垃圾焚燒過程重金屬遷移分布規律研究現狀

許飛，周文武，常可可，楊濤，倪海鳳，方程，朱賽紅，旦增

（西藏大學，西藏拉薩 850000）

隨著經濟水平的迅速發展和居民物質消費水平的提高，我國生活垃圾產量快速增加。截至2019年底，全國生活垃圾清運量24 206 萬t，生活垃圾無害化處理24 012.8 萬t，其中焚燒處理12 174.2 萬t，焚燒處理率占比約50.7%，可見我國生活垃圾處理主要以焚燒為主。焚燒是指生活垃圾在高溫條件中變為水蒸氣、氣態物質和固態物質等相對穩定的惰性物質的過程，具有顯著的無害化、資源化和減量化的優點[1]。垃圾焚燒中灰渣（包括底渣（80%）、飛灰（20%））約為原垃圾的30%[2]。并且焚燒過程中會產生二次污染，如SO2、NOx、CO、CO2、二惡英、金屬污染物等[3]。

汞、鎘、鉛、鉻等生物毒性顯著和鋅、銅、鈷、鎳、錫等具有一定毒性的重金屬在環境污染中是最主要的，其中砷的理化特性和環境危害與重金屬相同也被列入重金屬范圍[4]。生活垃圾焚燒過程中去除了明顯易生成的重金屬的污染源，但焚燒仍有大量重金屬存在，且危害也不能被微生物分解和可能在生物體內富集[5-6]。而重金屬主要通過滲濾液、灰渣、煙氣等不同排放渠道危害環境和人類健康[7]。研究表明，垃圾焚燒過程中重金屬在各個排放渠道（滲濾液、底渣、飛灰和煙氣）中的分配比例與單質和化合物的沸點、飛灰成分、焚燒工況、垃圾組成（硫化物、氯化物、垃圾水分、礦物質元素等）、燃燒氣氛、添加劑等因素有關[2，8-9]。

1 來源及危害

重油燃燒、肥料、冶煉、化合物制造、農藥、礦山開采、煤和熱力發電等方式是重金屬污染的來源[5]。其中煤和垃圾焚燒是最為主要的，又以垃圾焚燒為主[5]。經過地質作用和生物作用，重金屬在環境中通過大氣、飲水、食物等不同渠道被人體吸收，從而致癌、致畸等負面效應[10]。而焚燒排放中的亞微米級顆粒重金屬帶來的危害最大[9]。單質（汞）、化合態（鎘和鉛）具有極強的毒性，可以通過食物及環境等方式進入體內，重金屬（Cd、Cr、Cu、Ni、As、Pb、Zn）在水中具有較高的溶解度，易被生物體吸收產生危害[5，11]。表1為垃圾中重金屬的來源。

表1 重金屬的來源及危害

2 重金屬遷移分布規律

城市生活垃圾中有可燃和不可燃兩個部分，焚燒過程中金屬元素發生氣化—成核/凝結—凝聚等復雜反應，主要以蒸發和冷凝過程為主[16-17]。圖1為生活垃圾焚燒過程中金屬的遷移過程圖。

圖1 城市生活垃圾焚燒過程中的金屬遷移機理圖[3，11，14，18-20]

中等揮發或難揮發的重金屬通過燃燒釋放、積存于爐渣和飛灰的形式排出[12]。研究發現，重金屬Hg（元素汞、氧化汞、顆粒汞）以氣態形式出現在煙氣中[14]，Pb（PbO）以氣固兩相的形式出現在飛灰和底渣中[21]，Cd（單質鎘、氧化鎘和硫酸鎘）富集于飛灰中[14]，砷（砷酸鹽、砷的氧化物和硫化物）遷移至灰渣中和（As2O5、Ca3（AsO4）2）飛灰細顆粒中[23]，Cu 為固相且多分布在底渣和（CuCl2和Cu3Cl3）飛灰中[24]。此外，容易在低溫段冷凝沉積是熔點較低的氣態化合物[25]。

3 遷移分布的影響因素

遷移分布是重金屬在焚燒過程中通過排放渠道（底渣、飛灰和煙氣）的分布比例。影響重金屬遷移規律的因素主要包括：（1）垃圾成分（如垃圾中重金屬的含量及形態、可燃物質含量與成分、Cl 和S 元素的形態和含量、水分和其他無機類物質（主要是Si、Al、Ca 的氧化物））；（2）焚燒爐運行參數（如焚燒的溫度、爐膛形狀、氣氛、煙氣、停留時間、混合條件、固體顆粒的物理化學條件）[10，20]。

3.1 重金屬特點

重金屬的沸點這一自身特點對遷移具有較大影響[2]。而沸點低的重金屬（如：As/Cd/Pb/Zn/Se）易進入飛灰或煙氣，沸點高的重金屬（Al/Ba/Ca/K/Mg/Si/Fe/Ti）存留在底渣中[9]。根據重金屬元素揮發特性分成3 類：（1）Cr 和Ni 等元素沸點高、不易揮發，形成底渣的基體；（2）As、Cd、Cu、Pb、Zn 等元素揮發性高，底渣中存在較少，主要富集在飛灰顆粒上；（3）Hg 易揮發重金屬經歷了揮發而沒有被冷凝，以氣相形態存在[12，16]。表2為不同重金屬及化合物的熔點和沸點。

表2 幾種重金屬及其化合物的熔點和沸點[3，5，13，16，20]

3.2 垃圾特性的影響

垃圾焚燒過程中，特別是垃圾本身的水分、Cl 元素、S 元素以及無機物等都會帶來影響。垃圾中的水分對重金屬的遷移和轉化有著重要影響，如在增加煙氣中的水分、降低燃燒溫度、延長燃燒時間、延長揮發分的釋放時間等方面[8，20，26]。對燃燒系統中氯及重金屬鉛[8]、鎘[3，8，20]、汞[3，20]、鉻[3，20]、鋅[8]等都會產生不同程度的影響。而垃圾中的Cl 元素是廚余（NaCl）和塑料類制品（PVC）帶來的，Cl 元素的含量增加就會促使重金屬氯化物的轉化，對其揮發性影響很大[12]。溫度低對重金屬的揮發影響小，而溫度高易揮發，有機氯對揮發性強的重金屬（Cd、Pb）的影響較無機氯更大[3，5，27]。垃圾中的硫分可燃硫（有機可燃硫、單質硫）和不可燃硫（硫化物、硫酸鹽），其來自垃圾焚燒時添加的輔助燃料煤中含有大量的硫和硫化物（Na2S、Na2SO3和Na2SO4），以及在輕工業中的應用帶來的硫[12-13，20]。例如S 和Na2S 在高溫下抑制重金屬的揮發并導致重金屬（Cd、Ni、Zn）富集在底灰中，但能促進Pb 向飛灰的轉化[27]。此外，生活垃圾中含有大量的不可燃物質（如灰塵、陶瓷和玻璃等無機組分），以及化學成分為SiO2、Al2O3等硅鋁氧化物，對重金屬遷移有一定影響[12，20]。研究發現，CaO、CaCO3、SiO2、Al2O3、高嶺土、沸石、石灰石對Cu、Cd、Zn、Cr、Ni、Pb 等重金屬都有不同程度的影響[28-31]。

3.3 運行環境的影響

運行環境中焚燒的溫度、供氧量、爐型、停留時間、焚燒區域空氣分配、煙氣、凈化方式及捕集效率等都會影響重金屬的遷移[32]。溫度對垃圾焚燒中重金屬的遷移有顯著影響，如在溫度的影響下Zn 的揮發率增大，Pb、Cd 會更多地向細顆粒遷移和Pb 以氯化物的形式逸出，而Cu、Ni 的遷移受到的影響較小，在底渣中富集，Cr 揮發較小，Hg 受到煙氣氣氛和溫度的影響不大，As 與溫度和氧化性氣氛的影響呈負相關[5，16，33]。與溫度影響相比，氧化性氣氛下氮氧比的影響較小，則低溫下氮氧比的影響較明顯，高溫下氮氧比對揮發率影響較小[16]。由于氧化和還原性氣氛的轉化途徑不同，在氧化性氣氛下重金屬以氧化物和氯化物形式存在，例如Cu、Pb 揮發；在還原氣氛下，重金屬生成單質、次氧化物、硫化物等化合物，使重金屬的揮發率增大，例如促進Ni、Cr、Cd、Zn 揮發，和有利于Pb 固定在底渣中[12，34]。其次，添加劑（SiO2、CaF2、B2O3、TiO2、MgO、WO3、CaCl2、CaO）可有效降低飛灰熔融溫度而抑制重金屬揮發[35]。研究表明，氯化物的增加會導致重金屬遷移加劇，氧化物會降低重金屬向飛灰中遷移[36]。另外，重金屬的形態也決定了其分布特征影響著煙氣的凈化效率，如汞有可能會發生氧化或還原反應[5]。

4 垃圾焚燒中重金屬控制方法

垃圾焚燒過程中底灰中的重金屬含量較少，主要是親巖性的金屬（Ni、Cr、Cu），而揮發性金屬（Hg、Pb、Cd、Zn）的含量就更少[10]。然而飛灰比底灰中富集了更多的揮發性重金屬，所以焚燒飛灰被作為有毒廢棄物不直接進行填埋處理[23]。目前，對于飛灰中重金屬元素的處理方法主要有水泥固化法、高溫熔融法、化學穩定法、酸及其溶解劑提取法、生物浸提法等[10]。采用吸附劑去除重金屬，其吸附效果根據運行環境的不同而有差異，如無機氯存在會提高吸附性能，而有機氯存在會降低吸附性能[37]。例如易揮發的汞在垃圾焚燒過程中都是以氣態形式存在，則活性炭就成為去除汞的最好的吸附方式[10，37]。近年來，對脫除汞的吸附劑進行了研究，如有機吸附（活性炭、木炭）和無機吸附（泡沸石、膨潤土）[10]、改良活性炭[38]、礦物質（火山石、蛭石）[10]、活性焦[39]、生物焦[40]等。

5 結論

通過文獻，綜述了城市生活垃圾在焚燒過程中的重金屬的來源及危害、遷移分布特征及影響因素、重金屬的控制方法。城市生活垃圾成分復雜，生活垃圾本身含有大量的重金屬和焚燒后產生的二次污染也對周邊的環境、人體健康帶來一定的危害。因此，需要從源頭上采取垃圾分類的方法，減少垃圾中顯而易見的重金屬物質，分類可以有效地對垃圾進行初步處理。垃圾焚燒中產生的飛灰重金屬處理可以采用吸附方法來去除。