城市生活垃圾焚燒飛灰利用處置現狀及環境管理

吳昊，劉宏博，田書磊，盧桂蘭，郝雅瓊*

1.環境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環境科學研究院 2.國家環境保護危險廢物鑒別與風險控制重點實驗室，中國環境科學研究院

隨著我國國民經濟的迅速發展、城鎮化速度加快和人民生活水平的日益提高，生活垃圾產生量大幅增加。據統計，2018年我國生活垃圾清運量為2.28億t[1]，較2009年增加 7 100 萬t。目前國內生活垃圾處理方法主要有填埋、堆肥、分類處理、焚燒等。其中，焚燒通過高溫滅菌使生活垃圾達到無害化處理，可減容90%、減量75%[2-3]，是目前生活垃圾處理處置的重要手段之一。同時，焚燒過程中產生的余熱還可用于供熱、發電，實現資源二次利用。

1 生活垃圾焚燒行業現狀

自1988年在深圳建成第一座垃圾焚燒廠以來，截至2018年底，我國垃圾焚燒無害化處理廠已達331座[5]，總處理能力為37.0萬t/d[6]。近10年生活垃圾填埋量與焚燒量及其占比如圖1所示。

圖1 2009—2018年生活垃圾填埋量與焚燒量及占比Fig.1 Quantity and proportion of domestic garbage landfill and incineration from 2009 to 2018

由圖1 可知，填埋仍是生活垃圾的主要處置方式，近10年填埋量逐年增加，但填埋量的占比卻呈逐年下降趨勢，從2009年的81.5%降到2018年的53.5%；而焚燒無論是年處理量還是占比，均呈逐年遞增趨勢，截至2018年底，年處理量和占比分別為 10 184.9萬t/a和46.5%。焚燒處理具有用地節省、處理速度快、減量效果好、污染控制佳及能源利用高等優點，在國家產業政策的支持下，我國垃圾焚燒技術得到了迅速發展。

2 飛灰的產生現狀、污染特性及危害

2.1 飛灰產生現狀

隨著生活垃圾焚燒發電模式跨越式發展，焚燒過程產生的飛灰量也逐年增加。飛灰主要產生于生活垃圾焚燒發電廠的布袋除塵器等煙氣凈化系統以及來自煙道與煙囪底部沉降的少量底灰。我國生活垃圾焚燒爐型主要為爐排爐和循環流化床，其中爐排爐飛灰產率為2%～5%，循環流化床飛灰產率為8%～15%。按飛灰產生量約為焚燒垃圾量的3%～5%[7]計，2018年全國飛灰的產生量為305.5萬～509.2萬t。據統計，2018年全國200個大、中城市工業危險廢物產生量為 4 643.0萬t[8]，飛灰產生量占危險廢物產生量的6.6%～11.0%，數量較大。

2.2 飛灰污染特性

飛灰是一種灰白色或深灰色細小粉末，具有含水率低、粒徑不均、孔隙率高及比表面積大的特點。因生活垃圾焚燒產生的煙氣脫酸過程中需要噴射大量的消石灰等堿性物質，導致飛灰具有很高的酸緩沖能力和腐蝕性[7]。飛灰中主要元素有Si、Ca、Al、Fe等，還有較多的K、Na、Cl等元素，屬于CaO-SiO2-Al2O3(Fe2O3)體系。飛灰的組成與生活垃圾的組成及焚燒工藝密切相關，爐排爐與循環流化床2種爐型產生的飛灰主要成分如表1所示。由表1可知，爐排爐產生的飛灰中含有較多的CaO、Cl、Na2O、K2O等，循環流化床產生的飛灰中含有較多的CaO、SiO2、Al2O3。

表1 2種爐型產生飛灰的主要化學成分及其占比[9]Table 1 Main chemical components of fly ash produced by different furnace types %

生活垃圾中的含氯塑料及廚余垃圾焚燒分解后產生的氯化物富集于飛灰中，含氯元素占比高是我國飛灰的顯著特征之一，有的甚至高達37.3%[10]，其主要以Ca、Na和K的可溶性氯化物存在。多數研究表明，飛灰中重金屬濃度分布差異較大，但通過X射線衍射儀技術(XRD)分析未檢測到飛灰中含有重金屬的結晶礦物相組分，其原因可能是由于飛灰中重金屬占比較小(一般為0.5%～3.0%[11])。飛灰中重金屬多以無定形態存在，其中Zn、Pb、Cu、Cr相對濃度較高[12]。宋珍霞等[13]研究了重慶市垃圾焚燒發電廠焚燒飛灰，提出飛灰主要重金屬化學形態、濃度及浸出濃度(表2)。結果表明，飛灰中重金屬Pb、Zn的浸出濃度高于GB 5085.3—2007《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》中毒性浸出標準限值，其中Pb的浸出濃度是標準限值的7倍左右。

表2 飛灰重金屬形態、濃度及浸出毒性Table 2 Morphology, content and leaching toxicity of heavy metals in fly ash

2.3 飛灰環境風險

3 飛灰資源化和無害化處理技術

3.1 固化/穩定化技術

3.1.1水泥固化技術

水泥固化飛灰技術指將飛灰和水泥按一定比例混合后，通過固化包裹手段，使飛灰中的重金屬以氫氧化物或絡合物的形式被包裹在經水化反應后生成的水化硅酸鹽中，形成一種具有低重金屬浸出毒性且長期穩定性好的塊狀水化硅酸鈣產物[16]。杜漸[17]采用硅酸鹽水泥固化飛灰，結果表明，水泥水化后一般形成鈣礬石和C-S-H凝膠，將重金屬離子包裹并固定，同時水泥漿體呈現強堿性，使飛灰中重金屬離子形成難溶的氧化物或碳酸鹽，防止重金屬浸出。該技術應用比較廣泛，目前，多采用普通硅酸鹽水泥作為飛灰固化劑。

3.1.2化學藥劑穩定化技術

化學藥劑穩定化技術指通過選擇與飛灰中重金屬性質匹配的藥劑，與重金屬反應形成不溶或難溶的化合物、絡合物或螯合物，使重金屬的遷移性減小、毒性降低[18]。常見的穩定化藥劑主要包括無機藥劑如石膏、硫化物、鐵酸鹽、磷酸鹽，有機藥劑如高分子有機穩定劑(EDTA)等。化學藥劑對重金屬穩定化具有選擇性。劉引等[19]采用2.5% Na2HPO4與7.5% Na2S復配無機藥劑穩定飛灰重金屬，研究發現，飛灰中Cd、Pb、Se、Zn等重金屬浸出濃度均低于GB 5085.3—2007標準限值。Wang等[20]采用六硫代胍酸和四硫代氨基甲酸2種新型有機藥劑穩定飛灰中重金屬，結果顯示，二者因具有豐富的硫化氫基團，能夠與Zn、Cu、Ni、Pb、Cr、Cd等重金屬有效結合，穩定化性能良好。

3.2 熱處理技術

熱處理技術指在較高溫度條件下，混合工業固體廢物或黏土等其他助劑實現飛灰中有機污染物的降解和重金屬的穩定化。按照熱處理溫度不同，一般可分為燒結技術(700～1 100 ℃)、熔融/玻璃化技術(1 000～1 400 ℃)[15]。

3.2.1燒結技術

燒結技術指在低于熔點溫度條件下提供焚燒飛灰顆粒的擴散能量，將大部分甚至全部氣孔從晶體中排除，使飛灰顆粒間產生黏結，變成致密堅硬的燒結體，從而降低飛灰中重金屬的遷移能力[21]。Wong等[22]將飛灰作為替代鐵礦石燒結過程中部分鈣熔劑，結果表明，飛灰的加入對燒結指標有所改善。目前，工程上多采用回轉爐對飛灰進行燒結處理。

3.2.2熔融/玻璃化技術

熔融固化法又稱作玻璃化法，它是利用高于物質熔點的溫度使其達到熔融狀態，在冷卻過程中將有毒重金屬固化在熔渣中。玻璃體的主體結構為由[SiO4]四面體構成的“短程有序、長程無序”的網絡結構[23]，重金屬及其他金屬陽離子鍵接在網絡結構當中，玻璃體的重金屬浸出率極低。Yang等[24]通過玻璃化技術有效固化了飛灰中的Cr、Cd、Pb等重金屬，但在高溫條件下，部分重金屬易揮發，造成二次污染。

3.3 分離萃取技術

3.3.1生物浸提技術

生物浸提技術是在微生物(細菌或真菌)作用下將重金屬溶出的一種濕法冶金方法。Funari等[25]研究表明，采用生物浸提法可使飛灰中Zn、Cu、Pb的去除率均達90%以上。目前重金屬浸提中應用最廣泛的微生物包括氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillusferrooxidans)、氧化硫硫桿菌(Thiobacillusthiooxidans)和鐵氧化鉤端螺旋菌(Leptospirillumferrooxidans)[26]。

3.3.2化學浸提技術

化學浸提技術主要是采用特定的化學試劑將飛灰中的重金屬分離、提取，實現重金屬回收。Tang等[27]采用新型工業化學萃取劑(Cyanex 572)從酸性飛灰滲濾液中分離Zn和其他重金屬，發現其對Zn的萃取選擇性高于Cd、Pb、Cu等重金屬。浸提過程中常用的化學浸提劑主要包括HCl、HNO3、H2SO4、NaOH、NH3和螯合劑等。

3.4 水熱處理技術

3.5 水泥窯協同處置技術

3.6 填埋技術

飛灰填埋一般采用袋裝固化處理后，按照分層、分單元、分區進行填埋，在堆砌的過程中盡量避免飛灰袋破損導致泄漏。考慮到滲濾液成分復雜，在填埋區交界處設置臨時雨水收集點，避免雨水滲入飛灰產生滲濾液，并在填埋單元邊界采用高密度聚乙烯(HDPE)膜進行隔離。現階段我國生活垃圾焚燒飛灰處理處置主要依靠藥劑螯合固化穩定或水泥固化穩定達到GB 18598—2019《危險廢物填埋污染控制標準》或GB 16889—2008《生活垃圾填埋場污染控制標準》要求，再運至危險廢物填埋場或生活垃圾填埋場進行填埋。

4 飛灰管理存在的問題

4.1 飛灰填埋處置管理體系不完善

目前我國飛灰主要以填埋處置為主。《生活垃圾填埋場污染控制標準》《危險廢物填埋污染控制標準》中規定了廢物入場限值，但生活垃圾填埋場運行單位并不具備相應的監測能力，生態環境部門也未將入場飛灰是否達標納入對填埋場運行單位的監督監測體系，監管缺位導致入場的飛灰普遍不能穩定達標。未經水泥固化處理的飛灰在填埋場開放作業條件下容易通過大氣揚散，不達標的化學螯合穩定化飛灰在填埋場有可能成為污染地下水的環境隱患。部分地區垃圾焚燒企業在穩定化預處理設施、填埋處置設施不足的情況下，違規轉移、貯存等情況時有發生。針對飛灰不規范填埋處置，現有的監管體系不能有效發揮作用。

4.2 飛灰處理處置過程標準缺失

4.3 利用處置技術存在短板

飛灰的利用處置是生活垃圾焚燒行業的難題，成為生活垃圾焚燒全過程污染控制和風險管理薄弱環節。經國內研究機構及企業不斷創新，無害化處置和資源化利用技術有了較大突破并涌現成功技術應用案例。但填埋技術和熱處理技術還存在著技術難點，如飛灰在填埋前預處理過程缺乏統一的技術規范，對后期填埋存在安全隱患，高溫熱處理技術存在處置成本高、能耗高、二次飛灰等問題，技術的應用推廣還需要進一步探索。

5 對策與建議

5.1 強化飛灰環境污染綜合整治

結合開展焚燒行業嚴格執法和守法保障專項行動，將飛灰處理處置情況作為重點調查內容，全面掌握飛灰處理處置技術工藝、達標情況、管理制度、監測和執法等方面的現狀。開展飛灰綜合整治行動，要求地方政府、主管部門、企業落實主體責任，切實做好飛灰污染防治工作，對不達標不規范處理處置飛灰、飛灰貯存處置存在環境隱患的企業，采取嚴厲措施，限期整改；對嚴重污染環境的違法行為，依法進行查處。

5.2 強化飛灰污染防治的監督管理

嚴格按照危險廢物管理制度要求，強化對飛灰產生、利用和處置的執法監管，依法整改、淘汰或關停不符合有關標準規范要求的飛灰處置設施。督促生活垃圾焚燒企業加強自行檢測管理，按照國家規范自行或者委托第三方開展檢測；督促生活垃圾焚燒企業加強信息公開和向公眾開放，按要求及時公開生活垃圾焚燒飛灰的去向和處置方式等信息，強化社會監督，消除公眾對飛灰處置的疑慮。

5.3 完善飛灰處理技術標準規范

住房和城鄉建設部已組織編制完成《生活垃圾焚燒飛灰固化穩定化處理技術標準》，出臺后將進一步規范生活垃圾飛灰處理工程設計、建設與運行管理行為。生態環境部著手修訂GB 16889—2008《生活垃圾填埋場污染控制標準》，補充完善生活垃圾焚燒飛灰污染控制技術規范和技術政策。進一步針對飛灰資源化產品質量標準和污染控制標準開展研究，從全過程無害化管理的角度提出飛灰的污染防治要求。

5.4 深入研發及推廣飛灰資源化利用技術

6 結語

隨著生活垃圾焚燒發電技術的不斷進步與應用，我國飛灰產生量逐年增加，其作為危險廢物，資源化利用及處置過程環境風險較大。目前國內飛灰處理處置技術主要包括固化/穩定化、熱處理、分離萃取及水熱處理等技術。固化/穩定化技術—填埋及水泥窯協同處置是主流技術，熱處理技術燒結陶粒已實現工程化應用，而熔融/玻璃化技術處于小規模處置試驗階段，推廣應用有待進一步驗證。低溫熱解技術成熟度不高，但可實現飛灰大規模處置，有望未來在解決我國飛灰處置中發揮重要作用。

在環境管理環節，應加強飛灰處理處置日常監督與管理，強化飛灰環境污染綜合整治，建立生活垃圾焚燒企業、資源化利用與處置企業管理臺賬。加大飛灰資源化利用技術研發與投入，開發適用性廣、穩定效果好的螯合穩定劑或開發能耗低的熱處理技術等。持續完善飛灰資源化和無害化技術、方式以及相應的環境污染防控、產品質量與安全要求等相關標準制修訂工作，規范利用處置行為，實現飛灰污染的有效防治。

由于我國飛灰高氯及高危險特性，飛灰的利用處置需要綜合考慮環境風險、經濟可行及社會影響。目前飛灰處置利用技術應用和管理存在諸多問題，應從源頭上強化垃圾分類，在過程中重點開發/選擇先進的焚燒技術、研發新的固化/穩定化藥劑、研究新的利用處置途徑和創新管理模式等，在經濟成本和環境保護中尋找最佳平衡點。隨著技術和管理的不斷發展進步，充分發掘飛灰無害化、資源化利用潛力。