生活垃圾焚燒飛灰基本特性及穩定化研究*

梁 梅，黎小保，劉海威，李 貝，王彩萍，高玉萍

（1.中國恩菲工程技術有限公司中冶垃圾焚燒發電工程技術中心，北京 100038；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北 武漢 430070）

目前，生活垃圾焚燒廠應用最廣泛的飛灰穩定化技術主要有水泥固化和化學藥劑法，在選擇合適的穩定化工藝時，要結合飛灰特性進行研究，筆者以湖北某生活垃圾焚燒發電廠焚燒飛灰為研究對象，對飛灰特性及穩定化性能進行了分析，為飛灰穩定化工藝研究及設計提供參考。

1 試驗原料及方法

1.1 試驗原料

該項目采用日立造船技術的機械爐排爐，煙氣凈化工藝為機械旋轉噴霧半干法（12%左右的石灰漿溶液）+袋式除塵器+活性炭噴射。脫酸反應塔及袋式除塵器下飛灰經刮板輸送機收集后送飛灰倉進行儲存，進而進行穩定化處理。

本研究中采用的飛灰取自該項目飛灰倉，飛灰在進行試驗前，均在105℃下干燥，達到恒重；穩定化產物樣品取自該項目飛灰固化物儲倉出口產物。

1.2 試驗方法

1.2.1 飛灰主要成分及礦物組成分析

采用X射線熒光光譜儀（XRF，X-ray Fluorescence）對飛灰樣品進行成分分析。采用X-衍射分析儀（XRD，X-ray Diffraction）及掃描電鏡分析（SEM，Scanning Electron Microscope）對飛灰樣品進行礦物分析。

1.2.2 飛灰中重金屬含量及浸出毒性試驗

按照《固體廢棄物試驗分析評價手冊》［1］中方法3050土壤消解方法對飛灰進行消解。按照HJ/T 300—2007固體廢棄物浸出毒性浸出方法-醋酸緩沖溶液法對飛灰中重金屬進行浸出實驗，采用火焰原子吸收法（F-AAS，Fire-Atomic Absorption Spectroscopy）對飛灰消解液及浸出濾液中重金屬含量進行測定。

1.2.3 飛灰中二惡英類有機污染物毒性測試

按照《同位素稀釋法高分辨氣相色譜/高分辨質譜測定四到八氯代二惡英和呋喃》US EPA 1613B（1997）標準方法對飛灰中二惡英類有機物進行處理和分析。

2 結果與討論

2.1 飛灰主要成分及礦物組成分析

焚燒飛灰的主要化學成分見表1，礦物組成分析見圖1～2。由表1可以看出，焚燒飛灰的主要成分以CaO、SiO2、Al2O3、Na2O為主，其次含有少量的Fe2O3、MgO和K2O。飛灰中CaO含量高是由于煙氣脫酸采用石灰漿溶液所致。SiO2和Al2O3含量高，表明飛灰具有一定的膠凝活性，可添加激發劑激發其活性用于建材的生產。飛灰中Cl含量也較高，這是由于我國垃圾組分中含有大量的塑料所致，而Cl離子可以通過與重金屬形成配合物影響重金屬離子在環境中的遷移性，使穩定化產物中Cu和Zn易浸出導致重金屬超標［2］。由于飛灰具有一定的活性，有研究采用飛灰作為生產水泥的原料，但是飛灰中氯化物會造成預熱器和窯煅燒結圈和堵料等問題，甚至會導致水泥窯煙氣中二惡英的生成［3］，因而在采用飛灰生產水泥時，需要增加水洗作為預處理工藝。

表1 焚燒飛灰的主要化學成分 %

從圖1可以看出，垃圾焚燒飛灰的主要礦物成分為石英、氯鹽、碳酸鹽、硫酸鹽等，與表1飛灰主要成分結果一致。XRD衍射圖譜上呈現出較多小的、波紋狀的峰，說明飛灰中含有大量的非晶態的玻璃類物質，大多數情況下，飛灰中的重金屬元素富集在非結晶相中，在晶體相中分布很少；XRD檢測圖譜中沒有發現含有重金屬的結晶相，表明飛灰中重金屬含量較少，可能包裹在硅酸鹽內。圖2顯示飛灰顆粒普遍較細，一般在50 μm以下，部分顆粒小于10 μm，并且顆粒形狀各異，表面凹凸不平，存在很多微小的孔洞，具有較強的吸附作用。此外，顆粒表面含有大量的結晶態物質和一些不規則的非晶態物質，有針狀、棒狀、塊狀等不同形貌特征，結構復雜。

綜合來看，飛灰屬于SiO2－Al2O3－ Fe2O3金屬氧化物體系，是由非晶態的物質作為基質，表面富含晶體物質，具有一定的膠凝活性。用膠凝材料體系對飛灰進行穩定化/固化時，需要充分考慮Al2O3、SO3、Cl、重金屬等物質對膠凝材料體系水化、凝結、硬化的影響。

2.2 重金屬及浸出毒性分析

垃圾燃燒時，蒸汽壓高、沸點低的易揮發元素會隨著煙氣進入煙氣凈化處理裝置被捕集進而富集于飛灰中，如Hg和Cd，而由于飛灰中Cl含量較高，可與金屬結合生成氯化物，改變金屬的揮發性，因而飛灰中重金屬種類較多。從表2可以看出，焚燒飛灰中Pb、Cu、Zn、Cd和Ni含量均較高，遠遠超過土壤中重金屬的含量。根據GB 5085.3—2007危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別，飛灰中Pb、Cu、Zn、Cd、Ni及Cr的浸出濃度均超過標準值，屬于危險廢物。

表2 焚燒飛灰中重金屬元素的含量及浸出濃度

2.3 飛灰中二惡英類有機物毒性分析

生活垃圾焚燒煙氣主要采用噴射活性炭粉末去除煙氣中二惡英，而吸附了二惡英的活性炭在袋式除塵器中被收集進入飛灰中，導致飛灰中含有少量的二惡英和呋喃。飛灰中二惡英類有機物檢測結果見表3，可以看出飛灰中各類二惡英類有機物含量不等，其中OCDD的含量最高，高達1 935.5 ng/kg，2，3，7，8－TCDD的含量最低，但其毒性當量I－TEQ為553.6 ng/kg，滿足GB 16889—2008生活垃圾填埋場污染控制標準入場要求。

2.4 飛灰穩定化工藝分析

該項目飛灰穩定化系統采用水泥+螯合劑工藝，見圖3。螯合劑采用日本進口藥劑，水泥采用325#，水泥、螯合劑及水添加量分別占飛灰處理量的10%、1.75%及30%，由于原飛灰中二惡英類有機物毒性當量滿足填埋場入場要求，此次穩定化產物檢測不包括二惡英類，主要檢測結果見表4，可以看出，穩定化處理后，飛灰中各類重金屬浸出濃度非常低，大多數未檢出，均遠遠低于標準值，可以得出飛灰經穩定化處理后滿足生活垃圾填埋場入場標準，可直接送垃圾填埋場處置。

表3 焚燒飛灰中17種有毒PCDD/Fs的含量 ng/kg

目前國內大多數垃圾焚燒發電廠采用水泥+螯合劑工藝，重金屬穩定化中，螯合劑起主要作用，多采用進口產品，價格高，飛灰處理成本高達800元/t左右。為降低成本，國內外也對穩定化藥劑進行了系列研究［4-6］，但藥劑價格始終居高不下。

表4 穩定化產物含水率及重金屬浸出濃度

3 結論

1）焚燒飛灰屬于SiO2-Al2O3-Fe2O3金屬氧化物體系，是由非晶態物質作為基質，表面富含晶體物質，具有一定的膠凝活性，可采用添加劑激發其活性，如礦粉、水泥等對重金屬離子進行固化。

2）焚燒飛灰中含有較高濃度的Pb、Cu、Zn、Cd，遠遠超過土壤中重金屬的含量，其浸出毒性超過GB 5085.3—2007限值，如Pb、Cu、Zn、Cd、Ni及Cr均超標。焚燒飛灰中二惡英類有機物毒性當量滿足GB 16889—2008要求。

3）焚燒飛灰采用水泥+螯合劑穩定化工藝后，其各項指標均滿足GB 5085.3—2007及GB 16889—2008要求，可直接送填埋場處置，但是螯合劑多引進國外產品，價格高，使得飛灰固化成本居高不下，因而亟待開發一種經濟適用的固化劑。

［1］美國環境保護局.固體廢棄物試驗分析評價手冊［M］.中國環境監測總站，譯.北京：中國環境科學出版社，1992.

［2］IretskayaS，Nzihou A，Zahraoui C，et al.Metal leaching from MSW fly ash before and after chemical and thermal treatments［J］.Environ Prog，1999，18（2）：144-148.

［3］羅智宇，張云月，張清，等.垃圾焚燒飛灰水洗去氯的實驗研究［J］.環境衛生工程，2008，16（3）：16-22.

［4］Sukandar T P，Masaru T，Isao A.Chemical stabilization of medical waste fly ash using chelating agent and phosphates： Heavy metals and ecotoxicity evaluation［J］.Waste Manage，2009，29 （7）：2065-2070.

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［6］王彩萍，周明凱，陳瀟，等.氯氧鎂水泥對焚燒飛灰固化作用及影響因素［J］.功能材料，2013，44（21）： 3186-3189.