生活垃圾焚燒飛灰處理技術(shù)研究進(jìn)展

高艷華，季毛偉，劉子朋，劉浩

（1.北京城市學(xué)院，北京100083；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京102299）

隨著經(jīng)濟(jì)和生活水平提高，我國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾產(chǎn)生量增長(zhǎng)迅速[1-2]。生活垃圾焚燒產(chǎn)生的飛灰日益增多，目前我國(guó)城市生活垃圾焚燒飛灰產(chǎn)出量每年約1000萬(wàn)噸[3]，而在《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》中飛灰被界定為危險(xiǎn)廢物，飛灰安全處理問(wèn)題亟待解決，日益成為研究熱點(diǎn)。

生活垃圾焚燒飛灰成分復(fù)雜且不確定，一般富含鉀、硅、氯等元素，以氯元素為例，飛灰中含有焚燒含氯塑料形成的氯化氫等酸性氣體與煙氣凈化系統(tǒng)中的堿性物質(zhì)形成的含氯產(chǎn)物，以及廚余垃圾中的食鹽等無(wú)機(jī)氯鹽[4]，無(wú)機(jī)氯鹽的存在將會(huì)限制飛灰的建材資源化。飛灰也吸附有大量重金屬元素，例如：Pb、Zn、Cr等，重金屬易浸出，對(duì)環(huán)境造成二次污染，同時(shí)還含有高毒性、難降解的有機(jī)致癌物二噁英等[5]，已被很多國(guó)家列為危險(xiǎn)廢物，在我國(guó)被列為HW18類(lèi)危險(xiǎn)廢棄物。若不能安全、科學(xué)地進(jìn)行處置，不僅會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染，更是一種資源浪費(fèi)。

綜上，飛灰處理不僅考慮隨飛灰產(chǎn)出量增長(zhǎng)相應(yīng)的處理能力提升問(wèn)題，還應(yīng)考慮環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，換言之，既考慮飛灰處理迫在眉睫問(wèn)題，又需提升處理技術(shù)。飛灰處理技術(shù)問(wèn)題是基本問(wèn)題，因此，本文主要對(duì)我國(guó)目前生活垃圾焚燒飛灰的無(wú)害化及主要處理技術(shù)進(jìn)行綜述，并對(duì)未來(lái)處理技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望。

1 飛灰無(wú)害化及填埋處置技術(shù)

1.1 重金屬及二噁英處理技術(shù)

飛灰作為危險(xiǎn)廢物，首先應(yīng)處理其含有的重金屬、二噁英等有害物質(zhì)后，才能進(jìn)行填埋或資源化處理，下面分述之。

1.1.1 飛灰重金屬固化技術(shù)

已有的常用飛灰固化技術(shù)包括：水泥固化、化學(xué)固化及熱處理。水泥固化是指通過(guò)固化包容減少飛灰表面積，降低滲透性，同時(shí)水泥高pH值使的重金屬形成不溶性碳酸鹽或氫氧化物，達(dá)到無(wú)害化的目的；化學(xué)固化指在飛灰中加入螯合劑包裹重金屬元素，或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)將其轉(zhuǎn)變?yōu)槎栊晕镔|(zhì)，減少重金屬浸出毒性；熱處理技術(shù)主要分為燒結(jié)、熔融或玻璃化方式，是利用高溫條件使二噁英、呋喃等有機(jī)物分解，重金屬則被固定在礦物結(jié)構(gòu)中。各項(xiàng)固化技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1[6-12]。

表1 各項(xiàng)重金屬固化技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

1.1.2 飛灰中二噁英消減技術(shù)

二噁英作為一種持久性高毒污染物而受到廣泛關(guān)注，尤其是在垃圾焚燒的煙氣污染控制方面。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，垃圾焚燒過(guò)程中絕大部分二噁英都將進(jìn)入飛灰中，而現(xiàn)有的關(guān)于飛灰二噁英削減及污染控制技術(shù)，較為薄弱。

目前，已有飛灰二噁英消減技術(shù)主要包括熱分解法、光降解法、機(jī)械化學(xué)法、生物降解法[13]，但缺乏對(duì)機(jī)理的深入研究。其中熱分解法是主要方法，李潤(rùn)東等[14]研究發(fā)現(xiàn)，飛灰中二噁英等在1460℃下分解率達(dá)100%；嚴(yán)建華等[15]在氮?dú)鈼l件下，250~400℃將飛灰加熱1h，二噁英濃度削減率67%~100%，400℃加熱1h為二噁英消減的最佳條件。

1.2 填埋處理技術(shù)

目前，在國(guó)內(nèi)外廣泛采用填埋方式進(jìn)行飛灰處理。我國(guó)主要有兩類(lèi)場(chǎng)所可以進(jìn)行飛灰填埋：危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)以及生活垃圾填埋場(chǎng)。

1.2.1 危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)填埋

作為危險(xiǎn)廢物安全處置終端設(shè)施，危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)在我國(guó)危險(xiǎn)廢物處置設(shè)施建設(shè)規(guī)劃中占有重要地位，其選址、設(shè)計(jì)、施工及質(zhì)量保證、填埋廢物入場(chǎng)、運(yùn)行管理、填埋場(chǎng)污染物排放、封場(chǎng)、監(jiān)測(cè)要求等均應(yīng)符合2019年我國(guó)新《危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。該規(guī)范規(guī)定，進(jìn)入采用雙人工復(fù)合襯層作為防滲層的柔性處理場(chǎng)時(shí)，危險(xiǎn)廢物應(yīng)符合表2中的限值[16]。

表2 危險(xiǎn)廢物允許填埋有毒物質(zhì)含量控制限值

1.2.2 生活垃圾場(chǎng)填埋

因新建危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)選址與建設(shè)愈加困難，已建成的填埋場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，為緩解填埋壓力，充分利用生活垃圾填滿(mǎn)場(chǎng)，環(huán)境保護(hù)部2016年修訂了《危險(xiǎn)廢物豁免管理清單》，飛灰位于該清單中，豁免條件為：飛灰滿(mǎn)足《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中6.3條含水率、二噁英含量要求，以及表3規(guī)定限值，在生活垃圾填埋場(chǎng)填埋過(guò)程中可不按危險(xiǎn)廢物管理[17]。

表3 危險(xiǎn)廢物允許填埋有毒物質(zhì)含量控制限值

填埋技術(shù)較為成熟完善，但由于危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)選址建設(shè)愈加困難，且我國(guó)生活垃圾填埋場(chǎng)已進(jìn)入高速封場(chǎng)階段，同時(shí)安全填埋處理費(fèi)用高，飛灰并未作為資源加以利用，其發(fā)展前景不容樂(lè)觀。同時(shí)由于飛灰中水溶性鹽一般在30%左右，將不能滿(mǎn)足新版《危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中水溶性鹽必須小于10%的入場(chǎng)要求[16]。尋找新的飛灰處理方式刻不容緩。

2 飛灰資源化利用技術(shù)

2.1 利用水泥窯協(xié)同處理飛灰

水泥窯工作系統(tǒng)具有高溫、堿性、余熱、負(fù)壓環(huán)境等特點(diǎn)，可固化重金屬及分解飛灰中的二噁英，同時(shí)可將飛灰用于水泥產(chǎn)品生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)飛灰資源化[18]。相比于傳統(tǒng)填埋技術(shù)，水泥窯處理飛灰，具有節(jié)約土地資源、費(fèi)用低、處理產(chǎn)物長(zhǎng)期環(huán)境穩(wěn)定性良好等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可將飛灰制成符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的水泥及工業(yè)鹽，使飛灰處理做到“減量化、無(wú)害化、資源化、穩(wěn)定化”處理效果，是目前飛灰資源化的主要處理方式。

為促進(jìn)水泥企業(yè)處理生活垃圾飛灰，若符合《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，飛灰可進(jìn)入水泥窯，處置過(guò)程中不按危險(xiǎn)廢物管理[19]，但應(yīng)注意采取適當(dāng)措施消除飛灰中氯離子對(duì)水泥窯系統(tǒng)以及水泥制品的影響。

生活垃圾焚燒飛灰中氯含量較高，例如：北京飛灰氯含量達(dá)20%[4]，氯離子會(huì)嚴(yán)重影響水泥燒成過(guò)程，并對(duì)預(yù)分解窯系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響，例如：其易在水泥熟料生產(chǎn)線的預(yù)熱器內(nèi)壁形成結(jié)皮，造成通風(fēng)不良和預(yù)熱器堵塞[20]，飛灰氯含量限制其建材資源化利用。飛灰水洗預(yù)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸運(yùn)用到實(shí)踐中，飛灰經(jīng)三級(jí)水洗去除氯鹽后再進(jìn)入水泥窯處置[21]，從而促進(jìn)飛灰無(wú)害化、資源化處置，因此該技術(shù)被廣泛推廣。例如，截止2018年，杭州已建成5個(gè)飛灰水洗項(xiàng)目，水洗處置能力累計(jì)達(dá)20萬(wàn)噸/年[22]。

此外，飛灰可制成球狀的顆粒，以此為骨料制作輕質(zhì)混凝土，可適用于隔音隔熱的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)飛灰資源化利用[23]。

2.2 利用工業(yè)固廢固化飛灰協(xié)同充填處理飛灰

目前，工業(yè)固廢與飛灰作為膠凝材料，與尾礦砂等材料一起制成充填材料，用于礦山充填的研究，由于協(xié)同利用固廢和危廢，同時(shí)保護(hù)環(huán)境，成為近幾年研究的熱點(diǎn)[24]。

礦渣具有活性鋁氧和硅氧四面體結(jié)構(gòu)，與水混合有類(lèi)似水泥的水硬性性質(zhì)，礦渣是否可替代水泥用于飛灰固化引起學(xué)者的關(guān)注。岳鵬等[25]按不同水泥、飛灰、粉煤灰或礦渣的配比制作試件和強(qiáng)度測(cè)定，由試驗(yàn)得出摻入粉煤灰或礦渣可提高固化體強(qiáng)度，為飛灰資源化提供技術(shù)支撐。

關(guān)于工業(yè)固廢固化飛灰的利用，也有學(xué)者在協(xié)同礦山充填方向進(jìn)行初步探索。王珂等[26]利用鐵尾礦砂為骨料，高爐礦渣粉、飛灰和少量脫硫石膏為膠凝材料，飛灰摻量54%~60%，加水拌和，選用料漿濃度74%~86%制作試件，進(jìn)行了抗壓和流動(dòng)度試驗(yàn)，研究表明，當(dāng)飛灰、礦渣、脫水石膏質(zhì)量比為60%：36%：4%時(shí)所制成的充填材料，28天抗壓強(qiáng)度13.18Mpa，高于我國(guó)礦山實(shí)際膠結(jié)充填強(qiáng)度一般值(1~6.5MPa)[27]，既盡可能多的處理飛灰，又符合充填材料強(qiáng)度要求，同時(shí)重金屬鎘浸出濃度符合要求。楊恒等[28]采用尾砂、礦渣粉、鋼渣微粉、脫硫石膏、飛灰制作試塊，后4種材料配比為67%：4%：14%：15%，膠砂比1:4，料漿濃度82%時(shí)，流動(dòng)度(260mm)、抗壓強(qiáng)度(24.54MPa)均滿(mǎn)足充填要求。

利用工業(yè)固廢固化飛灰協(xié)同充填處理飛灰技術(shù)，相比于傳統(tǒng)填埋方式，固化效果顯著，并在地下處置危險(xiǎn)固體廢棄物，是一種推廣前景良好的新技術(shù)。

2.3 其他資源化利用途徑

2.3.1 玻璃和陶瓷應(yīng)用

通過(guò)高溫熔融使飛灰玻璃化，玻璃化后的產(chǎn)物可用于制作透水磚、瓷磚、地面鋪設(shè)轉(zhuǎn)、噴砂丸、混凝土骨料、路基土材料等，有著廣泛的用途[29-30]。

飛灰中含有大量SiO2，陶瓷生產(chǎn)需要消耗硅酸鹽物質(zhì)，因此可用于陶瓷生產(chǎn)，但需要控制飛灰用量，以減少其金屬及氧化鐵對(duì)陶瓷性能的影響[23、29]。

2.3.2 農(nóng)業(yè)應(yīng)用

因飛灰含有一定CaO，可代替石灰調(diào)節(jié)土壤酸堿度，此外，飛灰因含有磷鹽和鉀鹽，可用作植物肥料，但因飛灰所含的有毒物質(zhì)對(duì)植物較強(qiáng)的毒害作用，故應(yīng)嚴(yán)格控制用量[23、29]。

3 結(jié)論與展望

隨著經(jīng)濟(jì)及生活水平的提高，危險(xiǎn)廢棄物飛灰產(chǎn)量日益增加，飛灰處理問(wèn)題引起廣泛關(guān)注。本文綜述了飛灰有害物質(zhì)處理3類(lèi)技術(shù)，分危險(xiǎn)廢物以及生活垃圾2種填埋場(chǎng)介紹飛灰傳統(tǒng)的填埋處理方式，重點(diǎn)綜述最新飛灰資源化利用技術(shù)，得出以下結(jié)論：

（1）飛灰成份中含可資源化利用的SiO2、CaO、AL2O3等物質(zhì)，屬CaO-SiO2-L2O3體系，但其含有的重金屬、二噁英等有毒物質(zhì)，以及氯鹽等可溶性鹽，不利于資源化利用的物質(zhì)。因此，無(wú)害化是飛灰處理中需要重點(diǎn)解決的極為關(guān)鍵的問(wèn)題。

（2）目前，填埋是我國(guó)生活垃圾焚燒飛灰的主要處理方式，但因土地資源日益緊張，同時(shí)為避免資源浪費(fèi)，逐漸或正在發(fā)展的利用水泥窯、礦山充填協(xié)同處理飛灰的技術(shù)，既較好地處理飛灰，又實(shí)現(xiàn)資源化。因此，飛灰資源化將成為飛灰處理的主要研究方向。

基于上述結(jié)論，飛灰無(wú)害化技術(shù)對(duì)飛灰處理來(lái)說(shuō)是極為關(guān)鍵的技術(shù)，既能固化重金屬又能去除二噁英的螯合劑研發(fā)有待進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)適應(yīng)惡劣環(huán)境變化的固化技術(shù)，以及飛灰處理過(guò)程中避免二次污染問(wèn)題也有待進(jìn)一步發(fā)展。

飛灰資源化利用，不僅限于建材領(lǐng)域，在農(nóng)業(yè)、化工等領(lǐng)域也有良好的發(fā)展前景。但資源化利用技術(shù)中仍存在較多技術(shù)、經(jīng)濟(jì)問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。例如：氯離子處理技術(shù)，充填體的耐久性問(wèn)題，充填施工工藝與技術(shù)、成本高經(jīng)濟(jì)效益低等問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。