危险废物焚烧过程重金属污染控制机理及处置方法研究进展

葛锡印 王兆丰 刘元虎

(山东郯创环保科技发展有限公司，山东 临沂 276100)

危险废物因具有腐蚀性、毒性、易燃性、感染性等危险特性而备受国内外关注[1]。我国危险废物的来源包括工业产出、生活垃圾产出、医疗废物产出等，其中主要来源为工业产出[2]。随着我国工业化进程的加快，危险废物的排放量迅速增长，2010年我国的危险废物排放量仅有1 500万t左右，而2020年排放量已突破10 000万t。迅速增长的危险废物给环境和危险废物处置带来巨大挑战，针对危险废物的处理，国内外均已研究并应用了许多方法，焚烧处置法便是其中应用较为广泛的一种。然而，危险废物在焚烧处置过程中极易产生CO、SO2、HCl、HF等烟气和重金属、二噁英等有毒有害物质，这些有毒有害物质若未能有效防控与处理，依然可以对环境和人类健康造成巨大危害，因此危险废物处置过程中的二次污染问题也应得到重视。吕阳[3]通过研究焚烧过程中的重金属对水泥熟料的影响，提出了利用水泥熟料固化重金属以达到重金属部分回收利用的目的。杨倩等[4]通过研究污泥焚烧中重金属离子的迁移规律，提出了污泥焚烧后重金属的处置方法。齐一谨[5]对比分析固硫灰固化和水泥固化两种处理生活垃圾焚烧产生的重金属的方法，得到固硫灰固化技术成本更低，对资源回收利用和环境保护更有利的结论。刘金英[6]提出在碱性环境下利用超声波技术，可以有效实现垃圾焚烧飞灰中重金属的无害化处置。

综上所述，危险废物焚烧处理所产生的二次污染已经引起国内外学者的重视，各国均提出了一些行之有效的防控方法。作者通过分析危险废物焚烧处理工艺流程，剖析了焚烧处置过程中重金属的产生机理，以此为基础，总结了重金属二次污染物的防控措施，为解决危险废物处理过程中的重金属二次污染问题提供参考依据。

1 危险废物焚烧处置工艺

目前，我国建立了危险废物处置的总原则，即减量化、资源化和无害化，其中焚烧工艺能够满足上述总原则。现有的危险废物焚烧处理工艺主要包括预处理配伍、进料、焚烧、助燃、余热回收、烟气净化排放、灰渣处理等7个环节。

预处理配伍是指危险废物入炉前，需要根据物料的成分、发热量、碱金属含量、化学反应等因素进行合理的配比，配伍包括一级配伍(市场级)、二级配伍(厂区级)、三级配伍(料坑级)。进料系统主要将危险废物送入焚烧系统内，受危险废物的形态(散装废物、桶装固体废物、废液等)影响。焚烧系统主要指回转窑和二燃室，回转窑的温度设定在850 ℃左右，二燃室温度控制在1 100～1 200 ℃。助燃材料一般采用天然气，经燃气器进入回转窑和二燃室。余热回收系统由余热锅炉和汽水系统组成，在此过程中需要采用选择性非催化还原(SNCR)脱硝技术去除烟气中的氮氧化物。烟气净化系统主要用于经急冷塔降温后的烟气的净化与处理。灰渣系统对在整个焚烧过程中产生的灰渣进行储存，并运送到填埋场安全填埋。危险废物焚烧处置工艺流程如图1所示。

图1 焚烧处置工艺流程图

2 危险废物焚烧重金属产生和迁移机理研究

因重金属具有不可降解、可迁移、生物累积等特性，给生态环境和人类健康带来巨大危害。危险废物经回转窑和二燃室高温焚烧后，重金属从危险废物中释放出来，经过热解、蒸发、化学反应、颗粒沉降等一系列过程，最后经过烟气净化系统的颗粒捕捉后仍可能部分排放到大气中。

焚烧过程中重金属离子的迁移受重金属成分、形态、性质以及焚烧工况等多因素影响。在金属元素迁移中，我们可以根据金属的形态和是否挥发的性质，将金属分为4类。第一类为不挥发的金属，如铝、钯、钙、铁、锰、钛等，该类危险废物焚烧后金属成为飞灰或者低渣，通过烟道排放到尾部烟道。第二类为挥发性的金属，如铅、锌、砷、镉、铜等，这类金属将在飞灰表面凝结，最终以气溶胶的形式排放。第三类为气态金属，如汞等，该类重金属因其为气态形式存在，可以随着焚烧产生的废气挥发迁移，目前采用湿电除尘器与布袋除尘器结合的方式可脱除99%以上的汞。第四类为根据焚烧温度不同介于挥发和不挥发之间的金属，如铬、铯、镍等。危险废物焚烧的污染物产生过程如图2所示。

图2 危险废物焚烧污染物产生过程

3 危险废物焚烧重金属二次污染防控措施

危险废物焚烧产生的飞灰、烟气、灰渣中含有大量重金属，国内外工程技术人员制定了行之有效的防护和处置措施，包括设置烟气净化系统、构建湿法除雾装置、布袋除尘器、SNCR脱硝等。其中烟气、飞灰中的重金属在布袋除尘器、湿法除雾、烟气净化系统的综合作用下可以有效地去除，从而将重金属离子传送到飞灰中，最终以灰渣的形式排放。因此，针对危险废物焚烧产生的重金属的处理可以着重从灰渣中重金属的处理入手。目前焚烧灰渣的无害化处理主要有高温热解法、固化法、水热法、提取法等。

3.1 高温热解法与固化法

高温热解法主要有熔融、烧结、玻璃化等方法，可以将灰渣中的重金属固化在烧结体中，同时有效分解二噁英等危害物质。熔融主要是利用高温促使灰渣中不易挥发的重金属沉入炉底灰渣中，易挥发的重金属则转化为二次飞灰或融入废气中，并被烟气净化系统、活性炭等装置吸附除去。烧结是在高温作用下将重金属离子从废物中排出，进而促进重金属颗粒粘结形成烧结体，以实现重金属离子的固化。玻璃化法是促使灰渣中的重金属通过高温熔融到玻璃晶体中。

固化法一般采用的是水泥固化，将灰渣与水泥等材料按比例混合后，硬化成为硅酸钙，从而降低重金属浸出的可能。该方法因工艺成熟、成本低等特点被广泛应用。

3.2 水热法

水热法是利用灰渣在碱性环境下的水热结晶反应将危险废物焚烧灰渣中的硅、铝等转化为稳定形态，或者利用灰渣在酸性环境下的浸出反应将灰渣中的重金属浸出。相对于高温热解处理，水热法更加节能，处置成本更低。

3.3 提取法

提取法指利用生物或者化学方法，将危险废物焚烧后的灰渣中的重金属分离出来，然后进行重新利用。生物提取法是利用微生物将不溶的重金属转化为易溶的重金属离子，从而实现重金属的提取，其中常用的微生物包括金属类硫杆菌和螺旋菌。生物提取方法具有绿色环保、提取率高等优点，缺点是微生物成本高，提取时间长。化学提取法是利用化学药剂提取危险废物焚烧产生飞灰中的重金属，该方法中的化学药剂可选性多，工艺较为成熟。化学提取法具有操作简单、提取率高的优点，缺点是化学药剂消耗较多，成本较高，同时还会衍生出新的环境问题。

4 结语

作者从危险废物焚烧后产生的重金属二次污染问题着手，总结了国内外针对危险废物焚烧产生的二次污染问题防治的研究进展。以此为基础，介绍了危险废物焚烧处理工艺原理，并总结了危险废物焚烧过程中产生的重金属的迁移转化规律。最后，针对危险废物焚烧产生的重金属防治问题，汇总了高温热解法、固化法、水解法、提取法等处置方法，并对比分析了不同重金属处置方法的优势和不足。