生活垃圾焚烧飞灰处理技术研究进展

高艳华，季毛伟，刘子朋，刘浩

（1.北京城市学院，北京100083；2.北京安科兴业科技股份有限公司，北京102299）

随着经济和生活水平提高，我国城镇生活垃圾产生量增长迅速[1-2]。生活垃圾焚烧产生的飞灰日益增多，目前我国城市生活垃圾焚烧飞灰产出量每年约1000万吨[3]，而在《国家危险废物名录》中飞灰被界定为危险废物，飞灰安全处理问题亟待解决，日益成为研究热点。

生活垃圾焚烧飞灰成分复杂且不确定，一般富含钾、硅、氯等元素，以氯元素为例，飞灰中含有焚烧含氯塑料形成的氯化氢等酸性气体与烟气净化系统中的碱性物质形成的含氯产物，以及厨余垃圾中的食盐等无机氯盐[4]，无机氯盐的存在将会限制飞灰的建材资源化。飞灰也吸附有大量重金属元素，例如：Pb、Zn、Cr等，重金属易浸出，对环境造成二次污染，同时还含有高毒性、难降解的有机致癌物二噁英等[5]，已被很多国家列为危险废物，在我国被列为HW18类危险废弃物。若不能安全、科学地进行处置，不仅会导致环境污染，更是一种资源浪费。

综上，飞灰处理不仅考虑随飞灰产出量增长相应的处理能力提升问题，还应考虑环境保护问题，换言之，既考虑飞灰处理迫在眉睫问题，又需提升处理技术。飞灰处理技术问题是基本问题，因此，本文主要对我国目前生活垃圾焚烧飞灰的无害化及主要处理技术进行综述，并对未来处理技术发展进行展望。

1 飞灰无害化及填埋处置技术

1.1 重金属及二噁英处理技术

飞灰作为危险废物，首先应处理其含有的重金属、二噁英等有害物质后，才能进行填埋或资源化处理，下面分述之。

1.1.1 飞灰重金属固化技术

已有的常用飞灰固化技术包括：水泥固化、化学固化及热处理。水泥固化是指通过固化包容减少飞灰表面积，降低渗透性，同时水泥高pH值使的重金属形成不溶性碳酸盐或氢氧化物，达到无害化的目的；化学固化指在飞灰中加入螯合剂包裹重金属元素，或发生化学反应将其转变为惰性物质，减少重金属浸出毒性；热处理技术主要分为烧结、熔融或玻璃化方式，是利用高温条件使二噁英、呋喃等有机物分解，重金属则被固定在矿物结构中。各项固化技术的优缺点对比见表1[6-12]。

表1 各项重金属固化技术优缺点对比表

1.1.2 飞灰中二噁英消减技术

二噁英作为一种持久性高毒污染物而受到广泛关注，尤其是在垃圾焚烧的烟气污染控制方面。随着排放标准的不断提高，垃圾焚烧过程中绝大部分二噁英都将进入飞灰中，而现有的关于飞灰二噁英削减及污染控制技术，较为薄弱。

目前，已有飞灰二噁英消减技术主要包括热分解法、光降解法、机械化学法、生物降解法[13]，但缺乏对机理的深入研究。其中热分解法是主要方法，李润东等[14]研究发现，飞灰中二噁英等在1460℃下分解率达100%；严建华等[15]在氮气条件下，250~400℃将飞灰加热1h，二噁英浓度削减率67%~100%，400℃加热1h为二噁英消减的最佳条件。

1.2 填埋处理技术

目前，在国内外广泛采用填埋方式进行飞灰处理。我国主要有两类场所可以进行飞灰填埋：危险废物填埋场以及生活垃圾填埋场。

1.2.1 危险废物填埋场填埋

作为危险废物安全处置终端设施，危险废物填埋场在我国危险废物处置设施建设规划中占有重要地位，其选址、设计、施工及质量保证、填埋废物入场、运行管理、填埋场污染物排放、封场、监测要求等均应符合2019年我国新《危险废物填埋污染控制标准》的规定。该规范规定，进入采用双人工复合衬层作为防渗层的柔性处理场时，危险废物应符合表2中的限值[16]。

表2 危险废物允许填埋有毒物质含量控制限值

1.2.2 生活垃圾场填埋

因新建危险废物填埋场选址与建设愈加困难，已建成的填埋场长时间超负荷运转，为缓解填埋压力，充分利用生活垃圾填满场，环境保护部2016年修订了《危险废物豁免管理清单》，飞灰位于该清单中，豁免条件为：飞灰满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》中6.3条含水率、二噁英含量要求，以及表3规定限值，在生活垃圾填埋场填埋过程中可不按危险废物管理[17]。

表3 危险废物允许填埋有毒物质含量控制限值

填埋技术较为成熟完善，但由于危险废物填埋场选址建设愈加困难，且我国生活垃圾填埋场已进入高速封场阶段，同时安全填埋处理费用高，飞灰并未作为资源加以利用，其发展前景不容乐观。同时由于飞灰中水溶性盐一般在30%左右，将不能满足新版《危险废物填埋污染控制标准》中水溶性盐必须小于10%的入场要求[16]。寻找新的飞灰处理方式刻不容缓。

2 飞灰资源化利用技术

2.1 利用水泥窑协同处理飞灰

水泥窑工作系统具有高温、碱性、余热、负压环境等特点，可固化重金属及分解飞灰中的二噁英，同时可将飞灰用于水泥产品生产，实现飞灰资源化[18]。相比于传统填埋技术，水泥窑处理飞灰，具有节约土地资源、费用低、处理产物长期环境稳定性良好等优势，同时可将飞灰制成符合国家标准的水泥及工业盐，使飞灰处理做到“减量化、无害化、资源化、稳定化”处理效果，是目前飞灰资源化的主要处理方式。

为促进水泥企业处理生活垃圾飞灰，若符合《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》规定，飞灰可进入水泥窑，处置过程中不按危险废物管理[19]，但应注意采取适当措施消除飞灰中氯离子对水泥窑系统以及水泥制品的影响。

生活垃圾焚烧飞灰中氯含量较高，例如：北京飞灰氯含量达20%[4]，氯离子会严重影响水泥烧成过程，并对预分解窑系统产生负面影响，例如：其易在水泥熟料生产线的预热器内壁形成结皮，造成通风不良和预热器堵塞[20]，飞灰氯含量限制其建材资源化利用。飞灰水洗预处理技术应运而生，并逐渐运用到实践中，飞灰经三级水洗去除氯盐后再进入水泥窑处置[21]，从而促进飞灰无害化、资源化处置，因此该技术被广泛推广。例如，截止2018年，杭州已建成5个飞灰水洗项目，水洗处置能力累计达20万吨/年[22]。

此外，飞灰可制成球状的颗粒，以此为骨料制作轻质混凝土，可适用于隔音隔热的非结构构件，实现飞灰资源化利用[23]。

2.2 利用工业固废固化飞灰协同充填处理飞灰

目前，工业固废与飞灰作为胶凝材料，与尾矿砂等材料一起制成充填材料，用于矿山充填的研究，由于协同利用固废和危废，同时保护环境，成为近几年研究的热点[24]。

矿渣具有活性铝氧和硅氧四面体结构，与水混合有类似水泥的水硬性性质，矿渣是否可替代水泥用于飞灰固化引起学者的关注。岳鹏等[25]按不同水泥、飞灰、粉煤灰或矿渣的配比制作试件和强度测定，由试验得出掺入粉煤灰或矿渣可提高固化体强度，为飞灰资源化提供技术支撑。

关于工业固废固化飞灰的利用，也有学者在协同矿山充填方向进行初步探索。王珂等[26]利用铁尾矿砂为骨料，高炉矿渣粉、飞灰和少量脱硫石膏为胶凝材料，飞灰掺量54%~60%，加水拌和，选用料浆浓度74%~86%制作试件，进行了抗压和流动度试验，研究表明，当飞灰、矿渣、脱水石膏质量比为60%：36%：4%时所制成的充填材料，28天抗压强度13.18Mpa，高于我国矿山实际胶结充填强度一般值(1~6.5MPa)[27]，既尽可能多的处理飞灰，又符合充填材料强度要求，同时重金属镉浸出浓度符合要求。杨恒等[28]采用尾砂、矿渣粉、钢渣微粉、脱硫石膏、飞灰制作试块，后4种材料配比为67%：4%：14%：15%，胶砂比1:4，料浆浓度82%时，流动度(260mm)、抗压强度(24.54MPa)均满足充填要求。

利用工业固废固化飞灰协同充填处理飞灰技术，相比于传统填埋方式，固化效果显著，并在地下处置危险固体废弃物，是一种推广前景良好的新技术。

2.3 其他资源化利用途径

2.3.1 玻璃和陶瓷应用

通过高温熔融使飞灰玻璃化，玻璃化后的产物可用于制作透水砖、瓷砖、地面铺设转、喷砂丸、混凝土骨料、路基土材料等，有着广泛的用途[29-30]。

飞灰中含有大量SiO2，陶瓷生产需要消耗硅酸盐物质，因此可用于陶瓷生产，但需要控制飞灰用量，以减少其金属及氧化铁对陶瓷性能的影响[23、29]。

2.3.2 农业应用

因飞灰含有一定CaO，可代替石灰调节土壤酸碱度，此外，飞灰因含有磷盐和钾盐，可用作植物肥料，但因飞灰所含的有毒物质对植物较强的毒害作用，故应严格控制用量[23、29]。

3 结论与展望

随着经济及生活水平的提高，危险废弃物飞灰产量日益增加，飞灰处理问题引起广泛关注。本文综述了飞灰有害物质处理3类技术，分危险废物以及生活垃圾2种填埋场介绍飞灰传统的填埋处理方式，重点综述最新飞灰资源化利用技术，得出以下结论：

（1）飞灰成份中含可资源化利用的SiO2、CaO、AL2O3等物质，属CaO-SiO2-L2O3体系，但其含有的重金属、二噁英等有毒物质，以及氯盐等可溶性盐，不利于资源化利用的物质。因此，无害化是飞灰处理中需要重点解决的极为关键的问题。

（2）目前，填埋是我国生活垃圾焚烧飞灰的主要处理方式，但因土地资源日益紧张，同时为避免资源浪费，逐渐或正在发展的利用水泥窑、矿山充填协同处理飞灰的技术，既较好地处理飞灰，又实现资源化。因此，飞灰资源化将成为飞灰处理的主要研究方向。

基于上述结论，飞灰无害化技术对飞灰处理来说是极为关键的技术，既能固化重金属又能去除二噁英的螯合剂研发有待进一步发展，同时适应恶劣环境变化的固化技术，以及飞灰处理过程中避免二次污染问题也有待进一步发展。

飞灰资源化利用，不仅限于建材领域，在农业、化工等领域也有良好的发展前景。但资源化利用技术中仍存在较多技术、经济问题有待进一步研究。例如：氯离子处理技术，充填体的耐久性问题，充填施工工艺与技术、成本高经济效益低等问题有待进一步研究。