生活垃圾焚烧飞灰无害化处理及资源化利用研究

刘锡军

（贺州市城市管理局，广西 贺州 542899）

随着国内社会及经济的快速发展，人民群众的物质消费水平不断提高，同时，生活垃圾的产生量也随之快速增加，2020年，我国城镇生活垃圾清运量达23511.7万吨，而2021年生活垃圾清运量达到了27119万吨。因此，生活垃圾及其处理产物的安全无害化处置逐渐成为影响我国新型城镇化发展的关键因素。在此背景下，国家针对生活垃圾处理相继出台了多项政策。2020年7月，国家发改委、住建部和生态环境部联合印发《城镇生活垃圾分类和处理设施补短板强弱项实施方案》，提出大力提升垃圾焚烧处理能力；同年9月，新版《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》正式施行，明确生活垃圾处理应坚持“减量化、无害化、资源化”原则，鼓励垃圾分类；2021年5月，发改委发布《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》，鼓励城镇加快补齐生活垃圾收集、转运、无害化处理短板。在政策的鼓励下，目前国内已初步形成了以焚烧为主的生活垃圾处理发展格局，2021年生活垃圾焚烧处理总量约为16271万吨，预计到2025年焚烧处理总量将突破2.5亿吨。生活垃圾焚烧过程中会产生大量的飞灰，这些飞灰中富集了大量的重金属及有机致癌物二噁英，若处理不合理，会导致有害物质浸入地下水及土壤中，从而对人们的身体健康造成不可逆转的损害。因此，飞灰的安全、无害化、资源化处置，是我国稳步推进“无废城市”建设、实现我国绿色生产生活方式的关键工作。本文基于上述背景，针对生活垃圾焚烧飞灰无害化处理及资源化利用展开分析，以供参考。

1 飞灰的来源

飞灰指的是生活垃圾焚烧过程中，通过烟气净化系统或者热回收利用系统等收集、余留下来的产物，其中主要含有重金属、二噁英和氯元素等物质。飞灰中氯含量最高可达20%，且这些氯元素的存在可以给二噁英合成提供充足的氯源，能促进生成二噁英等有毒物质，同时也可促使重金属挥发，对生态环境造成巨大威胁。

2 飞灰的特性

飞灰通常呈灰白色或者深灰色，为细小粉末状，具有孔隙率大、含水率小、比表面积大及粒径不均匀等特点。在焚烧处理中，会使用大量的消石灰等碱性物质对产生的烟气进行脱酸，这样会使飞灰具备很强的酸缓冲能力及腐蚀性。飞灰中不仅含有Si、Ca、Al、Fe等元素，也包括K、N a、Cl等其他元素，具体来说，飞灰的实际组成情况直接受生活垃圾组成及焚烧工艺的影响[1]。比如，用炉排炉焚烧生活垃圾所产生的飞灰中，通常含CaO、Cl、Na2O、K2O等成分比较多，而循环流化床焚烧所产生的飞灰中，通常含CaO、SiO2、Al2O3等成分比较多，具体见表1。

表1 炉排炉和循环流化床焚烧生活垃圾产生的飞灰化学成分对比表

3 飞灰的环境风险

随着生活垃圾量的不断增长，其焚烧飞灰的产量也逐渐增大，这也导致颗粒逸散风险、二噁英等有机物污染风险及重金属浸出风险等环境风险问题越发严峻。具体来说，主要有以下几点表现：（1）随着飞灰产生量的不断增加，通过填埋等方式处理导致土地资源越来越紧张，且处理费用也比较高；（2）二噁英为两组结构不同的多氯三环芳烃类化合物所构成的多种化合物的简称，包括75种多氯二苯和135种多氯二苯呋喃，共涉及210种有毒物质，可在生物体积累下落，并通过食物链进入人体，影响人体的免疫系统及内分泌，甚至给人体带来不可逆的致畸、致癌、致突变等危害；（3）飞灰中的重金属有着很强的浸出毒性，研究发现飞灰内的Pb、Cu残渣态含量比较小，具有不稳定性，易释放到自然环境中，进而污染土壤和地下水源，并成为威胁人体健康的潜在风险；（4）飞灰中含有很多氯化物，若处理不当，不仅会污染地下水源，而且也会加快Pb、Zn等重金属的液相溶出及高温挥发，进而严重污染生态环境，给人体带来致癌风险[2]。

4 飞灰无害化处理及资源化利用技术分析

4.1 固化/稳定化技术

4.1.1 水泥固化技术

水泥固化技术是按照一定比例把水泥和飞灰混合到一起，并利用固化包裹措施，将飞灰内的重金属以氢氧化物或者络合物的形式被包裹到经过水化反应之后产生的水化硅酸盐内，进而固化形成块状水化硅酸钙产物，这样既能降低重金属的浸出毒性，也可长期保持良好的稳定性。比如，学者杜渐[3]利用硅酸盐水泥对飞灰进行固化处理研究，发现水泥经水化后会产生钙矾石及C-S-H凝胶，并有效包裹和固定重金属离子，同时，强碱性的水泥浆液会促使重金属离子转化成难以溶解的氧化物或者碳酸盐，以控制重金属浸出。目前，在水泥固化技术的应用中多使用普通硅酸盐水泥对飞灰进行固化处理。

4.1.2 化学药剂稳定化技术

化学药剂稳定化技术指的是使用和飞灰内重金属性质相匹配的药剂，与重金属进行反应，从而生成不溶或者难溶的化合物、络合物或螯合物，以此降低重金属的迁移性及毒性。化学药剂稳定化技术应用过程中，常用的药剂主要有石膏、硫化物、铁酸盐、碳酸盐及高分子有机稳定剂（EDTA）等有机药剂，且这些药剂对重金属稳定化有着良好的选择性。刘引等[4]使用2.5%NaHPO及7.5%Na2S配制无机药剂对飞灰中的重金属进行稳定，经处理后飞灰内Cd、Pb、Se、Zn等重金属的浸出浓度都小于《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》（GB 5085.3—2007）[5]中的标准限值。

4.2 热处理技术

热处理技术是在高温条件下利用工业固体废弃物或者黏土等与飞灰相混合，以此达到降解有机物污染及稳定重金属的目的。根据实际处理的温度不同，热处理技术可细分成烧结技术（处理温度在700 ℃～1100 ℃）、熔融/玻璃化技术（处理温度在1000 ℃～1400 ℃）。

4.2.1 烧结技术

烧结技术是在低于物质熔点温度的条件下，通过提供扩散能量使焚烧后的飞灰颗粒排除气孔，并相互之间产生粘结，最终形成致密且坚硬的烧结体，以此弱化飞灰内重金属的迁移能力。Wong等[6]学者通过在铁矿石烧结过程中加入飞灰代替一些钙溶剂进行试验，最终结果显示，掺入适量比例的飞灰可以有效改善烧结指标。目前，诸多工程均使用回转炉对生活垃圾飞灰做烧结处理。

4.2.2 熔融/玻璃化技术

熔融/玻璃化技术也被称为玻璃化法，它主要是在高于物质熔点的温度条件下，先使物质达到熔融状态（比如玻璃状等），再通过冷却把有毒的重金属固化到熔渣内，从而实现稳定重金属的目的。玻璃体主要是由SiO4四面体组成的“短程有序，长程无序”的网络结构体，可以将重金属及其他重金属阳离子固结在结构内，使重金属浸出率降到极低水平。Yang等[7]利用玻璃化技术将飞灰内的Cr、Cd、Pb等重金属物质有效固结在玻璃体内，但是试验发现，在高温条件下，个别重金属会挥发引起二次污染问题。

4.3 分离萃取技术

4.3.1 生物浸提技术

生物浸提技术主要是通过微生物（细菌或者真菌）对飞灰中重金属元素进行溶出的一种技术。Funari等[8]学者通过试验研究发现，利用生物浸提技术能够有效去除飞灰内的Zn、Cu、Pb，去除率均高达90%以上。当下，氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌及铁氧化钩端螺旋菌是生物浸提中常用的三种微生物。

4.3.2 化学浸提技术

化学浸提技术主要是利用专业的化学试剂对飞灰内的重金属实施分离、提取及回收的过程。Tang等[9]学者使用化学萃取剂（Cyanex572）对酸性飞灰样品液中的Zn等重金属进行分离，最终结果显示，萃取剂（Cyanex572）对Zn的萃取选择性要比萃取Cd、Pb、Cu等重金属高很多。目前HCl、HNO3、H2SO4、NaOH、NH3及螯合剂等都是化学浸提技术应用中常用的化学浸提剂。

4.4 水热处理技术

水热处理技术主要是利用高温高压条件把压力容器内的飞灰和水混合溶液制成结晶体的处理技术。该技术在现实中应用较多，比如，张超[10]在水热条件下，通过一定比例将飞灰、粉煤灰及底灰混合产生雪硅钙石，不仅能够对重金属进行有效固化，而且最终水热产物中的重金属浸出浓度也达到了《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》（GB 5085.3—2007）[5]中的标准限值要求。另外，Fan等[11]通过熔融+水热的方法制出了X型沸石及羟基方钠石，且X型沸石在交换能力、比表面积及孔隙体积等方面均优于用煤灰制成的沸石，这样利用水热技术处理飞灰制成沸石，为飞灰资源化利用开辟了新的道路。

4.5 水泥窑协同处置技术

经研究证实，生活垃圾焚烧飞灰内的主要化学成分和水泥熟料中的化学成分比较相似，所以飞灰可以用作水泥生产的原料。但是飞灰不能直接进入水泥窑进行生产，而是要先通过水洗脱除掉飞灰内的可溶性氯盐，待水洗后的飞灰满足入窑标准之后，再通过水泥窑中的高温、碱性环境对飞灰内的有机物进行分解，并把重金属固化到熟料晶格中。肖海平等[12]学者研究发现，利用水泥窑对飞灰进行处理，能够有效分解二噁英，去除率可达99%。目前水泥窑协同处置技术不仅成为飞灰处理的主要技术，而且也已经实现了工业化应用。

4.6 填埋技术

填埋技术主要是先对飞灰进行袋装固化处理，再实施分层、分单元、分区填埋，填埋过程中需注意采取预防措施防止飞灰袋发生破损并产生泄漏。同时，因为飞灰渗滤液的成分比较复杂，所以需在填埋区的交界位置布置临时雨水收集池，防止雨水渗进飞灰中产生渗滤液，还应使用密度聚乙烯（HDPE）膜将各填埋单元隔离开，最大限度地防止飞灰污染。目前，国内生活垃圾焚烧飞灰只有通过药剂螯合固化稳定或者水泥固化稳定满足相关环保要求后，才能运到专门的填埋场进行填埋处理，相关环保要求包括《危险废物填埋污染控制标准》（GB 18598-2019）[13]、《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16889-2008）[14]等。

5 结语

综上所述，生活垃圾焚烧飞灰成分复杂，具有高氯、高危险性等特点，因此，在飞灰处理过程中，相关人员必须综合考虑飞灰的环境风险、处理的经济性及社会影响。当前单一飞灰处理技术在应用过程中依然存在一些不足，需要相关单位及技术人员加大对多项飞灰处理技术联合应用的研究，实现技术互补，并积极研发低温热解等新技术，在不断提高飞灰处理技术水平的同时，最大化地挖掘飞灰无害化、资源化利用价值。