垃圾焚烧飞灰水泥工业化前景探讨
摘要:简单述垃圾焚烧飞灰的污染特性及当前处理处置现状，并介绍近年来垃圾焚烧飞灰的研究动向，着重探讨垃圾焚烧飞灰水泥工业化前景、理论依据和国内外垃圾焚烧飞灰水泥工业化研究现状，最后提出水泥处理处置过程中存在的问题及建议。
关键词:垃圾焚烧飞灰 危险废物 水泥工业化
经济的快速发展、城市化进程的加快使生活垃圾的产生量越来越大。据报道[1]，中国约有2/3的城市陷入垃圾围城的困境，目前，我国仅“城市生活垃圾(MSW)”的年产量就近1.5亿t。且以年10%的速度增长，预计到2010年，生活垃圾产量将达到2.9亿t[2]。垃圾焚烧技术以其处理速度快、无害化、减量化效果显著且可回收热能等优点得到了迅速的发展，在中国土地紧张、垃圾处理压力大的城市，如上海、北京、深圳、广州等地率先得到了应用[1]。2002年，垃圾焚烧年处理能力仅为275万t，由全国43个垃圾焚烧厂承担。截止到2005年底，全国已建和在建的垃圾焚烧处理厂已经达到67个。“十一五”期间又将建成87座垃圾焚烧厂。预计到2010年，产生的垃圾焚烧飞灰将达52万t/a。按目前的危险废物处置技术和管理水平，垃圾焚烧飞灰最终出路是填埋，既浪费资源，又增加填埋场的压力，且填埋场的使用寿命不长，而垃圾焚烧飞灰的重金属污染可长达百年。因此，寻找垃圾焚烧飞灰的资源化途径才是适合我国国情的出路。
1 垃圾焚烧飞灰的污染特性
飞灰是指在烟气净化系统(APC)和热回收利用系统(如节热器、锅炉等)中收集而得的残余物，约占灰渣总量的20%左右，约占焚烧垃圾总量的3％~5％。生活垃圾焚烧飞灰不但富集了Pb、Cd、Hg等低沸点重金属，而且也是二噁英类物质主要富集体，目前被认为是危害性较大的危险废物。垃圾焚烧飞灰对环境及生态系统的危害主要体现在以下3个方面：（1）盐污染：飞灰中含有大量的可溶性氯盐，据资料显示，飞灰中Cl-可高达112 000 mg/kg[2]，这可能污染地下水及促使重金属溶出；（2）重金属污染：飞灰中含有大量高浸出性的重金属，主要有Pb2+、Zn2+、Cu2+和少量的Cr（Ⅵ）、Cd3+、Mn2+、Ni+等；（3）有机毒物污染：飞灰中还含有少量的二噁英(PCDDs)和呋喃(PCDFs)。因此，垃圾焚烧飞灰在贮存、运输、处理处置各个环节都存在一定的环境风险，其危害不容忽视，其处理处置已经成为各方关注的焦点。
2 垃圾焚烧飞灰的处理处置现状
我国的《危险废物污染防治技术政策》对飞灰处理处置提出了严格的要求：生活垃圾焚烧产生的飞灰必须单独收集，不得与生活垃圾、焚烧残渣等其他废物混合；不得与其他危险废物混合；不得在产生地长期贮存；不得进行简易处置及排放。生活垃圾焚烧飞灰在产生地必须进行必要的固化和稳定化处理之后方可运输[3]。因此，其处置必须按照危险废物的标准进行处置。
目前，飞灰处置的常用方法有稳定化和资源化两种。飞灰的稳定化包括水泥固化、石灰固化、玻璃熔融固化[4]、化学药剂固化稳定化后进入危险废物填埋场进行最终处置[5]或固化后进行资源再利用[6]。何艳峰等[7]对垃圾焚烧飞灰熔融前后对人体健康风险评价进行了计算，发现其对儿童和成年健康的非致癌风险值在熔融前后相差500多倍。熔融前的风险远高于人体可接受水平。蒋建国等[8]研究发现当磷酸盐加料为3%时，重金属Pb、Cd、Zn的浸出浓度降低了97.5%、91.6%和95.5%。张大捷等[9]研究发现1.5%的磷酸钠-25%掺量的粉煤灰胶结材固化飞灰后，养护7 d后固化体就满足填埋标准。
飞灰的资源化目前还不是很普遍，进行资源化利用时，除满足浸出毒性标准外，还要满足资源化应用的其他物理化学性质要求，如：硬度、强度、抗压、抗拉、物理完整性、长期化学浸出行为等。飞灰的资源化研究较多的是重金属的提取，包括如下：（1）酸、碱提取：张瑞娜[10]等曾用H2SO4、HCl、HAc、NaOH等对飞灰中的重金属进行提取，发现3种酸对飞灰中金属的提取效率都很高。其中HCl对Zn的提取率约80%，H2SO4对Fe的提取率约为66%，HAc对Pb的提取率达到了96%；（2）生物及生物制剂提取：VERHULST等[11]利用生物制剂甾体皂苷（sopnin）进行了飞灰浸提实验，约有20%~45%的Cr、50%~60%Cu、60%~100%Pb和50%~60%Zn会被提取出来。杨洁等[12]做了黑曲霉素和飞灰溶液的淋滤试验研究，发现在飞灰质量浓度为20 g/L时，淋滤结束后pH最低为（3.85），重金属溶出效果最佳，Cd的溶出率为93.06%，Mn、Pb和Zn的约为70%，Fe、Cr和Cu的分别为22%、33%和47%，经淋滤后的飞灰重金属浸出浓度远低于国家标准；（3）高温提取：中国环境科学研究院王琪等研究了飞灰中重金属的热分离工艺，认为飞灰中重金属的热分离过程主要是以氯化物形式挥发的，得出最佳挥发温度和时间为1 000 ℃和120 min，并测得此时重金属Pb、Cd、Cu、Zn的挥发率分别为99.7%、89.7%、77.9%、53.2%[13]。
此外，也出现了垃圾焚烧飞灰的其他研究应用，张海英等[14]利用飞灰、米黄泥、长石和耐火砂按照20%、60%、10%和10%的质量比来烧制饰面砖，产品重金属进出毒性、安全性均满足要求。宋玉等[15]做了以TiO2为晶核剂、垃圾焚烧飞灰为主要原料、硅镁铝质添加剂，研制微晶玻璃的研究，成功研制出了以透辉石(CaMgSi2O6)为主晶核的微晶玻璃。为飞灰资源化提供又一条出路。高亮等[16]做了垃圾焚烧飞灰制备陶粒的试验研究，并在天津泰达环保公司投入运行，既控制了污染又创造了经济效益。
3 垃圾焚烧飞灰水泥工业化前景
3.1 垃圾焚烧飞灰水泥工业化市场前景
水泥工业为世界城市和基础设施的发展和现代化做出了巨大贡献，同时也消耗了大量的自然资源和能源。目前，全球水泥消耗量正在增加，特别是发展中国家和转型期的国家。由于发展中国家和转型期国家的巨大需求，全世界水泥产量从2001年的16.9亿ｔ开始，以年均3.6%的速度稳步增长，2003年全世界水泥产量为19.4亿ｔ。欧洲的消耗量占14.4%；美国占4.7%；美洲其他国家占6.6%；亚洲占67.5%(中国占41.9%)；非洲占4.1%；世界其他国家占2.7%。可见，垃圾焚烧飞灰水泥工业化市场前景很大。
3.2 垃圾焚烧飞灰用于水泥工业的理论依据
水泥窑处置技术在发达国家已经有20多年的应用历史，积累了丰富的经验。随着水泥窑焚烧废物的理论与实践的发展，该项技术在经济和环保两方面显示了巨大的优势并形成产业规模，在发达国家危险废物处置中发挥着重要作用。水泥工业处置利用废物已经成为当前国际水泥行业发展的新潮。而且，垃圾焚烧飞灰在化学组成上属于SiO2-Al2O3-CaO-Fe2O3体系，与水泥生产原料成分较为接近[17]。与目前常用的高炉矿渣、粉煤灰等辅助性胶凝材料非常接近。而且飞灰颗粒微细，比表面积大，易与其他成分反应形成新的物相[18]。
3.3 国外垃圾焚烧飞灰水泥工业化的研究现状
利用垃圾焚烧飞灰生产水泥，在国外研究较早。日本太平洋水泥公司在2001年就利用垃圾焚烧飞灰和碳酸钙为原材料，建成了世界上第一座“生态水泥厂”[19]。它是通过金属回收系统分离和回收飞灰中铜、铅、锌等金属，再经过回转窑里1 350 ℃的高温烧结，其中的二噁英等有害物质被分解，生产线达11万ｔ，但对飞灰中多达5%~10%的氯未作任何处理，虽然这种水泥有加快凝固的优点，但氯在建筑场景中的迁移带来的环境风险尚待进一步研究，日本在2002年7月还制订了“生态水泥”的日本工业标准。HIRAOKA等[20]利用飞灰代替石灰用于生产水泥，称为硫代硫酸盐水泥，这种水泥具有较高的强度和和快速硬化等特点。HAMERNIK等[21]研究飞灰代替水泥用于混凝土的抗压强度，结果发现加入15％的飞灰要高于没有加入飞灰的混凝土。葡萄牙人RYUNOSUKE[22]利用矿石Ca12Al14O32Cl2和Ca21Mg[(Si0.75Al0.25)O4]8O4Cl2对飞灰中的氯进行固定，进行50 t/d的中试试验，得出的水泥硬度、水硬性等方面均能满足要求，但对飞灰中的重金属成分没有分析。因此，水泥产品的环境风险有待进一步研究。
3.4 国内垃圾焚烧飞灰水泥工业化研究现状
垃圾焚烧飞灰的安全处理处置是我国近年才出现的一个新的环境问题，国内所开展的相关研究大都停留在对垃圾焚烧飞灰做简单的稳定化处理，重金属浸出毒性满足危险废物填埋要求后运往危险废物填埋场进行最终处置。这不仅增加了有限的填埋场压力，同时也是资源的巨大浪费。垃圾焚烧飞灰中含有5%~10%的氯，但普通水泥规定氯不能超过200 mg/kg。水泥中如果氯含量过高，一方面会降低水泥的质量，因为在实际应用中，氯在混凝土中迁移，过多的氯跟水泥成分中的氢氧化物发生反应生成氯化钙和氢氧化镁，这两种物质吸水引起混凝土中孔隙增大，降低其强度。此外，钢筋表面会被来自于孔隙的氧气腐蚀而生锈；另一方面，还会降低水泥窑的运行性能，因为氯化物在水泥窑的高温段很容易挥发，沉积在排气管道和鼓风机的扇页上，腐蚀设备，堵塞管道甚至造成停产；再一方面，水泥中含有较高浓度的氯，容易在水泥窑的低温段形成二噁英类有毒物质。垃圾焚烧飞灰中还含有大量的重金属，其中Pb2+、Zn2+、Cu2+是主要的，此外还有少量的Cr6+、Cd3+、Mn2+、Ni+等。张俊丽等[23]对0.65%的工业污泥生态水泥的金属离子在给水系统中的溶出行为做了环境风险评价，得出其费致癌风险水平远低于人体可接受水平，认为铜、铅是风险管理重点。
4 存在的问题及建议
（1）各国垃圾焚烧飞灰存在很大差异，即使同一个垃圾焚烧厂，季节不同，成分亦有很大不同。国外的相关研究并没有讨论飞灰时间和空间的差异性，因此针对水泥生产的适宜性、可用性和环境安全性，借鉴国外成功经验，研究全国各地垃圾焚烧飞灰的组成及特性，如有可能，建立地方乃至全国的垃圾焚烧飞灰数据库，以便水泥生产企业根据水泥产品元素总量控制值控制飞灰在水泥生料中的比例。
（2）利用垃圾焚烧飞灰生产水泥的处置过程会对周围生态环境产生何种影响，水泥熟料中的氯盐和重金属离子会对水泥产品性能产生何种负面影响，以及水泥产品在使用场景中会对周围生态产生何种影响，国外相关研究都只单一研究氯盐或者重金属，这可能跟其所在国家的垃圾焚烧飞灰的组成有关，而在我国，飞灰中氯盐和重金属含量都非常高。目前应开展这方面的环境暴露风险研究，建立环境暴露风险评价方法，并出台与之配套的污染控制标准、管理规范和处理处置技术。
（3）垃圾焚烧飞灰从垃圾焚烧厂到生产出水泥全过程中的运输、贮存、投料、煅烧的安全防范措施技术要求高且容易产生二次污染。如粉尘、有害气体和二噁英的再生成。虽然我国新修的大型水泥厂环保水平较高，但70%以上的水泥量是由小型水泥企业生产的，这些小型企业以盈利为最大目的，而垃圾焚烧飞灰水泥窑处置技术环保要求高。因此，在无完整的处理处置技术的条件下，应由大型环保水平高的水泥企业承担处置任务，严禁垃圾焚烧飞灰流向这类小型企业。
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