垃圾焚烧飞灰的资源化利用进展

胡玉龙 邱琪丽

(南京工程学院 环境工程学院,江苏 南京 211167)

2020年,中国城市生活垃圾清运量达2.351×108t,其中无害化垃圾处理量达2.345×108t,无害化处理率达99.7%[1]。目前,生活垃圾主要处置方式为填埋、焚烧和堆肥[2]。我国的垃圾处理方式主要是填埋,但是填埋土地占用量大,因土地资源紧缺等问题,焚烧在垃圾处置中所占的比例越来越大[3]。采用焚烧处理垃圾,可以减容90%,减量75%,减少填埋土地占用,达到资源化利用等目的[4]。生活垃圾焚烧处理的占比从2015年25%上升至2020年的36%[5]。

垃圾焚烧飞灰中含有大量重金属,已被《国家危险废物名录》规定为编号HW18的危险废物,必须进行妥善处置[6]。将飞灰中的重金属加以资源化利用,是妥善处置焚烧飞灰的最佳方法,本文综述了垃圾焚烧飞灰的主要资源化利用途径。

1 飞灰的理化特性

垃圾焚烧飞灰是一种灰白色或深灰色的细小粉末,是由颗粒物、反应产物、未反应产物和冷凝产物聚集而成的不规则物体。飞灰颗粒比表面积大,使得一些挥发性重金属,如Pb、Cd等易吸附在其表面[7-9]。Yue等[10]对垃圾焚烧飞灰做了SEM电镜分析,结果表明飞灰具有多孔结构,使得其中的重金属很容易被渗透到环境中。当其被水泥固化后,可以减少重金属的浸出。

垃圾焚烧飞灰主要由Ca、Si、Al、Cl、Na、K、S、Fe、Mg、P等元素组成。由此可以看出,飞灰中易溶成分含量较高,这些可溶性组分是困扰飞灰稳定化处理与资源化利用的主要问题之一[11]。此外,飞灰中Cl-含量也较高,Cl-与重金属形成配合物影响重金属离子在环境中的迁移性[12],在飞灰的处置过程中,必须重视对Cl-的去除。

焚烧飞灰的化学组成因垃圾成分、焚烧设备、焚烧操作条件和空气污染控制设备种类的不同而有所变化[13]。焚烧飞灰的主要成分都是氧化物,这是由于焚烧炉内的强氧化环境导致的[14]。垃圾焚烧(MSWI)飞灰的主要化学成分如表1所示。

表1 MSWI飞灰主要化学成分Tab. 1 Major chemical components of MSWI fly ash

2 资源化利用

虽然垃圾焚烧飞灰中含有大量的重金属等有害物质,但是只要经过合适的处置,就可以作为资源进行再利用,不仅可以减轻垃圾填埋场的压力,还可以变废为宝,实现二次利用[22]。在对垃圾焚烧飞灰进行资源化利用时,需要考虑以下三个因素:(1)飞灰本身的物理化学性质是否适于采用该种资源化处置手段;(2)经过该种资源化处置后,所得的最终产品是否具有良好的性能,是否具备实用性、市场可行性和经济性;(3)该种资源化处置手段能否对飞灰起到稳定化作用,消除其对环境的危害[13]。

目前,飞灰的资源化利用主要有以下几个方面。

2.1 农业应用

2.1.1 土壤改良剂

在土壤中掺入飞灰,可以降低土壤的容积密度、水力传导率,提高持水能力。这是因为飞灰的粒度分布与淤泥相近,从而改变了土壤的结构性能。其次,飞灰还可以改变土壤的pH值。根据飞灰的来源不同,飞灰有酸性也有碱性,因此可以作为土壤的pH缓冲剂。此外,飞灰甚至可以改变土壤的生物特性。将飞灰加入未经风化的沙土中,可大大抑制其中的微生物的呼吸、酶活性以及土壤中的氮循环,如硝化作用和氮的矿化[23]。

2.1.2 植物养料

氮、磷、钾是肥料必备的3种主要元素。由于飞灰中含有大量磷和钾(氮已在燃烧中损耗),因此可以代替化肥供给植物养分。飞灰的掺加量可根据生长植物和土壤酸性适当增加或减少,但总飞灰量不宜超过耕作所需土壤量的5%～10%[24]。Chen等[25]的研究结果表明,其他肥料与飞灰的混合使用可以减少有机、无机肥料的使用,氮、磷、钾肥的减少量分别为45.8%、33.5%和69.6%。飞灰既可以作为土壤改良剂,又可以丰富土壤中的营养元素,有益于植物的生长,另一方面,还可以减少化肥的使用,减少环境污染。

1.3.1 近期疗效判定标准 痊愈为用药后无癫痫发作；显效为用药后癫痫发作次数明显减少（减少次数≥50.0%）；有效为用药后癫痫发作次数有所减少（减少次数≥25.0%）；无效为未达到上述标准甚或恶化。

2.1.3 杀虫剂

飞灰可以对50多种主要的作物病虫害产生影响,比如蚱蜢、稻飞虱、棉铃虫等。Benassi等[26]发现在土壤中加入5%的飞灰,可以显著减少由根结线虫引起的根部损伤,进而促进番茄植株的生长。

飞灰在农业中应用的优势以及不足之处如表2所示。

表2 飞灰在农业应用中的优缺点[23]Tab. 2 Advantages and disadvantages of MSWI fly ash in agricultural applications

2.2 土木工程

飞灰的主要成分属于CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3体系,与常用的高炉矿渣、粉煤灰等辅助性胶凝材料非常接近,因此可以用作建筑材料和岩土工程材料[24]。

2.2.1 水泥、混凝土

飞灰的主要成分是CaO、SiO2、Fe2O3和Al2O3,非常适合作为水泥生产的原材料。另外,利用飞灰替代水泥原材料,除了略微增加了水泥的凝固时间,对水泥的强度、收缩率、质量损失没有任何影响[27-29]。

Yao等[30]人在飞灰作为水泥原材料的应用中,提出了一种更为环保的系统——WCCB系统。该系统具有以下优点:分解飞灰中的二噁英、多氯联苯以及其他复杂有机物;回收或固定飞灰中的重金属;在水洗废水中回收盐类。

飞灰不仅可以作为水泥原料制备水泥,还可以直接取代部分水泥制备混凝土。混凝土的一个重要的工程性质是抗压强度[33]。Fujii等[34]的研究表明,将飞灰作为辅助胶凝材料取代部分水泥掺入混凝土中,可提高混凝土的抗压强度。此外,和制备水泥相比,直接制备混凝土,无需进行水洗等预处理,从而减少了工艺、设备成本[34]。

虽然飞灰在水泥中的应用已经非常成熟,但有必要进行更多的研究,如飞灰中一些元素对熟料的结构和水化作用的影响;飞灰制成的水泥的长期重金属毒性浸出特性;水泥的短期和长期机械特性和耐久性;飞灰中氯的排放对水泥窑的腐蚀影响等[31]。

2.2.2 轻骨料

飞灰在作为轻骨料应用时,由于其中的SiO2含量偏低,只能作为辅料。使用飞灰、反应灰、沉淀污泥等制成的骨料,密度远低于正常骨料[35]。Quina等[36]提出了利用飞灰混合页岩、污泥,制作轻骨料的方案,在最佳配比下,轻骨料的容积密度可达613 kg·m-3,颗粒强度为821 N,一小时吸水率为11.6%,可以达到700等级的轻骨料要求(GB/T 17431.2—1998)。在用飞灰替代沥青砂胶中的细骨料的研究中,也发现添加8%～16%的飞灰,符合要求[37]。将飞灰用于制作轻骨料,是具有可行性的,在制成轻骨料的同时,还可以稳定其中的重金属。

由于在轻骨料的制作中,一般都需要进行高温烧结,在此过程中容易对环境产生二次污染,因此,仍然需要继续探索更节能的、更清洁的利用途径。

2.2.3 路基、堤坝

垃圾焚烧飞灰与燃煤飞灰在组成上极为相近,与水混合后自身存在一定的凝硬特性,飞灰与水泥混合具有一定的硬度,满足路基材料的需求,同时水泥的水化产物及碱性环境还可以抑制重金属的渗滤,满足环保的要求,因此可以用飞灰作为路基、堤坝[38]。由于飞灰的密度比堤坝中其他填充物质小,可以减少堤坝负荷,减轻地面沉降[39]。飞灰的使用还可以降低材料的膨胀、提高加州承载比(CBR)和弹性模量值[40]。

2.3 其他应用

2.3.1 沸石

沸石是具有晶体结构的铝硅酸盐类矿物,可由含Si、Al的材料合成。而飞灰的成分含有大约15%～30%的SiO2和Al2O3[41]。飞灰因其具有高含量的活性相、高比表面积等性质非常适合作为沸石合成的初始原料。而且飞灰中的Si/Al含量比较低,可以合成具有高离子交换容量、高选择性、高孔隙容量的低Si沸石[42]。在飞灰的稳定化处理中,经过熔融处理或是水热处理后,就会产生沸石[43]。

利用飞灰制作沸石,最大的问题就是制作中需要消耗较多的能量,而且合成沸石会产生含有大量重金属的废水,仍需要进行后续处理[41]。

2.3.2 玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷

陶瓷生产要消耗大量的硅酸盐物质,而飞灰中含有大量的SiO2,这是飞灰能用于陶瓷生产的基础,并且细颗粒的飞灰可直接加入陶瓷原料中,不需要进行预处理。但飞灰中所含大量的氧化铁和金属会影响陶瓷的性能,必须严格控制飞灰加入量[39]。

飞灰在生产玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷等产品时,都需要经过高温烧结、玻璃化过程,不仅可以利用高温固定重金属,甚至可以脱除二噁英。这个资源化途径最大的问题仍然是高温能耗以及高温过程中的二次污染。

2.3.3 污泥调节剂

污泥中的重金属主要来源于废水,而且其中的水分含量高达95%,在处理前需要进行脱水处理以达到减量、降低成本的目的。而废水中所含的少量的油,则增加了污泥脱水的难度,要解决这个问题就需要在污泥中添加助滤剂。飞灰可以减少过滤过程中的毛细吸水时间,降低比电阻,从而辅助污泥的过滤过程。由于飞灰会导致污泥滤液中的重金属含量增加,因此飞灰的添加量不宜过高,一般为3%～4%[44]。

2.4 飞灰资源化利用总结

飞灰的应用具有很大的潜力,主要资源化利用途径如表3 所示。飞灰之所以归类为危险废弃物,主要是其中所含的重金属,因此最理想的方式就是将其中的重金属提取出来,再进行利用。但以目前的技术手段,难以实现对各种重金属进行统一的、低成本的、大量的提取。结合各手段的优点加以发展,是解决这一难题的关键。

表3 飞灰资源利用途径比较[24,44]Tab. 3 Comparison of utilization approaches of MSWI fly ash[24,44]

3 展望

垃圾焚烧飞灰之所以没有实现大规模的工业应用,主要有以下两个原因:(1)飞灰的化学特性、矿物特性以及形态特性的易变性,阻碍了飞灰的直接应用;(2)飞灰在环境中的浸出特性容易造成二次污染。因此,在未来的处理与应用中,我们必须重视飞灰在环境中的变化以及长期的、潜在的影响。图1[41]给出了飞灰的可持续管理程序。

图1 生活垃圾焚烧飞灰可持续管理程序Fig. 1 Sustainable management procedure for MSWI fly ash

飞灰的收集必须涵盖所有焚烧飞灰,再根据来源不同进行分流处置。一部分直接进行处理、回收利用,实现资源再生,其余部分进行飞灰的处置,再实现资源利用或是进行最终的填埋处置。在飞灰的处置过程中的资源利用,可以大大减少资源浪费,并减少飞灰的填埋量,减轻垃圾填埋场的填埋压力。另外,在飞灰的处置利用过程中,采用生命周期评估法(LCAs),评估飞灰对环境的长期影响将是未来飞灰处置的发展趋势。