我国南方某城市垃圾焚烧飞灰特性及固化/稳定化处置实验

罗 欢,李鸿江,温致平,王 石

(深圳市环境工程科学技术中心,深圳 518001)

1 引 言

生活垃圾焚烧法具有减容减量效果好、无害化程度高和资源能源再利用等优点,因此在垃圾处理技术中所占的比重迅速增加[1,2]。垃圾焚烧产生的飞灰因含有多种重金属 (Cr、Pb、Cu等)和二噁英类物质,根据《生活垃圾焚烧污染控制标准》和《危险废物污染防治技术政策》,飞灰属于危险废物,应按照危险废物处理处置要求进行安全填埋处置。然而,受多方面因素制约,目前许多垃圾焚烧飞灰未能进行安全填埋处置。从国外的飞灰处置政策来看,大多数发达国家将垃圾焚烧飞灰列为危险废物,要求对其进行无害化处理处置,但并没有硬性要求进行安全填埋处置,而是侧重于对飞灰进行无害化预处理和综合利用;从国内的飞灰处置政策来看,目前国家环保部发布的《2008年国家先进污染防治技术示范名录》已将“垃圾焚烧飞灰药剂稳定化—卫生填埋技术”作为固体废物处理的推荐示范技术。

本文在分析南方某城市垃圾焚烧厂飞灰特性、处理处置现状的基础上,进行了飞灰稳定化试验研究,并通过进一步的人体健康风险评价和飞灰豁免管理分析,提出垃圾焚烧飞灰的处理处置建议,为该城市政府部门对垃圾焚烧飞灰的管理提供决策依据。

2 垃圾焚烧厂概况

本文调查的 7个垃圾焚烧厂总的设计处理能力为 4875 t/d,目前实际处理量达到 4700 t/d。各焚烧厂 (分别以 A、B、C、D、E、F、G表示)实际处理量如图 1所示,日处理能力处于 300吨至1100吨之间。

图1 南方某城市垃圾焚烧厂的生活垃圾处理量Fig.1 Municipal solid waste capacity of every incineration plant in a southern city

3 飞灰的产量及特性

3.1 飞灰产量

7个垃圾焚烧厂各自的烟气处理工艺、飞灰产量及产率如表 1所示,其飞灰的总产量为 101.62 t/d,年产生量约 3.3万 t。其中,A厂飞灰产生率高达 4%,是由于烟气半干法处理系统处于调试期,石灰添加量较大,新增布袋除尘系统后原有电除尘系统仍然运行,其除尘率较高;E厂采用控气式 (CAO)静态焚烧炉,烟气中含尘量小,且烟气处理过程中不加石灰,因此飞灰产生量很小(0.03 t/d)。其他生活垃圾焚烧厂的烟气处理工艺均为半干式反应塔 +活性炭吸附 +袋式除尘器,飞灰产生率处于 1.5%～2.6%之间。

3.2 飞灰特性分析

为了研究垃圾焚烧厂飞灰的基本特性,采集了A、B、C、D和 G厂的飞灰样品。其中,E厂由于采用CAO静态焚烧炉,烟气处理不加石灰,因此飞灰产生量很小 (表 1),此处不作分析;F和 G厂焚烧的垃圾组分近似,烟气处理工艺相同,在此仅对 G厂飞灰作分析。

3.2.1 飞灰的化学组成

飞灰的化学组成采用 XRF-1700型 X射线荧光光谱仪分析 (波长扫描式,X线光管功率 4 K W,可分析元素范围为 5 B～92 U)。

表2 飞灰的化学组成Tab.2 Chemical composition of fly ash

从检测结果 (见表 2)可知,不同焚烧厂飞灰的主要成分为 CaO、SiO2、MgO、Al2O3、Fe2O3、Na2O、SO3和 Cl,不同成分的质量分数各有差异。B厂和 C厂的飞灰由于在烟气脱酸时喷入了过量的熟石灰,导致 CaO的质量分数较高 (38.81%和30.50%);B、C和 D厂的飞灰中 Cl含量较高(24.53%、22.80%和 29.18%),一是可能由于焚烧垃圾中厨余量较大,含有较多的食盐 (NaCl),二是可能垃圾中塑料数量较大;A和 G厂的飞灰中 SiO2、Al2O3和 Fe2O3含量较高,可能是由于垃圾中的灰土类物质带入造成。

3.2.2 飞灰的重金属浸出毒性分析

飞灰的重金属浸出毒性采用《浸出毒性浸出方法翻转法》 (GB5086.1-1997)、《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-2007)进行分析,其中重金属含量采用等离子体发射光谱 ICP -AES进行测试分析 (结果见表 3),5个厂的飞灰浸出液中 Pb均超标,此外,C厂的 Cd和 Zn超标,G厂的 Cd超标。由此可见,飞灰的主要超标重金属为 Pb,各厂飞灰的浸出液中至少存在一种有害成分含量超过鉴别标准限制,因此,根据危险废物浸出毒性鉴别标准,各厂垃圾焚烧飞灰均应判定为危险废物,需要对其进行稳定化处理。

表3 飞灰的重金属浸出毒性Tab.3 Leaching toxicity of heavymetals in the fly ash(mg/L)

4 飞灰处理处置现状

目前该 7个垃圾焚烧厂的飞灰处理处置情况如表 4所示。其中,E厂飞灰主要运至危险废物安全填埋场进行填埋处置,该安全填埋场日常主要用于填埋工业危险废物;B和 C垃圾发电厂的飞灰运送至自建的飞灰安全填埋场进行处置;而 A和 D厂的飞灰运至生活垃圾填埋场与生活垃圾混合填埋; F和 G厂的飞灰在厂内堆放暂存,亟待寻求新的处理途径。由此可知,目前除了B、C和 E厂按要求将飞灰运至安全填埋场填埋处置外,其他厂的飞灰处置方式均不符合危险废物处置要求。

垃圾焚烧厂飞灰未能进行安全填埋主要是因为安全填埋场容量有限,飞灰安全处置成本较高。一方面,现有危险废物安全填埋场在设计初期往往是针对工业危险废物,并未考虑垃圾焚烧飞灰的处置,而目前飞灰的产生量太大,使得安全填埋场在规模上难以满足处置要求;另一方面,飞灰的安全填埋处置成本高达 1600元/t,而多数垃圾焚烧厂采取BOT方式建设,垃圾处理费用中大多未包括飞灰的安全处置费用,导致垃圾焚烧厂运营单位不愿承担这笔费用。因此,目前垃圾焚烧厂飞灰处置问题的解决迫在眉睫。

表4 各个垃圾焚烧厂飞灰的目前处理处置情况Tab.4 The present situation of treatment and disposal of fly ash in different incineration plants

5 飞灰稳定化试验研究

目前垃圾焚烧飞灰常用的预处理方法有水泥稳定化、化学药剂稳定、熔融/玻璃化热处理和化学浸提等[3～5],其中水泥稳定化法由于设备简单、操作方便、处理费用低、材料来源广泛,是目前应用最为普遍的预处理方法[6]。

本文采用水泥稳定化法对飞灰进行了试验研究。由于上述垃圾焚烧厂飞灰的浸出液中 Cr、Cu和Ni均未超标 (见表 3),故飞灰稳定化试验主要以超标重金属 Cd、Pb和 Zn为研究对象,采用这三种重金属浸出浓度最高的 C厂飞灰作为样品,研究不同水泥添加量与浸出液重金属浓度的关系,结果如图2所示。

图2 不同水泥添加量下飞灰中重金属浸出毒性Fig.2 Leaching toxicity of heavymetals in the fly ash with different cement addition

由图 2可知,飞灰经水泥稳定化后,浸出液中Cd、Pb和 Zn的浓度随水泥所占比例的增加基本呈递减趋势,即水泥越多,稳定化效果越好。当水泥添加量为 5%时,浸出液中 Pb和 Zn的浓度 (0.84 mg/L和 24.98 mg/L)可以小于危险废物鉴别标准浓度限值和危险废物进入填埋区控制限值,而 Cd (2.45 mg/L)尚未达到该标准 (表 5)。当水泥添加量为 10%时,Cr、Pb和 Zn的浸出浓度分别为0.02 mg/L、0.36 mg/L和 48.0 mg/L,比预处理前分别降低了 99.9%、96.9%、70.9%,经稳定化处理后均可以满足表 5的浓度限值。需要注意的是,Pb和 Zn的氢氧化物属于两性物质,过多的水泥会增加飞灰的碱性而使其重新浸出;且从经济角度考虑,添加过多的水泥会增加飞灰的总体积,浪费有限的填埋场库容。因此,建议飞灰稳定化工艺中水泥的添加量为 10%,同时可考虑添加少量药剂添加剂,以加强重金属的稳定化效果。

表5 标准浓度限值Tab.5 Standard concentration l imits (mg/L)

6 飞灰的豁免管理与风险分析

经过稳定化预处理后的垃圾焚烧飞灰,如果经检验其中有毒有害物质的浓度在可接受的范围之内,就可以进行豁免管理,进行综合利用或卫生填埋处置。这种豁免管理方式既不会对生态环境和人体健康造成潜在的威胁,又可以减少处理处置的费用[7]。

6.1 人体健康风险评价方法

垃圾焚烧飞灰主要污染物为重金属,其对人体的影响主要为非致癌风险,对于非致癌污染物的危害效应计算公式如下[7,8]：

式中：HQ为危险系数;ADD为暴露期间的平均日剂量,ADD=人体平均每天口服剂量/体重, mg/(kg·d);Rfd为非致癌参考剂量,mg/(kg·d)。如果几种化学物质同时存在时,可以将每一种化学物质或暴露途径的危险系数(HQ)相加,生成一个危险指数(HI)：

式中：i为第 i种化学物质或暴露途径。在这种情况下,非致癌物质的可接受风险为危险指数小于 1.0;如果危险指数大于 1.0,则可能存在非致癌影响。

6.2 模型

根据垃圾焚烧飞灰在环境中的迁移转化过程,为了计算垃圾焚烧飞灰对人体健康造成的风险,采用如下的假设模型[7]： (1)假设受影响居民的数量为 105人; (2)儿童平均体重假设为 16kg,成人平均体重为 70kg; (3)可能受害者的主要受害途径为饮用受垃圾焚烧飞灰中重金属污染的地下水; (4)其他暴露与其相比可以忽略不计; (5)垃圾焚烧飞灰对人体的危害主要为非致癌影响; (6)成人每天饮用的总水量为 2L,儿童每天饮用的总水量为1L;(7)假设饮用水中的污染物100%被人体所吸收;(8)人体平均每天口服剂量 (mg/d)= C×L(C为水中有毒有害物质的质量浓度 (mg/L),C =实验室浸出液浓度值 ×DAF;L为人体每天饮用的总水量 (L/d)); (9)DAF取 100(DAF即稀释衰减因子,为污染源中有毒有害物质的浓度与饮用水井中有毒有害物质浓度的比值); (10)假设饮用水中各种有毒有害物质对人体健康危害的毒性作用呈相加关系,而不是协同或拮抗关系,则饮用水总的健康危险指数 (HI)为：

式中：i为飞灰中的第 i种化学物质。

6.3 计算结果

以 C厂飞灰为例,飞灰未经处理直接进入环境中,则其人体健康风险如表 6所示。由表 6可知,C厂飞灰未经处理前对儿童和成人的非致癌危险指数分别为 56.60和 25.88,远远大于可接受的风险水平 (即危险指数小于 1),存在较高的非致癌风险,因此必须进行稳定化处理,使其危险性降低到一定程度以后,才能考虑进一步的利用或处置。

C厂飞灰经过稳定化处理 (添加 10%的水泥,养护时间 1天)后,对儿童和成人的非致癌危险指数分别降到 0.67和 0.31(见表 7),约为未经处理飞灰非致癌指数的 1.2%,均小于非致癌物质的可接受风险值 (即 1.0)。因此,C厂飞灰经 10%水泥稳定化处理后可以从危险废物中豁免,进行综合利用或卫生填埋处置,不会对人类健康造成很大的影响。

表6 C厂飞灰的健康风险评价结果Tab.6 Human health risk assess ment result of fly ash in plant C

表7 C厂飞灰经稳定化处理后的健康风险评价结果Tab.7 Human health risk assessment result of the stabilized fly ash

7 结论与建议

7.1 该城市目前 7个生活垃圾焚烧厂的总设计处理能力为 4875 t/d,目前实际处理量达到 4700 t/d,飞灰的总产量为 101.62 t/d。

7.2 各焚烧厂飞灰的主要超标重金属为 Pb,飞灰浸出液中至少存在一种有害成分含量超过危险废物浸出毒性鉴别标准限制,均属于危险废物,需要进行稳定化处理。

7.3 除了B、C和 E厂按要求将飞灰运至安全填埋场填埋处置外,其他厂的飞灰处置方式均不符合危险废物处置要求。飞灰未能进行安全填埋主要是因为现有安全填埋场容量有限,飞灰安全处置成本较高,而垃圾处理收费中未包括飞灰的安全处置费用。7.4 以重金属浸出浓度最高的 C厂飞灰进行稳定化预处理试验表明,当水泥添加量为 10%时,Cr、Pb和 Zn的浸出浓度分别为 0.02 mg/L、0.36 mg/L和 48.0 mg/L,比预处理前分别降低了 99.9%、96.9%、70.9%,其浸出浓度均低于危险废物鉴别标准浓度限值和危险废物填埋场入场控制限值。

7.5 C厂飞灰未经处理前对儿童和成人的非致癌危险指数分别为 56.60和 25.88,远远大于可接受

的风险水平;经过添加 10%的水泥稳定化处理后,对儿童和成人的非致癌危险指数分别降到 0.67和0.31,其风险性约为未经处理前的 1.2%,不会对环境和人体造成潜在威胁,可以进行豁免管理。

7.6 针对该城市垃圾焚烧飞灰处理处置存在问题,建议近期要求垃圾焚烧飞灰就地在厂内进行稳定化预处理,重金属浸出浓度应低于《危险废物填埋污染控制标准》(GB 18598-2001)中的入场标准限值,经预处理的飞灰可以送往垃圾卫生填埋场与垃圾共填埋,有条件的可以进行安全填埋处置;远期可由政府统一建设,或鼓励企业自建飞灰熔融等无害化处理设施,将飞灰无害化处理后以便综合利用。另外,政府部门应尽快统一明确飞灰的处理处置费用来源,以便规范垃圾焚烧厂的飞灰处理处置要求。同时,应加强飞灰的流向控制和管理,对飞灰的产生量和稳定化预处理情况进行监控。

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