生活垃圾焚燒飛灰穩(wěn)定化和資源化處理初探
摘要：垃圾焚燒飛灰中含有較高濃度的鉛、鎘鎬等重金屬，以及痕量級二惡英類等有機(jī)物，因此被列為危險(xiǎn)廢物。飛灰一般經(jīng)適當(dāng)?shù)姆(wěn)定化預(yù)處理后，才可進(jìn)入危險(xiǎn)廢物填埋場填埋處置。文章簡要介紹了幾種垃圾焚燒飛灰的穩(wěn)定化處理技術(shù)(水泥固化技術(shù)、熔融固化技術(shù)、化學(xué)藥劑穩(wěn)定化技術(shù))，以及飛灰的資源化處理技術(shù)，以期為飛灰處理技術(shù)的進(jìn)一步研究作鋪墊。
關(guān)鍵詞:生活垃圾焚燒飛灰，重金屬，穩(wěn)定化，資源化
1 概述
目前，許多城市尚未實(shí)現(xiàn)垃圾分類分倒，垃圾的成分復(fù)雜，水分高，熱值不穩(wěn)定，使得垃圾處理較困難。垃圾無害化處理已成為我國各級政府面臨的重要問題，垃圾焚燒法以其減容效果好和能源回收率高，而逐漸成為垃圾減量化和資源化技術(shù)的研究方向。
但焚燒過程中會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的焚燒灰渣，根據(jù)垃圾組成和焚燒溫度、時(shí)間的不同，以及污染治理措施的差異，殘?jiān)牧考s占垃圾焚燒前總質(zhì)量的25%左右，其中焚燒飛灰占4%左右。焚燒飛灰中含有較高濃度的鉛、福等重金屬，以及痕量級二pc哄類等有機(jī)物，《危險(xiǎn)廢物污染防治技術(shù)政策》(國家環(huán)？偩郑2001)中，明確將焚燒飛灰列為危險(xiǎn)廢物。
生活垃圾焚燒飛灰是城市生活垃圾焚燒過程中一種必然的副產(chǎn)品，主要是不可燃的無機(jī)物以及未燃盡的無機(jī)物、可燃有機(jī)物;是焚燒爐產(chǎn)生的煙氣經(jīng)反應(yīng)塔進(jìn)行中和、凈化后，摻以一定量的吸附劑，經(jīng)高效除塵分離器分離后產(chǎn)生的。飛灰主要成分有SiO2,CaO,Al203,Fe203和硫酸鹽、鈉鹽、鉀鹽等化合物，還有Hg,Mn,Mg,Sn,Cd,Pb,Cr等重金屬元素、以及痕量級二惡英類等有機(jī)物及其他種類污染物，屬于危險(xiǎn)廢物。飛灰中化學(xué)組成取決于垃圾的組分、焚燒溫度及煙氣處理工藝等多種因素。飛灰的pH值在11.5左右，其形狀不像粉煤灰那樣由球形顆粒組成，大部分飛灰是由顆粒物、反應(yīng)產(chǎn)物、未反應(yīng)產(chǎn)物和冷凝產(chǎn)物聚集而成的形狀不規(guī)則物體。粒徑介于0.01-0.15 um范圍內(nèi)，密度最小值為0.8，最大值為1.09。飛灰的2/3以上化學(xué)物質(zhì)是硅酸鹽與鈣。
由于生活垃圾成分的復(fù)雜性、多樣性、不均勻性，在整個(gè)焚燒過程中會(huì)發(fā)生許多不同的化學(xué)反應(yīng)，所以在焚燒煙氣中除了一定量的過剩空氣和二氧化碳外，還含有對人體及環(huán)境有直接或間接危害的成分，根據(jù)煙氣中污染物性質(zhì)的不同，可將其分成以下幾大類:顆粒物、酸性氣體、重金屬、有機(jī)污染物。
目前，焚燒飛灰均運(yùn)至危險(xiǎn)廢物安全填埋場填埋。飛灰一般經(jīng)適當(dāng)?shù)姆(wěn)定化預(yù)處理后，才可進(jìn)人危險(xiǎn)廢物填埋場填埋處置。
穩(wěn)定化((Stabilization)技術(shù)是用化學(xué)方法降低廢物的危險(xiǎn)潛在性的技術(shù)，可將廢物內(nèi)含的污染組合分轉(zhuǎn)化成難溶的、低遷移率的或低毒的物質(zhì)狀態(tài)，全過程無須改變廢物的物理性質(zhì)和原先特性。固化(Solidification)技術(shù)是將廢物包封起來，形成固態(tài)物的技術(shù)，不強(qiáng)調(diào)污染組分和固化填加劑之間內(nèi)在的化學(xué)反應(yīng)。固化后的廢物狀態(tài)可能是塊狀體、泥土狀、顆粒狀或其他統(tǒng)稱為“固體”的物理形狀。穩(wěn)定化/固化(S/S)或固體/穩(wěn)定化(S/S)技術(shù)是廢物與固化添加劑之間的化學(xué)反應(yīng)或物理過程，污染物遷移被限制，是因減少外露表面積或低滲透性材料包封廢物的表面。危險(xiǎn)廢物的穩(wěn)定化/固化處理(S/S)添加劑材料，有水硬性水泥體系，有機(jī)聚合物和類似材料。但所有材料體系中，最廣泛應(yīng)用的還是水泥系列材料。
采用高效的化學(xué)藥劑對含重金屬廢物進(jìn)行無害化處理，已成為對含重金屬廢物包括飛灰穩(wěn)定化處理領(lǐng)域的研究重點(diǎn)；瘜W(xué)藥劑穩(wěn)定化是利用化學(xué)藥劑通過化學(xué)反應(yīng)使有毒有害組分轉(zhuǎn)變?yōu)榈腿芙庑浴⒌瓦w移性及低毒性組分的過程，同時(shí)也可使廢物少增容或不增容，從而提高危險(xiǎn)廢物處理處置系統(tǒng)的總體效率；瘜W(xué)藥劑穩(wěn)定化處理危險(xiǎn)廢物技術(shù)，目前國外已有部分應(yīng)用，我國也初步嘗試在傳統(tǒng)技術(shù)(水泥固化)沿用基礎(chǔ)上，引用國外先進(jìn)理念，研究化學(xué)藥劑穩(wěn)定化技術(shù)，以填補(bǔ)國內(nèi)該領(lǐng)域的空白點(diǎn)。相關(guān)單位已進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的嘗試。
本文簡要介紹了幾種飛灰的穩(wěn)定化處理技術(shù)(水泥固化技術(shù)、熔融固化技術(shù)、化學(xué)藥劑穩(wěn)定化技術(shù))，以及飛灰的資源化處理技術(shù)，以期為飛灰處理技術(shù)的進(jìn)一步研究作鋪墊。
2 穩(wěn)定化處理技術(shù)
2.1 水泥固化技術(shù)
水泥固化是將灰、水泥按一定比例混合，加人適量的水，使之固化的一種方法，其固化機(jī)理是在水泥水化的過程中，通過吸附、化學(xué)吸收、沉降、離子交換、鈍化等多種方式，重金屬最終以氫氧化物或絡(luò)合物的形式停留在水泥水化形成的水化硅酸鹽膠體C-S-H表面，同時(shí)水泥的加人也為重金屬提供了堿性環(huán)境，抑制了飛灰中重金屬的滲濾。水泥固化飛灰技術(shù)是一種比較成熟的危險(xiǎn)廢物處理技術(shù)，在經(jīng)濟(jì)性和可操作方面具有明顯的優(yōu)勢，但水泥的用量高，導(dǎo)致固化體增容率高，隨著時(shí)間推移，固化體部分有毒物質(zhì)可能會(huì)逐漸溶出，對環(huán)境存在長期的、潛在的威脅。
Hamermil的研究結(jié)果表明，飛灰對水泥的硬化、抗壓強(qiáng)度等方面存在負(fù)面影響，這可能是飛灰的粒徑分散度、無機(jī)鹽(氯化物、硫化物)以及堿性物質(zhì)含量高的緣故。蔣建國等發(fā)現(xiàn)經(jīng)過水洗預(yù)處理，焚燒飛灰中的可溶性鹽類大大減少，重金屬浸出毒性有明顯的降低，以飛灰原樣制成固化體的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長而降低。賀杏華等發(fā)現(xiàn)當(dāng)飛灰摻量適當(dāng)時(shí)，重金屬物質(zhì)的固化效果良好，重金屬物質(zhì)通過物理固封、替代、沉淀反應(yīng)和吸附等形式可固化進(jìn)水泥水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中。
2.2 熔融固化技術(shù)
熔融固化技術(shù)主要是將飛灰和細(xì)小的玻璃質(zhì)混和，經(jīng)混合造粒成型后，在1 000一1 400℃高溫下熔融，通常30min左右(熔融時(shí)間視飛灰性質(zhì)的不同而定)，待飛灰的物理和化學(xué)狀態(tài)改變后，降溫使其固化，形成玻璃固化體，借助玻璃體的致密結(jié)晶結(jié)構(gòu)，確保重金屬的穩(wěn)定。熔融固化技術(shù)對殘?jiān)臏p容率高，固化效果好，但是致命缺點(diǎn)是部分有毒物質(zhì)會(huì)揮發(fā)出來，必須采取尾氣處理措施。所以，其系統(tǒng)較復(fù)雜，運(yùn)行成本高。
Takaoba M等通過對淤泥焚燒底渣1 400 ℃熔融中試實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):沸點(diǎn)較低的金屬如Cd、 Pb的鹽類物質(zhì)易轉(zhuǎn)移到氣體中，必須采取進(jìn)一步尾氣處理措施，這樣會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜化，從而提高了運(yùn)行成本。陳德珍等的研究表明，受熱溫度越高、時(shí)間越長，飛灰減量越大，低溫玻璃態(tài)物質(zhì)對重全屬鉛和福具有較好的固化效果、而對汞及砷的固化效果尚不確定。
2.3 化學(xué)藥劑穩(wěn)定化技術(shù)
化學(xué)穩(wěn)定化技術(shù)是利用化學(xué)藥劑，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)使有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榈腿芙庑、低遷移性及低毒性物質(zhì)的過程。常用的穩(wěn)定劑為無機(jī)物和有機(jī)物。無機(jī)物主要有Na2 S及磷酸類藥劑，有機(jī)藥劑主要是鰲合高分子物質(zhì)，將飛灰與帶有絡(luò)合基的不溶性藥劑進(jìn)行混合，飛灰中易溶性金屬(Cd、 Pb等)同藥劑中的絡(luò)合基反應(yīng)后，形成穩(wěn)定性絡(luò)合物，進(jìn)而固定在飛灰中，以此達(dá)到降低飛灰中有害成分浸出的可能性。用上述這些藥劑處理飛灰，一般都可達(dá)到較好的效果，此方法具有處理過程簡單，設(shè)備投資少等優(yōu)點(diǎn)，但會(huì)產(chǎn)生高濃度無機(jī)鹽廢水，需要進(jìn)一步處理。另外，填埋場或經(jīng)處理后飛灰的再利用的環(huán)境條件與飛灰固化穩(wěn)定化時(shí)的條件相差很大，因此，一些長期的環(huán)境效應(yīng)還有待于長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)和研究結(jié)果的驗(yàn)證。由于飛灰組分及重金屬存在形態(tài)的復(fù)雜性，目前很難找到一種普遍適用的價(jià)格低廉的化學(xué)穩(wěn)定劑，還需要做大量的試驗(yàn)研究工作。
采用硫化鈉、硫代硫酸鈉和硫脈等對生活垃圾焚燒廠的飛灰進(jìn)行處理時(shí)，主要是利用它們與重金屬生成硫化物沉淀，從而穩(wěn)定飛灰中重金屬。如常州市采用硫化鈉和硫脈對生活垃圾焚燒廠飛灰進(jìn)行穩(wěn)定化處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，在達(dá)到相同的穩(wěn)定效果時(shí)硫化鈉的最佳用量為硫脈的2倍。但目前硫脈的市場價(jià)格很高，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還要考慮到經(jīng)濟(jì)性的問題。使用Na2S為藥劑的研究發(fā)現(xiàn)，隨著Na2S投加量的增大，浸出液中Pb和Cd的濃度逐漸降低，表明飛灰的穩(wěn)定化效果越來越好，用Na2S來處理飛灰的最佳投加比例為Na2S 9H20:飛灰=1 :20。
磷酸鹽處理飛灰方法是基于不溶性金屬磷酸鹽的生成(如:Pb5(PO4)3Cl,Cd3(PO4)2等)，從而進(jìn)行生活垃圾焚燒飛灰穩(wěn)定化的一種方法。用磷酸鹽化學(xué)試劑進(jìn)行飛灰的穩(wěn)定化處理，可用液態(tài)或固態(tài)的磷酸鹽試劑，液態(tài)磷酸鹽處理速度快，固態(tài)磷酸鹽可緩慢并長久地釋放磷酸根。上海寰保渣業(yè)處置有限公司發(fā)明的一種新型飛灰穩(wěn)定化處理方法，無需機(jī)械攪拌，無需配備儲(chǔ)存?zhèn)}庫、穩(wěn)定化車間，采用氣、液相互混合的方式，氣體輸送飛灰，與化學(xué)藥劑(磷酸鹽)混合反應(yīng)后，直接進(jìn)人填埋坑進(jìn)行穩(wěn)定化處置。
3 資源化處理
目前，國家對于飛灰處置的原則是，通過無害化、穩(wěn)定化處置后，使得飛灰中滲出液毒性符合標(biāo)準(zhǔn)后，最終予以填埋。但實(shí)際情況是，幾乎所有城市在安全填埋場的選址上存在很大困難;焚燒飛灰采用填埋方式，占地較大，且其重金屬溶出對環(huán)境和人體健康的長期效應(yīng)尤待考證研究。
無害化、減量化、資源化是固體廢棄物處理處置的原則和目標(biāo)，而固體廢棄物的資源化利用是我們所追求的。進(jìn)行資源化利用時(shí)，除需滿足浸出毒性標(biāo)準(zhǔn)，還需滿足材料應(yīng)用的其他物理化學(xué)性質(zhì)要求，如:抗壓強(qiáng)度、長期化學(xué)浸出行為和物理完整性等。飛灰資源化利用是垃圾焚燒處置項(xiàng)目能持久推廣的必然要求。
從上海有關(guān)方面的進(jìn)展情況看，對飛灰進(jìn)行資源化利用已不單純是一種設(shè)想，而是有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，其主要方向是為微晶玻璃、水泥及涂料等提供原料，各項(xiàng)指標(biāo)均較理想，尤其是將飛灰經(jīng)適當(dāng)處置后，作為水泥原料，是相當(dāng)理想的一種利用方案，無論是市場前景還是技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性都較為樂觀。
宋玉等利用上海御橋垃圾焚燒廠的焚燒飛灰為主要原料，通過添加SiO2 , Al203 , NaOH組分，在實(shí)驗(yàn)室研制成功了以硅灰石為主晶相的微晶玻璃，該體系微晶玻璃制備的最佳工藝條件為:熔融溫度1 500 ℃，熔融時(shí)間1h，核化溫度1.5h，晶化溫度為1 150-1 1800℃，晶化時(shí)間為2d。研究結(jié)果表明，硅灰石為主晶相的微晶玻璃對Pb、 Cr和Cd重金屬具有很強(qiáng)的穩(wěn)定束縛能力。
Ange Nzihou的研究結(jié)果表明:經(jīng)過化學(xué)穩(wěn)定和熱處理后的飛灰浸出毒性和其它物理化學(xué)性質(zhì)均滿足建筑材料的使用要求，可用于堤壩、路基等的填充材料及混凝土與瀝青的骨料。此外Eighmy Tlml等也對類似的方法進(jìn)行了多次試驗(yàn)研究，取得了令人滿意的效果。
4 結(jié)語
越來越多的城市已建或正在建設(shè)生活垃圾焚燒廠，飛灰的處理已成為急需解決的問題。傳統(tǒng)的水泥固化技術(shù)雖然效果很好，但增容量很多，且存在長期穩(wěn)定性問題。熔融固化技術(shù)減容率高，但耗能高，成本大。化學(xué)藥劑穩(wěn)定化技術(shù)處理飛灰，不僅增容小，而且設(shè)備簡單，但其長期的環(huán)境效應(yīng)尚需長期監(jiān)測和晶玻璃、水泥等提供原料，目前國內(nèi)的研究還非常有限。
無害化和資源化的共同實(shí)現(xiàn)，是飛灰處置的發(fā)展趨勢。采用組合工藝處理垃圾焚燒飛灰是對其無害化處理和資源化利用的一種很好的途徑，在國外已經(jīng)得到比較廣泛的應(yīng)用，我國在這方面的研究剛剛起步，我們應(yīng)在利用國外先進(jìn)成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的國情和城市生活垃圾的特點(diǎn)，進(jìn)行飛灰處理處置的研究，探索對不同的垃圾焚燒飛灰，以及針對不同的處理要求，選用合適的組合工藝處理。
參考文獻(xiàn)（略）
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