生活垃圾焚烧飞灰基本特性及稳定化研究*

梁 梅，黎小保，刘海威，李 贝，王彩萍，高玉萍

（1.中国恩菲工程技术有限公司中冶垃圾焚烧发电工程技术中心，北京 100038；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北 武汉 430070）

目前，生活垃圾焚烧厂应用最广泛的飞灰稳定化技术主要有水泥固化和化学药剂法，在选择合适的稳定化工艺时，要结合飞灰特性进行研究，笔者以湖北某生活垃圾焚烧发电厂焚烧飞灰为研究对象，对飞灰特性及稳定化性能进行了分析，为飞灰稳定化工艺研究及设计提供参考。

1 试验原料及方法

1.1 试验原料

该项目采用日立造船技术的机械炉排炉，烟气净化工艺为机械旋转喷雾半干法（12%左右的石灰浆溶液）+袋式除尘器+活性炭喷射。脱酸反应塔及袋式除尘器下飞灰经刮板输送机收集后送飞灰仓进行储存，进而进行稳定化处理。

本研究中采用的飞灰取自该项目飞灰仓，飞灰在进行试验前，均在105℃下干燥，达到恒重；稳定化产物样品取自该项目飞灰固化物储仓出口产物。

1.2 试验方法

1.2.1 飞灰主要成分及矿物组成分析

采用X射线荧光光谱仪（XRF，X-ray Fluorescence）对飞灰样品进行成分分析。采用X-衍射分析仪（XRD，X-ray Diffraction）及扫描电镜分析（SEM，Scanning Electron Microscope）对飞灰样品进行矿物分析。

1.2.2 飞灰中重金属含量及浸出毒性试验

按照《固体废弃物试验分析评价手册》［1］中方法3050土壤消解方法对飞灰进行消解。按照HJ/T 300—2007固体废弃物浸出毒性浸出方法-醋酸缓冲溶液法对飞灰中重金属进行浸出实验，采用火焰原子吸收法（F-AAS，Fire-Atomic Absorption Spectroscopy）对飞灰消解液及浸出滤液中重金属含量进行测定。

1.2.3 飞灰中二恶英类有机污染物毒性测试

按照《同位素稀释法高分辨气相色谱/高分辨质谱测定四到八氯代二恶英和呋喃》US EPA 1613B（1997）标准方法对飞灰中二恶英类有机物进行处理和分析。

2 结果与讨论

2.1 飞灰主要成分及矿物组成分析

焚烧飞灰的主要化学成分见表1，矿物组成分析见图1～2。由表1可以看出，焚烧飞灰的主要成分以CaO、SiO2、Al2O3、Na2O为主，其次含有少量的Fe2O3、MgO和K2O。飞灰中CaO含量高是由于烟气脱酸采用石灰浆溶液所致。SiO2和Al2O3含量高，表明飞灰具有一定的胶凝活性，可添加激发剂激发其活性用于建材的生产。飞灰中Cl含量也较高，这是由于我国垃圾组分中含有大量的塑料所致，而Cl离子可以通过与重金属形成配合物影响重金属离子在环境中的迁移性，使稳定化产物中Cu和Zn易浸出导致重金属超标［2］。由于飞灰具有一定的活性，有研究采用飞灰作为生产水泥的原料，但是飞灰中氯化物会造成预热器和窑煅烧结圈和堵料等问题，甚至会导致水泥窑烟气中二恶英的生成［3］，因而在采用飞灰生产水泥时，需要增加水洗作为预处理工艺。

表1 焚烧飞灰的主要化学成分 %

从图1可以看出，垃圾焚烧飞灰的主要矿物成分为石英、氯盐、碳酸盐、硫酸盐等，与表1飞灰主要成分结果一致。XRD衍射图谱上呈现出较多小的、波纹状的峰，说明飞灰中含有大量的非晶态的玻璃类物质，大多数情况下，飞灰中的重金属元素富集在非结晶相中，在晶体相中分布很少；XRD检测图谱中没有发现含有重金属的结晶相，表明飞灰中重金属含量较少，可能包裹在硅酸盐内。图2显示飞灰颗粒普遍较细，一般在50 μm以下，部分颗粒小于10 μm，并且颗粒形状各异，表面凹凸不平，存在很多微小的孔洞，具有较强的吸附作用。此外，颗粒表面含有大量的结晶态物质和一些不规则的非晶态物质，有针状、棒状、块状等不同形貌特征，结构复杂。

综合来看，飞灰属于SiO2－Al2O3－ Fe2O3金属氧化物体系，是由非晶态的物质作为基质，表面富含晶体物质，具有一定的胶凝活性。用胶凝材料体系对飞灰进行稳定化/固化时，需要充分考虑Al2O3、SO3、Cl、重金属等物质对胶凝材料体系水化、凝结、硬化的影响。

2.2 重金属及浸出毒性分析

垃圾燃烧时，蒸汽压高、沸点低的易挥发元素会随着烟气进入烟气净化处理装置被捕集进而富集于飞灰中，如Hg和Cd，而由于飞灰中Cl含量较高，可与金属结合生成氯化物，改变金属的挥发性，因而飞灰中重金属种类较多。从表2可以看出，焚烧飞灰中Pb、Cu、Zn、Cd和Ni含量均较高，远远超过土壤中重金属的含量。根据GB 5085.3—2007危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别，飞灰中Pb、Cu、Zn、Cd、Ni及Cr的浸出浓度均超过标准值，属于危险废物。

表2 焚烧飞灰中重金属元素的含量及浸出浓度

2.3 飞灰中二恶英类有机物毒性分析

生活垃圾焚烧烟气主要采用喷射活性炭粉末去除烟气中二恶英，而吸附了二恶英的活性炭在袋式除尘器中被收集进入飞灰中，导致飞灰中含有少量的二恶英和呋喃。飞灰中二恶英类有机物检测结果见表3，可以看出飞灰中各类二恶英类有机物含量不等，其中OCDD的含量最高，高达1 935.5 ng/kg，2，3，7，8－TCDD的含量最低，但其毒性当量I－TEQ为553.6 ng/kg，满足GB 16889—2008生活垃圾填埋场污染控制标准入场要求。

2.4 飞灰稳定化工艺分析

该项目飞灰稳定化系统采用水泥+螯合剂工艺，见图3。螯合剂采用日本进口药剂，水泥采用325#，水泥、螯合剂及水添加量分别占飞灰处理量的10%、1.75%及30%，由于原飞灰中二恶英类有机物毒性当量满足填埋场入场要求，此次稳定化产物检测不包括二恶英类，主要检测结果见表4，可以看出，稳定化处理后，飞灰中各类重金属浸出浓度非常低，大多数未检出，均远远低于标准值，可以得出飞灰经稳定化处理后满足生活垃圾填埋场入场标准，可直接送垃圾填埋场处置。

表3 焚烧飞灰中17种有毒PCDD/Fs的含量 ng/kg

目前国内大多数垃圾焚烧发电厂采用水泥+螯合剂工艺，重金属稳定化中，螯合剂起主要作用，多采用进口产品，价格高，飞灰处理成本高达800元/t左右。为降低成本，国内外也对稳定化药剂进行了系列研究［4-6］，但药剂价格始终居高不下。

表4 稳定化产物含水率及重金属浸出浓度

3 结论

1）焚烧飞灰属于SiO2-Al2O3-Fe2O3金属氧化物体系，是由非晶态物质作为基质，表面富含晶体物质，具有一定的胶凝活性，可采用添加剂激发其活性，如矿粉、水泥等对重金属离子进行固化。

2）焚烧飞灰中含有较高浓度的Pb、Cu、Zn、Cd，远远超过土壤中重金属的含量，其浸出毒性超过GB 5085.3—2007限值，如Pb、Cu、Zn、Cd、Ni及Cr均超标。焚烧飞灰中二恶英类有机物毒性当量满足GB 16889—2008要求。

3）焚烧飞灰采用水泥+螯合剂稳定化工艺后，其各项指标均满足GB 5085.3—2007及GB 16889—2008要求，可直接送填埋场处置，但是螯合剂多引进国外产品，价格高，使得飞灰固化成本居高不下，因而亟待开发一种经济适用的固化剂。

［1］美国环境保护局.固体废弃物试验分析评价手册［M］.中国环境监测总站，译.北京：中国环境科学出版社，1992.

［2］IretskayaS，Nzihou A，Zahraoui C，et al.Metal leaching from MSW fly ash before and after chemical and thermal treatments［J］.Environ Prog，1999，18（2）：144-148.

［3］罗智宇，张云月，张清，等.垃圾焚烧飞灰水洗去氯的实验研究［J］.环境卫生工程，2008，16（3）：16-22.

［4］Sukandar T P，Masaru T，Isao A.Chemical stabilization of medical waste fly ash using chelating agent and phosphates： Heavy metals and ecotoxicity evaluation［J］.Waste Manage，2009，29 （7）：2065-2070.

［5］Sun Y F，Nobuhisa W，Qiao Wet al.Polysulfide as a novel chemical agent to solidify/stabilize lead in fly ash from municipal solid waste incineration［J］.Chemophere，2010，81（1）：120-126.

［6］王彩萍，周明凯，陈潇，等.氯氧镁水泥对焚烧飞灰固化作用及影响因素［J］.功能材料，2013，44（21）： 3186-3189.