城市垃圾焚燒飛灰無害化處置技術研究進展

陳昕 胡友彪 查甫更 徐國春 楊琳 汪飛

摘 要：該文圍繞城市生活垃圾焚燒飛灰的處置，重點總結了國內外生活垃圾焚燒飛灰的無害化處置技術，包括熱處理法、分離法以及固化/穩定法等，分析了各種處理處置方法的優缺點與存在的問題，并對城市垃圾焚燒、飛灰無害化處理技術的進一步發展進行了展望。

關鍵詞：城市生活垃圾;飛灰;重金屬;穩定化

中圖分類號 X705? 文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）19-0146-04

2019年，我國生活垃圾的清運量高達24206.2萬t[1]。城市生活垃圾的主要處置方法有填埋、堆肥、焚燒等，我國垃圾處置以填埋、焚燒法為主，其他方法為輔[2，3]。填埋法作為一種經濟簡便的處理方法多年來在我國得到了廣泛應用，然而，填埋需要占用大量土地資源[3]，垃圾填埋場地變得日益緊張稀缺;并且在填埋過程中，雨水滲透和垃圾降解反應，產生大量的垃圾滲濾液，污染附近的土壤和地下水系統。

目前，焚燒法在城市生活垃圾處置中占比逐年上升，2019年中國垃圾焚燒廠為389家，處理量為12174.2萬t，占垃圾無害化處理量的50.7%。經焚燒處理后的生活垃圾質量和體積分別減少70%、90%，能有效改善填埋法的不足之處;且焚燒能銷毀固廢中有機物質，降低病原體和微生物引發的風險[4]，焚燒產生的熱量可供暖發電，達到廢物資源化利用的同時。因此，焚燒逐漸成為固體廢物處置的主要方法，然而，城市生活垃圾焚燒后產生的固體殘留物飛灰（約占焚燒固體廢物的2%～5%），由于富集高濃度重金屬、二噁英、可溶性鹽類等有毒污染物，被列入《國家危險廢物名錄》，在填埋之前需要進行無害化處置。本文綜述了近年來文獻報道中應用較多的飛灰無害化處置技術，包括熱處理、分離以及固化/穩定化[5]，并對其各自的優缺點進行了系統的整理和歸納。

1 熱處置技術

該技術是將飛灰與助熔劑混合，在700～1600℃高溫作用下加熱，灰渣表面的有害物質得到二次揮發，二噁英、呋喃被分解[6]，飛灰中殘留的重金屬元素固化成晶體結構，不易被浸出，常用于飛灰的解毒和減容。根據飛灰加熱溫度和添加輔料的不同，熱處理技術主要分為，燒結（900～1100℃）、熔融/玻璃化（>1100℃）2種。

1.1 燒結處置法 燒結法是將飛灰與其他助劑混合造粒，在低于混合物熔點的溫度下，粉末顆粒發生擴散、聚集和碰撞，將大部分甚至全部氣孔從晶體中排出，使顆粒間相互黏結，形成致密堅固的燒結體。燒結體會將重金屬固定于新形成的晶體結構內部，限制其遷移，極大降低了重金屬浸出毒性，燒結產物具有較高的抗壓強度和密度，常用于陶瓷和建筑輕骨料的生產[7，8]。T. Mangialardi[9]對意大利4種不同垃圾焚燒廠的飛灰進行了燒結測試，結果表明，成型壓力28N/mm2、溫度1140℃和燒結時間60min是制造水洗飛灰燒結體的最佳條件，燒結后飛灰浸出液中重金屬濃度遠低于固體廢物處置法規定限值，燒結產品可以滿足混凝土重骨料需求，但高氯含量的飛灰會降低混凝土骨料的抗壓強度和腐蝕鋼筋，在使用前需要進行降氯預處理。燒結處置技術升溫速度快、溫度高，有利于二噁英的降解。但由于飛灰中殘留氯和重金屬含量較高，在生產前需要進行預處理，降低其在建筑中的浸出風險。

1.2 熔融/玻璃化處置法 熔融和燒結過程相似，二者的區別在于熔融溫度更高，飛灰的高融化溫度使該技術在實際工程應用中具有局限性。但經過大量研究發現，添加助熔劑可以降低熔化溫度，將飛灰或飛灰混合物轉化為剛性非晶玻璃基體，有害元素被封裝在玻璃結構中，不易受到浸出或化學侵蝕[10，11]，同時也可以利用玻璃體良好的固化性能和機械特性來替代建筑材料，如道路建設的底基層、磚和石板等，實現飛灰的再循環利用。

目前，熔融爐主要有電弧爐、電阻爐、等離子體爐等。Ma等[12]使用直流電弧等離子體爐，在1250～1400℃條件下對飛灰進行熔融處置，結果表明，經等離子體爐處理的飛灰體積減小68.7%～82.2%，重量損失23.8%～56.7%，飛灰成功熔融比例為氧化鈣20%～48%，氧化鋁10%～15%，二氧化硅40%～65%，水洗預處理降低了重金屬揮發速率，熔渣中重金屬浸出量遠低于國家標準。

近年來，大量研究集中在降低飛灰熔融溫度的添加輔料的種類、比例、含量等方面。Gao等[13]使用B2O3為助熔劑，通過控制添加比例，對城市生活垃圾焚燒飛灰進行熔融實驗以降低熔化溫度并保持玻璃碴的化學耐久性。當B2O3添加量從0增加到15%時，在高溫的作用下，B2O3影響了飛灰中耐火礦物的熔融特性，飛灰的熔融溫度從1211℃下降到986℃。液態爐渣的產生導致顆粒表面積減少和重金屬傳質阻力增加，此外，隨著爐渣粘度降低，飛灰顆粒更易附聚，提高了重金屬的化學穩定性。

熔融處置技術具有高減容率，能夠降解飛灰中二噁英和呋喃，產生的玻璃態抗浸出渣將非揮發性重金屬封裝在玻璃基質中，有效避免其對環境的污染。然而，揮發性成分、酸性氣體、重金屬和其他化合物會隨著煙氣排放，釋放到環境中，因此熔融后要進行尾氣的凈化處置。且熱處理過程能耗大，二次飛灰中的重金屬富集，處置設備價格昂貴，飛灰的高氯含量會腐蝕設備，縮短設備使用壽命，故該方法運行成本較高，僅在部分發達國家普及應用[14]。

2 分離技術

2.1 水洗（分離）法 飛灰中的氯化物（如氯化鈉、氯化鉀和氯化鈣等）易溶于水，通過簡單水洗操作可以有效地從飛灰殘渣中去除[15，16]。Chiang等[17]將水洗作為飛灰預處理工藝，結果表明，飛灰中大部分有害氯化物、硫酸鹽和重金屬得到去除，氯離子含量顯著降低。在熔融溫度為1450℃，液固比為10時生成的熔渣中銅和鉛的玻璃化率相對較高，水洗加強了重金屬玻璃化程度，此外，水洗后飛灰中鈉、鉀、鈣、鎂的玻璃化率也高于未經處理的飛灰。

飛灰性質、液固比和提取時間是影響水洗的關鍵因素，Yang等[18]研究發現，活性炭殘渣水洗的最佳操作條件為液固比為3mL∶1g，萃取時間為5min，水洗后超過70%的氯化物和近25%的硫酸鹽得到去除。此外，水洗過程進行二氧化碳曝氣，可以有效提高氯鹽的分離效果并降低水洗液中重金屬濃度。