生活垃圾焚燒飛灰壓制砌塊與減容填埋技術(shù)

朱新才，趙由才，周 雄，張 駿，夏發(fā)發(fā)，陳善平，全學(xué)軍

(1．重慶科技學(xué)院，重慶 401331； 2.同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；3.上海市環(huán)境工程設(shè)計(jì)科學(xué)研究院有限公司,上海 200232； 4.重慶理工大學(xué)，重慶 400054)

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生活垃圾焚燒飛灰壓制砌塊與減容填埋技術(shù)

朱新才1，趙由才2，周 雄1，張 駿2，夏發(fā)發(fā)2，陳善平3，全學(xué)軍4

(1．重慶科技學(xué)院，重慶 401331； 2.同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；3.上海市環(huán)境工程設(shè)計(jì)科學(xué)研究院有限公司,上海 200232； 4.重慶理工大學(xué)，重慶 400054)

目前我國生活垃圾焚燒廠的建設(shè)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過危險(xiǎn)廢物填埋場的建設(shè)速度，大量的飛灰亟待安全處置。相對于其他處置技術(shù)，化學(xué)穩(wěn)定化填埋被廣泛應(yīng)用，但需耗費(fèi)大量重金屬螯合劑以及填埋場庫容，且滿足技術(shù)規(guī)范的危廢填埋場的填埋能力和使用年限均受限制。針對以上問題，對生活垃圾焚燒飛灰砌塊減容潛力、重金屬降低浸出進(jìn)行研究，分析了飛灰壓制砌塊-減容填埋的可行性，并進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，初步確定了工藝投入和綜合效益。結(jié)果表明：生活垃圾焚燒飛灰在高壓作用下可減容60%以上，重金屬浸出濃度明顯降低，可減少30%～70%螯合劑的使用量；設(shè)計(jì)的減容填埋工藝使填埋場壽命增加1～2倍，節(jié)省飛灰直接處理成本200元/d(不含設(shè)備投入)；壓制后的飛灰砌塊形狀規(guī)則、質(zhì)地緊實(shí)，有利于減少傳統(tǒng)飛灰填埋過程中的揚(yáng)塵以及機(jī)械化轉(zhuǎn)運(yùn)、填埋成本，提高了管理水平和生產(chǎn)效率。

生活垃圾焚燒飛灰；壓制；減容；工藝設(shè)計(jì)；安全填埋場

隨著城市建設(shè)的發(fā)展和城市規(guī)模的擴(kuò)大，城市人口數(shù)量驟增，生活垃圾產(chǎn)量也快速遞增，使原有的垃圾填埋場日益飽和或已經(jīng)飽和，而新的填埋場卻因各種原因選址困難。采取垃圾焚燒的方法可以大大減少生活垃圾的體積，從而更大限度地延長現(xiàn)有垃圾填埋場的使用壽命。此外，隨著生活水平的提高，垃圾中可燃、易燃物的含量大幅增多，提高了生活垃圾的熱值。隨著垃圾焚燒技術(shù)越來越廣泛地在國內(nèi)外推廣，所產(chǎn)生的垃圾飛灰也越來越多。生活垃圾經(jīng)焚燒后，會(huì)產(chǎn)生占垃圾總質(zhì)量23%左右的底灰及3%～5%的飛灰。飛灰主要包括SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3和硫酸鹽、鈉鹽、鉀鹽等反應(yīng)物，還有Hg、Mn、Mg、Sn、Cd、Pb、Cr等重金屬元素以及痕量級二噁英類有機(jī)物，另加其他種類污染物，屬于危險(xiǎn)廢物，其安全處理日益受到國內(nèi)外的關(guān)注[1-2]。

1 飛灰的處理技術(shù)現(xiàn)狀

目前飛灰常用的處理處置方法有:固化/穩(wěn)定化，包括水泥固化、瀝青固化、化學(xué)藥劑穩(wěn)定化等[3]；高溫處理，包括燒結(jié)與熔融/玻璃化等，然后填入專門填埋場或資源化利用[4]；提取飛灰中的重金屬，包括酸浸取、生物及生物制劑提取、高溫提取等，然后將提取的重金屬資源化利用[5]。如圖1所示。

圖1 飛灰的處理處置方法

以上處理法對飛灰均有不同程度的作用。客觀上熔融固化處理效果最好，但成本高，使用范圍有限。水泥基固化處理會(huì)使廢物最終體積增大0.5～1倍，增加了最終處置的費(fèi)用，占用大量嚴(yán)格符合技術(shù)規(guī)范的危險(xiǎn)廢物填埋場庫容。重金屬提取著力于飛灰中重金屬的回收與利用，但飛灰中的重金屬一般并不是稀有金屬，其附加值低，回收過程易造成二次污染，因此從環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的角度講并不實(shí)用[6]。化學(xué)藥劑處理是應(yīng)用最為廣泛的飛灰處理技術(shù)，工藝相對簡單，化學(xué)穩(wěn)定化后的飛灰直接進(jìn)入填埋場填埋處置。但目前我國生活垃圾焚燒廠的建設(shè)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過危險(xiǎn)廢物填埋場的建設(shè)速度，每天大量的飛灰都在等著安全處理。而滿足技術(shù)規(guī)范的危險(xiǎn)廢物填埋場的填埋能力和使用年限也是有限的。由此尋找更經(jīng)濟(jì)合理的處理方法迫在眉睫。

垃圾飛灰是非常細(xì)小的粉塵，飛灰顆粒非常松散地堆積在一起，顆粒間存在明顯的間隙，且飛灰由于生成過程的影響，其往往也具有一定的孔隙率。由于這些空隙和孔隙的存在，不僅使得飛灰的表觀密度很小，體積龐大，而且使得飛灰中的重金屬比較容易浸出，從而對環(huán)境造成危害。因此，若能改變飛灰的結(jié)構(gòu)，使其致密化，則可以大大降低其表觀體積，同時(shí)減少重金屬的浸出量，不僅降低飛灰處置過程的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，而且節(jié)省了飛灰填埋場庫容，減少了化學(xué)螯合劑的使用量，從而降低了飛灰的處置成本，實(shí)現(xiàn)生活垃圾高效、經(jīng)濟(jì)的快速消納處置。

2 飛灰壓制砌塊減容填埋潛力分析

利用高壓環(huán)境使物質(zhì)發(fā)生變化，以達(dá)到特殊的效果是一種常見的手段。粉末冶金利用高壓實(shí)現(xiàn)了顯著節(jié)能、省材、高密度等一系列目標(biāo)，充分利用了礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、廢舊金屬等原料[7]，因此高壓亦可作為飛灰安全化處置的一種潛在新技術(shù)。在高壓條件下，使飛灰達(dá)到很高的密度，變成大比重的飛灰砌塊，可以解決傳統(tǒng)飛灰填埋過程中轉(zhuǎn)運(yùn)困難、揚(yáng)塵大等問題，而且能改善工作環(huán)境，降低填埋成本，在工程應(yīng)用上具有很大的前景。

2.1 飛灰減容潛力分析

利用取自上海老港焚燒廠的生活垃圾焚燒飛灰，研究了高壓壓制對飛灰減容的效果。所用壓力系統(tǒng)其壓強(qiáng)可調(diào)節(jié)范圍為0～ 600 MPa，在此區(qū)間內(nèi)，選取了若干壓強(qiáng)對原生飛灰進(jìn)行壓制，并測定壓制后的飛灰砌塊密度。從圖2中壓制效果可以直觀地觀察到一定質(zhì)量飛灰在壓制前后顯著減容，并由疏松松散轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則、密實(shí)的狀態(tài)。

原生飛灰密度為0.79 g/cm3，不同壓強(qiáng)作用下的飛灰砌塊的密度變化如圖2所示。原生飛灰的密度隨著壓強(qiáng)的增大而增大，當(dāng)壓強(qiáng)低于50 MPa時(shí)，飛灰砌塊密度隨壓強(qiáng)增大上升迅速。但壓強(qiáng)高于50 MPa時(shí)，壓強(qiáng)的上升對飛灰砌塊密度增加的效果明顯減弱。

如圖2所示：在壓制過程的前期，主要是壓縮飛灰顆粒之間的間隙，這一過程相當(dāng)于排出空氣，因此所受到的阻力較小，壓縮效率隨壓強(qiáng)上升變化顯著。當(dāng)顆粒間間隙被壓縮盡后，顆粒間相互接觸。一方面，飛灰顆粒本身形狀不一；另一方面，由于飛灰本身具有較大比表面積，即內(nèi)部存在一定孔隙，因此壓制過程的后期，顆粒內(nèi)部孔隙被破壞，同時(shí)壓制前期因顆粒形狀不一而無法壓縮的空隙也因飛灰顆粒結(jié)構(gòu)的破碎而被填充。但在壓制的后期，由于壓力要克服的是飛灰顆粒的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，因此阻力明顯上升，壓制效率顯著降低，且飛灰間空隙與顆粒內(nèi)孔隙的逐漸減小，飛灰砌塊的密度上升逐漸平緩，并有趨近與某一常值的趨勢。飛灰砌塊與密度變化關(guān)系表明：飛灰在有效壓強(qiáng)作用下，其密度可以提高至少1倍，體積減容60%以上，減容潛力巨大。實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)以產(chǎn)品的要求和成本綜合考慮，確定最終壓制壓強(qiáng)。

圖2 原生飛灰密度與壓強(qiáng)之間的關(guān)系

2.2 飛灰砌塊重金屬浸出降低潛力分析

隨著飛灰顆粒間的緊實(shí)度增加，顆粒間的結(jié)合更加緊密，飛灰顆粒物理性質(zhì)改變，比表面積降低。因此，飛灰砌塊的重金屬浸出理論上將會(huì)有所降低。取樣的上海老港飛灰樣品，其原生飛灰中主要檢出Cr、Cu、Hg、Pb、Zn等重金屬，其中濃度超標(biāo)的主要是Pb，其次是Hg。飛灰砌塊重金屬浸出濃度隨壓制壓強(qiáng)的變化趨勢如圖3所示。

圖3 飛灰重金屬浸出濃度與壓制壓強(qiáng)的關(guān)系

Hg的浸出濃度基本隨壓強(qiáng)無變化，其原因可能是Hg的存在形態(tài)一般為游離態(tài)，主要吸附于飛灰顆粒上，與飛灰中其他組分結(jié)合不緊密，浸出濃度波動(dòng)于規(guī)定限制量附近。Cr，Pb，Zn，Cu在壓力作用下浸出濃度明顯降低，在50 MPa壓強(qiáng)后，其浸出濃度出現(xiàn)穩(wěn)定波動(dòng)，但對于含量較高的Pb而言，其濃度依然超過規(guī)定限制。結(jié)合圖2，重金屬浸出效果主要受飛灰顆粒間的間隙影響，當(dāng)在壓強(qiáng)作用下，間隙被壓縮，飛灰顆粒無法與浸提液體有效接觸，減少了浸提面積，從而降低了浸出速率和濃度。但飛灰顆粒間間隙被充分壓縮后，再增大壓強(qiáng)對重金屬浸出效果影響不大，存在最經(jīng)濟(jì)壓強(qiáng)。

從重金屬浸出效果來看，飛灰砌塊的重金屬浸出濃度降低明顯下降，飛灰壓制砌塊減少了約30%的重金屬浸出，換句話說，高壓壓制砌塊工藝對于飛灰穩(wěn)定化而言，不僅具有明顯的減容效果，節(jié)省填埋場庫容，而且能減少約30%的螯合劑的使用，降低了工藝成本。

3 飛灰壓制砌塊-減容填埋工藝

3.1 工藝流程設(shè)計(jì)

圖4 飛灰砌塊壓制減容填埋工藝流程

相較于傳統(tǒng)化學(xué)穩(wěn)定化填埋工藝，此工藝的不同主要體現(xiàn)在高壓壓制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。臥式攪拌系統(tǒng)則要求出料的穩(wěn)定化飛灰含水率低于30%，以利于高壓壓制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。高壓壓制系統(tǒng)選用特制的液壓壓縮設(shè)備，將穩(wěn)定化飛灰壓縮為標(biāo)準(zhǔn)砌塊大小(600 mm×240 mm×200 mm)。壓制后的飛灰利用市場上現(xiàn)有的混凝土砌塊輸送、搬運(yùn)機(jī)械及運(yùn)輸機(jī)械轉(zhuǎn)運(yùn)至填埋場處置。進(jìn)入填埋場的飛灰砌塊按產(chǎn)生批次進(jìn)行編號并分單元填埋。轉(zhuǎn)運(yùn)填埋全流程自動(dòng)化、機(jī)械化操作，減少人工的使用，降低人員的環(huán)境暴露風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 投資估算

表1 飛灰壓制砌塊—減容填埋工藝投資估算

由于飛灰砌塊形狀規(guī)則，因此有利于提供工藝的自動(dòng)化水平和作業(yè)效率，沒有了傳統(tǒng)作業(yè)過程中的攤鋪、壓實(shí)等作業(yè)，降低了飛灰揚(yáng)塵的產(chǎn)生，避免了大氣污染。與上海老港現(xiàn)有飛灰處理工藝(表2)相比，減容填埋工藝增加的設(shè)備主要是高壓壓制設(shè)備，節(jié)省了傳統(tǒng)工藝中的挖掘機(jī)、壓實(shí)機(jī)、鋼結(jié)構(gòu)平臺和路基箱等。利用吊車等轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備可以使填埋更加精細(xì)化，按生產(chǎn)批次分區(qū)填埋也有利于飛灰處置的安全管理。

表2 上海老港焚燒飛灰現(xiàn)有工藝成本分析

3.3 效益分析

表3 經(jīng)濟(jì)效益分析

由表3綜合分析可知，砌塊減容填埋工藝相對于普通化學(xué)穩(wěn)定化填埋工藝，其噸處理成本(不含設(shè)備投入)可節(jié)省至少200元,同時(shí)可以大幅度延長填埋場使用壽命，增長填埋場服務(wù)年限，相對降低了填埋場全周期投入成本。

4 結(jié)束語

日益增長的飛灰產(chǎn)生量、有效的填埋場庫容，被廣泛應(yīng)用的飛灰化學(xué)穩(wěn)定化填埋技術(shù)難以滿足處理的要求。經(jīng)過壓制處理的飛灰，其密度顯著提高，減容60%以上，減少了填埋體積；同時(shí)重金屬浸出顯著降低，可減少30%～70%的螯合劑使用量，降低了處理成本。成型的飛灰砌塊形狀規(guī)則，有利于自動(dòng)化、機(jī)械化填埋。經(jīng)設(shè)計(jì)的填埋工藝處理，飛灰處理直接成本可降低至少200元/t(不含設(shè)備投入)。規(guī)劃化、精細(xì)化的工藝流程有效杜絕了飛灰揚(yáng)塵污染問題，降低了處置企業(yè)的綜合管理成本。

[1] 張瑞娜,趙由才,許實(shí)，等.生活垃圾焚燒飛灰的處理處置方法[J].動(dòng)力工程,2008,28(2): 284-287.

[2] 朱新才,胡桂川,林順洪.城市生活垃圾在機(jī)械爐排爐內(nèi)焚燒過程研究及數(shù)值模擬[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2013,7(12):4958-4964.

[3] 婁性義．固體廢物處理與利用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1995.

[4] SHIN-ICHI SAKAI,MASAKATSU HIRAOKA.Municipal solid waste incinerator residue recycling by thermal process[J].Waste Management,2000(20):249-258.

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[7] 黃培云,粉末冶金原理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1997.

(責(zé)任編輯 劉 舸)

Pressing Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash Bricks for Landfill Volume Reduction

ZHU Xin-cai1, ZHAO You-cai2, ZHOU Xiong1, ZHANG Jun2,XIA Fa-fa2,CHEN Shan-ping3, QUAN Xue-jun4

(1.Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331,China;2.College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092,China;3.Shanghai Research Institute of Environmental Engineering Design and Science,Shanghai 200232,China; 4.Chongqing University of Technology，Chongqing 400054,China)

The construction speed of municipal solid waste incineration (MSWI) is currently faster than that of hazardous waste landfill in China, so that the disposal of MSWI fly ash becomes a pressing problem of the day.In comparison with other technologies, the chemical stabilization is applied widely, while still consume plenty of chelating agent and landfill volume. Restriction from total volume and service life of hazardous waste landfill, it is urgent to find a novel, economical and efficient technology for quick disposal of MSWI fly ash. In this study, the fly ash was pressed at high hydraulic load to reduce considerably both the volume and the quantity of chelating agents so that remarkably extend the service life of landfill. It was shown that the volume can be reduced over 60 % and the heavy metals leaching concentration of MSWI bricks was down obviously after pressing, which indicated the usage of chelating agent can be reduced by 30%～70%. A novel volume reduction landfill process was proposed, the investment and benefit were evaluated. The service life can be prolonged for more than one to two times. The direct cost for the disposal of fly ash could be decreased by 200 RMB/t (not including the investment of equipment). The MSWI fly ash bricks were of regular shape and tight texture, which can avoid the dust in conventional landfill, promote automation, improve management and efficiency.

MSWI fly ash；pressing； process design； volume reduction； security landfill

2016-09-22 基金項(xiàng)目：國家科技支撐項(xiàng)目“村莊/農(nóng)戶聚集區(qū)生活垃圾中廢塑料提質(zhì)及分流分類處理與示范研究”資助項(xiàng)目(2014BAL02B05-02 )

朱新才(1954—)，男，四川宜賓人，教授，主要從事垃圾焚燒研究；通訊作者 全學(xué)軍(1963—)，男，教授，主要從事環(huán)境污染治理研究，E-mail: hengjunq@cqut.edu.cn。

朱新才，趙由才，周雄，等.生活垃圾焚燒飛灰壓制砌塊與減容填埋技術(shù)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(11):78-83.

format：ZHU Xin-cai,ZHAO You-cai, ZHOU Xiong,et al.Pressing Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash Bricks for Landfill Volume Reduction[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):78-83.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.11.014

X705

A

1674-8425(2016)11-0078-06