生活垃圾焚烧飞灰稳定化和资源化处理初探
摘要：垃圾焚烧飞灰中含有较高浓度的铅、镉镐等重金属，以及痕量级二恶英类等有机物，因此被列为危险废物。飞灰一般经适当的稳定化预处理后，才可进入危险废物填埋场填埋处置。文章简要介绍了几种垃圾焚烧飞灰的稳定化处理技术(水泥固化技术、熔融固化技术、化学药剂稳定化技术)，以及飞灰的资源化处理技术，以期为飞灰处理技术的进一步研究作铺垫。
关键词:生活垃圾焚烧飞灰，重金属，稳定化，资源化
1 概述
目前，许多城市尚未实现垃圾分类分倒，垃圾的成分复杂，水分高，热值不稳定，使得垃圾处理较困难。垃圾无害化处理已成为我国各级政府面临的重要问题，垃圾焚烧法以其减容效果好和能源回收率高，而逐渐成为垃圾减量化和资源化技术的研究方向。
但焚烧过程中会产生一定数量的焚烧灰渣，根据垃圾组成和焚烧温度、时间的不同，以及污染治理措施的差异，残渣的量约占垃圾焚烧前总质量的25%左右，其中焚烧飞灰占4%左右。焚烧飞灰中含有较高浓度的铅、福等重金属，以及痕量级二pc哄类等有机物，《危险废物污染防治技术政策》(国家环保总局，2001)中，明确将焚烧飞灰列为危险废物。
生活垃圾焚烧飞灰是城市生活垃圾焚烧过程中一种必然的副产品，主要是不可燃的无机物以及未燃尽的无机物、可燃有机物;是焚烧炉产生的烟气经反应塔进行中和、净化后，掺以一定量的吸附剂，经高效除尘分离器分离后产生的。飞灰主要成分有SiO2,CaO,Al203,Fe203和硫酸盐、钠盐、钾盐等化合物，还有Hg,Mn,Mg,Sn,Cd,Pb,Cr等重金属元素、以及痕量级二恶英类等有机物及其他种类污染物，属于危险废物。飞灰中化学组成取决于垃圾的组分、焚烧温度及烟气处理工艺等多种因素。飞灰的pH值在11.5左右，其形状不像粉煤灰那样由球形颗粒组成，大部分飞灰是由颗粒物、反应产物、未反应产物和冷凝产物聚集而成的形状不规则物体。粒径介于0.01-0.15 um范围内，密度最小值为0.8，最大值为1.09。飞灰的2/3以上化学物质是硅酸盐与钙。
由于生活垃圾成分的复杂性、多样性、不均匀性，在整个焚烧过程中会发生许多不同的化学反应，所以在焚烧烟气中除了一定量的过剩空气和二氧化碳外，还含有对人体及环境有直接或间接危害的成分，根据烟气中污染物性质的不同，可将其分成以下几大类:颗粒物、酸性气体、重金属、有机污染物。
目前，焚烧飞灰均运至危险废物安全填埋场填埋。飞灰一般经适当的稳定化预处理后，才可进人危险废物填埋场填埋处置。
稳定化((Stabilization)技术是用化学方法降低废物的危险潜在性的技术，可将废物内含的污染组合分转化成难溶的、低迁移率的或低毒的物质状态，全过程无须改变废物的物理性质和原先特性。固化(Solidification)技术是将废物包封起来，形成固态物的技术，不强调污染组分和固化填加剂之间内在的化学反应。固化后的废物状态可能是块状体、泥土状、颗粒状或其他统称为“固体”的物理形状。稳定化/固化(S/S)或固体/稳定化(S/S)技术是废物与固化添加剂之间的化学反应或物理过程，污染物迁移被限制，是因减少外露表面积或低渗透性材料包封废物的表面。危险废物的稳定化/固化处理(S/S)添加剂材料，有水硬性水泥体系，有机聚合物和类似材料。但所有材料体系中，最广泛应用的还是水泥系列材料。
采用高效的化学药剂对含重金属废物进行无害化处理，已成为对含重金属废物包括飞灰稳定化处理领域的研究重点。化学药剂稳定化是利用化学药剂通过化学反应使有毒有害组分转变为低溶解性、低迁移性及低毒性组分的过程，同时也可使废物少增容或不增容，从而提高危险废物处理处置系统的总体效率。化学药剂稳定化处理危险废物技术，目前国外已有部分应用，我国也初步尝试在传统技术(水泥固化)沿用基础上，引用国外先进理念，研究化学药剂稳定化技术，以填补国内该领域的空白点。相关单位已进行了实验室规模的尝试。
本文简要介绍了几种飞灰的稳定化处理技术(水泥固化技术、熔融固化技术、化学药剂稳定化技术)，以及飞灰的资源化处理技术，以期为飞灰处理技术的进一步研究作铺垫。
2 稳定化处理技术
2.1 水泥固化技术
水泥固化是将灰、水泥按一定比例混合，加人适量的水，使之固化的一种方法，其固化机理是在水泥水化的过程中，通过吸附、化学吸收、沉降、离子交换、钝化等多种方式，重金属最终以氢氧化物或络合物的形式停留在水泥水化形成的水化硅酸盐胶体C-S-H表面，同时水泥的加人也为重金属提供了碱性环境，抑制了飞灰中重金属的渗滤。水泥固化飞灰技术是一种比较成熟的危险废物处理技术，在经济性和可操作方面具有明显的优势，但水泥的用量高，导致固化体增容率高，随着时间推移，固化体部分有毒物质可能会逐渐溶出，对环境存在长期的、潜在的威胁。
Hamermil的研究结果表明，飞灰对水泥的硬化、抗压强度等方面存在负面影响，这可能是飞灰的粒径分散度、无机盐(氯化物、硫化物)以及碱性物质含量高的缘故。蒋建国等发现经过水洗预处理，焚烧飞灰中的可溶性盐类大大减少，重金属浸出毒性有明显的降低，以飞灰原样制成固化体的抗压强度随养护时间的延长而降低。贺杏华等发现当飞灰掺量适当时，重金属物质的固化效果良好，重金属物质通过物理固封、替代、沉淀反应和吸附等形式可固化进水泥水化产物结构中。
2.2 熔融固化技术
熔融固化技术主要是将飞灰和细小的玻璃质混和，经混合造粒成型后，在1 000一1 400℃高温下熔融，通常30min左右(熔融时间视飞灰性质的不同而定)，待飞灰的物理和化学状态改变后，降温使其固化，形成玻璃固化体，借助玻璃体的致密结晶结构，确保重金属的稳定。熔融固化技术对残渣的减容率高，固化效果好，但是致命缺点是部分有毒物质会挥发出来，必须采取尾气处理措施。所以，其系统较复杂，运行成本高。
Takaoba M等通过对淤泥焚烧底渣1 400 ℃熔融中试实验研究发现:沸点较低的金属如Cd、 Pb的盐类物质易转移到气体中，必须采取进一步尾气处理措施，这样会使系统复杂化，从而提高了运行成本。陈德珍等的研究表明，受热温度越高、时间越长，飞灰减量越大，低温玻璃态物质对重全属铅和福具有较好的固化效果、而对汞及砷的固化效果尚不确定。
2.3 化学药剂稳定化技术
化学稳定化技术是利用化学药剂，经过化学反应使有毒有害物质转变为低溶解性、低迁移性及低毒性物质的过程。常用的稳定剂为无机物和有机物。无机物主要有Na2 S及磷酸类药剂，有机药剂主要是鳌合高分子物质，将飞灰与带有络合基的不溶性药剂进行混合，飞灰中易溶性金属(Cd、 Pb等)同药剂中的络合基反应后，形成稳定性络合物，进而固定在飞灰中，以此达到降低飞灰中有害成分浸出的可能性。用上述这些药剂处理飞灰，一般都可达到较好的效果，此方法具有处理过程简单，设备投资少等优点，但会产生高浓度无机盐废水，需要进一步处理。另外，填埋场或经处理后飞灰的再利用的环境条件与飞灰固化稳定化时的条件相差很大，因此，一些长期的环境效应还有待于长期的监测数据和研究结果的验证。由于飞灰组分及重金属存在形态的复杂性，目前很难找到一种普遍适用的价格低廉的化学稳定剂，还需要做大量的试验研究工作。
采用硫化钠、硫代硫酸钠和硫脉等对生活垃圾焚烧厂的飞灰进行处理时，主要是利用它们与重金属生成硫化物沉淀，从而稳定飞灰中重金属。如常州市采用硫化钠和硫脉对生活垃圾焚烧厂飞灰进行稳定化处理时发现，在达到相同的稳定效果时硫化钠的最佳用量为硫脉的2倍。但目前硫脉的市场价格很高，在实际应用时还要考虑到经济性的问题。使用Na2S为药剂的研究发现，随着Na2S投加量的增大，浸出液中Pb和Cd的浓度逐渐降低，表明飞灰的稳定化效果越来越好，用Na2S来处理飞灰的最佳投加比例为Na2S 9H20:飞灰=1 :20。
磷酸盐处理飞灰方法是基于不溶性金属磷酸盐的生成(如:Pb5(PO4)3Cl,Cd3(PO4)2等)，从而进行生活垃圾焚烧飞灰稳定化的一种方法。用磷酸盐化学试剂进行飞灰的稳定化处理，可用液态或固态的磷酸盐试剂，液态磷酸盐处理速度快，固态磷酸盐可缓慢并长久地释放磷酸根。上海寰保渣业处置有限公司发明的一种新型飞灰稳定化处理方法，无需机械搅拌，无需配备储存仓库、稳定化车间，采用气、液相互混合的方式，气体输送飞灰，与化学药剂(磷酸盐)混合反应后，直接进人填埋坑进行稳定化处置。
3 资源化处理
目前，国家对于飞灰处置的原则是，通过无害化、稳定化处置后，使得飞灰中渗出液毒性符合标准后，最终予以填埋。但实际情况是，几乎所有城市在安全填埋场的选址上存在很大困难;焚烧飞灰采用填埋方式，占地较大，且其重金属溶出对环境和人体健康的长期效应尤待考证研究。
无害化、减量化、资源化是固体废弃物处理处置的原则和目标，而固体废弃物的资源化利用是我们所追求的。进行资源化利用时，除需满足浸出毒性标准，还需满足材料应用的其他物理化学性质要求，如:抗压强度、长期化学浸出行为和物理完整性等。飞灰资源化利用是垃圾焚烧处置项目能持久推广的必然要求。
从上海有关方面的进展情况看，对飞灰进行资源化利用已不单纯是一种设想，而是有了实质性的进展，其主要方向是为微晶玻璃、水泥及涂料等提供原料，各项指标均较理想，尤其是将飞灰经适当处置后，作为水泥原料，是相当理想的一种利用方案，无论是市场前景还是技术、经济性都较为乐观。
宋玉等利用上海御桥垃圾焚烧厂的焚烧飞灰为主要原料，通过添加SiO2 , Al203 , NaOH组分，在实验室研制成功了以硅灰石为主晶相的微晶玻璃，该体系微晶玻璃制备的最佳工艺条件为:熔融温度1 500 ℃，熔融时间1h，核化温度1.5h，晶化温度为1 150-1 1800℃，晶化时间为2d。研究结果表明，硅灰石为主晶相的微晶玻璃对Pb、 Cr和Cd重金属具有很强的稳定束缚能力。
Ange Nzihou的研究结果表明:经过化学稳定和热处理后的飞灰浸出毒性和其它物理化学性质均满足建筑材料的使用要求，可用于堤坝、路基等的填充材料及混凝土与沥青的骨料。此外Eighmy Tlml等也对类似的方法进行了多次试验研究，取得了令人满意的效果。
4 结语
越来越多的城市已建或正在建设生活垃圾焚烧厂，飞灰的处理已成为急需解决的问题。传统的水泥固化技术虽然效果很好，但增容量很多，且存在长期稳定性问题。熔融固化技术减容率高，但耗能高，成本大。化学药剂稳定化技术处理飞灰，不仅增容小，而且设备简单，但其长期的环境效应尚需长期监测和晶玻璃、水泥等提供原料，目前国内的研究还非常有限。
无害化和资源化的共同实现，是飞灰处置的发展趋势。采用组合工艺处理垃圾焚烧飞灰是对其无害化处理和资源化利用的一种很好的途径，在国外已经得到比较广泛的应用，我国在这方面的研究刚刚起步，我们应在利用国外先进成果的基础上，结合我国的国情和城市生活垃圾的特点，进行飞灰处理处置的研究，探索对不同的垃圾焚烧飞灰，以及针对不同的处理要求，选用合适的组合工艺处理。
参考文献（略）
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
