垃圾焚燒飛灰水泥工業(yè)化前景探討
摘要:簡單述垃圾焚燒飛灰的污染特性及當(dāng)前處理處置現(xiàn)狀，并介紹近年來垃圾焚燒飛灰的研究動(dòng)向，著重探討垃圾焚燒飛灰水泥工業(yè)化前景、理論依據(jù)和國內(nèi)外垃圾焚燒飛灰水泥工業(yè)化研究現(xiàn)狀，最后提出水泥處理處置過程中存在的問題及建議。
關(guān)鍵詞:垃圾焚燒飛灰 危險(xiǎn)廢物 水泥工業(yè)化
經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快使生活垃圾的產(chǎn)生量越來越大。據(jù)報(bào)道[1]，中國約有2/3的城市陷入垃圾圍城的困境，目前，我國僅“城市生活垃圾(MSW)”的年產(chǎn)量就近1.5億t。且以年10%的速度增長，預(yù)計(jì)到2010年，生活垃圾產(chǎn)量將達(dá)到2.9億t[2]。垃圾焚燒技術(shù)以其處理速度快、無害化、減量化效果顯著且可回收熱能等優(yōu)點(diǎn)得到了迅速的發(fā)展，在中國土地緊張、垃圾處理壓力大的城市，如上海、北京、深圳、廣州等地率先得到了應(yīng)用[1]。2002年，垃圾焚燒年處理能力僅為275萬t，由全國43個(gè)垃圾焚燒廠承擔(dān)。截止到2005年底，全國已建和在建的垃圾焚燒處理廠已經(jīng)達(dá)到67個(gè)。“十一五”期間又將建成87座垃圾焚燒廠。預(yù)計(jì)到2010年，產(chǎn)生的垃圾焚燒飛灰將達(dá)52萬t/a。按目前的危險(xiǎn)廢物處置技術(shù)和管理水平，垃圾焚燒飛灰最終出路是填埋，既浪費(fèi)資源，又增加填埋場的壓力，且填埋場的使用壽命不長，而垃圾焚燒飛灰的重金屬污染可長達(dá)百年。因此，尋找垃圾焚燒飛灰的資源化途徑才是適合我國國情的出路。
1 垃圾焚燒飛灰的污染特性
飛灰是指在煙氣凈化系統(tǒng)(APC)和熱回收利用系統(tǒng)(如節(jié)熱器、鍋爐等)中收集而得的殘余物，約占灰渣總量的20%左右，約占焚燒垃圾總量的3％~5％。生活垃圾焚燒飛灰不但富集了Pb、Cd、Hg等低沸點(diǎn)重金屬，而且也是二噁英類物質(zhì)主要富集體，目前被認(rèn)為是危害性較大的危險(xiǎn)廢物。垃圾焚燒飛灰對環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)的危害主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：（1）鹽污染：飛灰中含有大量的可溶性氯鹽，據(jù)資料顯示，飛灰中Cl-可高達(dá)112 000 mg/kg[2]，這可能污染地下水及促使重金屬溶出；（2）重金屬污染：飛灰中含有大量高浸出性的重金屬，主要有Pb2+、Zn2+、Cu2+和少量的Cr（Ⅵ）、Cd3+、Mn2+、Ni+等；（3）有機(jī)毒物污染：飛灰中還含有少量的二噁英(PCDDs)和呋喃(PCDFs)。因此，垃圾焚燒飛灰在貯存、運(yùn)輸、處理處置各個(gè)環(huán)節(jié)都存在一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，其危害不容忽視，其處理處置已經(jīng)成為各方關(guān)注的焦點(diǎn)。
2 垃圾焚燒飛灰的處理處置現(xiàn)狀
我國的《危險(xiǎn)廢物污染防治技術(shù)政策》對飛灰處理處置提出了嚴(yán)格的要求：生活垃圾焚燒產(chǎn)生的飛灰必須單獨(dú)收集，不得與生活垃圾、焚燒殘?jiān)绕渌麖U物混合；不得與其他危險(xiǎn)廢物混合；不得在產(chǎn)生地長期貯存；不得進(jìn)行簡易處置及排放。生活垃圾焚燒飛灰在產(chǎn)生地必須進(jìn)行必要的固化和穩(wěn)定化處理之后方可運(yùn)輸[3]。因此，其處置必須按照危險(xiǎn)廢物的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處置。
目前，飛灰處置的常用方法有穩(wěn)定化和資源化兩種。飛灰的穩(wěn)定化包括水泥固化、石灰固化、玻璃熔融固化[4]、化學(xué)藥劑固化穩(wěn)定化后進(jìn)入危險(xiǎn)廢物填埋場進(jìn)行最終處置[5]或固化后進(jìn)行資源再利用[6]。何艷峰等[7]對垃圾焚燒飛灰熔融前后對人體健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)其對兒童和成年健康的非致癌風(fēng)險(xiǎn)值在熔融前后相差500多倍。熔融前的風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于人體可接受水平。蔣建國等[8]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)磷酸鹽加料為3%時(shí)，重金屬Pb、Cd、Zn的浸出濃度降低了97.5%、91.6%和95.5%。張大捷等[9]研究發(fā)現(xiàn)1.5%的磷酸鈉-25%摻量的粉煤灰膠結(jié)材固化飛灰后，養(yǎng)護(hù)7 d后固化體就滿足填埋標(biāo)準(zhǔn)。
飛灰的資源化目前還不是很普遍，進(jìn)行資源化利用時(shí)，除滿足浸出毒性標(biāo)準(zhǔn)外，還要滿足資源化應(yīng)用的其他物理化學(xué)性質(zhì)要求，如：硬度、強(qiáng)度、抗壓、抗拉、物理完整性、長期化學(xué)浸出行為等。飛灰的資源化研究較多的是重金屬的提取，包括如下：（1）酸、堿提。簭埲鹉萚10]等曾用H2SO4、HCl、HAc、NaOH等對飛灰中的重金屬進(jìn)行提取，發(fā)現(xiàn)3種酸對飛灰中金屬的提取效率都很高。其中HCl對Zn的提取率約80%，H2SO4對Fe的提取率約為66%，HAc對Pb的提取率達(dá)到了96%；（2）生物及生物制劑提取：VERHULST等[11]利用生物制劑甾體皂苷（sopnin）進(jìn)行了飛灰浸提實(shí)驗(yàn)，約有20%~45%的Cr、50%~60%Cu、60%~100%Pb和50%~60%Zn會(huì)被提取出來。楊潔等[12]做了黑曲霉素和飛灰溶液的淋濾試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在飛灰質(zhì)量濃度為20 g/L時(shí)，淋濾結(jié)束后pH最低為（3.85），重金屬溶出效果最佳，Cd的溶出率為93.06%，Mn、Pb和Zn的約為70%，F(xiàn)e、Cr和Cu的分別為22%、33%和47%，經(jīng)淋濾后的飛灰重金屬浸出濃度遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)；（3）高溫提取：中國環(huán)境科學(xué)研究院王琪等研究了飛灰中重金屬的熱分離工藝，認(rèn)為飛灰中重金屬的熱分離過程主要是以氯化物形式揮發(fā)的，得出最佳揮發(fā)溫度和時(shí)間為1 000 ℃和120 min，并測得此時(shí)重金屬Pb、Cd、Cu、Zn的揮發(fā)率分別為99.7%、89.7%、77.9%、53.2%[13]。
此外，也出現(xiàn)了垃圾焚燒飛灰的其他研究應(yīng)用，張海英等[14]利用飛灰、米黃泥、長石和耐火砂按照20%、60%、10%和10%的質(zhì)量比來燒制飾面磚，產(chǎn)品重金屬進(jìn)出毒性、安全性均滿足要求。宋玉等[15]做了以TiO2為晶核劑、垃圾焚燒飛灰為主要原料、硅鎂鋁質(zhì)添加劑，研制微晶玻璃的研究，成功研制出了以透輝石(CaMgSi2O6)為主晶核的微晶玻璃。為飛灰資源化提供又一條出路。高亮等[16]做了垃圾焚燒飛灰制備陶粒的試驗(yàn)研究，并在天津泰達(dá)環(huán)保公司投入運(yùn)行，既控制了污染又創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。
3 垃圾焚燒飛灰水泥工業(yè)化前景
3.1 垃圾焚燒飛灰水泥工業(yè)化市場前景
水泥工業(yè)為世界城市和基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展和現(xiàn)代化做出了巨大貢獻(xiàn)，同時(shí)也消耗了大量的自然資源和能源。目前，全球水泥消耗量正在增加，特別是發(fā)展中國家和轉(zhuǎn)型期的國家。由于發(fā)展中國家和轉(zhuǎn)型期國家的巨大需求，全世界水泥產(chǎn)量從2001年的16.9億ｔ開始，以年均3.6%的速度穩(wěn)步增長，2003年全世界水泥產(chǎn)量為19.4億ｔ。歐洲的消耗量占14.4%；美國占4.7%；美洲其他國家占6.6%；亞洲占67.5%(中國占41.9%)；非洲占4.1%；世界其他國家占2.7%？梢姡贌w灰水泥工業(yè)化市場前景很大。
3.2 垃圾焚燒飛灰用于水泥工業(yè)的理論依據(jù)
水泥窯處置技術(shù)在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)有20多年的應(yīng)用歷史，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著水泥窯焚燒廢物的理論與實(shí)踐的發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)在經(jīng)濟(jì)和環(huán)保兩方面顯示了巨大的優(yōu)勢并形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，在發(fā)達(dá)國家危險(xiǎn)廢物處置中發(fā)揮著重要作用。水泥工業(yè)處置利用廢物已經(jīng)成為當(dāng)前國際水泥行業(yè)發(fā)展的新潮。而且，垃圾焚燒飛灰在化學(xué)組成上屬于SiO2-Al2O3-CaO-Fe2O3體系，與水泥生產(chǎn)原料成分較為接近[17]。與目前常用的高爐礦渣、粉煤灰等輔助性膠凝材料非常接近。而且飛灰顆粒微細(xì)，比表面積大，易與其他成分反應(yīng)形成新的物相[18]。
3.3 國外垃圾焚燒飛灰水泥工業(yè)化的研究現(xiàn)狀
利用垃圾焚燒飛灰生產(chǎn)水泥，在國外研究較早。日本太平洋水泥公司在2001年就利用垃圾焚燒飛灰和碳酸鈣為原材料，建成了世界上第一座“生態(tài)水泥廠”[19]。它是通過金屬回收系統(tǒng)分離和回收飛灰中銅、鉛、鋅等金屬，再經(jīng)過回轉(zhuǎn)窯里1 350 ℃的高溫?zé)Y(jié)，其中的二噁英等有害物質(zhì)被分解，生產(chǎn)線達(dá)11萬ｔ，但對飛灰中多達(dá)5%~10%的氯未作任何處理，雖然這種水泥有加快凝固的優(yōu)點(diǎn)，但氯在建筑場景中的遷移帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)尚待進(jìn)一步研究，日本在2002年7月還制訂了“生態(tài)水泥”的日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HIRAOKA等[20]利用飛灰代替石灰用于生產(chǎn)水泥，稱為硫代硫酸鹽水泥，這種水泥具有較高的強(qiáng)度和和快速硬化等特點(diǎn)。HAMERNIK等[21]研究飛灰代替水泥用于混凝土的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加入15％的飛灰要高于沒有加入飛灰的混凝土。葡萄牙人RYUNOSUKE[22]利用礦石Ca12Al14O32Cl2和Ca21Mg[(Si0.75Al0.25)O4]8O4Cl2對飛灰中的氯進(jìn)行固定，進(jìn)行50 t/d的中試試驗(yàn)，得出的水泥硬度、水硬性等方面均能滿足要求，但對飛灰中的重金屬成分沒有分析。因此，水泥產(chǎn)品的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)有待進(jìn)一步研究。
3.4 國內(nèi)垃圾焚燒飛灰水泥工業(yè)化研究現(xiàn)狀
垃圾焚燒飛灰的安全處理處置是我國近年才出現(xiàn)的一個(gè)新的環(huán)境問題，國內(nèi)所開展的相關(guān)研究大都停留在對垃圾焚燒飛灰做簡單的穩(wěn)定化處理，重金屬浸出毒性滿足危險(xiǎn)廢物填埋要求后運(yùn)往危險(xiǎn)廢物填埋場進(jìn)行最終處置。這不僅增加了有限的填埋場壓力，同時(shí)也是資源的巨大浪費(fèi)。垃圾焚燒飛灰中含有5%~10%的氯，但普通水泥規(guī)定氯不能超過200 mg/kg。水泥中如果氯含量過高，一方面會(huì)降低水泥的質(zhì)量，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，氯在混凝土中遷移，過多的氯跟水泥成分中的氫氧化物發(fā)生反應(yīng)生成氯化鈣和氫氧化鎂，這兩種物質(zhì)吸水引起混凝土中孔隙增大，降低其強(qiáng)度。此外，鋼筋表面會(huì)被來自于孔隙的氧氣腐蝕而生銹；另一方面，還會(huì)降低水泥窯的運(yùn)行性能，因?yàn)槁然镌谒喔G的高溫段很容易揮發(fā)，沉積在排氣管道和鼓風(fēng)機(jī)的扇頁上，腐蝕設(shè)備，堵塞管道甚至造成停產(chǎn)；再一方面，水泥中含有較高濃度的氯，容易在水泥窯的低溫段形成二噁英類有毒物質(zhì)。垃圾焚燒飛灰中還含有大量的重金屬，其中Pb2+、Zn2+、Cu2+是主要的，此外還有少量的Cr6+、Cd3+、Mn2+、Ni+等。張俊麗等[23]對0.65%的工業(yè)污泥生態(tài)水泥的金屬離子在給水系統(tǒng)中的溶出行為做了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，得出其費(fèi)致癌風(fēng)險(xiǎn)水平遠(yuǎn)低于人體可接受水平，認(rèn)為銅、鉛是風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)。
4 存在的問題及建議
（1）各國垃圾焚燒飛灰存在很大差異，即使同一個(gè)垃圾焚燒廠，季節(jié)不同，成分亦有很大不同。國外的相關(guān)研究并沒有討論飛灰時(shí)間和空間的差異性，因此針對水泥生產(chǎn)的適宜性、可用性和環(huán)境安全性，借鑒國外成功經(jīng)驗(yàn)，研究全國各地垃圾焚燒飛灰的組成及特性，如有可能，建立地方乃至全國的垃圾焚燒飛灰數(shù)據(jù)庫，以便水泥生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)水泥產(chǎn)品元素總量控制值控制飛灰在水泥生料中的比例。
（2）利用垃圾焚燒飛灰生產(chǎn)水泥的處置過程會(huì)對周圍生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生何種影響，水泥熟料中的氯鹽和重金屬離子會(huì)對水泥產(chǎn)品性能產(chǎn)生何種負(fù)面影響，以及水泥產(chǎn)品在使用場景中會(huì)對周圍生態(tài)產(chǎn)生何種影響，國外相關(guān)研究都只單一研究氯鹽或者重金屬，這可能跟其所在國家的垃圾焚燒飛灰的組成有關(guān)，而在我國，飛灰中氯鹽和重金屬含量都非常高。目前應(yīng)開展這方面的環(huán)境暴露風(fēng)險(xiǎn)研究，建立環(huán)境暴露風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法，并出臺與之配套的污染控制標(biāo)準(zhǔn)、管理規(guī)范和處理處置技術(shù)。
（3）垃圾焚燒飛灰從垃圾焚燒廠到生產(chǎn)出水泥全過程中的運(yùn)輸、貯存、投料、煅燒的安全防范措施技術(shù)要求高且容易產(chǎn)生二次污染。如粉塵、有害氣體和二噁英的再生成。雖然我國新修的大型水泥廠環(huán)保水平較高，但70%以上的水泥量是由小型水泥企業(yè)生產(chǎn)的，這些小型企業(yè)以盈利為最大目的，而垃圾焚燒飛灰水泥窯處置技術(shù)環(huán)保要求高。因此，在無完整的處理處置技術(shù)的條件下，應(yīng)由大型環(huán)保水平高的水泥企業(yè)承擔(dān)處置任務(wù)，嚴(yán)禁垃圾焚燒飛灰流向這類小型企業(yè)。
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