堅硬的燒結體。1996年，Nowok J W.等［6］發表了關于燒結法處理飛灰并探究了影響燒結體質量的影響因素。2001年，Mangialardi T等［7］對預處理后的飛灰將其放在1140℃高溫下煅燒形成燒結體的抗壓強度進行了一系列的研究，結果表明，抗壓強度符合混凝土中抗壓強度的要求。隨后，李潤東等［8］探究了燒結條件對焚燒飛灰燒結特性的影響。

2）熔融法。熔融法是在1400℃的專用燃燒爐下使飛灰熔融，冷卻后轉為熔渣，作為其他行業的原材料使用，最終達到飛灰的綜合利用。2000年，Sakai S［9］研究城市生活垃圾通過熔融法處理達到循環利用。李潤東等［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，經過該技術處理后，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，抗折能力強及產品強度達到合格標準。王學濤等［12］在自己建設的旋風爐上利用熔融法處理飛灰，研究發現熔融后熔渣重金屬浸出率顯然低于美國EPA標準要求。高飛等［13］、趙鵬等［14］利用熱等離子體發生器裝置對飛灰進行熔融處置的，結果表明，最終產物中重金屬固化效果非常好，并可進行綜合利用。趙俊東等［15］在垃圾焚燒飛灰燒結處理新工藝及爐內氣流特性中闡述了一種以煤為燃料的低溫燒結處理工藝，并用數值模擬了爐內冷態的氣流特性。高溫熔融處理技術減容率大、減量率高，產出的熔渣質量穩定，沒有重金屬溶出，可資源化利用，可以將二噁英及其它有機污染物等徹底分解，但在高溫熔融時會產生易揮發的重金屬廢氣，需要在煙氣排放處安裝處理裝置，其工藝復雜，能源消耗大、處理成本高。目前在國內尚未大規模推廣。

1.3 水泥窯共處置技術

水泥窯協同處置技術由于具有創新性、技術指標先進、治理效果好，基本達到工業化應用水平，因此該技術在2018年被收錄入 《國家先進污染防治技術目錄 （固體廢棄物處理處置、環境噪聲與振動控制領域）》。水泥窖共處置技術是指利用水泥窖中1600℃高溫以及封閉的環境，不僅將飛灰中的二噁英等有機物徹底分解，還可以防止易揮發的有害物質，將重金屬固熔于水泥熟料中，不再滲出。實現飛灰無害化、減量化處置以及再生利用。2012年北京市一水泥廠實現了水泥窖協同處置技術的應用，日處理百余噸飛灰，首次在北京實現了垃圾焚燒飛灰無害化、零填埋、減量化、資源化利用。經技術成果鑒定，該技術中飛灰預處理水洗工藝中水經過處理后回收循環利用，無污水排放，耗水量僅為國際同類技術的1／20，處于國際領先［16-17］。該技術方法的優點是預處理后的垃圾飛灰可作為水泥原料，操作簡單，易于控制，污染廢物徹底被處理，實現資源化利用，缺點就是在作為水泥原料前，為避免重金屬揮發，須減少飛灰中可溶性鹽的含量，以確保水泥質量。

1.4 生物／化學浸提法

生物／化學浸提法主要是利用微生物的降解和浸提來實現重金屬的轉化，借助各種氧化還原反應可以提取出飛灰里面的重金屬。該技術反應條件溫和，但成本高，重金屬含量低，回收比較困難。

1.5 水熱處理技術

水熱處理技術是指在一定的溫度、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、化學作用將重金屬固定于沸石中，從而實現飛灰的無害化處理。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］系統的研究了水熱條件下的各項工藝條件。國內學者金劍［20］研究水熱法將垃圾焚燒飛灰中重金屬穩定化處理同時去除廢水中重金屬，結果表明當液固比為10／1、碳酸鈉投加量 （以20 g干灰質量計）為4～5 g時處理效果最佳。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值。同濟大學 Xie等［22］研究在水熱溫度為533K時，添加0.1% （與飛灰量之比）的碳酰肼，飛灰中的毒性最低。水熱處理技術在堿性條件下處理煤飛灰［23］已成功應用，同樣該技術在處理垃圾焚燒飛灰方面可以取得很好的效果。水熱處理技術是一種新興技術，雖然反應條件對設備有一定要求，但其無害化程度高，而且反應產物可以再利用。因此，水熱處理飛灰經濟又環保，在未來該方法應該具有很大的應用潛力。

除去以上介紹的幾種處理技術外，目前還有超臨界流體萃取技術，該技術雖能有效實現重金屬分離、提純，回收利用，但其對設備以及工藝技術要求過高，投資比較大，萃取釜無法連續操作，造成裝置空置率比較高等缺點。以上每種技術都各有利弊，隨著垃圾焚燒飛灰日益增長、可利用土地面積日益稀少，飛灰以及經過處理后的產物今后必定是向資源化再生的方向發展，而將來飛灰處理技術必然是向普遍適用性、穩定性強、成本低和資源化再生的方向發展，因此，對于飛灰處理技術仍需要不斷完善。

2 結語

現階段，垃圾焚燒飛灰處理技術多種多樣，其中，固化／穩定化處理技術較為成熟，水泥窯協同處置技術逐漸普及工業化，高溫熔融技術、水熱處理技術等的研究動態不斷更新，但是每種技術各有利弊，想要實現垃圾焚燒飛灰的無害化、可循環化，實現環境和經濟的可持續發展，還需進一步研究與完善。未來，垃圾焚燒飛灰處理技術必定是向無害化、零填埋資源化技術方向發展。