危險廢物焚燒處理技術研究進展及展望

張國輝，洪 斌，李子雄，肖輝煌，陳玲波，戴 欣，余志元

（1.商丘中電環保發電有限公司，河南 商丘 476000；2.湖南省環境保護科學研究院，湖南 長沙 410014）

危險廢物通常具有腐蝕性、毒性、易燃性、反應性、感染性中的一種或多種，不恰當的處置會對環境安全及人體健康造成較大影響。目前，主流的危險廢物無害化最終處置方法為焚燒、物化和填埋，其中焚燒處理工藝是危險廢物處理常規工藝之一，由于該技術處理效果穩定可靠，且在減量化、無害化等方面具有獨特優勢，在危險廢物處置領域得到了廣泛應用。近年來，隨著我國“兩型社會”建設、“無廢城市”建設以及碳達峰、碳中和行動的深度開展，對危險廢物焚燒處理過程中污染防治要求、能源利用效率以及資源回收利用率有了新的要求。因此，本文針對我國目前危險廢物焚燒技術的研發進展進行綜述，并對新形勢下技術未來發展方向進行了展望。

1 危險廢物焚燒技術研發進展

危險廢物焚燒處理系統分為預處理、配伍、進料以及焚燒處理。其中焚燒處理系統是焚燒工藝的主要組成部分，一般包括焚燒爐、余熱回收系統、煙氣凈化排放系統、灰渣系統等。目前，針對危險廢物焚燒處理工藝，已開展的研究工作主要包括焚燒爐設備、煙氣凈化技術、余熱回收系統、灰渣處理等。常規焚燒爐爐型包括機械爐排焚燒爐、流化床焚燒爐、熱解焚燒爐、回轉窯焚燒爐等［1］。以回轉窯為例，在回轉窯焚燒爐工藝設計研究中，根據危險廢棄物的種類、熱值、元素成分等綜合因素，結合其它工程的實際經驗，對回轉窯內的操作溫度、回轉窯轉速、窯內空氣過量系數、廢物停留時間、回轉窯內熱負荷、長徑比及傾斜度等關鍵參數進行確定和優化［2］。目前，回轉窯焚燒爐對熱值很低的危險廢物也較為有效、徹底。在此基礎上，為進一步提高焚燒爐的焚燒效果，針對危險廢物焚燒的工藝優化研究也在開展中。劉元虎等以進料方式為自變量，建立了以回轉窯穩態溫度為因變量的控制模型，通過設計試驗分析得出在危險廢物進回轉窯前的最佳配伍和進料處理方法，可以穩定回轉窯內焚燒處理時的溫度，不僅可以提高危險廢物的處理效率，同時兼顧焚燒處理后產生有毒害尾氣的處理，進一步降低焚燒處理時燃料成本和提升處理產生物的經濟效益［3］。經過驗證，目前逐步形成了“回轉窯＋二燃室＋余熱鍋爐＋急冷塔＋干式脫酸＋布袋除塵＋濕式洗滌”的危險廢物處理工藝，取得了較好的處理效果。

2 焚燒煙氣處理技術研究進展

危險廢物經過焚燒處理后產生的煙氣，需采取相應的技術手段進行處理，實現達標排放。煙氣處理技術包括硫氧化物、氮氧化物等酸性氣體的去除、煙氣中顆粒物的去除以及二噁英的控制等。煙氣中酸性氣體的去除可采用常規的半干脫酸塔去酸凈化技術和干式脫酸塔去酸技術實現，煙氣中顆粒物的去除一般采用布袋除塵工藝，除塵效率較高，通常可達到99%以上。二噁英的控制可以通過優化焚燒爐焚燒參數，實現危險廢物在焚燒爐內的高溫（1000℃以上）充分燃燒，從源頭避免二噁英的產生；通過對煙氣采取急冷降溫工藝，防治二噁英的二次生成。同時，已有相關研究通過在焚燒過程中添加阻滯劑的方式，減少二噁英的生成［4］。常規的阻滯劑包括氫氧化鈣＋磷酸二氫銨，其中氫氧化鈣對二苯并呋喃（PCDF）生成的抑制作用較強，另有硫脲＋磷酸二氫銨阻滯劑，其對二噁英和氯苯的阻滯效果明顯優于同等濃度的氫氧化鈣＋磷酸二氫銨，其中硫脲對多氯代二苯（PCDD）的抑制作用更強。可見，借助于大氣污染控制學科較為完備的基礎理論及實踐經驗，目前危險廢物煙氣處理工藝已經較為成熟和完善，可保障煙氣排放滿足《危險廢物焚燒污染控制標準》（GB18484—2020）相關要求。

3 焚燒處理產生的灰渣中重金屬處理技術的研究進展

危險廢物焚燒處理過程中應尤其重視重金屬所產生的環境風險。重金屬鎘、鉛、鋅和汞在底渣中的相對富集系數低于飛灰，所以焚燒產生的飛灰中鎘、鉛、鋅和汞含量較高，而底渣中的鉻含量更高，危廢中氯占比和鈣鐵占比會影響銅和砷在灰渣中的相對富集情況；重金屬汞、鉻、砷、鉛和鋅向飛灰中遷移的主要方式為蒸發、冷凝和吸附，硒和鉻向飛灰中的主要遷移方式為煙氣夾帶，焚燒氣氛和危廢中氯占比會影響銅向飛灰中遷移［5］。所以需要對飛灰及底渣進行妥善處置。目前，灰渣中重金屬的安全處置仍在技術、經濟性等方面遇到了挑戰。如何處理灰渣中重金屬，是提高危廢焚燒處理工藝水平的重點和難點。

3.1 灰渣處理技術

由于原料和焚燒方式的差異，飛灰及焚燒底渣的成分也有較大差異［6］，目前逐步形成添加固化穩定化藥劑固化處置、水泥窯協同處置、高溫燒結、熔融等處理技術［7］。

3.1.1 固化處置技術

固化處置技術包括固定化和穩定化兩個方面。其中，固定化指在殘渣中添加固化劑，并使其轉變為無流動性狀態的過程，而穩定化則指利用某種手段增加殘渣中有毒成分的穩定性或降低其毒性，以減小其污染潛力的過程，該過程僅涉及到化學反應的發生。劉彥博等利用水泥固化和TMT重金屬捕捉劑穩定化聯用的方式對垃圾焚燒飛灰進行了處置［8］，可實現固化體的重金屬浸出濃度均能滿足填埋標準；鄧友華采用普通硅酸鹽水泥固化和富里酸、胡敏酸以及CaCl2的混合溶液穩定化聯用的方式對危險廢物焚燒處置殘渣進行了無害化處置［9］，結果表明，當富里酸、CaCl2和胡敏酸的添加量分別為10%、0.35%和0.7%，養護時間為7d，水泥摻量為10%，或養護時間為14d，水泥摻量為5%時，固化體的抗壓強度和重金屬浸出濃度均能滿足填埋標準；B.M.Wang等使用MgO－SiO2－H2O（M－S－H）膠凝材料對市政固體焚燒飛灰進行了固化處置［10］，結果表明，M－S－H膠凝材料對市政固體焚燒飛灰的固化效果十分顯著，其中，重金屬硒、鉛和鋅的固化效率分別達到97.5%、99.8%和98.7%。

3.1.2 水泥窯協同處置技術

水泥窯協同處置是將飛灰水洗脫氯與水泥窯高溫煅燒兩種技術結合，采用水洗法將飛灰中的鉀、鈉、硫、氯提取出來制成工業產品；其余部分送入水泥窯中進行高溫煅燒，經過在水泥窯高溫熔融后飛灰中的重金屬元素固化于水泥熟料的晶格中，且二噁英在水泥窯的高溫中徹底分解，無法再次合成；用于洗脫飛灰的水進行循環利用，而煙氣經多級吸附和收塵后達標準排放［11］。北京市金隅琉水環保科技有限公司采用該工藝。

3.1.3 高溫燒結技術

高溫燒結與水泥窯協同處置相似，都屬于熱處理技術，即在1000～1100℃的高溫狀態下分解飛灰中的有機污染物，并使得飛灰中的重金屬元素固定在致密結構體晶格中。飛灰通過高溫燒結后可用于制備建材［12］。飛灰通過高溫燒結后其中重金屬元素的浸出毒性大為降低，但易揮發的重金屬元素在高溫燒結的過程中會進入煙氣中，必須對高溫燒結所產生的尾氣進行處理。需要注意，對于飛灰制備免燒輕型集料，應添加相應的重金屬穩定劑、固化劑，以避免重金屬的浸出。

3.1.4 熔融技術

熔融技術是往飛灰中添加細小的玻璃質，在1500℃高溫下熔融成玻璃體，將重金屬元素固定在形成的玻璃中，與高溫燒結和水泥窯協同處置一樣，有機污染物會在高溫下分解。但因為高溫熔融過程中全程隔絕空氣，所產生的煙氣量比其他技術要小，熔融過程中產生的飛灰在收集后可以成為冶金原料。該技術的優點是能產生高質量的建筑材料，而該技術的缺點是熔融的能耗大與成本高［13］。

3.1.5 水熱處理技術

水熱處理技術是在壓力容器中加入飛灰與水并密封，通過施加高壓高溫將壓力容器中的混合液制成結晶體的處理方法。研究表明，水熱處理技術對飛灰中的有機污染物及重金屬元素具有比較好的處理能力［14］。而在水熱條件下，按照一定比例將灰渣和粉煤灰混合，可以生成雪硅鈣石，以此來固化重金屬，并使水熱產物的重金屬元素浸出毒性降低［15］。此外，先通過高溫熔融再用水熱處理可以合成羥基方鈉石和X型沸石，其產生的沸石陽離子交換能力、比表面積和孔隙大小高于煤灰合成的沸石，因此采用水熱處理技術將灰渣合成沸石將成為灰渣資源化利用的發展趨勢［16］。

3.2 灰渣中重金屬的回收利用

危險廢物焚燒產生大量飛灰及底渣，通常占原危險廢物重量的20% ～30%，且由于某些危險廢物焚燒灰渣中某些種類的金屬元素含量較高，具有資源化利用價值，因此灰渣中有價金屬的回收成為了一個重要的發展方向。目前，有價金屬資源化處理的方法主要有溶液浸出提取和生物浸出提取兩種。

3.2.1 溶液浸出提取技術

溶液浸出提取即根據有價金屬的性質選擇相應的浸出液，將含有有價金屬的廢渣置于浸出液中，隨后通過一系列的化學反應，再選擇性地分離浸出液中的有價金屬，從而回收利用灰渣中的有價金屬，目前采用較多的有酸浸法提取和氨浸法提取兩種。朱正江等對河南鄭州市新鄭市某危險廢物處置中心的飛灰進行重金屬鉛回收研究，該飛灰采用回轉窯＋二燃室焚燒工藝。研究發現，飛灰中鉛浸出濃度超過標準限值，采用硫酸浸出，回收率高達90.96%，同時通過碳酸銨轉化為硫酸鉛沉淀，轉化率可達99.68%，實現鉛的回收［17］。廖昌華等采用酸浸法實現了電鍍污泥焚燒渣中有價金屬Cu和Ni的回收［18］，在理想工藝條件下（濃硫酸加入量為0.35 mL／g，液固比為3，給料細度為74μm，浸出時間為1h），有價金屬Cu和Ni的浸提率均超過97%。

3.2.2 生物浸提技術

生物浸提技術是利用微生物（細菌或真菌）將灰渣中的重金屬元素溶出的方法［19］。使用生物浸提技術，可以利用微生物對某種金屬的選擇性吸收，實現特定金屬的去除。

4 危險廢物資源化存在的問題

焚燒技術屬于常規技術，經過多年發展及實踐檢驗，目前已經形成較為成熟的工藝及設備。同時，借助于大氣污染治理技術的成功經驗，危險廢物焚燒煙氣的處理技術目前也較為完備，可以實現煙氣達標排放要求。然而，由于危險廢物焚燒灰渣中重金屬元素含量常常超過《危險廢物污染填埋標準》（GB18598—2001）進場濃度限值，焚燒灰渣處置技術關系危險廢物焚燒的環境安全。目前，水泥窯處置技術、灰渣固化穩定化、高溫燒結、熔融技術研究比較多，也得到了一定的應用，但仍然存著處理成本較高的問題，且難以實現對灰渣中有價金屬元素的回收利用。

5 結 語

通過對危險廢物焚燒灰渣中的重金屬進行提取和回收，一方面降低了灰渣的重金屬污染，同時可以實現金屬資源的回收，并產生一定的經濟價值，具有顯著的環境、經濟效益，是未來危險廢物焚燒灰渣處理技術，乃至危險廢物焚燒工藝的重要發展方向。后續研究中，應著重進一步降低重金屬元素提取成本，避免使用提取藥劑造成的二次污染，同時確保提取后殘渣中殘留重金屬的穩定性，最終實現環境效益與經濟效益的協調，從而更好地解決目前危險廢物焚燒灰渣處理實踐中遇到的難題。