生活垃圾焚燒飛灰處置方法與綜合利用探討

李佳謠

（中環智慧環境有限公司，北京 100029）

引言

隨著我國城市化進程的不斷加快，人民生活水平的迅速提高，城市生產與生活過程中產生的垃圾也隨之迅速增加，導致城市生活垃圾處理越來越困難，使得生活垃圾污染環境問題被社會各界廣泛關注[1]。焚燒法作為生活垃圾處理的可行方法之一，可通過高溫爐焚燒生活垃圾，使垃圾中可燃成分充分氧化并產生熱量用于發電和供暖，具有減量效果好、處理徹底的優點，應用范圍較廣[2]。但由于生活垃圾中含有某些重金屬，使得焚燒過程中燃燒排出的微小灰粒，即飛灰（又稱粉煤灰或煙灰）中的重金屬含量較高，如果對大量粉煤灰不加控制或處理就將其排放，不僅會造成大氣污染，而且灰粉進入水體也會淤塞河道，其中的某些化學物質也會對生物和人體造成危害[3]。因此，為了合理有效地處置生活垃圾焚燒飛灰，并實現綜合利用，本研究通過提取分離法和水洗脫除工藝進行垃圾焚燒飛灰重金屬Pb 的浸出毒性和脫氯水洗預處理，使得水洗處理后的垃圾焚燒飛灰摻入水泥混凝土達到綜合回收利用的要求。

1 生活垃圾焚燒飛灰處置方法

1.1 提取分離法

生活垃圾焚燒飛灰，在《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB 18485-2014）的相關規定中屬于危險廢物。焚燒飛灰約占生活垃圾焚燒灰渣總量的20%左右，通常情況下飛灰顆粒的粒徑都小于100μm，且表面粗糙，具有較大的比表面和較高的孔隙率。生活垃圾焚燒飛灰的化學成分包括Cl、Ca、K、Na、Si、Al、O 等元素，主要化學成分為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3，并且飛灰中常含有0.5%～3%高濃度的Hg、Pb、Cd、Cu、Cr 及Zn 等重金屬，這些重金屬不僅為非惰性物質，還以氣溶膠小顆粒和富集于飛灰顆粒表面的形式存在，浸出毒性較高[4]。另外，生活垃圾焚燒飛灰中還含有少量的二噁英和呋喃，因此垃圾焚燒飛灰具有很強的潛在危害性，必須對其進行無害化處理后才能將其填埋或者綜合回收利用。

提取分離法處置生活垃圾焚燒飛灰中的重金屬是通過酸、堿提取或者生物、生物制劑提取，經過提取處理之后的飛灰和重金屬可以分別進行綜合回收利用。目前，提取生活垃圾焚燒飛灰重金屬的方法，已在生活垃圾焚燒廠中實際運用，并取得了一定的效果。結合去除生活垃圾焚燒飛灰的浸出毒性的3 種方法，即水平振蕩法、硫酸硝酸法、醋酸緩沖溶液法，研究堿金屬化合物對飛灰中重金屬Pb 的浸出毒性影響[5]，通過單因素實驗分析對重金屬Pb浸出毒性的直接影響。由于生活垃圾焚燒飛灰中約有20%～40%的氯含量，因而在生活垃圾焚燒飛灰處置時，易溶解的NaCl、KCl 等無機氯鹽，容易浸出污染水體和重金屬的污染物，使得生活垃圾焚燒飛灰綜合回收利用過程變得困難。

1.2 水洗脫除工藝

為實現生活垃圾焚燒飛灰綜合回收利用，采用水洗脫除工藝對飛灰進行脫氯預處理，可有效脫除飛灰中大量的氯鹽。垃圾焚燒飛灰水洗脫氯預處理是指滿足10min 水洗時間、110r/min 的振蕩速率，以及1:10 的固液比條件，將水洗液經0.45um 濾膜進行真空抽濾。由于X射線衍射譜（X-ray diffraction，XRD）作為檢查材料中存在的物相和各相含量的一種有效的檢測手段，因而為了便于水洗液完成XRD 檢測，抽濾之后的濾餅還要置于干燥箱中完成干燥處理，并在處理過后將其研磨，再過200 目篩子才能使用[6]。

2 生活垃圾焚燒飛灰綜合回收利用處理

生活垃圾焚燒飛灰中的重金屬經過提取處理后，在綜合回收利用過程中，產物還需要達到滿足較低成本與相關標準規定的2 點要求?？紤]生活垃圾焚燒飛灰中主要的化學成分為CaO 5%、SiO245%～65%、Al2O320%～35%、Fe2O35%～10%，且含水率很低，灰飛表面粗糙、孔隙率較高，因此可在目前的建筑材料行業實現對生活垃圾焚燒飛灰的綜合利用。

生活垃圾焚燒飛灰進行水洗預處理之后，摻合料為水洗飛灰也可以用于制作水泥膠砂，并使用飛灰燒結產物制備混凝土[7]。因此，生活垃圾焚燒飛灰作為建筑材料綜合回收利用，可依據飛灰具有的膠凝特性，將其應用于混凝土中，不僅能降低混凝土的使用成本，還能提高混凝土的耐久性，避免環境污染，實現飛灰綜合利用。本研究的實驗材料采用普通硅酸鹽P·O42.5 水泥，經過水洗預處理的水洗灰，細集料為ISO 標準砂和天然砂，粗集料為5～10mm 和10～20mm 碎石復配。制備之后，根據《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T 2419-2005）對生活垃圾焚燒飛灰水泥膠砂流動性進行測試[8]，研究的抗折強度，如式（1）所示。

研究的抗壓強度，如式（2）所示。

為研究生活垃圾焚燒飛灰的浸出毒性，將28d 齡期的棱柱形水泥膠砂試件（規格為40mm×40mm×160mm）敲碎，然后按照《固體廢物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》（HJ/T 299-2007）測試[9]；為探討混凝土的性能，根據規范《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB 50081-2019），自制非標準立方體試件（規格為100mm×100mm×100mm）、非標準棱柱體試件（規格為100mm×100mm×400mm）為抗壓試件，然后放入標準養護室分別養護3d和28d[10]?？箟簭姸扔嬎憬Y果應精確至小數點后一位，如式（3）所示。

針對抗折強度實驗，抗折強度計算結果應精確至小數點后一位，如式（4）所示。

3 生活垃圾焚燒飛灰處置方法與綜合利用的結果分析

CaO 對生活垃圾焚燒飛灰浸出毒性影響試驗方案，是以CaO 添加濃度為0%作為基準，研究CaO 對飛灰中Pb 浸出毒性檢測干擾。在不同添加濃度CaO 中，加入相同的10g 生活垃圾焚燒飛灰樣品，檢測飛灰浸出毒性。在硫酸硝酸法、醋酸緩沖溶液法和水平振蕩3 種方法下，對比分析CaO 添加濃度對Pb 浸出毒性的影響，如圖1 所示。

圖1 不同方法下CaO 添加濃度對Pb 浸出毒性影響

在硫酸硝酸法下，當CaO 添加濃度增長到2%時，Pb 浸出毒性由2.16mg/L 逐漸減小至2.15mg/L；當CaO 添加濃度由2%增加至4%時，Pb 浸出毒性增加最快，隨后慢慢達到穩定狀態；當CaO 添加濃度由2%增加至10%時，Pb浸出毒性由2.15mg/L逐漸增加至2.45mg/L，與原灰相比，增大了13%。在醋酸緩沖溶液法下，Pb 浸出毒性隨CaO 添加濃度增大先減少后增加，在CaO 添加濃度為2%時，Pb 浸出毒性最少為0.10mg/L；CaO 添加濃度為10%時，Pb 浸出毒性最多為1.80mg/L。在水平振蕩法下，在CaO 添加濃度為4%時，Pb 浸出毒性降到最低，比原灰浸出液中的Pb 含量降低了4.4%。

圖2 為經過水洗前后的生活垃圾焚燒飛灰XRD 譜。從圖2 可以看出，水洗前的飛灰含有NaCl、KCl、Ca(OH)2、CaO、CaClOH 等較多氯鹽結晶，水洗后的飛灰主要含有CaCO3、SiO2、Ca(OH)2、CaSO4等結晶相，且氯鹽大部分都溶于水，因此水洗預處理可去除飛灰中的氯鹽和堿性物質。而在水洗過程中CaSO4、CaCO3等難溶或微溶的物質難以被除去，水洗后的結晶峰強度明顯增大。

圖2 水洗前后生活垃圾焚燒飛灰XRD 譜結果對比

為探討生活垃圾焚燒飛灰制備的水泥膠砂性能，按照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）規定，用膠砂配合比為0.5 比例的水灰與1:3 比例的水泥:標準砂混合，制備標準水泥膠砂試件（規格為40mm×40mm×160mm）[12]。生活垃圾焚燒飛灰摻入量分別為5%、7.5%、10%、12.5%、15%，放入標準養護室分別進行3d、7d 和28d的養護，對比得到的抗壓強度和抗折強度結果如圖3 所示。圖3a 中，隨著生活垃圾焚燒飛灰摻量增加，與飛灰摻量0%時對比，其余不同比例飛灰摻量的水泥膠砂抗折強度都有所下降。養護3d，飛灰摻量為12.5%時，抗折強度最高為4.7MPa，比飛灰摻量0%時高了86.8%；養護28d，飛灰摻量為12.5%時，水泥膠砂抗折強度為7.4MPa。圖3b 中，由于水化過程中會生成氯鋁酸鈣膨脹物導致水泥膠砂被破壞，隨著生活垃圾焚燒飛灰摻量增加，與飛灰摻量0%時對比，其余不同摻量的水泥膠砂抗壓強度都有所下降。養護3d 時，5%～15%飛灰摻量的水泥膠砂抗壓強度穩定在19.7～20.3MPa；養護7d 時，10%飛灰摻量的水泥膠砂抗壓強度最高為32.0MPa；養護28d 時,10%飛灰摻量的水泥膠砂抗壓強度最高為42.8MPa,大于普通硅酸鹽P·O42.5 水泥膠砂強度。

圖3 不同生活垃圾焚燒飛灰摻量膠砂抗折強度和抗壓強度對比

為了探討生活垃圾焚燒飛灰混凝土的性能，比較5%、10%、15%、20%、25%、30%飛灰燒結產物摻量，分別進行3d 和28d 養護，得到混凝土抗折強度和抗壓強度結果如圖4所示。圖4a 中，由于生活垃圾焚燒飛灰燒結產物表面存在孔洞，使其強度降低，因而隨著飛灰燒結產物摻量增加，在養護3d 和28d時，混凝土抗折強度較飛灰燒結產物摻量0%強度低。養護28d 時，飛灰燒結產物摻量為20%，混凝土抗折強度為4.0MPa 小于C30混凝土4.5MPa 的抗折強度，此時燒結產物較脆，致使混凝土更容易斷裂無法使用。圖4b中，由于混凝土抵抗壓碎的能力較弱，易被壓碎，因而隨著飛灰燒結產物摻量增加，與飛灰燒結產物摻量0%相比混凝土抗壓強度較低。當養護28d，飛灰燒結產物的摻量達到20%時，其抗壓強度為30MPa，超過C30 混凝土標準。

圖4 不同燒結產物摻量混凝土抗折強度和抗壓強度結果對比

為了驗證生活垃圾焚燒飛灰燒結產物能否作為制作混凝土的材料，對焚燒飛灰燒結產物摻量為30%混凝土試件檢測重金屬的浸出濃度，Cd、Ni、Cu 均未檢出，Zn、Pb、Cr 的檢出結果如表1 所示。當焚燒飛灰燒結產物摻量為30%時，混凝土試件的重金屬Zn 浸出液濃度由0.253mg/L 降至0.003mg/L，Pb 浸出液濃度由2.267mg/L 降至0.033mg/L，Cr 浸出液濃度由0.172mg/L 降至0.004mg/L，毒性明顯減少，且飛灰中的重金屬和其他有毒物質可轉化為氯氧化物或絡合物，并封閉在燒結產物中，逐漸硬化形成穩定性可降低飛灰的浸出毒性的固化體。因此，30%飛灰燒結產物摻量滿足生活垃圾焚燒飛灰回收利用的環保安全性要求，可以回收綜合利用。

表1 混凝土中重金屬的浸出濃度（單位：mg/L）

結論

綜上所述，實驗采用提取分離法和水洗脫除工藝，對生活垃圾焚燒飛灰重金屬Pb 的浸出毒性和脫氯水洗預處理，可使生活垃圾焚燒飛灰摻入水泥混凝土達到綜合回收利用的要求。但由于時間限制，未能設置更多對照實驗，未來可以繼續改進，力爭實現生活垃圾焚燒飛灰全部資源化利用。