城市垃圾焚燒飛灰重金屬研磨處理研究進展★

李鈞豪 周 超 陳 勇 李澤銳 莊享鍵

(東莞理工學院城市學院城建與環境學院，廣東 東莞 523419)

1 概述

目前我國城市垃圾處理的方式主要有填埋和焚燒，傳統的填埋方式占據大量的土地資源并在一定程度上可能會造成環境的二次污染，而焚燒處理的方式能將生活垃圾質量和體積大大減少，有效地解決占用大量土地的問題；其次焚燒法會產生高溫煙氣經適當處置后能進行能源回收，最大程度地降低能源損耗，同時在高溫狀態下能對生活垃圾中的有害物質成分進行消毒[1]。

焚燒處理已經被證實為是一種處理垃圾并再利用的有效方法，在我國處理垃圾的方式中比例日益增加。但城市垃圾焚燒飛灰中含有大量的重金屬，這些重金屬如果處置不當會對環境造成嚴重的污染，因此垃圾焚燒飛灰重金屬處理已經成為一項重要的研究課題。目前焚燒飛灰中重金屬的處理技術主要有水泥固化技術、熱處理技術和化學穩定劑固化技術。水泥固化技術主要是將重金屬包裹在水泥中，防止重金屬的析出，減少重金屬對環境的污染[2]。

熱處理技術主要包括玻璃化和熔融法，通過將焚燒飛灰高溫加熱形成穩定的屄里裝產品，將重金屬去除或者固定在玻璃狀體中[3-5]。化學藥劑固化技術[6]主要通過化學藥劑與焚燒飛灰中的重金屬發生化學反應，生成低溶解性，難析出性的穩定物質。

本文介紹的重金屬穩定的方法區別于上述三種方法，是通過機械研磨的方法穩定焚燒飛灰中的重金屬，抑制重金屬從飛灰中析出。機械研磨法是一種操作簡單，通用性強的，處理效率較高的一種方法，近年來也在不斷被應用到焚燒飛灰重金屬處理領域中。應用球磨技術減少有機物污染的相關研究存在不少，但是用于減少重金屬污染的研究非常缺乏。

2 干法機械研磨

機械研磨的主要目的是用于粉碎粉末，早期主要應用于粉末冶金工程。干法機械研磨是利用球磨機將研磨原料與空氣介質，無添加任何反應介質，進行混合研磨，將固體顆粒直徑由大變小，達到規定的粒徑要求。

干法研磨用于城市垃圾焚燒飛灰重金屬穩定處理的研究最早是日本學者Nomura, Y展開的相關研究。Nomura[7]使用行星式球磨機干磨城市垃圾焚化飛灰，加入氧化鈣當助磨劑，球磨機的轉速為700 rpm，研磨球為不銹鋼材料，研磨2 h,4 h,8 h后，發現研磨后飛灰鉛溶出量比未處理的飛灰溶出減少93%。之后Nomura[8]在2008年針對鉛的穩定性，添加氧化鉛對垃圾焚燒飛灰進行干式研磨，分析鉛的含量變化以及材料的pH關系。在2009年Nomura[9]將氯化鉛和氧化鈣加入到原始飛灰中共同研磨，分析鉛的含量變化，發現研磨1 h后，飛灰中的重金屬鉛與氯化鉛和氧化鈣反應形成氧化鉛，從而使得重金屬鉛穩定，難以析出。

Montinaro[10]利用球磨方式,使含鉛污染的土壤與研磨介質機械碰撞,無添加任何反應物,成功將鉛穩定化，指出粉體在球磨過程中受到高能量的撞擊,而促進形成顆粒團聚及晶體破壞現象,且產生晶體缺陷及空缺累積。團聚的現象使粉體形成穩定的團聚體,增加了粉體的粒徑大小,當團聚發生時,鉛溶出量減少，同時晶體破壞會增加鉛的擴散，與晶體中網狀結構結合，對鉛形成穩固結構。

3 濕法機械研磨

濕法研磨是將研磨原料與液體介質混合在一起，同時加入一些反應介質進行研磨，液體的介質可以采用水、酒精、丙酮等。采用濕式機械研磨的方式用于垃圾焚燒飛灰重金屬的穩固處理效果比干式研磨處理方式要好，近年來出現了較多濕式機械研磨相關的研究。

莊家榮[11]和李明國[12，13]利用桌上型球磨機研磨經過兩次水洗的垃圾焚燒飛灰，磨球為粒徑為5 mm和15 mm且質量比為1∶1的氧化鋁磨球，研磨液為去離子水和密度為0.8 g/cm3的乙醇，研磨液和飛灰的重量比值為10∶1，研磨罐的轉速設置為93 rpm，研磨時間最長達96 h，通過實驗發現最佳磨球質量比例為1∶1，轉速93 rmp，漿體濃度(灰水比)為10%時研磨1 h后對飛灰中的重金屬有良好的穩定效果，尤其是重金屬鉛，可以達到法規的標準。

黃彥為[14]將城市垃圾焚化飛灰利用行星式球磨機以400 rpm的轉速研磨30 min，使粒徑由26.7 μm降至1.274 μm，飛灰經研磨后在高溫環境下重金屬的揮發有減少的情況。

Li等[15]不使用外加劑，通過濕式機械研磨實現了垃圾焚燒飛灰中重金屬鉛的穩定固化，此種方式是使重金屬鉛在飛灰顆粒重復不斷的粉碎與聚合過程中，被包裹在飛灰顆粒中，從而重金屬鉛難以析出。

Chang-Jung Sun等[16]通過濕法機械研磨提高城市垃圾焚燒飛灰的機械性能和抑制重金屬浸出，通過實驗可知，機械研磨能夠抑制重金屬鉛、鎘、銅、鋅的析出并使其穩定。Chang-Jung Sun等[17]還研究了濕法機械研磨的研磨液介質(水、磷酸、乙醇)對飛灰中鉛固化的影響，研究結果表明在不同的研磨時間條件下，測試鉛的析出量，研磨液為水或者磷酸時，對重金屬鉛的固化作用尤為明顯，效果良好。

Patil等[18]研究了濕法研磨的條件對中飛灰中重金屬穩定作用的影響，尤其是得到了計算研磨的球磨速度表達式，對后續研究提供了理論方面的依據，并與球磨轉速的計算。

李挺豪[19]使用行星式球磨機，磨球為氧化鋯球，液體介質為去離子水，去離子水體積與飛灰質量的比值為10∶1，磨球直徑為6 mm和10 mm，質量比為1∶1,磨球總質量為96 g，磨球轉速采用文獻[18]計算方式得到。試驗研究表明，濕法機械研磨能夠有效抑制重金屬的析出，研磨達到24 h后，飛灰中的浸出毒性能夠滿足限制的規定。

陳志良[20]采用行星式球磨機，磨罐和磨球為不銹鋼材質。磨罐自轉轉速為600 rpm，公轉轉速為300 rpm，球磨時間10 h，飛灰的種類為飛灰和水洗飛灰，球磨結束后分別收集研磨的飛灰和研磨的水洗飛灰用于實驗分析。機械化學方法對水洗飛灰中的重金屬穩定效果更好，但是對Zn和Cd并無明顯的穩定作用。

4 結語

機械研磨處理城市垃圾焚燒飛灰能夠有效的穩定飛灰中的重金屬，使重金屬難以析出，從而減少對環境的污染。目前的機械研磨主要采用的是濕法研磨，通過加入研磨介質，可以更加有效的抑制重金屬的析出。針對濕法研磨垃圾焚燒飛灰的研究相對較少，關于研磨的條件，例如研磨轉速、磨球的直徑及材質、磨球與飛灰的質量比、飛灰與液體介質的質量比以及研磨時間等，需要進一步展開研究，發現最優的研磨條件來穩固飛灰中重金屬。