简述垃圾焚烧飞灰处理技术

赵 洁，叶 红，张晓佳，吕灵灵，叶阑珊，张新功

（青岛惠城环保科技股份有限公司，山东 青岛 266500）

随着我国经济快速发展以及城市化进程的加快，生活垃圾产量急剧增加。预计到2020年底，我国垃圾总焚烧量达59.14万t／d。因焚烧处理方式能够最大程度的使生活垃圾减容化、减量化、资源化，所以，垃圾焚烧飞灰产业在国内广泛应用，预计年产生飞灰量约为1000万吨。可见，垃圾飞灰产量巨大。垃圾焚烧飞灰是垃圾焚烧厂烟气净化系统收集而得到的残余物，一般包括除尘器飞灰和吸收塔飞灰，其中包括烟道灰、加入的化学试剂以及反应产物等。

垃圾焚烧飞灰中含有大量的Hg、Pb和Cd等毒性重金属以及大量的二噁英类物质，是一种高比表面积物质。自然界的微生物和水解作用难以自然分解消除二噁英，它的毒性相当于砒霜的900倍，被称为 “世纪之毒”。二噁英有致癌毒性、生殖毒性以及遗传毒性，万分之一克，甚至亿分之一克的二噁英就会给生物造成难以修复的伤害甚至危害子孙后代的健康和生活。《国家危险废物名录》明确规定，垃圾飞灰为危险废弃物。

1 垃圾焚烧飞灰处理技术现状

1.1 水泥固化／稳定化-填埋

目前，水泥固化是全世界应用最广泛的危险废物固化技术，也是我国主要的飞灰处置方式之一。早在1991年Hamernik等［1］就研究了在混凝土中添加45%的垃圾飞灰，可达到与未加飞灰的混凝土相似的抗压强度。但水泥中未经预处理的垃圾飞灰中的有毒有害物质依然存在潜在风险。后国内外提出稳定化技术，其关键是稳定化药剂的加入。稳定化药剂主要分为无机类药剂和有机类药剂，其中高分子螯合剂的研发技术在日本已基本成熟。国内目前主要开发重金属螯合剂。陈善平等［2］研究将无机磷药剂和有机硫药剂相结合的方式来处理飞灰。与水泥固化技术相比，这种技术具有易于操作，稳定化效果好，用量少，不增容，不增加飞灰质量等优点，但是几乎没有哪种稳定化药剂可以普遍适用，而且随着飞灰的大量增加，填埋场地压力剧增，起不到减量化的作用，加之填埋场使用寿命有限，固化体的安全填埋处置费用高。并且经过处理的飞灰直接填埋后环境是否安全还没有得到验证。之后，学者们［3-5］研究添加无机、有机等药剂稳定化与水泥固化技术相结合的方式来处理处置垃圾飞灰。从研究结果可以看出，经过预处理后的飞灰，重金属稳定性增强，进一步进行水泥固化后环境安全可靠性更大。该技术工艺成熟、系统简单、成本低，经济环保，但由于在预处理过程成不仅可以去除飞灰中的重金属等有害物质，同时也将部分 SiO2、Al2O3、Fe2O3洗掉，胶凝活性下降，导致水泥材料的抗压强度下降。

1.2 高温熔融处理技术

高温熔融处理技术是在高温下将二噁英等物质彻底分解，同时固化重金属。主要分为烧结法和熔融法。目前，该处理技术已在日本等发达国家发展应用。

1）烧结法。烧结法是采用温度在1000～1100℃条件下，飞灰中的气孔从晶体中排除，致使颗粒黏结，最终飞灰烧制成致密坚硬的烧结体。1996年，Nowok J W.等［6］发表了关于烧结法处理飞灰并探究了影响烧结体质量的影响因素。2001年，Mangialardi T等［7］对预处理后的飞灰将其放在1140℃高温下煅烧形成烧结体的抗压强度进行了一系列的研究，结果表明，抗压强度符合混凝土中抗压强度的要求。随后，李润东等［8］探究了烧结条件对焚烧飞灰烧结特性的影响。

2）熔融法。熔融法是在1400℃的专用燃烧炉下使飞灰熔融，冷却后转为熔渣，作为其他行业的原材料使用，最终达到飞灰的综合利用。2000年，Sakai S［9］研究城市生活垃圾通过熔融法处理达到循环利用。李润东等［10］探究了垃圾焚烧飞灰熔融过程二噁英分解特性，研究表明，经过该技术处理后，飞灰中的二噁英可有效分解，分解率大约在99%以上。Park YJ等［11］采用1500℃熔融，后玻璃固化，抗折能力强及产品强度达到合格标准。王学涛等［12］在自己建设的旋风炉上利用熔融法处理飞灰，研究发现熔融后熔渣重金属浸出率显然低于美国EPA标准要求。高飞等［13］、赵鹏等［14］利用热等离子体发生器装置对飞灰进行熔融处置的，结果表明，最终产物中重金属固化效果非常好，并可进行综合利用。赵俊东等［15］在垃圾焚烧飞灰烧结处理新工艺及炉内气流特性中阐述了一种以煤为燃料的低温烧结处理工艺，并用数值模拟了炉内冷态的气流特性。高温熔融处理技术减容率大、减量率高，产出的熔渣质量稳定，没有重金属溶出，可资源化利用，可以将二噁英及其它有机污染物等彻底分解，但在高温熔融时会产生易挥发的重金属废气，需要在烟气排放处安装处理装置，其工艺复杂，能源消耗大、处理成本高。目前在国内尚未大规模推广。

1.3 水泥窑共处置技术

水泥窑协同处置技术由于具有创新性、技术指标先进、治理效果好，基本达到工业化应用水平，因此该技术在2018年被收录入 《国家先进污染防治技术目录 （固体废弃物处理处置、环境噪声与振动控制领域）》。水泥窖共处置技术是指利用水泥窖中1600℃高温以及封闭的环境，不仅将飞灰中的二噁英等有机物彻底分解，还可以防止易挥发的有害物质，将重金属固熔于水泥熟料中，不再渗出。实现飞灰无害化、减量化处置以及再生利用。2012年北京市一水泥厂实现了水泥窖协同处置技术的应用，日处理百余吨飞灰，首次在北京实现了垃圾焚烧飞灰无害化、零填埋、减量化、资源化利用。经技术成果鉴定，该技术中飞灰预处理水洗工艺中水经过处理后回收循环利用，无污水排放，耗水量仅为国际同类技术的1／20，处于国际领先［16-17］。该技术方法的优点是预处理后的垃圾飞灰可作为水泥原料，操作简单，易于控制，污染废物彻底被处理，实现资源化利用，缺点就是在作为水泥原料前，为避免重金属挥发，须减少飞灰中可溶性盐的含量，以确保水泥质量。

1.4 生物／化学浸提法

生物／化学浸提法主要是利用微生物的降解和浸提来实现重金属的转化，借助各种氧化还原反应可以提取出飞灰里面的重金属。该技术反应条件温和，但成本高，重金属含量低，回收比较困难。

1.5 水热处理技术

水热处理技术是指在一定的温度、压力的碱性条件下，飞灰中加入适量的硅源、铝源，形成硅铝酸盐等矿物，通过离子交换、吸附、沉淀等物理、化学作用将重金属固定于沸石中，从而实现飞灰的无害化处理。早在1997年，Ma等［18］利用飞灰在水热条件下添加NaOH合成雪硅钙石。之后，Bayuseno等［19］系统的研究了水热条件下的各项工艺条件。国内学者金剑［20］研究水热法将垃圾焚烧飞灰中重金属稳定化处理同时去除废水中重金属，结果表明当液固比为10／1、碳酸钠投加量 （以20 g干灰质量计）为4～5 g时处理效果最佳。马晓军［21］研究利用水热处理飞灰合成沸石，具有非常高的利用价值。同济大学 Xie等［22］研究在水热温度为533K时，添加0.1% （与飞灰量之比）的碳酰肼，飞灰中的毒性最低。水热处理技术在碱性条件下处理煤飞灰［23］已成功应用，同样该技术在处理垃圾焚烧飞灰方面可以取得很好的效果。水热处理技术是一种新兴技术，虽然反应条件对设备有一定要求，但其无害化程度高，而且反应产物可以再利用。因此，水热处理飞灰经济又环保，在未来该方法应该具有很大的应用潜力。

除去以上介绍的几种处理技术外，目前还有超临界流体萃取技术，该技术虽能有效实现重金属分离、提纯，回收利用，但其对设备以及工艺技术要求过高，投资比较大，萃取釜无法连续操作，造成装置空置率比较高等缺点。以上每种技术都各有利弊，随着垃圾焚烧飞灰日益增长、可利用土地面积日益稀少，飞灰以及经过处理后的产物今后必定是向资源化再生的方向发展，而将来飞灰处理技术必然是向普遍适用性、稳定性强、成本低和资源化再生的方向发展，因此，对于飞灰处理技术仍需要不断完善。

2 结语

现阶段，垃圾焚烧飞灰处理技术多种多样，其中，固化／稳定化处理技术较为成熟，水泥窑协同处置技术逐渐普及工业化，高温熔融技术、水热处理技术等的研究动态不断更新，但是每种技术各有利弊，想要实现垃圾焚烧飞灰的无害化、可循环化，实现环境和经济的可持续发展，还需进一步研究与完善。未来，垃圾焚烧飞灰处理技术必定是向无害化、零填埋资源化技术方向发展。