城市垃圾焚燒產物對環境的影響及其資源化利用

張志偉+汪軍

摘 要： 闡述了城市垃圾焚燒飛灰的基本性質和不同粒徑顆粒所含各種重金屬含量以及它們對水體和環境的危害，介紹了不同粒徑飛灰的物理化學性質和在不同條件下的處理方式，在此基礎上提出了一種“無害化”、“資源化”、“減量化”的有效措施處理飛灰，即水泥窯煅燒處理；還介紹了城市垃圾焚燒產物中二噁英的基本性質、毒性和對人體的危害，從垃圾入爐前、焚燒時、煙氣中等三個方面進行處理，并提出了減少二噁英的生成防治措施及去除的方法；介紹了城市垃圾焚燒底灰的物理化學性質，提出了一種資源化利用的方案，即制成燒結磚.

關鍵詞： 飛灰； 重金屬； 水泥窯； 二噁英； 燒結磚

中圖分類號： TK 16文獻標志碼： A

文章編號： 1008-8857（2016）03-0143-04

Abstract： The properties of fly ash from the incineration of municipal solid waste（MSW），the heavy metal concentration in the fly ash particles with different particle sizes and its harm to the waters and environment were discussed in this paper.The physicochemical properties of fly ash and its disposal methods were introduced.An effective disposal method of fly ash calcination by cement kiln for its recycling，reusing and reducing was put forward.The properties，toxicity and harm to human bodies of TCDDs produced from MSW incineration were also introduced.Some measures which could reduce the generation of TCDDs and remove TCDDs from three aspects were put forward.The physicochemical properties of bottom ash from MSW incineration was introduced.A wastetoresource method of bottom ash was put forward by making baked brick.

Keywords： fly ash； heavy metal； cement kiln； TCDDs； baked brick

近年來，隨著經濟的發展、城市的建設，我國城市垃圾產量急劇增加.2002年我國城市生活垃圾已達1.5億t以上，已有多達35億m2的土地面積被這些垃圾侵占，而在城市中約有三分之二的城市面積被垃圾占領，有四分之一的城市把鄉村作為解決垃圾危機的途徑[1].因此，這些快速增加的城市垃圾已經成為了阻礙社會經濟發展的一個重要因素，同時也對人類的生活環境造成了很大的危害.因此，為了使我國的城市垃圾實現“資源化”、“減量化”、“無菌化”的目標，我國長期著力探究經濟、有效的垃圾處理措施.焚燒垃圾是城市處理垃圾的主要方法之一.由于焚燒后的垃圾體積比原來縮小50%以上，進行垃圾分類收集處理的可燃性垃圾在焚燒后體積甚至可縮小至原來的10%，所以焚燒垃圾能達到“減量化”的要求.對于熱值高的垃圾還可以在焚燒后進一步進行余熱回收利用.但是城市垃圾焚燒飛灰的水溶性鹽分含量很高，并且垃圾焚燒后富集了大量有毒重金屬和二噁英類物質，對生態環境和人體健康有很大的危害.

1 城市垃圾焚燒飛灰的性質及處理方法

1.1 飛灰的組成及性質

飛灰一般是指垃圾經過焚燒處理后在焚燒產物處理裝置中收集得到的殘留物，其中包含吸收塔殘渣、除塵器余燼和洗滌塔污泥.飛灰的殘留物中可能還會有一些化學反應剩余產物、加入的化學藥劑殘留物及煙道灰泥等[2].

飛灰一般情況下是一些細小的粉塵微粒，含水量較少，它們的顆粒直徑分布不均勻，而且顆粒形態不規則，表面粗糙，孔隙率高.由于顆粒內部結構復雜，而且存在很多細微的孔隙，所以飛灰的表面積很大，這使得其表面容易吸附一些重金屬.以上海浦東御橋垃圾焚燒處理廠為例，其垃圾焚燒后的產物主要化學成分為CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3，其礦物組成較為復雜，主要為SiO2、Al2SiO5、NaCl、KCl、CaAl2、Si2O8、Zn2SiO4、CaCO3和CaSO4，還有少量的CaO、Ca2Al2、SiO7、PbO、Cu2CrO4 等[3].

1.2 飛灰的成分及其對環境的不良影響

根據大量的實驗數據統計，飛灰的粒徑分布可以近似用正態分布表示，大部分飛灰的粒徑在54～280 μm之間，占總質量的80%以上；粒徑小于54 μm的飛灰所占的質量分數不足3%；剩余15%質量分數的為粒徑大于280 μm的飛灰.在粒徑小于54 μm的細顆粒飛灰中，各重金屬（其中包括Mn、Pb、Zn、Cu、Ni和Cr）含量都很小，占不到總質量的5%.在粒徑為54～280 μm的中等大小的顆粒中，各重金屬所占比例很大，除Pb外的其他重金屬如Ni、Cr等含量都占60%以上；而且Mn、Cu、Cd、Zn、Pb的質量分數也很高，在40%以上.在粒徑大于280 μm的較大顆粒中，各重金屬所占的質量分數都較低，只有Pb的質量分數占到50%以上，Zn、Cu、Mn、Cd等次之，占35%左右，Cr 和Ni 的質量分數最低，只有15%左右[4].

飛灰焚燒后，在焚化物中所占質量分數很高的主要是含有Ca、Na和K的氯化物的溶解鹽[5].若不經過處理排放，這些氯化物溶解鹽在大自然中會以各種形式污染環境，如其中含有的水溶性鹽分會被雨水等沖刷出來，流入土壤、地下水及地表水，這些污染水同時還會影響附近動植物的生長發育.不僅如此，飛灰中的氯化物還可以增加Pb、Zn等部分重金屬污染物的溶解性，從而使這些重金屬污染物在環境中不容易降解、遷移.

1.3 飛灰“資源化”處理方法

1.3.1 飛灰焚燒處理的主要技術

現在國際上通用的焚燒飛灰處理技術主要有固化/穩定化處理、濕式化學處理和高溫處理三種[6].

固化/穩定化處理是現今國際上比較通用的處理飛灰的手段.固化作用是使廢物殘渣中的污染成分結塊、沉淀、被包裹或難分解.固化的一種最常用的方式是水泥固化.水泥固化技術的基本原理是通過結塊、包裹降低其可滲透性，并通過填實孔隙包團等方法減小這些廢渣的表面積，實現無毒化、穩態化的目的.該技術不足之處是處理一些濕度較大的廢物時水泥用量會大大提高，使殘渣的體積增大，這也增加了處理之后運輸的困難，使處置成本提高，此外還需要提供超出預計的場地掩埋這些廢料.

濕式化學處理的基本原理是通過加入化學試劑進行反應，使有毒、有害物質通過化學反應降低其毒性及穩定性，并且增加溶解性的過程.該技術具有處理過程相對比較簡單、運行處理費用較少等優點.但是，濕式化學法的處理過程中會產生高濃度無機鹽廢水，這些廢水要安全排放必須要進行處理，這又帶來了新的問題；并且垃圾焚燒飛灰及重金屬組分復雜，要想找到普遍適用的化學穩定劑比較困難.

高溫處理包括爐渣熔融和加壓燒結兩種方式.飛灰焚燒時，其中的有害物質如二噁英類物質在高溫環境下結構會徹底被破壞并分解，其分解率高達99%.但是這種處理方式成本很高，因為其所需能源消耗很大并且處理費用也很高.加熱融化過程中，飛灰中的固體顆粒的結構也會發生變化，在高溫下飛灰會發生相變熔融變成熔渣，熔渣呈液態形式.隨后經快速冷卻的過程，結構又發生變化，熔渣又變成玻璃態，這種玻璃態的晶體能將重金屬固化在網格中，使結晶達到穩定的狀態.燒結是在高溫下進行，飛灰固體顆粒晶體中的大部分甚至全部氣孔被排出，在低于熔點溫度下結構重新改變，形成了結構致密、硬度較大的燒結體.在燒結過程中，各種重金屬可以有效地被晶體固化.

1.3.2 焚燒飛灰的再利用處理方法

采用水泥窯煅燒處理飛灰具有明顯的優勢.水泥窯與焚燒爐內部情況對比如表1所示.

由于水泥窯內煅燒溫度高于焚燒爐，而且物料在水泥窯內高溫區域的停留時間也長于焚燒爐，所以在水泥窯中二噁英比在焚燒爐中被破壞得更徹底.另外，水泥窯中的堿性環境有利于吸附飛灰中的一些揮發成分，對HF、HCl、SO2有很強的中和作用；當溫度在1 450 ℃時，可以通過一系列的化學反應將重金屬固化在熔渣中，而且由于經過硬化處理后的水泥石結構堅硬緊致，在經適當處理后，可以使飛灰中有害物質固結在熔渣中，不易釋放出來.在水泥窯內廢氣冷卻得較快，避免了二噁英與呋喃的再次反應.

垃圾焚燒飛灰經高溫煅燒后燒結成具有陶瓷狀結構的固體.這些成分可用作混凝土原料，以及作為路基、堤壩等建筑原料.在歐美發達國家，生活垃圾經過焚燒處理后其飛灰中的K、Na等氯化物含量較低，常將其放入水泥窯進行高溫煅燒.煅燒產物可以作為硅酸鹽水泥的原料.

2 二噁英的性質及其處理方法

2.1 二噁英的性質及其對生物的危害

經過焚燒處理后，城市垃圾的焚燒產物主要是煙氣、飛灰和爐灰，其中有毒物質二噁英主要存在于煙氣和飛灰中.二噁英是一種在工業上無實際用途的副產物.二噁英具有相對穩定的芳香環結構，在常溫、常壓下為白色固體，二噁英的化學性質穩定，分子無極性，通常狀況下不容易分解，難溶于水，但是易溶于脂肪和四氯化碳；在強酸性、強堿性和一般的氧化狀態下能保持一定的穩定結構；熔沸點較高，通常在500 ℃開始分解，800 ℃時很快就完全分解；二噁英具有脂溶性，會積聚在動物脂肪組織及植物的某些部位[7].

在自然環境條件下，二噁英的分子結構受光分解、水解和微生物降解作用的影響較小，因而能夠以一定的穩定性和持久性廣泛地分布于自然界中[8].

二噁英是一類急性劇毒物質，通常小劑量的二噁英就能導致生物的死亡.生物體攝入低濃度的二噁英會引起免疫系統調節功能障礙，誘發DNA突變，由此會導致畸形或者誘發癌癥[9].

2.2 二噁英的主要來源

自然界中二噁英的主要來源一般是伴隨著有機物的燃燒；人類活動產生二噁英的途徑一般是燃燒生物質能源如火力發電過程，植物或動物皮毛的燃燒，焚燒塑料、垃圾或抽煙等過程；另外，在非燃燒的條件下也可能產生二噁英，如在布料或紙張的漂白過程中使用一些會發生反應的添加劑等；在金屬的冶煉過程中也容易產生二噁英.

2.3 減少二噁英生成及去除二噁英的方法

降低二噁英排放的手段主要是在垃圾焚燒后的處理過程中對產生的二噁英進行處理.根據二噁英的性質可知，在高溫環境下二噁英能夠分解.因此，使用達到一定溫度的水泥窯并配置煙氣處理裝置是能夠有效地減少二噁英的產生.

2.3.1 入爐前的措施

城市垃圾在入爐焚燒前要經過預處理，如進行垃圾分類、預熱分解等措施，以實現垃圾在水泥窯內能在特定溫度（約980 ℃）充分地進行燃燒.這樣可以使垃圾中含有的可以催化產生二噁英的一些金屬含量減少并且降低含氯物質的入爐，有助于保護環境.

2.3.2 焚燒時的措施

垃圾焚燒過程中生成二噁英的主要原因有燃燒溫度不夠、缺氧燃燒、燃燒不充分等.因而，采用提高燃燒溫度（大于900 ℃），在高溫燃燒區引入充足的氧氣，以及使煙氣在高溫通道增加駐留時間（一般要在2 s以上）等措施，使物質中含有的二噁英充分分解.由此可見，采用水泥窯高溫煅燒垃圾焚燒飛灰是控制其中二噁英的一種很好的方法[10].

2.3.3 煙氣中的二噁英的減少和防治措施

采用布袋等高效除塵器和往煙氣中噴入一定量的氟可以有效防止二噁英在煙氣中生成.因為在化學性質上，氟與氯的結合性強，大于二噁英與氯的結合性.這種方法還避免了使用靜電除塵時一些有催化作用的金屬顆粒如Cu、Ni、Fe等參與催化生成二噁英.

3 城市垃圾底灰的性質及其利用

3.1 底灰的物理化學性質

垃圾焚燒產物的底灰是指焚燒后在爐底產生的灰渣和掉落灰等物質，主要成分是熔融塊，還包括一些熔渣、灰渣和一些金屬及有機物燃燒的剩余殘渣.底灰的吸水率、表觀密度和堆積密度分別為5.5%、3 273.11 kg·m-3和2 210 kg·m-3.底灰的細度模數為3.535，屬于粗砂，其中SiO2、CaO和Al2O3含量較高.

3.2 底灰的資源化利用——制燒結磚

由于城市垃圾焚燒底灰具有與天然骨料的物理化學性質相似和重金屬浸出濃度較低兩個特點，所以可以用來制成燒結磚.當所用原材料質量分數分別為膨潤土摻量57%、底灰（粒徑小于0.15 mm）摻量40%、玻璃粉3%時，所制成的燒結磚抗折強度較高，約為11 MPa.燒結磚能在建筑等行業中再利用，實現了資源化利用.

4 結 論

垃圾焚燒技術憑借著“減量化”的特點突出，已經成為了很多城市垃圾處理的重要途徑之一，而焚燒時所產生的對環境構成威脅的產物是人們所關心的，也是垃圾焚燒技術需突破的一個關鍵點.在垃圾焚燒過程中對飛灰進行預處理及完全燃燒以減少飛灰中的有害物質，對于產生的飛灰進行燒結處理和資源化利用都是處理焚化物質的有效方法{11}.應更加規范垃圾焚燒處理各環節的進程，著力于“無害化”處理，以保護生態環境和人們的身體健康.

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