城市垃圾焚烧飞灰重金属研磨处理研究进展★

李钧豪 周 超 陈 勇 李泽锐 庄享键

(东莞理工学院城市学院城建与环境学院，广东 东莞 523419)

1 概述

目前我国城市垃圾处理的方式主要有填埋和焚烧，传统的填埋方式占据大量的土地资源并在一定程度上可能会造成环境的二次污染，而焚烧处理的方式能将生活垃圾质量和体积大大减少，有效地解决占用大量土地的问题；其次焚烧法会产生高温烟气经适当处置后能进行能源回收，最大程度地降低能源损耗，同时在高温状态下能对生活垃圾中的有害物质成分进行消毒[1]。

焚烧处理已经被证实为是一种处理垃圾并再利用的有效方法，在我国处理垃圾的方式中比例日益增加。但城市垃圾焚烧飞灰中含有大量的重金属，这些重金属如果处置不当会对环境造成严重的污染，因此垃圾焚烧飞灰重金属处理已经成为一项重要的研究课题。目前焚烧飞灰中重金属的处理技术主要有水泥固化技术、热处理技术和化学稳定剂固化技术。水泥固化技术主要是将重金属包裹在水泥中，防止重金属的析出，减少重金属对环境的污染[2]。

热处理技术主要包括玻璃化和熔融法，通过将焚烧飞灰高温加热形成稳定的屄里装产品，将重金属去除或者固定在玻璃状体中[3-5]。化学药剂固化技术[6]主要通过化学药剂与焚烧飞灰中的重金属发生化学反应，生成低溶解性，难析出性的稳定物质。

本文介绍的重金属稳定的方法区别于上述三种方法，是通过机械研磨的方法稳定焚烧飞灰中的重金属，抑制重金属从飞灰中析出。机械研磨法是一种操作简单，通用性强的，处理效率较高的一种方法，近年来也在不断被应用到焚烧飞灰重金属处理领域中。应用球磨技术减少有机物污染的相关研究存在不少，但是用于减少重金属污染的研究非常缺乏。

2 干法机械研磨

机械研磨的主要目的是用于粉碎粉末，早期主要应用于粉末冶金工程。干法机械研磨是利用球磨机将研磨原料与空气介质，无添加任何反应介质，进行混合研磨，将固体颗粒直径由大变小，达到规定的粒径要求。

干法研磨用于城市垃圾焚烧飞灰重金属稳定处理的研究最早是日本学者Nomura, Y展开的相关研究。Nomura[7]使用行星式球磨机干磨城市垃圾焚化飞灰，加入氧化钙当助磨剂，球磨机的转速为700 rpm，研磨球为不锈钢材料，研磨2 h,4 h,8 h后，发现研磨后飞灰铅溶出量比未处理的飞灰溶出减少93%。之后Nomura[8]在2008年针对铅的稳定性，添加氧化铅对垃圾焚烧飞灰进行干式研磨，分析铅的含量变化以及材料的pH关系。在2009年Nomura[9]将氯化铅和氧化钙加入到原始飞灰中共同研磨，分析铅的含量变化，发现研磨1 h后，飞灰中的重金属铅与氯化铅和氧化钙反应形成氧化铅，从而使得重金属铅稳定，难以析出。

Montinaro[10]利用球磨方式,使含铅污染的土壤与研磨介质机械碰撞,无添加任何反应物,成功将铅稳定化，指出粉体在球磨过程中受到高能量的撞击,而促进形成颗粒团聚及晶体破坏现象,且产生晶体缺陷及空缺累积。团聚的现象使粉体形成稳定的团聚体,增加了粉体的粒径大小,当团聚发生时,铅溶出量减少，同时晶体破坏会增加铅的扩散，与晶体中网状结构结合，对铅形成稳固结构。

3 湿法机械研磨

湿法研磨是将研磨原料与液体介质混合在一起，同时加入一些反应介质进行研磨，液体的介质可以采用水、酒精、丙酮等。采用湿式机械研磨的方式用于垃圾焚烧飞灰重金属的稳固处理效果比干式研磨处理方式要好，近年来出现了较多湿式机械研磨相关的研究。

庄家荣[11]和李明国[12，13]利用桌上型球磨机研磨经过两次水洗的垃圾焚烧飞灰，磨球为粒径为5 mm和15 mm且质量比为1∶1的氧化铝磨球，研磨液为去离子水和密度为0.8 g/cm3的乙醇，研磨液和飞灰的重量比值为10∶1，研磨罐的转速设置为93 rpm，研磨时间最长达96 h，通过实验发现最佳磨球质量比例为1∶1，转速93 rmp，浆体浓度(灰水比)为10%时研磨1 h后对飞灰中的重金属有良好的稳定效果，尤其是重金属铅，可以达到法规的标准。

黄彦为[14]将城市垃圾焚化飞灰利用行星式球磨机以400 rpm的转速研磨30 min，使粒径由26.7 μm降至1.274 μm，飞灰经研磨后在高温环境下重金属的挥发有减少的情况。

Li等[15]不使用外加剂，通过湿式机械研磨实现了垃圾焚烧飞灰中重金属铅的稳定固化，此种方式是使重金属铅在飞灰颗粒重复不断的粉碎与聚合过程中，被包裹在飞灰颗粒中，从而重金属铅难以析出。

Chang-Jung Sun等[16]通过湿法机械研磨提高城市垃圾焚烧飞灰的机械性能和抑制重金属浸出，通过实验可知，机械研磨能够抑制重金属铅、镉、铜、锌的析出并使其稳定。Chang-Jung Sun等[17]还研究了湿法机械研磨的研磨液介质(水、磷酸、乙醇)对飞灰中铅固化的影响，研究结果表明在不同的研磨时间条件下，测试铅的析出量，研磨液为水或者磷酸时，对重金属铅的固化作用尤为明显，效果良好。

Patil等[18]研究了湿法研磨的条件对中飞灰中重金属稳定作用的影响，尤其是得到了计算研磨的球磨速度表达式，对后续研究提供了理论方面的依据，并与球磨转速的计算。

李挺豪[19]使用行星式球磨机，磨球为氧化锆球，液体介质为去离子水，去离子水体积与飞灰质量的比值为10∶1，磨球直径为6 mm和10 mm，质量比为1∶1,磨球总质量为96 g，磨球转速采用文献[18]计算方式得到。试验研究表明，湿法机械研磨能够有效抑制重金属的析出，研磨达到24 h后，飞灰中的浸出毒性能够满足限制的规定。

陈志良[20]采用行星式球磨机，磨罐和磨球为不锈钢材质。磨罐自转转速为600 rpm，公转转速为300 rpm，球磨时间10 h，飞灰的种类为飞灰和水洗飞灰，球磨结束后分别收集研磨的飞灰和研磨的水洗飞灰用于实验分析。机械化学方法对水洗飞灰中的重金属稳定效果更好，但是对Zn和Cd并无明显的稳定作用。

4 结语

机械研磨处理城市垃圾焚烧飞灰能够有效的稳定飞灰中的重金属，使重金属难以析出，从而减少对环境的污染。目前的机械研磨主要采用的是湿法研磨，通过加入研磨介质，可以更加有效的抑制重金属的析出。针对湿法研磨垃圾焚烧飞灰的研究相对较少，关于研磨的条件，例如研磨转速、磨球的直径及材质、磨球与飞灰的质量比、飞灰与液体介质的质量比以及研磨时间等，需要进一步展开研究，发现最优的研磨条件来稳固飞灰中重金属。