一種城市生活垃圾焚燒飛灰無害化處理方法

李一，吳汕，唐曉飛，張軍，周禎麗

（重慶盎瑞悅科技有限公司，重慶 400000）

垃圾焚燒飛灰主要是指垃圾焚燒廠煙氣凈化處理過程中收集得到固體廢棄物[1]，其危害特性主要在于含有大量重金屬、二噁英等有毒物質，管理不當可導致重大環境風險問題。根據《國家危險廢物名錄》，垃圾焚燒飛灰被歸類為HW18的危險廢物。目前，我國飛灰處理方式主要是以螯合固化衛生填埋為主，受制于土地及環保政策，該方式終將被取代，而近些年來飛灰建材化利用也引起了廣泛的關注與研究。

1 垃圾焚燒飛灰的致毒原因分析

1.1 二噁英

二噁英是一類性質非常穩定的親脂性劇毒固體化合物，其對土壤環境親和，易在生物體中積累，具有很高的持久性和累積性，經食物鏈的放大可對人類健康造成嚴重的危害。二噁英類物質是一類三環芳香族有機物，其毒性與氯原子的取代位置有關，毒性最強的是2,3,7,8四氯代二苯并對二噁英（見圖1），其毒性相當于砒霜的900倍，具有較高的致癌、致畸、致突作用。國際癌癥中心已將二噁英列為人類一級致癌物。

圖1 2,3,7,8四氯代二苯-并-對二噁英

1.2 重金屬

垃圾焚燒飛灰中所含重金屬主要有鉛、鎘、鉻、銅、鋅等，相關研究表明這些重金屬主要以可交換態和碳酸鹽結合態的形態存在，在環境中遇水浸瀝，或酸性條件下很容易被浸出，如此將對自然環境和人體健康產生深遠的影響[2-6]。

2 垃圾焚燒飛灰高溫處理技術

高溫處理技術具有減容率高、熔渣性質穩定等優點，垃圾焚燒飛灰經高溫處理，二噁英等有機污染物被徹底分解，重金屬被熔融固化[7]。高溫處理技術包括燒結法、熔融法[2,8-9]。

高溫燒結是將危險廢物與玻璃質等助溶物質配混、造粒成型后，在 1 000～1 100 ℃的溫度條件下形成燒結體，從而實現重金屬等有害物質的固化穩定，降低垃圾焚燒飛灰對環境的危害[8]。

高溫熔融是指利用燃料能或電能將垃圾焚燒飛灰加熱到1 300 ℃左右的高溫，使其熔融后經冷卻形成玻璃體熔渣，從而實現垃圾焚燒飛灰的無害化、穩定化，還可將殘渣進行資源化利用制作建材[8]。

3 高溫焚燒處理技術

3.1 二噁英去除機理

垃圾焚燒飛灰中二噁英的形成機理被認為主要是飛灰中的殘碳同有機或無機氯在250～400 ℃的低溫下，經過飛灰中含有的某些重金屬（如銅、鐵）等的催化作用而生成。

研究認為，二噁英在850 ℃以上高溫、停留時間大于2 s的條件下就會完全被分解，但當溫度下降，滿足生成條件時，二噁英將重新生成。

根據二噁英主要由碳、氫、氧和氯等元素構成的分子機構特性，高溫焚燒處理方法采用二次復合球預處理技術，將飛灰、碳粉（生物質炭或煤）、吸氯劑（含一定硅、鈣、鎂的物料）按比配混均勻，通過二次成球系統制成粒徑合適的復合球團。飛灰球團在焚燒過程的高溫作用下（1 100～1 300 ℃），其中的二噁英被分解，產生的氯被吸氯劑吸收反應，從而破壞了在低溫條件下二噁英再次合成的物質條件，實現垃圾焚燒飛灰二噁英的徹底去除。

3.2 重金屬解毒機理

垃圾焚燒飛灰中的鎘、鉛、六價鉻等重金屬毒性強且很容易浸出，只有降低這類重金屬的浸出性才能實現飛灰的重金屬解毒。

玻璃態構成物具有類質同象本領，以硅酸鹽玻璃為例，在結晶硅酸鹽中起關鍵作用的Si4+離子，能被很多重金屬離子如Fe3+、As4+等所同象置換（同象置換是指性質類似的原子、離子、離子團、配離子等在晶體構造中相互置換而形成一種礦物或物相的現象），且同象置換往往是大幅度的，在骨架型結構中Si4+甚至有一半被置換。所以重金屬離子可以通過置換替代Si4+插入晶格中去，牢牢地嵌在Si-O網格構造中，而宏觀的無定型態增加了玻璃態物質的流動性，從而促進了同象置換發生的可能性。同時，玻璃態物質具有良好的熱穩定性，且對各種侵蝕性介質都有很高的化學穩定性，所以包含于玻璃中的金屬元素非常穩定，浸出的可能性非常小。

高溫焚燒處理技術通過將飛灰制成復合球團，在 1 100～1 300 ℃的高溫條件下，飛灰中的重金屬在助熔劑的作用下被固化于燒結形成的玻璃態構成物中，從而不再具有浸出毒性，使資源化利用成為可能。

3.3 焚燒原理分析

高溫焚燒處理方法與目前高溫等離子熔融方式不同的是，采用的是一種冶金行業的設備，通過改型升級作為飛灰的焚燒處理設備，其主要的焚燒原理是蓄熱焚燒，并結合其前處理工序——二次物料復合成球技術，將飛灰制作成粒徑8～12 mm的二次物料復合球團，再送入焚燒設備進行高溫焚燒處理。

3.3.1 焚燒過程分析

（1）反應過程主要是添加含C原料作為焚燒燃料，以C的燃燒提供反應所需的熱量。（2）整個燃燒過程中，料層可分為燃盡層、燃燒層、干燥層、預熱層和生料層。燃燒層溫度最高，可達到1100～1 300 ℃，在該層垃圾焚燒飛灰中的重金屬被熔融，二噁英被徹底分解去除。（3）飛灰復合球團按一定料層厚度均勻布料在焚燒裝置中，在（1 200±50）℃的點火溫度下，球團料層的表層被點燃，經3～5 min的點火作用，形成厚度近5 cm的燃燒層。同時，在抽風機作用下，料層形成一定的負壓，飛灰復合球團料層從表層逐漸燃燒至底層，直至全部料層燃盡。

3.3.2 焚燒過程的自動蓄熱現象

高溫焚燒處理技術的物料燃燒過程特點是：從料層的表層開始進行，飛灰復合球中的碳經點火器點燃形成的燃燒層在抽風作用下逐步向下推進，直至料層底部，完成全部料層的焚燒。燃燒過程中，由于物料燃燒層產生的熱煙氣在負壓抽風作用下被抽入下層物料，因此熱量被下層物料吸收，從而實現對下層物料的干燥、預熱，隨著焚燒過程的進行，燃燒層與下層物料之間逐漸形成一個動態且相對穩定的熱平衡過程。

4 高溫焚燒處理技術檢測數據

高溫焚燒處理技術經過了系列試驗，對原始飛灰中的二噁英和重金屬浸出進行檢測，同時也對焚燒后殘渣的二噁英含量和重金屬浸出毒性進行了檢測分析。數據的分析方式是以送檢第三方資質單位進行分析。其中重金屬浸出毒性的檢測分別按照GB5085.3-2007《危險廢物鑒別標準-浸出毒性鑒別》-硫酸硝酸法和GB16889-2008《生活垃圾填埋場控制標準》-醋酸緩沖溶液法進行分析，結果如表1、表2所示（注：表1及表2所列檢測結果均是在試驗過程中的樣品按檢測標準分析得出）。

處理后垃圾飛灰重金屬浸出毒性檢測達到GB5085.3《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》和GB16889-2008《生活垃圾填埋場污染控制標準》標準要求。對原灰中嚴重超標的鉛、鋅、銅、鎘的去除率均高達99.5%以上，二噁英去除率達到98.45%，解毒較為徹底。

表1 浸出毒性檢測報告匯總表（硫酸硝酸法）

5 結論

試驗結果表明高溫焚燒處理技術具有工程應用的可行性，同時還需對無害化后的殘渣進行進一步的資源化利用研究，考慮到現行國家法規的要求，需要在工程應用后，進行相關的驗證工作，取得豁免許可，才能最終突破垃圾飛灰的處置問題。

表2 浸出毒性檢測報告匯總表（醋酸緩沖溶液法）