上海地区生活垃圾焚烧灰渣元素组成及微观特征研究

曹玲玲 刘 可 曾建荣 龙时磊 包良满,4 马陈燕 李 燕,4

1（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）

2（中国科学院大学 北京 100049）

3（中国科学院高能物理研究所 北京 100049）

4（中国科学院核辐射与核能技术重点实验室 上海 201800）

上海地区生活垃圾焚烧灰渣元素组成及微观特征研究

曹玲玲1,2,4刘 可1,2,4曾建荣1龙时磊1,2,4包良满1,4马陈燕2,3李 燕1,4

1（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）

2（中国科学院大学 北京 100049）

3（中国科学院高能物理研究所 北京 100049）

4（中国科学院核辐射与核能技术重点实验室 上海 201800）

利用同步辐射X射线荧光法(Synchrotron radiation X-ray fluorescence, SR-XRF)、离子色谱(Ion Chromatography, IC)、扫描电镜及其能谱分析(Scanning electron microscopy and X-ray energy dispersive microanalysis, SEM-EDX)、同步辐射微束X射线荧光法(Synchrotron radiation micro-beam X-ray fluorescence, µ-XRF)等手段研究上海某垃圾焚烧厂生活垃圾焚烧产物飞灰(Fly ash, FA)、炉渣(Bottom ash, BA)的元素浓度、离子组成、微观形貌、元素面分布，采用电感耦合等离子体质谱(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICP-MS)和X射线吸收精细结构谱(X-ray absorption near-edge structure, XANES)研究灰渣中Pb的同位素比值和化学种态。研究发现，飞灰中多数金属元素浓度高于炉渣中的，Pb、Cd明显富集于飞灰中，元素的富集因子显示Pb、Cd、Cu、Zn等呈极度污染状态。灰渣中水溶性成分主要为Ca、Na、K的氯化盐和硫酸盐，飞灰中离子浓度普遍高于炉渣中的。飞灰颗粒相对于炉渣颗粒粒径小、表面粗糙，更易于重金属的吸附。灰渣颗粒物的元素Pb、Zn、Cu、Cr、Fe、Mn等并不是均匀分布的，而是呈现局部明显富集。飞灰和炉渣Pb的来源相似，化学种态相似，主要为PbCl2、PbS和PbO。生活垃圾在焚烧过程中元素的迁移分布与元素本身的特性、焚烧环境相关，上海地区生活垃圾焚烧飞灰是危险废弃物，需稳定化处理后才能填埋，炉渣的资源化利用必需经过预处理。

垃圾焚烧(Municipal solid waste, MSW)，同步辐射，元素组成，微观特性

城市的快速发展导致生活垃圾的排放越来越多，垃圾焚烧因其减容量大、资源回收效率高等优点，已成为垃圾处理的一种趋势。自1988年第一座垃圾焚烧发电投运以来，到2012年底我国已建立并运行的生活垃圾焚烧发电厂共有142座。“十二五”规划提出，到2015年全国垃圾焚烧处理要达到垃圾无害化处理的35%以上。随着大量焚烧厂的建立，垃圾焚烧衍生的主要副产物(飞灰(Fly ash, FA)、炉渣(Bottom ash, BA))的二次污染日益受到关注。因此，垃圾焚烧灰渣的化学组成、毒性、物相等成了人们的研究关注点[1-4]。何品晶等[5]指出炉渣的主要组成元素是Si、Al、Ca、Na、K、C、Mg，主晶相为SiO2、CaAl2Si2O8、Al2SiO5、CaCO3、CaO和ZnMn2O4。Zhu等[6]研究氯化物在飞灰水洗过程中的行为特征，发现随液固比增加，NaCl、KCl和CaCl2快速减少。Li等[1]分析了飞灰的化学组成和浸出特性，结果表明飞灰应归为危险废弃物。目前，国内外的研究主要集中在焚烧产物整体样品的物理化学特性方面，关于微观特性的研究多为灰渣颗粒物的形貌及主元素的分布特性，而对灰渣痕量元素分子水平的物理化学特征及单个颗粒的元素分布特征研究很少，而元素在颗粒物上的分布状况与其在焚烧过程的迁移转化特征有关，灰渣的研究不仅有利于垃圾无害化处理和利用，而且也为垃圾焚烧工艺的改善与效率提高提供科学依据。这些研究所用分析方法存在样品处理的复杂性(如电感耦合等离子体质谱等)或低检测限的局限性(如扫描电镜等)，难以原位确定复杂样品灰渣中微量元素及其分子水平的信息。

同步辐射X射线荧光(Synchrotron radiation X-ray fluorescence, SR-XRF)技术具有较高的灵敏度(检测限可达0.1×10-6，绝对检测限可达1fg)，适合测量微量、成分复杂的环境污染物。本组[7]曾利用SR-XRF测定了民用锅炉燃煤排放中V、Cr、Mn等微量元素的含量。扫描电子显微镜及其能谱分析(Scanning electron microscopy and X-ray energy dispersive microanalysis, SEM-EDX)可以对样品微小区域的形貌特征和元素分布同时测定分析，但因其低检测限的限制，多用于分析样品主量元素，另一方面，其重元素的检测限在0.1%左右，而生活垃圾焚烧产物灰渣中的重金属多为痕量元素，有毒有害元素Pb、Cd等含量更低，难以检测。同步辐射X射线聚焦后可得到微米的束斑，因而具有微米的空间分辨率，能无损得到样品的痕量元素空间分布。Mölders等[8]利用X射线吸收精细结构谱(micro X-ray absorption near-edge structure, micro-XANES)成功分析了加入添加剂甲基环戊二烯三羰基锰(Methylcyclopentadienyl Manganese Tricarbonyl, MMT)后汽车燃油的交通排放颗粒物的元素分布和组成。本文利用同步辐射X射线荧光技术测量灰渣的元素组成，利用X射线微束面扫描灰渣单个颗粒物的元素分布，结合灰渣的形貌特征，从整体和微观上系统地分析灰渣的物理化学特性并讨论其污染特性，为灰渣的形成机理及其无害化处理提供科学依据。

1 样品采集及测量方法

1.1样品采集

选取上海市某垃圾焚烧厂的飞灰、炉渣作为研究对象。该厂为现代化千吨垃圾焚烧处理厂，焚烧的混合垃圾组成中厨余垃圾所占比例高，助燃添加料为燃油，焚烧温度850°C，使用目前典型的复阶梯炉排式焚烧炉，烟气净化系统由半干法烟气洗涤塔及配有石灰浆和活性炭的袋式除尘器组成，净化后的烟气经过80 m高的烟囱排入大气[9]。在焚烧厂正常运转条件下，炉渣取自炉渣斗中，飞灰运输车前进料口处铲取飞灰。在此垃圾焚烧厂周边2 km范围内随机选取5个无明显人为干扰点，采集表层(0-10 cm)土壤，置于干燥箱60°C下风干，除去石砾等保存。

1.2测量方法

SR-XRF实验在北京同步辐射装置(Beijing Synchrotron Radiation Facility, BSRF)的X射线荧光微分析实验站(4W1B)上进行。储存环电子能量2.5GeV，流强160-250mA，光子能量采用16keV，每个样品测量时间为60s，荧光谱由Si(Li)谱仪获取。用AXIL软件分析处理能谱，得到样品各元素的净峰面积，用Ar峰面积做归一化处理，采用外标法定量计算元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As等的含量。考虑到荧光所用能量16keV，未能激发Cd、Ag的K边的X荧光，所以使用电感耦合等离子体质谱(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICP-MS) (X-7 Thermo Elemental)进行对灰渣中的Cd、Ag及土壤中全元素的含量测定，并测试样品的铅同位素比，使用NIST 1648大气颗粒标准物质和NIST 981 Pb 同位素标准物质进行质量校正。样品前处理采用Ethos微波消解系统(Milestone)进行微波消解，样品中加入6 mL HNO3、2 mL H2O2和0.5 mL HF，在185°C下消解15 min。

灰渣中的离子成分使用戴安公司离子色谱仪(Dionex ICS 2000, Thermal Scientific, USA)测量。将灰渣置于去离子水(18 MΩ·cm-1)中进行超声清洗，使用AS19色谱柱分析阴离子Cl-、SO42-、NO3-、Br-、F-，CS16色谱柱分析阳离子Na+、Ca2+、K+、Mg2+，各离子检测限均小于0.1 mg·L-1。

Cl的K边XANES测量在BSRF的4B7A实验站进行。为了减少大气对X射线的吸收，光束线处于高真空中，Si(Li)谱仪与入射光成90°。Pb的LIII边XANES在上海同步辐射装置(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)的BL14W1上进行，储存环电子能量3.5GeV，流强140-200mA，使用Ge探测器。用IFEFFIT软件对XANES进行扣除本底和归一化处理。

飞灰、炉渣的形貌特征及颗粒表面常量元素分布采用SEM-EDX测量。飞灰、炉渣颗粒物涂在导电胶上，为增强其导电性进行镀金(约20nm)处理，采用德国生产的LEO 1530 VP电镜。颗粒物表面的微量元素分布在SSRF的硬X射线微聚焦线站(BL15U)上利用微束荧光扫描工作模式获取。取飞灰、炉渣的颗粒物(粒径50-200 µm)为扫描区域，储存环电子能量3.5 GeV，流强180-200mA，采用入射单色光能量16keV，光束经K-B镜聚焦为6μm×8μm大小的光斑，步长10 μm，单点扫描时间为1s，移动样品台对样品进行定位和扫描。

2 结果与讨论

2.1飞灰、炉渣中金属及水溶性离子浓度特征

从表1可以看出，飞灰和炉渣中重金属的含量较高，Pb、Zn等甚至高达10-3量级。挥发性重金属Cd的浓度在飞灰中远高于炉渣中，飞灰中Pb、Zn、Cu、Ag、As、Co、Mn、V浓度均为炉渣中1-4倍，而飞灰中Cr、Ti、Ni浓度低于炉渣中。研究显示，重金属在焚烧过程中迁移转化特性与重金属本身的特性、垃圾中组成和运行环境有关[10-11]。Cd有较低的沸点(765°C)，且Cd在焚烧过程中与垃圾中的Cl会形成沸点更低的CdCl2，所以垃圾中的Cd在焚烧中以重金属及其化合物气相存在，部分被烟气净化系统捕获，富集在飞灰上。挥发性元素As在飞灰中浓度只略偏高于炉渣中，这是因为垃圾中的As主要来自玻璃，玻璃是一种难熔物质，因此As难以从玻璃中挥发。Pb、Zn、Cu等重金属元素的沸点虽然高于焚烧炉燃烧温度，但焚烧的生活垃圾中含有大量厨余(含NaCl)和塑料制品(含PVC)，高温下会生成Cl2、HCl等气体，垃圾中的S在高温下会生成气态的硫化物(SO2等)，因此，Pb、Zn、Cu等元素在Cl2、HCl、SO2等气氛下会生成沸点低的氯化物、硫化物等[12]，更易富集于飞灰中。难熔元素Ti、V、Ni、Mn等沸点高，以通过烟气夹带成为飞灰基体的方式进入飞灰，虽然在飞灰和炉渣中的浓度相似，但因炉渣约占灰渣质量的80%[13]，因此其较多地停留在炉渣中。

表1 焚烧产物FA、BA中的金属浓度(10-6)及其富集因子(Enrichment factor, EF)Table 1 Elemental contents (10-6) and enrichment factor (EF) of FA and BA from municipal solid waste (MSW) incineration.

除飞灰中Cr外，灰渣中Ni、Cu、Zn、As、Pb等的含量均高于国家土壤一级标准，特别是Pb、Cd、Zn远高于标准的两个数量级。为了表征微量元素在焚烧过程中赋存、挥发、迁移等特征及对环境的污染特性，本文采用富集因子(Enrichment factor, EF)作为评价指标[14]，EF=(Ci/Cr)s/(Ci/Cr)b，Ci和Cr分别代表污染元素和参考元素的浓度，s和b分别代表样品和背景，参比元素通常选择不易受氧化还原条件等自然作用的影响、无明显人为污染来源的元素，常选择的参比元素的有Al、Fe、Zr、Ca等，在此采用Al作参比元素，背景值选择上海土壤背景值[15]。本文以EF=1作为元素富集的判别标准，如果元素EF＜1，说明该元素主要来自自然源，元素EF＞1，说明元素处于富集状态，Sutherland[16]根据富集因子的大小，把污染程度划分为5个级别：EF＜2，无污染或弱污染；EF=2-5，中度污染；EF=5-20，显著污染；EF=20-40，高度污染；EF＞40，极度污染。表1中，所有元素在飞灰中的EF值都大于炉渣中；飞灰中所有元素的EF值都大于1，均为富集状态，Co、Ni呈显著污染，As已达高度污染；炉渣中Ti、V、Mn、Fe、Co的EF小于1，表明这些元素处于亏损状态，Pb、Cd、Zn、Cu、Ag呈显著污染，无元素处于高度或极度污染中；飞灰中Pb、Cd、Zn、Cu、Ag的EF值远大于40，为极度污染状态，其中Cd的EF高达1947，若直接排放至环境中将造成极大的危害。研究结果表明飞灰是危险废弃物，需稳定化处理后才能填埋，而炉渣经预处理后可以用作建筑材料等，这与Li等[17]和Tan等[18]的研究结果一致。

灰渣中含有大量的水溶性盐，盐类的存在，特别是氯盐，将会增强重金属的溶解性，亦会妨碍灰渣的固化、稳定化和熔融处理，不利于灰渣的资源化利用[3]。自然环境中，高浓度的盐分离子将增加植物、土壤等对重金属的吸收和累积[19]。灰渣的水溶性离子分析结果见图1。其水溶性盐分主要为Ca、Na、K的氯化盐和硫酸盐。飞灰中Ca2+、Cl-离子浓度均高于100mg·g-1，其水溶性盐的质量分数高达35.8%。飞灰中水溶性离子浓度普遍高于炉渣中，飞灰的阴离子中，质量浓度大小的依次排序为Cl-＞SO42-＞Br-＞F-＞NO3-，而炉渣为Cl-＞SO42-＞NO3-＞Br-＞F-，硝酸盐更倾向于富集在炉渣中。飞灰中阳离子浓度次序为Ca2+＞Na+＞K+，炉渣为Na+＞Ca2+＞K+，灰渣中Mg2+浓度小于检测限。

图1 飞灰、炉渣的水溶性离子浓度Fig.1 Water-soluble salts in FA and BA.

垃圾焚烧厂烟气净化系统采用喷石灰浆(Ca(OH)2)的半干法袋式法除去烟气里的酸性气体HCl、SO2等，所以飞灰含有大量的Ca、Cl和S。厨余是垃圾的主要成分，这造成了灰渣中含有大量的Na和Cl。Cl的存在使重金属在焚烧过程中更易向飞灰迁移，Zhu等[20]将XANES谱与X射线衍射(X-ray Diffraction, XRD)相结合研究了日本的生活垃圾焚烧飞灰中氯化物的存在形态，发现其主要以CaCl2、NaCl、KCl和Fridel盐([Ca2Al(OH)6]Cl·2H2O)形式存在。实验证实有机氯中氯的K吸收边能量低于无机氯[21]。XANES谱研究表明(图2)，飞灰和炉渣的Cl的XANES谱的主峰位与无机氯NaCl(-1价)标样的主峰位相近，离有机氯标样氯酚红(Chlorophenol red, C19H12Cl2O5S)的主峰位(2825eV)较远，说明飞灰和炉渣中的氯主要以无机-1价的形式存在，有机氯成分较少。原因是焚烧过程中有机物易分解，无机成分残留在灰渣中[22]。

图2 飞灰、炉渣及标样的氯的XANES谱Fig.2 XANES spectra of FA, BA and reference samples.

2.2飞灰、炉渣的微观特征

炉渣颗粒主要是分散的块状和多孔海绵状，颗粒尺寸相差较大，一些大块垃圾经高温煅烧后经过水冷会破裂成小碎片，由图3可见，炉渣表面粗糙，有些呈不规则块状，黏附着小的絮状物。飞灰的形貌是由圆球形、棉絮状、扁平状等多种形状的颗粒团簇在一起，大颗粒上吸附着很多小颗粒，结构松散，表面粗糙，孔隙明显。相对于炉渣颗粒，飞灰颗粒粒径较细，表面更粗糙，比表面积较大，因此挥发性较高的重金属Cd、Pb等的化合物易于富集在飞灰颗粒表面，此形貌特征也将易于重金属的浸出，加大了飞灰的环境污染风险。生活垃圾飞灰颗粒形状复杂，与燃煤电厂飞灰颗粒大多为球形[23]不同，这是因为燃煤发电厂燃烧温度(约1400°C)远高于垃圾焚烧厂的燃烧温度(850°C)，推测生活垃圾飞灰颗粒中的球形颗粒是在高温下熔融形成的。

为了探明飞灰、炉渣颗粒物组成元素的面分布及富集情况，利用SEM-EDX和µ-XRF对颗粒表面进行元素组成分析的研究。代表性颗粒SEM-EDX结果见图4，炉渣颗粒表面Si元素分布于整个颗粒，说明Si是炉渣颗粒的基本成分，Ca元素信号偏弱，K、Cl、S呈随机分布，局部出现明显亮点；飞灰中Ca、Cl、K和S的分布比较均匀，且与飞灰颗粒轮廓非常相似，这说明飞灰表面的主要元素为Ca、Cl、K、S。灰渣的离子浓度与此相吻合。灰渣中浓度较高的Fe表面分布不明显，仅局部明显富集，而飞灰表面无明显分布，其他浓度更低的微量元素的信号更弱，这主要是受SEM-EDX低检测限和探测深度的限制。

图3 炉渣(a)、飞灰(b)的电镜扫描图Fig.3 SEM micrograph of the BA (a) and FA (b).

图4 炉渣(a)、飞灰(b)的元素分布面扫描电镜图像Fig.4 EDX surface scan images of BA (a), FA (b) particles.

为了进一步研究灰渣颗粒内部、微量元素的分布特征，微束同步辐射X射线扫描飞灰、炉渣，记录样品的荧光数据，获得Pb、Zn、Cu、Cr、Fe、Mn的面扫描图(如图5)，这些元素均为灰渣中的微量元素。由图5可见，灰渣的元素分布并不均匀，呈现面分布和局部富集特征。Pb、Cu、Zn在飞灰中有相对均匀的面分布和局部富集区，而其在炉渣上的分布主要为局部富集分布，没有明显的面分布。Hasan等[24]研究发现Pb、Cu、Zn在焚烧过程中形成易蒸发金属化合物，其金属化合物冷凝成核，通过吸附作用形成亚微米的颗粒吸附在飞灰颗粒上。从图3飞灰的形貌特征结果来看，飞灰颗粒表面粗糙，孔隙较多，这为冷凝的金属化合物的填充提供了可能，随着填充物的增多，颗粒不断长大，使得这些金属化合物分布于整个颗粒。沸点高的元素Cr、Fe、Mn在飞灰和炉渣中的分布不规则。在焚烧过程中，不易挥发的重金属随着不可燃垃圾或未完全燃烧的垃圾进入炉渣，所以其在炉渣中的分布取决于源垃圾本身的分布，只有少量超细颗粒会随着烟气夹带形成飞灰颗粒的基体，因此在飞灰中不是均匀地分布。

图5 炉渣(a、c)和飞灰(b、d)的微量元素荧光扫描图Fig.5 Micro-XRF mapping of BA (a, c), FA (b, d) particles.

2.3飞灰、炉渣中Pb的特性分析

206Pb、207Pb和208Pb是Pb的3个稳定同位素，由天然放射性系的母核(U、Th)衰变产生，天然物质由于生成年代及地质结构等的不同，造成衰变子体Pb同位素比的差异，比值的分布范围也不同，成为铅来源的一种特征[25]。Masahiro等[26]发现日本各垃圾焚烧排放Pb的同位素比值没有地域差别，焚烧飞灰与其周边大气颗粒物的206Pb/208Pb、207Pb/208Pb接近，于是把Pb作为指示元素评估大气颗粒物中微量元素As、Cd、Zn等来自垃圾焚烧厂污染的贡献率。本文测量了飞灰、炉渣以及周边土壤中Pb的207Pb/206Pb、208Pb/206Pb，这些值与本组以往测量的水泥、燃煤、交通尾气、冶金尘等[27]的铅同位素比值一起绘制成图(图6)。由图6可见，飞灰和炉渣的Pb同位素比值非常接近，这意味着飞灰和炉渣的Pb来源相似，实验所得同位素比应是源垃圾在焚烧过程中多种来源Pb的同位素比的混合值；灰渣的Pb同位素比与图6中的水泥、燃煤的Pb同位素比，特别是交通尾气、冶金尘、土壤的Pb同位素比分布位置很不同，飞灰和炉渣的207Pb/206Pb分别为0.8602±0.0004、0.8610±0.0007，207Pb/208Pb分别为2.1340±0.0033、2.1399±0.0035，可作为上海地区生活垃圾焚烧灰渣Pb的特征值，但其源垃圾的构成需进一步研究，有研究表明上海生活垃圾中的Pb主要来自铅蓄电池、塑料、纸张等[28]。

图6 灰渣及水泥、燃煤、交通尾气、冶金尘、土壤的Pb同位素比Fig.6 Isotopic ratios of Pb in BA, FA, cement, coal combustion, vehicle exhaust, metallurgric dust and soil.

Pb是一种有毒元素，了解它的化学形态，有利于灰渣的资源化处理。利用同步辐射XANES技术，原位测量了灰渣中Pb的XANES谱(图7)，结果显示飞灰和炉渣Pb的X射线近边吸收谱的谱形相似，两个谱基本重合，说明飞灰、炉渣的种态组成相似。利用标样(PbSO4、PbCl2、PbS、PbO、PbCO3、Pb foil)的XANES谱分别拟合炉渣、飞灰Pb的测量谱，拟合结果显示飞灰和炉渣中Pb的主要成份是PbCl2、PbS和PbO。

图7 飞灰、炉渣及标样的Pb的XANES谱Fig.7 Pb XANES spectra of the FA, BA and reference samples.

3 结语

通过对上海某垃圾焚烧厂的产物（飞灰和炉渣）中金属元素Pb、Cd、Zn、Cu等的浓度及富集状况、离子 Cl-、SO42-、Na+、Ca2+等的浓度、颗粒物的微观形貌、颗粒物的元素面分布等方面进行系统的研究，得出如下结论：

(1) 重金属在焚烧过程中迁移转化与重金属本身特性、焚烧环境相关。Pb、Cd显著富集在飞灰中，Pb、Cd在飞灰中的浓度远高于炉渣。与大多数金属元素不同，Cr在炉渣中的浓度高于飞灰，且从富集因子判断均属中度污染。富集因子分析显示飞灰中的Pb、Cd、Cu、Zn、Ag等呈极度污染状态，炉渣中Pb、Cd、Cu、Zn、Ag呈显著污染，因此飞灰需稳定化处理后才能填埋，而炉渣经预处理后即可作资源化利用。

(2) 灰渣中的水溶性成分主要为Ca、Na、K的氯化物和硫酸盐。Cl的同步辐射XANES研究表明氯主要以无机-1价的形式存在，有机氯成分较少。

(3) SEM结果表明炉渣颗粒多为分散的块状和多孔海绵状，飞灰颗粒由圆球形、棉絮状等结构团簇而成，表面孔隙多，比表面积大，易吸附重金属，也易于重金属的浸出。同步辐射µ-XRF结果表明，富集在飞灰颗粒物中的Pb、Zn、Cu呈面分布，证明飞灰颗粒物具有较强的环境毒性；Cr、Fe、Mn无明显富集区域。炉渣颗粒物表面元素分布特征不明显。µ-XRF分析方法可以获取灰渣颗粒中微区域的痕量元素组成分布信息，更加全面地展现灰渣颗粒物的特性。

(4) 飞灰和炉渣的Pb同位素比特征相似，铅的主要化学成分是PbCl2、PbS和PbO。

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CLCTL99

Characteristics of fly ash and bottom ash from the municipal solid waste incineration plant in Shanghai

CAO Lingling1,2,4LIU Ke1,2,4ZENG Jianrong1LONG Shilei1,2,4BAO Liangman1,4MA Chenyan2,3LI Yan1,4
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
3(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
4(Key Laboratory of Nuclear Radiation and Nuclear Energy Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China)

Background:Incineration is an attractive method of energy production and waste reduction for the treatment of municipal solid waste (MSW). However, the secondary pollutants followed such as fly ash (FA), bottom ash (BA) from the waste incineration are always a concern. Yet few articles provide detailed information about the physical and chemical characteristics of trace elements in ash at the molecular level. Purpose: The elemental concentrations and microstructure characteristics of ash were investigated to understand the distribution and migration of the elements in MSW incineration process. Methods: The study of the characteristics of FA and BA from Shanghai MSW incineration plant was based on the concentrations of elements, water-soluble salts, microstructure, section-distribution of the elements in single particle, isotope ratio and chemical species of Pb, which were studied respectively by using synchrotron radiation X-ray fluorescence (SR-XRF), Ion Chromatography (IC), Scanning electron microscopy (SEM), X-ray energy dispersive microanalysis (EDX), Synchrotron radiation micro-beam X-ray fluorescence (µ-XRF), Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS) and X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectra. Results: Mass concentrations of most metal elements in FA were higher than those in BA, especially Pb and Cd, which had been obviously enriched. FA particles were of relatively smaller size and rougher surface than those of BA, which brought easier adsorption of heavy metals in FA. The large enrichment factors of Pb, Cd, Cu and Zn indicated these elements were in extreme pollution state. Water-soluble salts in FA and BA mainly existed as chloride and sulfate of Ca, Na and K. The ion concentrations in FA were generally higher than those in BA. Results of µ-XRF suggested that Pb, Zn, Cu, Cr, Fe and Mn had nonuniform distributions and highly localized to some small regions in FA and BA. Isotope ratio of Pb in FA and BA was similar. Chemical species of Pb were also similar and existed mainly as PbCl2, PbS and PbO. Conclusion: The distribution and migration of the elements in MSW incineration process were related to elements characteristics and incineration environment. As hazardous wastes, FA from MSW must conduct a stabilizing treatment before landfill and BA should require pretreatments before utilization.

Municipal solid waste (MSW), Synchrotron radiation, Elements composition, Microstructure

TL99

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.060102

中国科学院知识创新工程重要方向项目(No.KJCX3.SYW.N3)、国家自然科学基金项目(No.11079049、No.11005141、No.11305242)资助

曹玲玲，女，1985年出生，2008年毕业于兰州大学核科学与技术学院，现为博士研究生，专业为粒子物理与原子核物理

李燕，E-mail: liyan@sinap.ac.cn

2013-11-29，

2014-03-03