垃圾焚烧发电厂飞灰稳定化处理技术研究进展与展望
随着我国社会经济的发展，城市化进程的不断加快以及人们物质生活的提高，城市生活垃圾(MSW)的数量以年10%左右的速度递增。预计到2010年，生活垃圾年产量将达到2.9亿t。目前我国的垃圾处理采用以填埋为主，堆肥、焚烧为辅的措施，这将占用大量的土地资源。随着垃圾处理技术的发展，具有处理速度快、占地面积小、减量化和无害化效率高，并可回收能源等优点的焚烧发电处理技术，在一些经济水平较高、垃圾热值高、土地资源有限的城市，将逐渐得到应用。然而，垃圾焚烧发电厂的飞灰对环境将产生影响，本文主要介绍国内外对此类飞灰进行处理、处置的方法及其稳定化处理技术。
1 垃圾焚烧飞灰对环境的影响
垃圾焚烧飞灰是生活垃圾焚烧后在热回收利用系统、烟气净化系统收集的物质。飞灰的产量与垃圾种类、焚烧条件、焚烧炉型及烟气处理工艺有关，一般约占被焚烧垃圾量的 3 %～5 %左右。分析表明:垃圾焚烧飞灰并不是化学惰性物质，其中有含量较高的能被水浸出的 Cd、Pb、Zn、Cr 等多种有害重金属物质和盐类。若处理不当，将会造成重金属迁移，污染地下水、土壤及空气。同时，飞灰中的二恶英也是潜在的重要环境污染物。由于垃圾焚烧飞灰中的重金属和二恶英等难于自然降解，因此其对环境的影响十分严重。如何安全有效地处置垃圾焚烧飞灰即成为急需解决的环境和社会问题。
Xiahong Feng 等在美国新罕布什尔( New Hampshire) 州Claremont 焚烧炉周边的2～15 km 区域内，采集了位于下风向呈半圆形放射状分布的8 个点的雨和雪样品进行了研究，结果表明，该焚烧炉使周边研究区域内大气中的重金属污染增加 20%左右。台湾北投垃圾焚烧处理厂和深圳市政环卫综合处理厂垃圾焚烧飞灰浸出实验检测结果表明:浸出液中Zn、Pb、Cd、Cr、Cu 的浓度均高于固体废物浸出毒性鉴别标准，因此垃圾焚烧飞灰被普遍认为是一种危险废物，必须对其进行有效的处理，以解决由此带来的环境污染问题。
2 飞灰处理国内外研究进展
国内外对飞灰中重金属特性的研究结果表明:具有高沸点的重金属在燃烧过程中易均匀凝结，从而形成飞灰的核心，而高温下易挥发的重金属会随着温度下降凝结在飞灰的表面，飞灰中重金属随飞灰的粒径减少而增加。飞灰中重金属浸出毒性与飞灰的粒径、表面积、pH 值有关，主要依赖飞灰中重金属存在的形态 。 Ca (OH) 2 对 Cd、Zn、Cr 的溶出有较强的抑制作用，但对 Pb 有促溶作用。Chirs 和 Chan 研究认为 1000 ℃高温中加入 CaCl2 熔融飞灰 3h 以上，可以降低飞灰中的重金属含量，使其转化为可挥发的重金属化合物，从而降低了飞灰中重金属含量，并使飞灰中重金属的溶出率降低；然而Al 和Cr加热处理后，Al的浸出反而增加，主要因为加热处理飞灰后，Al的形态由Al－硅酸盐态转变为可溶性的Al－Fe 氧化物，Cr 的情况也是如此。但Wang的研究表明，如果在缺乏O2的N2环境中熔融处理飞灰，Cr 的溶出性将大大降低。张若冰对垃圾焚烧中飞灰的分布进行了研究，指出重金属主要分布在飞灰的小颗粒中。由于汞分压力较低易挥发，因此飞灰中汞的含量较高。金宜英等研究了在垃圾焚烧中使用活性炭粉末除尘时，焚烧排放尾气中的二恶英类浓度比未加活性炭时降低了 54 % ，这说明大量的二恶英类转移到了飞灰中。因此，随着国家大气排放标准的严格实施，垃圾焚烧产生的二恶英类将主要进入飞灰，从而使飞灰的污染控制显得更加重要。
基于上述研究结果，结合垃圾成分的变化，目前国内外对垃圾焚烧飞灰通常采用的处理方法有: (1) 经过适当处置按危险废物填埋，但处理成本高; (2) 固化与稳定化。主要有水泥固化、沥青固化、熔融固化、化学药剂固化稳定化等。经过固化的飞灰，如满足浸出毒性标准，可以按普通废物填埋处理。其主要作用是使飞灰中的重金属及其它污染组分呈现化学惰性或被包容起来，以便运输和处置，并可降低污染物的毒性和减少其向生态圈的迁移率；(3) 将重金属与飞灰分离，分别进行资源化处理，如酸提取、碱提取、生物提取等。本文主要对固化与稳定化进行分析。
2. 1 固化与稳定化法
固化与稳定化技术是国际上处理有毒有害废物的主要方法之一，而水泥基材料是近 20 年来欧美等发达国家应用最广也是最重要的胶结料，美国环保局将此技术称为处理有毒有害废物的最佳技术。 2. 1. 1 水泥固化法
固化处理是利用固化剂与垃圾焚烧飞灰混合后形成固化体，从而减少重金属的溶出。水泥是最常用的危险废物固化剂，因此工程中常采用水泥对焚烧飞灰进行固化处理。飞灰被掺入水泥的基质中后，在一定条件下，经过一系列的物理、化学作用，使污染物在废物水泥基质体系中的迁移率减小(如形成溶解性比金属离子小得多的金属氧化物) 。有时，还添加一些辅料以增进反应过程，最终使粒状的物料变成粘合的混凝土块，从而使大量的废物因固化而稳定化。MangialardiT等以波特兰水泥作为骨料，对垃圾焚烧飞灰进行稳定化处理的研究结果表明，无论是否采用水洗、粉碎等飞灰前处理工艺，处理后的砌块均难以达到较高的强度。Macakova 等在Slovakia 采用以镁冶炼工艺的残渣生产的水泥进行飞灰稳定化实验，结果经美国环保署检验程序检测证明，采用这种方式对飞灰进行稳定化处理，砌块的机械强度不高，但飞灰中重金属的浸出毒性检测指标符合美国环保署的标准。Iretskaya 等在研究飞灰中的重金属浸出时发现，由于飞灰中氯离子的影响，经固化后的砌块中铁、铜、锌等离子容易浸出而导致污染物超标。
因此，尽管水泥固化处理飞灰具有工艺成熟、操作简单、处理成本低等优点，但由于垃圾焚烧飞灰中含有较高的氯离子，采用水泥固化法处理必须进行前处理，以减少氯离子对固化后砌块的机械性能以及后期重金属离子浸出的影响等问题，这样就会大大提高对飞灰处置场建设和运行的标准，增加了成本，即限制了该法的长期应用。
也有研究者对其它矿物等固化材料进行了研究。袁玲等在研究垃圾焚烧飞灰与矿物掺合料的复合中发现，在宏观上表现出复合胶凝效应，不仅能提高固化体的力学性能，而且对重金属的固化也十分有利。李卓然等利用粘土矿物研究了其对飞灰中 Pb 的影响。认为利用沸石等非金属矿物可以固定飞灰中的重金属 Pb2 + 。但所有矿物固定重金属比较单一，不能对所有重金属元素固定，总体效果不好。
2. 1. 2 药剂稳定化法
药剂稳定化技术以处理重金属废物为主，到目前为止，已发展了许多重金属稳定化技术，如 pH 值控制技术，氧化/ 还原电势控制技术，沉淀技术，吸附技术，离子交换技术等。这类技术目前在垃圾焚烧飞灰稳定化处理方面应用较少，但是一个发展方向。尤其是药剂稳定化与其它稳定化方法相比具有工艺简单、稳定效果好、费用低廉等优点。目前发展较快的螯合型有机重金属稳定化药剂，对包括垃圾焚烧飞灰在内的多种重金属污染物的稳定化处理效果已经得到试验证明。蒋建国等对利用重金属螯合剂处理垃圾焚烧飞灰的工艺及处理效果进行了实验研究，并与Na2S和石灰处理等效果进行了比较，结果表明，螯合剂投加量 0.6 %时，捕集飞灰中重金属的效率高达 97 %以上，为达到相同稳定化效果，螯合剂的使用量要比无机稳定化药剂少得多。同时，14 个月的微生物影响实验表明，重金属螯合剂稳定化产物在填埋场环境下，其稳定性不受微生物活动的影响。张瑞娜等研究认为，一般采用的稳定化药剂有:石膏、磷酸盐、漂白粉、硫化物(硫代硫酸钠、硫化钠) 、高分子有机稳定剂、铁酸盐、粘土矿物等，磷酸盐处理飞灰后重金属Pb 在pH 值4～13 范围内浸出很小。
2. 1. 3 熔融固化技术
(1) 烧结法 烧结法是将待处理的危险废物与细小的玻璃质，如玻璃屑、玻璃粉混合，经混合造粒成型后，在 1000℃～1100 ℃高温熔融下形成玻璃固化体，借助玻璃体的致密结晶结构，确保固化体的永久稳定。但是 KuenSheng Wang 等人研究表明，在烧结过程中 Cr 会以三价的形式在烧结残渣中富集，而且，随着烧结温度的升高和时间的延长，三价铬的富集将会越来越严重，这样会对烧结法处理飞灰带来一定的影响。为解决这个问题， KuenSheng Wang 等人采用水洗的方法对垃圾焚烧飞灰进行前处理，在水洗过程中有超过65%的Cl和超过50%的主要元素如Na，K，和Ca以及超过30%的Cr会进入液相，这样，会增加污水的处理成本。Iret skaya 等人在研究重金属的浸出机理中得出结论:应充分结合化学稳定和熔融处理工艺，以降低垃圾焚烧飞灰对环境的危害。
(2) 熔融法 熔融法是在燃料炉内利用燃料或电将垃圾焚烧飞灰加热到 1 400℃左右的高温，使飞灰熔融后经过一定的程序冷却变成熔渣，熔渣可作为建筑材料，实现飞灰减容化、无害化、资源化目的。熔融固化需要将大量物料加温到熔点以上，无论采用电或是其它燃料，需要的能源和费用都相当高。相对于其它处理技术，熔融固化的最大优点是可以得到高质量的建筑材料。以前熔融后残渣是一种玻璃态物质，强度很低，这就限制了它的有效利用。为解决这个问题，日本开发了一种高效熔融飞灰的工艺，使熔融后的残渣能够与石头一样达到较高的强度。Katsunori Nishida等人在Chiba Prefecture 和Kamagaya City 进行实验，采用高于 1450℃的高温熔融工艺处理垃圾焚烧飞灰，结果表明:1) 超过 99. 9 %的二恶英在高温熔融过程中被分解;2) 熔融后的玻璃态物质经检测，重金属完全符合日本的标准;3) 熔融物质的机械强度达到日本对同类材料的要求。高温处理法具有减容率高、熔渣性质稳定、无重金属等溶出的优点，已受到广泛的关注，国外已研究出多种垃圾焚烧飞灰处理的高温熔融炉，并已在日本和欧洲有少量使用。但采用高温熔融工艺需要消耗大量的能源，同时由于其中的 Pb、Cd、Zn 等易挥发重金属元素需进行后续严格的烟气处理，故处理成本很高，只能在经济发达国家应用。
2. 2 湿式化学处理法
垃圾焚烧飞灰湿式化学处理法有加酸萃取和烟气中和碳酸化法等，该工艺运行成本较低，可回收重金属和盐类，但产生的废水、废气和污泥需要进行必要的处理。目前应用很少。
2. 3 安全填埋法
安全填埋法是指将垃圾焚烧飞灰在现场进行简单的处理后，送入安全填埋场填埋处理的方法，这是目前垃圾焚烧飞灰处理最安全可靠的手段之一。但安全填埋场的建设和运行费用居高不下，垃圾焚烧处理厂难以承受，同时也不能达到减容化和资源化的目的，因此今后会逐渐减少这种方法的应用。
3 垃圾焚烧飞灰处理展望
随着经济的发展和人们环境意识的提高，对于未来垃圾焚烧飞灰的处理应该是随污染物排放标准的提高，无害化程度要进一步提高，同时应尽可能减少处理和控制二次污染物的运行费用。国外有生态型焚烧技术的研究，也有提高焚烧温度和采用气化熔融技术，将焚烧和熔融融为一体，使垃圾中的重金属尽可能从烟气道排出，从而达到灰渣(底灰和飞灰) 无害化的研究。结合我国实际，垃圾焚烧飞灰处理的发展方向应该包括以下两方面: (1) 开发先进的焚烧炉，加强对入炉垃圾的控制; (2) 开发稳定效果好、处理成本低的化学稳定剂以减少垃圾焚烧飞灰中重金属的迁移。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
