城市生活垃圾焚烧飞灰的处理方法探讨

摘要：本文在城市生活垃圾焚烧后飞灰产生及浸出毒性分析的基础上，进而对高温处理、水泥固化及化学稳定化处理的垃圾焚烧飞灰处理方式进行了综述分析，最后分析比较了这三种飞灰处理方法各自的优点及不足之处。

关键词：城市生活垃圾，焚烧、飞灰，重金属，高温处理、水泥固化、化学稳定化处理

Probe into Methods of Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash Disposal

Abstract：This paper firstly illustrates the generation mechanism, physical characteristics and leaching toxicity of municipal solid waste incineration fly ash; and then summarized analysis has been carried out on three MSWIA disposal methods: high temperature treatment, cement solidification and chemical stabilization treatment, status and some problems are analyzed and discussed, finally, the advantages and disadvantages of three disposal techniques are compared.

Keywords：MSW; fly ash; MSWIA; heavy-metals; high temperature treatment; cement solidification treatment; chemical stabilization treatment

中图分类号： R124.3 文献标识码：A文章编号：2095-2104

引言

城市生活垃圾又称城市固体废弃物，它是指城市居民日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物以及法律行政法规规定视为城市生活垃圾的固体废弃物[1][2]。人类社会的不断进步促使物质和消费的不断增加，随之城市生活垃圾量也在与日俱增，平均年增长率在2％～5％[3]，处理能力不到四成，长期积累的巨量垃圾，形成了世界性的垃圾公害与灾难，不断侵害人类的居住环境，威胁未来人类的生存。“垃圾是放错了地方的资源”，“垃圾是地球上惟一增长的资源[4-6]”，如好好利用的话藏金逾千亿。垃圾处理产业已成为二十一世纪投资热点[7]。

垃圾填埋由于运行费用及技术要求较低，一直被认为是处理不可回收垃圾的最便利而且便宜的处理方法。垃圾填埋是我国目前主要的垃圾处理手段。据统计：全国共有城市生活垃圾处理设施345个(和台、港、澳地区未统计)，其中垃圾填埋场298个占86．4％[8]，然而这种简便易行的方法也会带来很多的问题，例如：填埋场沥出物对地表水的污染，臭气的扩散，土壤污染。更严重的是原始垃圾中的有毒物质在填埋场内处于一种未知的没有控制的状态尤其是在中国这种城市固体废弃物产量多,人口密度大填埋场地有限的国家,城市固体废弃物处理是一个严峻的问题[9]。与卫生填埋相比垃圾焚烧可以有效的去处垃圾中的顽固有机污染物，并且可以有效的缩减垃圾体积[10]。而堆肥等其它由于对垃圾成分和种类有特殊的要求难以大规模推广。垃圾焚烧已经成为应用最为广泛的垃圾处理方式。

1 飞灰产生及特性

生活垃圾焚烧处理后产生的固体残渣大约占垃圾重量的30%～35%,其中底渣占25%～30%,其余是飞灰,占5%左右。垃圾焚烧产生的底灰中重金属含量较少,尤其挥发性金属如：Ｈg、Pd、Cd、Zn含量更少,主要是一些亲岩性的金属如：Ni、Cr、Cu等,被认为是没有毒害的。而飞灰由于比表面积大，在烟道中重金属通过异相沉积和表面吸附作用在飞灰表面富集。飞灰中含有很高浓度的可浸出Pb、Cd、Hg、Zn等有毒重金属。而且飞灰中还含有少量的剧毒物质二噁英（PCDDs\PCDFs）。我国的《危险废物污染防治技术政策》(国家环境保护总局，2001)中第9条对飞灰的规定：生活垃圾焚烧产生的飞灰必须单独收集，不得与生活垃圾、焚烧残渣等其它废物混合；不得与其它危险废物混合；不得在产生地长期贮存；不得进行简易处置及排放。生活垃圾焚烧飞灰在产生地必须进行必要的固化和稳定化处理之后方可运输。

2 飞灰处理方法

飞灰处理的主要目的是对飞灰中的重金属成分进行固化和稳定化。防止飞灰中的重金属在填埋场或是资源化利用时的渗出。国外的飞灰处理技术已经比较成熟，国内对飞灰的无害化处理及资源化利用也做了很多有意义的研究。

2-1高温处理：

飞灰的高温处理主要指飞灰的指玻璃化\玻璃陶瓷化。通过将飞灰在一个较高的温度熔融固化，可以有效的分解飞灰中的有毒有机化合物（二噁英）[11]。并且在高温下二氧化硅（SiO2）会形成网状晶格将重金属禁锢在晶格内从而生成稳定的惰性熔渣。飞灰的高温处理可以有效的减小其体积和重量（1/2左右）。

Alexander Karamanova等人通过添加适当比例（30～40 wt.%）的二氧化硅，比较了在不同的升温速率和颗粒直径的熔融效果的影响，发现：较高的升温速率（20～30oC/Min）和较大的颗粒直径（1～2mm）对于生成力学性能好（抗压强度360±100 MPa，抗弯强度48±13MPa），内孔少，表面晶体占主导地位的熔渣是比较有利的[12,13]。然而Alexander Karamanova认为飞灰中某些重金属（Cr, Cd, Cu）的含量较高,并没有对更少SiO2添加量的飞灰－SiO2混合物熔融特性做进一步的研究。事实上我国严建华、李建新等人研究发现：在Alexander Karamanova等人的研究温度下（>1200oC）Cr, Cd, Cu等金属有均有较高的蒸发率[14, 15]。而且考虑到SiO2晶体网格对重金属的禁锢作用，对更少SiO2添加量的飞灰－SiO2混合物熔融特性做进一步的研究是比较有意义的。

由于MgO2的存在对SiO2网格结构有削弱作用，从而导致重金属的浸出量增加。Young Jun Park等人研究了不同飞灰（MSWA）、SiO2、MgO比例时熔渣的机械性能和化学稳定性，发现玻璃质成分的形成随着SiO2成分的增加而增强，随MgO成分的增加而削弱。重金属虑出与玻璃质的形成表现出相似的规律。MgO添加量较少时使抗弯强度有所增加，而对抗压强度影响不大。

目前国内对飞灰熔融特性的研究还处于起步阶段，而且现有的研究也主要集中在飞灰自身（raw ash）的物理、化学性质的研究，如：熔融时飞灰中重金属的挥发特性、飞灰浸出特性、成分等。而对飞灰熔渣特性及飞灰熔融时产生的废气和二次飞灰的处理几乎是空白。对于不同添加物（SiO2 、CaCl2等）对飞灰熔融的影响，严建华、李建新等人做过添加NaCl、CaCl2、PVC对重金属蒸发的影响[14,15]，但是对于添加物对于熔渣特性影响国内少有报道。

2－2 水泥固化

飞灰的水泥固化是指将水泥、沙等物质按一定的比例加水混合的水泥灰浆中的部分水泥用飞灰代替。由灰中高含量的对水泥灰浆的后期硬度的发展不利，飞灰在水泥固化前一般都要先经过水洗，出去飞灰中的可溶性盐（主要是NaCl、KCl）。由于水泥浆体pH值高，则重金属可能同或硅酸盐结合成含钙的盐类；吸附在高比表面积的C—S—H粒子上；进人晶体结构中。在硬化水泥浆体的C—S—H结构中，Zn会取代C—S—H中的Ca或与C—S—H表面的Ca反应形成含Ca和Zn的氧化物．Pb通常存在于水泥熟料颗粒的表面，抑制水泥的水化，这主要是由于Pb的化合物如碳酸盐、硫酸盐等都是不溶性的，表面能低[16]。 Cu通常在水泥颗粒表面形成不溶性的沉积物，从而延缓了水泥的水化。研究发现飞灰的组分在某些方面具有跟硅酸盐水泥或高矾土水泥具有近似的性质。飞灰中的重金属粒子会大大延缓水泥的凝结，而的存在的会促进水泥浆体的凝结。两者共同作用的结果是使得水泥凝结时间变化不大。研究表明飞灰以不同的比例（添加重量

2－3化学处理

化学稳定化处理是将飞灰、水、化学药剂按一定的比例混合，将飞灰中重金属转化为低溶解性、低迁移性、低毒性物质的处理方法[16]。化学药剂通过两种途径降低飞灰中重金属的浸出量：①将飞灰中的部分重金属溶出，降低飞灰中可溶出重金属的总量；②跟飞灰中的重金属形成不溶的稳定化合物，限制重金属的溶出。常用的化学药剂可以分为有机药剂和无机药剂两种。有机药剂主要是一些鳌合物如：乙二胺四乙酸（EDTA）、二乙撑三胺（DTPA）、皂角苷（saponin）；无机药剂主要是： Na2S、硫脲（(NH2) 2CS）、硫酸铁（FeSO4）等。通过有机鳌合物处理，随着有机药剂及其添加量、PH值的的不同，20–50%的铬（Cr）, 60–95%的 铜（Cu）, 60–100% 的铅（Pb），以及50–100%的锌（Zn）在PH为3～9的范围内可以被浸取出来，同时鳌合物同飞灰中残留的重金属形成不可溶的重金属鳌合物，从而大大降低处理后飞灰的可浸出重金属量。FeSO4药剂通过在飞灰表面形成CaFe2O4晶相限制飞灰内部的重金属的溶出。然而在较低的PH值环境下CaFe2O4晶相会被破坏，飞灰内部的重金属会重新溶出。Na2S、硫脲（(NH2) 2CS）通过将可溶的重金属物质转换不溶物，以Pb2+为例：

达到限制重金属溶出的目的；通过化学药剂处理后的飞灰的重金属浸出量基本上可以达到浸出标准，但是在极端情下（PH值

3 总结

高温处理处理飞灰具有较广的适应性，可以处理各种不同组分的飞灰，一般不需要进行飞灰的预处理。是唯一可以同时去除稳定的有机污染物（POP）和缩减飞灰体积的处理方法[10],各项研究均表面该方法处理后残余的灰渣有较好的稳定性及物理性能，可以直接填埋或者作为建筑材料回收利用。然而该方法由于需要较高的处理温度（1100～1500oC）和专门的焚烧设备初投资和能量消耗均较高。

水泥固化因需要的设备、操作要求简单并且处理费用低二得到广泛的应用。水泥固化由于前面所提到的对水泥浆体后期硬化的影响，为提高水泥固化后硬化浆体的硬度并且防止可溶性盐的溶出一般需要对飞预先进行水洗处理。然而水泥固化处理会增加的飞灰体积3~8倍，初步研究还发现水泥固化后某些金属的浸出浓度满足：

式中：a,b 为常数；t 为浸取时间； y 为金属浸出浓度。

可以认为水泥的存在只是延缓了重金属的浸出速度，并没有减少重金属的浸出总量。水泥老化后及破损后重金属的浸出特性及水泥固化后重金属的长期特性还有待进一步的研究。

化学药剂处理方法与水泥固化处理一样具有设备、操作要求简单的特点。但是处理效果较好的鳌合剂价格昂贵，重生困难，而且化学稳定处理后的飞灰对环境的长期影响还需要研究。这在一定程度上限制了化学处理法的应用。

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