福建省垃圾焚燒飛灰的理化特性分析

江佩澤

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院 福建福州 350008）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城鎮(zhèn)化進(jìn)程和居民生活消費(fèi)水平不斷提高，生活垃圾也隨之逐年增加。垃圾焚燒由于具有減量化、資源化與無(wú)害化等優(yōu)勢(shì)，已成為國(guó)內(nèi)處理生活垃圾的主要方式。國(guó)家大力支持垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，發(fā)布了一系列鼓勵(lì)政策，為垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)提供良好的發(fā)展環(huán)境。自2020 年以來(lái)，福建省已經(jīng)新增加了35 臺(tái)垃圾焚燒鍋爐。

在垃圾焚燒處理過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生酸性氣體、顆粒、重金屬揮發(fā)物、二噁英等污染物質(zhì)，其中酸性氣體在煙氣凈化系統(tǒng)中被中和劑吸收生成鹽類(lèi)，重金屬揮發(fā)物、二噁英則十分容易被吸附在顆粒物上。生活垃圾焚燒后主要有2 種灰分：爐渣（底灰）和飛灰。飛灰主要是生活垃圾在焚燒處理過(guò)程中，通過(guò)煙氣凈化系統(tǒng)的方式進(jìn)行收集與處理之后所產(chǎn)生的殘留物，這些殘留物屬于危險(xiǎn)廢物［1］。飛灰處理已有各種不同的技術(shù)，如化學(xué)藥劑穩(wěn)定化［2］、固化處理［3］、高溫處理、浸提萃取法等。而不同區(qū)域的垃圾焚燒飛灰，其理化性質(zhì)也各不相同，對(duì)處理技術(shù)的適應(yīng)性、處理效果等也有很大的影響。

飛灰的基本理化性質(zhì)是研發(fā)其穩(wěn)定/固化技術(shù)的基礎(chǔ)，可為福建省生活垃圾焚燒飛灰處置起到重要的指導(dǎo)作用。本文針對(duì)福建省3 個(gè)不同地區(qū)的垃圾焚燒電廠飛灰樣品的特性進(jìn)行分析，分別討論3 類(lèi)飛灰的微觀形貌、元素組成特性、重金屬浸出特性等，為后續(xù)垃圾焚燒飛灰無(wú)害化處理及資源化利用提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用垃圾焚燒飛灰樣品分別取自福建省內(nèi)3 個(gè)不同地區(qū)的垃圾焚燒電廠，福州地區(qū)某垃圾焚燒廠為飛灰A，該焚燒鍋爐的型號(hào)為L(zhǎng)C500-45.4-4.0/400，生產(chǎn)廠家為江聯(lián)重工股份有限公司；泉州地區(qū)某垃圾焚燒電廠為飛灰B，鍋爐型號(hào)SLC600-3.82/450，生產(chǎn)廠家為南通萬(wàn)達(dá)鍋爐有限公司；南平地區(qū)某垃圾焚燒電廠為飛灰C，鍋爐型號(hào)HG-SLC600-6.4/450-4，生產(chǎn)廠家為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 微觀形貌

飛灰的微觀形貌采用美國(guó)FEI 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM）進(jìn)行觀察，型號(hào)為QUANTAFEG250。在SEM 測(cè)試前，需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理方法如下：將待測(cè)樣品放入烘箱中70 ℃烘干30 min，取約1 g 樣品涂抹在粘有導(dǎo)電膠的樣品底座上，后用洗耳球吹走未粘住的飛灰樣品，送入電鏡進(jìn)行觀察。

1.2.2 元素成分

在對(duì)飛灰進(jìn)行SEM 觀察后，使用SEM 聯(lián)用的英國(guó)牛津型號(hào)為Inca Energy 250 X-MaxN 20 能譜儀（EDS）對(duì)飛灰的元素成分進(jìn)行分析。

1.2.3 重金屬總量測(cè)試

按照《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 166—2004）附錄D.1.1［4］的普通酸分解法制得消解液，使用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP）儀測(cè)試重金屬總含量。制備步驟如下：①取0.5 g 烘干樣品于聚四氟乙烯坩堝中，用幾滴水濕潤(rùn)后加入10 mLHCl 溶液（ρ=1.19 g/mL），電熱板加熱蒸發(fā)至約5 mL 時(shí)加入15 mL HNO3溶液（ρ=1.42 g/mL）；②繼續(xù)水浴加熱蒸發(fā)至近黏稠狀，加入10 mL HF 溶液（ρ=1.15 g/mL），經(jīng)常搖動(dòng)坩堝加熱2 h，加入5 mL HClO4溶液（ρ=1.67 g/mL）；③加熱至白煙冒盡，傾斜坩堝時(shí)呈不流動(dòng)黑色黏稠狀，用稀酸溶液沖洗坩堝內(nèi)壁，溫?zé)崛芙鈿堅(jiān)鋮s后定容至100 mL，得到消解液。

1.2.4 重金屬浸出毒性測(cè)試

按照《固體廢物浸出毒性浸出方法 醋酸緩沖溶液法》（HJ/T 300—2007）［5］得到浸出液，使用美國(guó)鉑金艾爾曼的電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP）測(cè)試重金屬浸出量。

2 結(jié)果與討論

2.1 飛灰的表面微觀形貌

使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察飛灰孔隙及表面微觀結(jié)構(gòu)并進(jìn)行分析。圖1 為3 種試驗(yàn)樣品飛灰放大1 000 倍的SEM 照片。

圖1 飛灰A、B、C 放大1 000 倍的SEM 照片

由圖1 可知，3 種飛灰的外觀能觀察到其中含有大量的結(jié)晶態(tài)和一些不規(guī)則狀顆粒，呈球狀、橢球狀、片狀層疊或立方體。在SEM 放大1 000 倍下，飛灰A 顆粒松散，顆粒均呈球狀、橢球狀，分布均勻，飛灰顆粒粒徑在10～25 μm 之間；飛灰B 顆粒有一定的團(tuán)聚現(xiàn)象，大部分顆粒呈球狀、橢球狀，部分顆粒呈立方體，飛灰顆粒粒徑在5～50 μm 之間且分布不均勻，大顆粒表面可見(jiàn)疏松多孔結(jié)構(gòu)；飛灰C 顆粒松散細(xì)小呈球狀，分布均勻，飛灰顆粒粒徑都在10 μm 以下。

2.2 飛灰的元素分析

用能譜分析儀（EDS）對(duì)3 種焚燒飛灰顆粒表面的元素組成進(jìn)行分析。圖2 顯示了3 種飛灰的元素分析結(jié)果。

圖2 3 種飛灰樣品的能譜圖

根據(jù)EDS 的分析結(jié)果，得出3 種飛灰中的元素重量與原子的百分比，如表1 所示。

表1 飛灰A、B、C 的EDS 分析結(jié)果（%）

由表1 可知，飛灰A 的元素組成中，元素O 與Ca之和占85%以上，還含有少量的Si（3.2%）、Cl（2.8%）、Mg（2.5%）、S（1.3%）；飛灰B 的元素組成中，元素O 與Ca 之和占90%以上，還含有少量的Cl（4.4%）、Mg（1.0%）、Na（0.8%）、S（0.7%）等其他元素；飛灰C 的元素組成中元素O 與Ca 之和占85%以上，還含有少量的Cl（4.7%）、S（1.8%）。

從元素成分發(fā)現(xiàn)O 元素占1/2 以上，再結(jié)合焚燒爐內(nèi)為富氧環(huán)境的狀況，推斷飛灰中的成分大多數(shù)都是以金屬氧化物和非金屬氧化物的形式存在。3 種飛灰的元素組成以O(shè) 元素和Ca 元素為主，這是由于在垃圾焚燒過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量SO2和HCl 等酸性氣體，為了不將這些有毒有害氣體排入環(huán)境，需要在煙氣回收系統(tǒng)中添加脫硫劑，脫硫劑的主要成分為石灰［6］，進(jìn)而導(dǎo)致飛灰中O元素和Ca 元素含量較高。

2.3 飛灰中重金屬總量分析

表2 顯示了飛灰中重金屬的含量。

表2 樣品中重金屬含量與土壤背景值對(duì)比 單位：mg／kg

由表2 可知，飛灰A 重金屬總量為3 466 mg/kg，約占飛灰質(zhì)量的0.34%；飛灰B 重金屬總量為5 687 mg/kg，約占飛灰質(zhì)量的0.56%；飛灰C 重金屬總量為3 600 mg/kg，約占飛灰質(zhì)量的0.36%。飛灰中重金屬含量與不同地區(qū)垃圾的成分不同密切相關(guān)，A 廠的垃圾來(lái)源主要是城市內(nèi)的生活垃圾，其中含的廢鋅、廢鉛蓄電便是Pb、Zn 重金屬元素的來(lái)源；B 廠的垃圾來(lái)源大部分是城市內(nèi)生活垃圾，又因廠區(qū)在工業(yè)園區(qū)內(nèi)，摻燒了工業(yè)廢料、建筑垃圾和油漆涂料，故樣品B 的各類(lèi)重金屬含量整體偏高；C 廠位于閩北地區(qū)，綠化面積占比是全省最高，在焚燒生活垃圾的同時(shí)還摻燒了城市綠化廢料，包括有樹(shù)葉、樹(shù)枝、樹(shù)根和干草，所以樣品C 中的重金屬含量偏低。3個(gè)樣品的檢測(cè)結(jié)果與土壤平均值范圍相比較，Cr、Ni 的含量在參考范圍內(nèi)，Pb、Cu、Zn 的含量遠(yuǎn)超參考值，因此飛灰在填埋和資源化利用前需要進(jìn)行無(wú)害化處理，否則對(duì)生態(tài)環(huán)境有潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 重金屬浸出毒性

表3 為按照《固體廢物浸出毒性浸出方法 醋酸緩沖溶液法》（HJ/T 300—2007）得到A、B、C 3 種飛灰樣品浸出液的重金屬浸出量，以及《生活垃圾填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16889—2008）［7］中規(guī)定的浸出液污染物質(zhì)量濃度限值。醋酸緩沖溶液法飛灰在進(jìn)入衛(wèi)生填埋場(chǎng)后，重金屬受滲濾液影響［8］，當(dāng)浸出液中任何一種危害成分的質(zhì)量濃度超過(guò)規(guī)定的限值，則該樣品不能直接進(jìn)入生活垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行填埋處置。

表3 樣品中重金屬浸出濃度 單位：mg／L

從表3 的數(shù)據(jù)中可以看出，飛灰C 的重金屬浸出量較低，這與其較低的重金屬總量有關(guān)。整體上來(lái)看，A、B、C 3 種飛灰樣品Cr 的浸出量低于限值，Ni 的浸出量在限值附近，而Pb、Cu、Zn、As 的含量都超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，因此，必須對(duì)3 種飛灰樣品進(jìn)行穩(wěn)定化、無(wú)害化處理方可進(jìn)入生活垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行填埋處置。

3 結(jié)論

（1）3 種飛灰的外觀能觀察到其中含有大量的結(jié)晶態(tài)和一些不規(guī)則狀顆粒，呈球狀、橢球狀、片狀層疊或立方體，試樣A、C 顆粒松散，試樣B 顆粒有一定的團(tuán)聚現(xiàn)象；試樣A 粒徑在10～25 μm 之間，試樣B 有粒徑在50 μm的顆粒，試樣C 粒徑在10 μm 以下。

（2）3 種飛灰元素組成以Ca 和O 為主，這2 類(lèi)元素占85%以上，其余部分元素有Cl、S、Mg、Si 等。

（3）3 種飛灰中的重金屬含量與土壤平均值范圍相比較，Cr、Ni 的含量在參考范圍內(nèi)，Pb、Cu、Zn 的含量遠(yuǎn)超參考值，需要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定化、無(wú)害化處理。

（4）3 種飛灰重金屬浸出量不符合《生活垃圾填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16889—2008）的要求，屬于高浸出毒性的危險(xiǎn)廢棄物，不能直接進(jìn)入生活垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行填埋處置。