垃圾焚燒飛灰中重金屬和對應的處理技術

林珊珊

（福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司，福建 廈門361100）

隨著中國經濟的飛速發展和城鎮化的推進，城市生活垃圾量顯著增長，城市周邊用地緊張，傳統的垃圾填埋方式已逐漸被垃圾焚燒所取代。雖然垃圾焚燒廠一次性投資大[1]，但由于目前PPP模式和BOT模式盛行，政府可以較少投入來有效緩解垃圾無害化的燃眉之急，因此垃圾焚燒已成為地方政府無害化處理的首選。然而，生活垃圾成分復雜，含有較高濃度的重金屬，在采用焚燒法處理生活垃圾時，高溫會導致某些重金屬揮發，隨煙氣移動，最終或多或少地富集于飛灰中。飛灰的產生量約為焚燒垃圾量的3%～15%[2]。此外飛灰中還含有二噁英、呋喃等難降解的持久性有機污染物，因此垃圾焚燒飛灰是公認的危險廢物，被納入國家危險廢物名錄中[3]。鑒于垃圾焚燒飛灰年產量大，而可用于處理處置的填埋場容量接近飽和且新擴建填埋場不切實際，垃圾焚燒飛灰的資源化利用已勢在必行。

2019-11生態環境部發布《生活垃圾焚燒飛灰污染控制技術規范征求意見稿》，從國家層面上明確規定垃圾焚燒飛灰可進行資源化利用，并提出了污染控制和處置過程中一系列控制技術和相關標準規范，意見稿中特別提出垃圾焚燒飛灰中所含的重金屬需滿足相應的標準限值，否則無法進行綜合利用。綜述以往的文獻，生活垃圾焚燒飛灰所含的重金屬若不特殊處理，將會對環境造成二次污染[4-7]。本文總結了垃圾焚燒飛灰可能富集的重金屬，并匯總文獻以及國內專利中涉及的飛灰中重金屬固化劑和穩定劑的種類和配方。在這個基礎上，從以廢制廢觀念出發，針對干法脫硫灰的理化性質，探討干法脫硫灰在垃圾焚燒飛灰中的應用可能。

1 垃圾焚燒飛灰中的重金屬

理論上，垃圾焚燒過程中會涉及到各種重金屬。重金屬主要來源于生活垃圾中廢棄的電池、燈管、電器、化學溶劑、塑料產物、彩色報紙等，特別是廢電池Hg、Cd含量較大，焚燒后重金屬轉移至煙氣、底灰和飛灰中。由于煙氣凈化設施的作用，飛灰成為重金屬及其化合物的主要載體[4]。焚燒飛灰中重金屬可達到0.5%～3%[5]。

影響垃圾焚燒過程中重金屬的遷移分布機理包括蒸發-凝結、機械遷移和飛灰吸附等。蒸發和機械遷移過程影響重金屬在底渣與煙氣（含飛灰和尾氣）之間的分配比例，而凝結和吸附過程則決定了重金屬在飛灰和尾氣之間的分配比例。趙曦等[6]綜述了文獻報道中重點關注的12種重金屬，并將其分為4類，具體如下。

第一類主要包括Co、Cr、Cu、Mn和Ni等難揮發重金屬，幾乎全部（90%以上）存留于底渣中，只有很少一部分（不到10%）進入到了飛灰中，而在煙氣中所占的比例微乎其微。

第二類主要包括As、Pb、Zn、Sb和Sn等可揮發易凝結重金屬，大部分（50%～60%）存留于底渣中，也有小部分（40%～50%）揮發并在飛灰顆粒表面凝結。

第三類為Cd，易揮發易凝結，只有很少一部分（約10%）存留于底渣中，絕大部分（約85%）進入到了飛灰中，極小部分（約5%）隨尾氣排出。

第四類為Hg，易揮發難凝結，只有極小部分（約5%）存留于底渣中，小部分（約25%）進入到了飛灰中，大部分（約70%）隨尾氣排出。

筆者對文獻中提及垃圾焚燒飛灰中重金屬總量進行了匯總，形成表1。

由表1可以看出，目前文獻中報道的城市生活垃圾焚燒飛灰中重金屬主要為Cr、Cu、Ni、As、Pb、Zn、Cd和Hg這8種元素，這8種重金屬也是土壤環境質量標準的關注元素。由表1可見，不同城市不同垃圾焚燒廠垃圾飛灰中所含的重金屬種類和含量各不相同，這與各地垃圾種類、垃圾焚燒廠的運行工況如焚燒溫度等有關。

表1 文獻報道中的不同城市垃圾焚燒廠中重金屬種類和含量（單位：mg/kg）

2 垃圾焚燒飛灰的無害化處理技術

在GB 18485—2014《生活垃圾焚燒污染控制標準》中，明確提出焚燒飛灰按危險廢物進行管理，如果要進入生活垃圾填埋場填埋處置，須滿足GB 16889—2008的要求。目前，將飛灰經過無害化處理滿足GB 16889—2008要求后送生活垃圾填埋場填埋處置是國內處理飛灰的主要手段[4]。從國內外飛灰處理技術現狀來看，飛灰的無害化處理一般包括高溫熔融和燒結處理、藥劑穩定化處理和固化-穩定化處理。

2.1 高溫熔融和燒結處理

熱處理技術指的是，飛灰中的有機物在高溫下反應降解，并在這個過程中將重金屬固定在致密的結構體內。根據溫度溫度不同，一般包括燒結（一般控制在1 100℃）、熔融處理（一般控制在1 400℃）。熱處理后的產物化學性質更為穩定，體積也更小。最常見的熱處理技術是熔融法，該技術設備投資大、能耗高，飛灰高溫熔融前需進行干燥處理，工藝較為復雜；此外Hg、Zn等重金屬高溫易揮發，后續煙氣處理比較復雜，處理成本高，不利于大規模推廣。

2.2 化學藥劑穩定化處理

化學藥劑穩定化是利用化學藥劑通過化學反應把重金屬變成不溶于水的無機礦物質或高分子絡合物，使飛灰中的有毒有害物質轉變為低毒性、低溶解性、低遷移性的物質，分為無機藥劑和有機藥劑2類。常用的無機藥劑有硫化鈉、磷酸鹽、硫酸亞鐵；有機藥劑則主要以有機螯合型藥劑為主，包括巰基胺鹽、氨基硫代甲酸鹽、EDTA接聚體、月桂醇單質磷酸鹽、殼聚糖衍生物等。無機藥劑對重金屬穩定效果不太好，在酸性環境中容易浸出，因此近年來更重視對有機螯合劑的研究，以期實現在不增容或少增容的條件下穩定處理飛灰中的重金屬[4]。

藥劑穩定化處理飛灰時只需要消耗少量的化學藥劑，對重金屬的穩定化效果好，但操作管理較為復雜，投資和運行費用較高。且由于焚燒飛灰組分及重金屬形態的復雜性及由于垃圾成分的多變性造成的飛灰組分具有多變性，很難找到一種普遍使用的化學穩定劑。另外，與水泥相比，有機螯合劑存在價格昂貴的問題。

2.3 固化-穩定化技術

固化指的是利用惰性材料（固化劑）與污染物完全混合使其生成固化體的過程，阻止污染物在環境中遷移和擴散過程。穩定化指利用化學添加劑（穩定劑）與污染物混合，使其轉化為化學性質不活潑的形態，降低污染物毒性和遷移性等過程。二者各有不同，但為了達到更好的效果，在實踐中通常將二者搭配使用，如水泥藥劑固化-穩定化。

水泥固化過程中，飛灰中重金屬通過吸附、離子交換、化學吸收、鈍化、沉降等方式與水泥發生反應，最終以絡合物或氫氧化物的形式停留在水化硅酸鹽膠體表面上。同時加入水泥為重金屬提供了堿性環境，可抑制重金屬的浸出，進而達到穩定化的目的。但是，單一的水泥固化基材添加量大、固化產物增重比和增容比高，而應用藥劑提前將重金屬穩定化，既可降低增容比，又可降低重金屬二次污染風險，同時降低單純使用藥劑的成本。

3 干法脫硫灰用于飛灰固化劑的可能性探討

干法脫硫灰是利用消石灰在高濕度吸收塔中與煙氣中污染物進行反應而產生的副產物，具有含水率低、粒徑細、粒徑分布窄等特點，主要礦物成分包括粉煤灰、亞硫酸鈣、硫酸鈣、氫氧化鈣、碳酸鈣和未反應的氫氧化鈣等，其理化特性受不同煙氣來源、脫硫工況等影響，目前已在水泥、蒸壓磚、砂漿、路基材料等諸多領域得到工業化應用推廣。

參考了文獻中采用工業廢渣作為固化劑的報道，根據干法脫硫灰的理化性質，其有可能作為飛灰重金屬固化穩定化劑的可能，應用機理與水泥、石灰、粉煤灰等固化-穩定化的機理類似：①利用干法脫硫灰的火山灰性質反應產生的體系，通過離子交換形成固溶體共沉淀形成新相，以及物理吸附和包裹等作用，對重金屬進行固化和鈍化；②改變固化體的pH，促進重金屬生成碳酸鹽、硅酸鹽、氫氧化物沉淀，對部分重金屬進行鈍化，降低其遷移轉化能力。此外，利用干法脫硫灰特殊的火山膠凝特性，用于垃圾焚燒飛灰重金屬固化時，還可提高其固化體強度。

4 結論

綜合文獻報道的資料，對于垃圾焚燒飛灰的處理，沒有一種放之四海而皆準的技術。目前最主流的飛灰重金屬處理技術為水泥固化加化學藥劑穩定聯用?；瘜W藥劑又分無機和有機，種類繁多。目前生活垃圾焚燒飛灰能進填埋場的指標主要包括含水率、二噁英和重金屬浸出，沒有涉及固化體的強度。但實際操作過程中，若固化體因強度減低而解體破壞，其環境風險將增大。采用干法脫硫灰可用于飛灰重金屬固化，同時提高固化體強度，降低后期環境風險。