生活垃圾焚燒飛灰無害化處理及資源化利用研究

劉錫軍

（賀州市城市管理局，廣西 賀州 542899）

隨著國內社會及經濟的快速發展，人民群眾的物質消費水平不斷提高，同時，生活垃圾的產生量也隨之快速增加，2020年，我國城鎮生活垃圾清運量達23511.7萬噸，而2021年生活垃圾清運量達到了27119萬噸。因此，生活垃圾及其處理產物的安全無害化處置逐漸成為影響我國新型城鎮化發展的關鍵因素。在此背景下，國家針對生活垃圾處理相繼出臺了多項政策。2020年7月，國家發改委、住建部和生態環境部聯合印發《城鎮生活垃圾分類和處理設施補短板強弱項實施方案》，提出大力提升垃圾焚燒處理能力；同年9月，新版《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》正式施行，明確生活垃圾處理應堅持“減量化、無害化、資源化”原則，鼓勵垃圾分類；2021年5月，發改委發布《“十四五”城鎮生活垃圾分類和處理設施發展規劃》，鼓勵城鎮加快補齊生活垃圾收集、轉運、無害化處理短板。在政策的鼓勵下，目前國內已初步形成了以焚燒為主的生活垃圾處理發展格局，2021年生活垃圾焚燒處理總量約為16271萬噸，預計到2025年焚燒處理總量將突破2.5億噸。生活垃圾焚燒過程中會產生大量的飛灰，這些飛灰中富集了大量的重金屬及有機致癌物二噁英，若處理不合理，會導致有害物質浸入地下水及土壤中，從而對人們的身體健康造成不可逆轉的損害。因此，飛灰的安全、無害化、資源化處置，是我國穩步推進“無廢城市”建設、實現我國綠色生產生活方式的關鍵工作。本文基于上述背景，針對生活垃圾焚燒飛灰無害化處理及資源化利用展開分析，以供參考。

1 飛灰的來源

飛灰指的是生活垃圾焚燒過程中，通過煙氣凈化系統或者熱回收利用系統等收集、余留下來的產物，其中主要含有重金屬、二噁英和氯元素等物質。飛灰中氯含量最高可達20%，且這些氯元素的存在可以給二噁英合成提供充足的氯源，能促進生成二噁英等有毒物質，同時也可促使重金屬揮發，對生態環境造成巨大威脅。

2 飛灰的特性

飛灰通常呈灰白色或者深灰色，為細小粉末狀，具有孔隙率大、含水率小、比表面積大及粒徑不均勻等特點。在焚燒處理中，會使用大量的消石灰等堿性物質對產生的煙氣進行脫酸，這樣會使飛灰具備很強的酸緩沖能力及腐蝕性。飛灰中不僅含有Si、Ca、Al、Fe等元素，也包括K、N a、Cl等其他元素，具體來說，飛灰的實際組成情況直接受生活垃圾組成及焚燒工藝的影響[1]。比如，用爐排爐焚燒生活垃圾所產生的飛灰中，通常含CaO、Cl、Na2O、K2O等成分比較多，而循環流化床焚燒所產生的飛灰中，通常含CaO、SiO2、Al2O3等成分比較多，具體見表1。

表1 爐排爐和循環流化床焚燒生活垃圾產生的飛灰化學成分對比表

3 飛灰的環境風險

隨著生活垃圾量的不斷增長，其焚燒飛灰的產量也逐漸增大，這也導致顆粒逸散風險、二噁英等有機物污染風險及重金屬浸出風險等環境風險問題越發嚴峻。具體來說，主要有以下幾點表現：（1）隨著飛灰產生量的不斷增加，通過填埋等方式處理導致土地資源越來越緊張，且處理費用也比較高；（2）二噁英為兩組結構不同的多氯三環芳烴類化合物所構成的多種化合物的簡稱，包括75種多氯二苯和135種多氯二苯呋喃，共涉及210種有毒物質，可在生物體積累下落，并通過食物鏈進入人體，影響人體的免疫系統及內分泌，甚至給人體帶來不可逆的致畸、致癌、致突變等危害；（3）飛灰中的重金屬有著很強的浸出毒性，研究發現飛灰內的Pb、Cu殘渣態含量比較小，具有不穩定性，易釋放到自然環境中，進而污染土壤和地下水源，并成為威脅人體健康的潛在風險；（4）飛灰中含有很多氯化物，若處理不當，不僅會污染地下水源，而且也會加快Pb、Zn等重金屬的液相溶出及高溫揮發，進而嚴重污染生態環境，給人體帶來致癌風險[2]。

4 飛灰無害化處理及資源化利用技術分析

4.1 固化/穩定化技術

4.1.1 水泥固化技術

水泥固化技術是按照一定比例把水泥和飛灰混合到一起，并利用固化包裹措施，將飛灰內的重金屬以氫氧化物或者絡合物的形式被包裹到經過水化反應之后產生的水化硅酸鹽內，進而固化形成塊狀水化硅酸鈣產物，這樣既能降低重金屬的浸出毒性，也可長期保持良好的穩定性。比如，學者杜漸[3]利用硅酸鹽水泥對飛灰進行固化處理研究，發現水泥經水化后會產生鈣礬石及C-S-H凝膠，并有效包裹和固定重金屬離子，同時，強堿性的水泥漿液會促使重金屬離子轉化成難以溶解的氧化物或者碳酸鹽，以控制重金屬浸出。目前，在水泥固化技術的應用中多使用普通硅酸鹽水泥對飛灰進行固化處理。

4.1.2 化學藥劑穩定化技術

化學藥劑穩定化技術指的是使用和飛灰內重金屬性質相匹配的藥劑，與重金屬進行反應，從而生成不溶或者難溶的化合物、絡合物或螯合物，以此降低重金屬的遷移性及毒性。化學藥劑穩定化技術應用過程中，常用的藥劑主要有石膏、硫化物、鐵酸鹽、碳酸鹽及高分子有機穩定劑（EDTA）等有機藥劑，且這些藥劑對重金屬穩定化有著良好的選擇性。劉引等[4]使用2.5%NaHPO及7.5%Na2S配制無機藥劑對飛灰中的重金屬進行穩定，經處理后飛灰內Cd、Pb、Se、Zn等重金屬的浸出濃度都小于《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》（GB 5085.3—2007）[5]中的標準限值。

4.2 熱處理技術

熱處理技術是在高溫條件下利用工業固體廢棄物或者黏土等與飛灰相混合，以此達到降解有機物污染及穩定重金屬的目的。根據實際處理的溫度不同，熱處理技術可細分成燒結技術（處理溫度在700 ℃～1100 ℃）、熔融/玻璃化技術（處理溫度在1000 ℃～1400 ℃）。

4.2.1 燒結技術

燒結技術是在低于物質熔點溫度的條件下，通過提供擴散能量使焚燒后的飛灰顆粒排除氣孔，并相互之間產生粘結，最終形成致密且堅硬的燒結體，以此弱化飛灰內重金屬的遷移能力。Wong等[6]學者通過在鐵礦石燒結過程中加入飛灰代替一些鈣溶劑進行試驗，最終結果顯示，摻入適量比例的飛灰可以有效改善燒結指標。目前，諸多工程均使用回轉爐對生活垃圾飛灰做燒結處理。

4.2.2 熔融/玻璃化技術

熔融/玻璃化技術也被稱為玻璃化法，它主要是在高于物質熔點的溫度條件下，先使物質達到熔融狀態（比如玻璃狀等），再通過冷卻把有毒的重金屬固化到熔渣內，從而實現穩定重金屬的目的。玻璃體主要是由SiO4四面體組成的“短程有序，長程無序”的網絡結構體，可以將重金屬及其他重金屬陽離子固結在結構內，使重金屬浸出率降到極低水平。Yang等[7]利用玻璃化技術將飛灰內的Cr、Cd、Pb等重金屬物質有效固結在玻璃體內，但是試驗發現，在高溫條件下，個別重金屬會揮發引起二次污染問題。

4.3 分離萃取技術

4.3.1 生物浸提技術

生物浸提技術主要是通過微生物（細菌或者真菌）對飛灰中重金屬元素進行溶出的一種技術。Funari等[8]學者通過試驗研究發現，利用生物浸提技術能夠有效去除飛灰內的Zn、Cu、Pb，去除率均高達90%以上。當下，氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌及鐵氧化鉤端螺旋菌是生物浸提中常用的三種微生物。

4.3.2 化學浸提技術

化學浸提技術主要是利用專業的化學試劑對飛灰內的重金屬實施分離、提取及回收的過程。Tang等[9]學者使用化學萃取劑（Cyanex572）對酸性飛灰樣品液中的Zn等重金屬進行分離，最終結果顯示，萃取劑（Cyanex572）對Zn的萃取選擇性要比萃取Cd、Pb、Cu等重金屬高很多。目前HCl、HNO3、H2SO4、NaOH、NH3及螯合劑等都是化學浸提技術應用中常用的化學浸提劑。

4.4 水熱處理技術

水熱處理技術主要是利用高溫高壓條件把壓力容器內的飛灰和水混合溶液制成結晶體的處理技術。該技術在現實中應用較多，比如，張超[10]在水熱條件下，通過一定比例將飛灰、粉煤灰及底灰混合產生雪硅鈣石，不僅能夠對重金屬進行有效固化，而且最終水熱產物中的重金屬浸出濃度也達到了《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》（GB 5085.3—2007）[5]中的標準限值要求。另外，Fan等[11]通過熔融+水熱的方法制出了X型沸石及羥基方鈉石，且X型沸石在交換能力、比表面積及孔隙體積等方面均優于用煤灰制成的沸石，這樣利用水熱技術處理飛灰制成沸石，為飛灰資源化利用開辟了新的道路。

4.5 水泥窯協同處置技術

經研究證實，生活垃圾焚燒飛灰內的主要化學成分和水泥熟料中的化學成分比較相似，所以飛灰可以用作水泥生產的原料。但是飛灰不能直接進入水泥窯進行生產，而是要先通過水洗脫除掉飛灰內的可溶性氯鹽，待水洗后的飛灰滿足入窯標準之后，再通過水泥窯中的高溫、堿性環境對飛灰內的有機物進行分解，并把重金屬固化到熟料晶格中。肖海平等[12]學者研究發現，利用水泥窯對飛灰進行處理，能夠有效分解二噁英，去除率可達99%。目前水泥窯協同處置技術不僅成為飛灰處理的主要技術，而且也已經實現了工業化應用。

4.6 填埋技術

填埋技術主要是先對飛灰進行袋裝固化處理，再實施分層、分單元、分區填埋，填埋過程中需注意采取預防措施防止飛灰袋發生破損并產生泄漏。同時，因為飛灰滲濾液的成分比較復雜，所以需在填埋區的交界位置布置臨時雨水收集池，防止雨水滲進飛灰中產生滲濾液，還應使用密度聚乙烯（HDPE）膜將各填埋單元隔離開，最大限度地防止飛灰污染。目前，國內生活垃圾焚燒飛灰只有通過藥劑螯合固化穩定或者水泥固化穩定滿足相關環保要求后，才能運到專門的填埋場進行填埋處理，相關環保要求包括《危險廢物填埋污染控制標準》（GB 18598-2019）[13]、《生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB 16889-2008）[14]等。

5 結語

綜上所述，生活垃圾焚燒飛灰成分復雜，具有高氯、高危險性等特點，因此，在飛灰處理過程中，相關人員必須綜合考慮飛灰的環境風險、處理的經濟性及社會影響。當前單一飛灰處理技術在應用過程中依然存在一些不足，需要相關單位及技術人員加大對多項飛灰處理技術聯合應用的研究，實現技術互補，并積極研發低溫熱解等新技術，在不斷提高飛灰處理技術水平的同時，最大化地挖掘飛灰無害化、資源化利用價值。