垃圾焚烧飞灰资源化处理技术

赵洁，张远文，张晓佳，叶红，张新功

垃圾焚烧飞灰资源化处理技术

赵洁，张远文，张晓佳，叶红，张新功

（青岛惠城环保科技股份有限公司，山东 青岛 266555）

生活垃圾焚烧飞灰由于含有二噁英等重金属有毒有害物质，被认为是“危险废物”。针对生活垃圾焚烧后产生的飞灰处置，面临着占用大量土地资源，且具有二次污染性问题，因此，提出了垃圾焚烧飞灰资源化处置方法，简要的总结了现有的垃圾焚烧资源化处置方法。

垃圾焚烧飞灰； 资源化； 处置法

随着我国快速的城镇化发展，人民经济水平普遍上升，产生的垃圾也呈梯子型增长， 我国生活垃圾2019年产生量为3.4亿t，2020年垃圾产生量比2019年增长0.2亿t[1]。“垃圾围城”问题日益突出，垃圾乱堆乱放、污染环境等问题成了普遍关注的热点，然而，日益增长的垃圾飞灰量与没有成熟的飞灰处置设施之间的矛盾，资源化需求激增与缺乏技术标准和规范的矛盾逐步成为制约飞灰处理处置发展的两大问题。因此，推进垃圾无害化处理已成为改善环境的重要工作而且迫在眉睫。

近年来，在国家和各级地方政府的高度重视下，我国的垃圾焚烧飞灰无害化处理成效初显，垃圾处理运行体系不断完善，处理垃圾设备的数量和处理能力快速增长。2019年，我国建设大、中、小型垃圾焚烧厂大约600个[2]。焚烧飞灰一直在增加，如果可以将这些飞灰资源化处置，减少垃圾填埋，这将对社会循环化经济发展有重要的意义。目前，日本的垃圾可以达到焚烧处理目标，并将其用于路基材、建材中，代替部分原材料进行有效利用，前景广泛。日本资源化利用处理焚烧灰渣的技术，对我国在处理焚烧灰渣方面有很大的启发。

我国目前主要是利用固化稳定化和填埋法，填埋会占用大量的土地，而且这两种方法不能长期稳定飞灰中的二噁英和重金属，这与我国的可持续性经济发展战略不匹配，从长远来看垃圾焚烧飞灰的资源化利用是我国飞灰处置技术的发展方向。目前，飞灰资源化处置大致有以下几种：烧结轻骨料、玻璃陶瓷；熔融固化用于建筑材料；水泥窖协同处置生产水泥；机械化学法；直接资源化利用。

1 垃圾焚烧飞灰资源化处置技术现状

1.1 高温热处理法

高温热处理方法是高温处理飞灰，分解固化飞灰中的有害有机物，如：二噁英和重金属，达到对环境没有威胁和资源化应用的技术手段。该技术可分为低温烧结法、高温熔融法以及熔融玻璃化法[3-5]。熔融处置飞灰是当前比较超前、高效的处置技术。目前，已经有很多关于飞灰烧结制备轻骨料、陶粒的研究。

低温烧结法是在温度为900～1 100 ℃下，飞灰中的固体颗粒发生化学反应而聚集成团。该过程中，颗粒质检的空隙逐渐减少，飞灰中的除Pb以外的大部分重金属形成氧化物，达到国标的浸出浓度。Liu[6]还将飞灰进行水洗后烧结，发现与原有飞灰烧结相比，重金属的浸出浓度都达到标准，但是经过水洗后烧结，Cr的浸出率增加，Cd，Pb，Ni的浸出率相对减少。刘富强等[7]在烧结温度为1 050～1 180 ℃下，经水洗飞灰后，其氯含量显著降低，铅和锌的挥发率也明显下降。陈炜[8]曾报道了将垃圾焚烧飞灰通过1 050 ℃高温分解，因为飞灰中钙含量较高，因此需加入其他生料，在回转窑中经过烘干、预热煅烧，形成生料球，迅速冷却制成陶粒。该技术过程中，由于经过高温煅烧一定时间，飞灰中二噁英分解，同时，Pb、Cr、Cd、Hg等重金属熔融固化，不易浸出。

高温熔融/玻璃化法是将飞灰在1 100～1 500 ℃下熔融，玻璃化法是将添加剂和飞灰混合，温度较高于熔融温度。在此过程中，飞灰在高温下分解，形成的炉渣作为原材料用于制作建筑材料。烟气则被送入预热器进行加热后冷却，过滤，固化灰渣，最终达到尾气排放标准。飞灰熔融固化技术在美国、日本、德国等发达国家已经形成工业化应用，还根据焚烧温度不同设计并构造了相应的熔融炉，并研究后期熔融后的残渣用于制造建材并进行建设使用。Park等将飞灰和TiO2、ZnO等晶核剂混合经熔融固化得到基础玻璃，再经过热处理、核化、晶化，制成了微晶玻璃，这种材料工业前景非常好且经济价值高[9]。Rebmz等将飞灰经过熔融炉后产生的炉渣制造高质量的聚合混凝土[10]。而我国仍处于科研发展阶段。WANG Q 等[11]将飞灰熔融，检测到玻璃体熔渣中的重金属的浸出毒性小于国标。朱雁鸣等人[12]研究发现熔融处置后的飞灰中的重金属浸出毒性显著降低，远远低于浸出毒性标准，可在建材等领域实现安全的资源化利用。蔡可兵等[13]在焚烧飞灰中加入废玻璃来合成玻璃陶粒，从而达到了飞灰、废旧玻璃这两类工业固体废物无害化处置和资源化。魏娜等人[14]将污泥和飞灰混合烧制，得到的污泥陶粒有效稳定其中各种重金属，其浸出毒性均符合标准。吴玉杰等[15]研究废玻璃：污泥：飞灰：盐渍土不同配比，合成陶粒。当废玻璃、污泥、盐渍土和飞灰的质量比为10∶6∶70∶8时，合成的陶粒中重金属毒性都满足标准，这为城市垃圾无害化资源处置开辟了新思路。

直流热等离子熔融技术是在温度5 000 ℃的等离子反应器中进行气化/玻璃化，进入金属/玻璃收集系统进行收集，在通过热能回收利用系统，尾气净化处理系统，二次燃烧室，自动控制系统，将尾气实现达标排放，能量进行二次回收。早在1992年日本TAKUMA公司采用石墨电极等离子体熔融炉来处置飞灰和炉渣，到1998年处理规模达到了25 t。日本三菱公司利用等离子体技术处置飞灰的研究有很大的进展，逐渐商业化[16]。英国Tetnmics公司利用直流电极等离子体熔融技术处理焚烧飞灰，取得了重要成果，现已成为世界上处理焚烧飞灰技术的主要供应商。该技术已在日本、美国、英国等发达国家实现商业化，并将飞灰产生的玻璃体用于建筑材料[17]。

热处理方法对重金属和二噁英的处理效果都很好，可有效固定重金属，可减容化，资源化利用价值较高。但缺点是整个过程中能源消耗大，二次飞灰中重金属含量高，二噁英存在二次生成，容易形成二次污染。目前，可以优化的方案有以下处理方法一是将熔融盐处理；二是通过二次飞灰循环；三是增加含氧量，增加处置温度，减少热量损失。

1.2 水泥窖协同处置

飞灰水泥窖协同处置技术是目前常见的一种焚烧飞灰资源化利用技术。飞灰由于其化学成分与水泥类似，因此将飞灰作为生产水泥的原材料。研究表明利用水泥窖协同处置过程中，飞灰经过高温（1 800～2 200 ℃）二噁英等有机物将会彻底分解，重金属物质也将固化在水泥熟料当中，并且CaO可与高氯飞灰产生的HCl反应，抑制了酸性有害气体HCl的排放[2]。目前，该工艺方法已在国内工业化，代表厂家是北京金隅玻璃河水泥厂。具体工艺流程是飞灰原料仓进入水洗罐进行预处理，降低飞灰中的高盐度，防止腐蚀水泥窖。进入卧螺离心机，分离后固体进入烘干机，烘干，进入料仓，进入窖尾（850～900 ℃），生成水泥产品。另一部分液体经过物理沉降池，反应罐、化学沉淀池，过滤罐MVR蒸发结晶后产出工业用盐[18]。肖海平[19]验证了水洗后的飞灰中96.21%的氯元素被脱除，99.97%的二噁英留在了脱氯飞灰中，经过水泥窖高温煅烧后，彻底降解，降解率达到99%以上。同济大学教授施惠生[20-23]团队将少量的垃圾焚烧飞灰与硅酸盐水泥和CaCl2燃烧成功合成阿利尼特水泥。探索利用垃圾飞灰烧制的阿利尼特水泥与石膏、飞灰掺杂合成水泥的最佳比。为垃圾焚烧飞灰的资源化处理找到新思路。目前，国家、政府也在积极鼓励该技术生产线的建设。

水泥窖协同处置对重金属和二噁英的处理效果都很好，能耗较低，没有二次污染，可将彻底处置飞灰，从而资源化利用。缺点就是在窖中氯化物容易挥发，在窖尾处放生凝结堵塞，因此在窖内之前首先水洗预处理。该方法也有效促进了水泥行业绿色环保转型发展，为社会和环境作出贡献。

1.3 水热法

水热法是将飞灰溶于水，在高温高压下，加入含有Si、Al等物质与飞灰中的Al和Si发生反应生成不同类型的沸石（硅酸盐），沸石的结构是架状，中间有很多的空隙，所以沸石的吸附性和离子交换能力非常强，重金属有效的固定其中。Bayuseno A P等[24]研究水热法制备加藤石，经过转变为雪硅钙石。FAN Y等[25]通过水热处理得到了X型沸石。Yang GC C等[26]通过此方法得到了钠、斜方钙沸石；石德智等[27]在水热条件下，加入粉煤灰、高岭土和膨润土，Pb、Zn和Cu等重金属浸出浓度明显降低，可以看出，加入硅铝添加剂有效地抑制了重金属向液相转移。

邱琪丽[28]研究利用微波水热法将垃圾焚烧飞灰进行无害化处置，可以看出微波加热可有效稳定粉煤灰中的重金属，还可以加快二噁英的分解。Gong等[29]采用微波水热法可减少飞灰中的Pb、Cu和Zn浸出。Qiu等探究了在温度为220 ℃下，经过微波加热，分别加入质量分数为5％和10％的Na2HPO4，与空白试验做对比，二噁英消除率从达到60.6％到83.3％在到91.8%。进而证明了在微波加热过程中，加入Na2HPO4可以增加二噁英的降解率，也可以有效固定重金属。刘林林[30]在水热反应过程中加入O2，发现二噁英的消除率上升，目前二噁英含量符合国外农用土壤中的标准。微波加热技术相比普通水热技术来说，其更加高效、节能，而且处置以后的飞灰适应环境pH范围更大[31-32]。

水热法能量消耗低，处理效率相对来说较高，对重金属的稳定效果好，二噁英的降解较高，但是对处理设备要求高，产生的水热废液还需要处理，成本高， 经水热法处理后的飞灰二噁英和重金属都被合理抑制，可填埋也可资源化处理，但是水热法要求设备严格，产生的废液处置难度大，并且对炉排炉飞灰中重金属固化能力不佳，当前还需要不断的探索研发。

1.4 机械化学方法

机械化学方法是通过碰撞、剪切、压缩和摩擦等机械外力激活、加快颗粒物发生物理变化和化学改变，飞灰中Cu、Pb 和Cr等重金属被固化[33]。很多研究表明，加入添加剂有助于固定重金属以及增强二噁英的降解。CaO由于价格低和添加效果好是最常用的添加剂。Nomura Y研究表明添加CaO可使飞灰中的Pb的形式发生转变[34]。陈志良等将CaO-Al作为添加剂，加快了飞灰的降解以及重金属的固化。其作用机理是在机械力的作用下，氧原子将电子给C-Cl键，铝需要电子，刺激CaO的电子的释放。并在此基础上，研究开发出实用性强且降解率高的SiO2-Al添加剂[35]。

王旭[36]研究了以球磨后的飞灰混合水泥制备轻骨料，从实验可以看出，球磨飞灰使得飞灰的粒径减小、孔隙减少，因此，球磨使得骨料的性能提升。在不同pH条件下原始飞灰和球磨飞灰的重金属渗出量来看,球磨对重金属的浸出率有一定的影响，球磨飞灰骨料的强度更高，可以看出球磨后飞灰制备的轻骨料环境安全性能更好。还对炉排炉飞灰和流化床飞灰进行了对比，炉排炉飞灰水洗脱氯效果好，但是处理飞灰脱氯水洗液比较困难，经济成本高。流化床飞灰需二级水洗，经过化学沉淀法和反渗透膜分离技术的结合，满足排放标准，经济又环保。

XU P等[37]利用炉排炉飞灰和流化床飞灰作为碱激发砖的原材料，实验结果发现两种砖均可满足标准要求，这也说明飞灰可用于碱活化材料。

宁博等[38]研究了飞灰单独掺入制备混凝土原材料中与飞灰以及矿渣、稻壳灰等矿物混掺制备混凝土进行了对比实验，研究可以看出，单掺飞灰比混掺后得到的混凝土的各方面性能强，重金属毒性浸出也达到国标。孟令敏等[39]将一定比例的飞灰作为原材料合成C80高强混凝土，得到的结果是两者的稳定性差不多，而且重金属毒性浸出符合国标，可安全使用。

李强等[40]将飞灰、水泥、细骨料按照一定比例在搅拌机内搅拌均匀后在混凝土压力机上匀速加压制备混凝土空心砖。

许鹏等人[41]通过利用焚烧、燃煤飞灰、矿渣粉末混合，搅拌压制成碱激发砖材，掺杂飞灰为40%时，各方面性能优良且重金属被固定于砖材中。

机械化学法处理过的飞灰粒径变小、孔隙减少，比表面积增大，整个过程能量消耗低，从而有益于飞灰的资源化利用。但是对炉排炉飞灰处理效果不好，对飞灰的选择性有一定的要求。

1.5 直接资源化处置

飞灰与火山灰的性能有点相似，经过脱除、水洗重金属等有毒物质进行预处理后方可代替一定量的水泥用于建筑材料、路基和堤坝、制造混凝土实心砖[42]，从而实现资源化应用。飞灰还可以用作催化剂（生物质制氢）[43]、土地肥料、污泥调理剂、稳定剂、吸附剂以及其他物质的填充料和生产原材料。但如果飞灰不经处理直接资源化利用的话，二噁英、重金属等有机毒物不能有效控制，对环境存在潜在的危险，因此飞灰的直接资源化利用不环保也不科学[3]。

2 结束语

目前，资源化处置飞灰是最理想的方法，飞灰的资源化处置重点在重金属浸出毒性以及二噁英的完全消除。在资源化处置方法中热处理法需要的能量高，二次污染严重，成本高。水热法和机械化学法还需要进一步研究。水泥窖协同处置方法是目前比较理想的技术。该技术可高温处理飞灰并与其他原材料实现飞灰的资源化处置。但仍有不少缺陷，我们仍然要进一步验证重金属的长期稳定效果。目前已有很多新技术还处在研究阶段，要从经济、环境等多方面去考量，飞灰在资源化处置技术的发展空间还很大，目前国内外研究学者对此相当的关注。希望早日解决我国垃圾飞灰的处置问题。

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Waste Incineration Fly Ash Resource Treatment Technology

,,,

(Qingdao Huicheng Environmental Technology Co., Ltd., Qingdao Shandong 266555,China)

The municipal solid waste incineration fly ash is considered as "hazardous waste" because it contains dioxin and other heavy metal toxic and harmful substances. In view of occupying large amount of land resources and having the secondary pollution of treating the fly ash from the incineration of municipal solid waste (MSW), a resource treatment method for waste incineration fly ash has been proposed. In this article, existing waste incineration resource disposal methods were briefly summarized.

Fly ash from MSW incineration; Resource utilization; Disposal method

2021-04-09

赵洁（1989-），女，山东省青岛市人，工程师，硕士，2016年毕业于长春理工大学化学专业，研究方向：固体废弃物资源化利用。

TQ09

A

1004-0935（2021）10-1507-05