陳昕 胡友彪 查甫更 徐國春 楊琳 汪飛

摘 要：該文圍繞城市生活垃圾焚燒飛灰的處置，重點(diǎn)總結(jié)了國內(nèi)外生活垃圾焚燒飛灰的無害化處置技術(shù)，包括熱處理法、分離法以及固化/穩(wěn)定法等，分析了各種處理處置方法的優(yōu)缺點(diǎn)與存在的問題，并對城市垃圾焚燒、飛灰無害化處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：城市生活垃圾;飛灰;重金屬;穩(wěn)定化

中圖分類號 X705? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2021）19-0146-04

2019年，我國生活垃圾的清運(yùn)量高達(dá)24206.2萬t[1]。城市生活垃圾的主要處置方法有填埋、堆肥、焚燒等，我國垃圾處置以填埋、焚燒法為主，其他方法為輔[2，3]。填埋法作為一種經(jīng)濟(jì)簡便的處理方法多年來在我國得到了廣泛應(yīng)用，然而，填埋需要占用大量土地資源[3]，垃圾填埋場地變得日益緊張稀缺;并且在填埋過程中，雨水滲透和垃圾降解反應(yīng)，產(chǎn)生大量的垃圾滲濾液，污染附近的土壤和地下水系統(tǒng)。

目前，焚燒法在城市生活垃圾處置中占比逐年上升，2019年中國垃圾焚燒廠為389家，處理量為12174.2萬t，占垃圾無害化處理量的50.7%。經(jīng)焚燒處理后的生活垃圾質(zhì)量和體積分別減少70%、90%，能有效改善填埋法的不足之處;且焚燒能銷毀固廢中有機(jī)物質(zhì)，降低病原體和微生物引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)[4]，焚燒產(chǎn)生的熱量可供暖發(fā)電，達(dá)到廢物資源化利用的同時(shí)。因此，焚燒逐漸成為固體廢物處置的主要方法，然而，城市生活垃圾焚燒后產(chǎn)生的固體殘留物飛灰（約占焚燒固體廢物的2%～5%），由于富集高濃度重金屬、二噁英、可溶性鹽類等有毒污染物，被列入《國家危險(xiǎn)廢物名錄》，在填埋之前需要進(jìn)行無害化處置。本文綜述了近年來文獻(xiàn)報(bào)道中應(yīng)用較多的飛灰無害化處置技術(shù)，包括熱處理、分離以及固化/穩(wěn)定化[5]，并對其各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的整理和歸納。

1 熱處置技術(shù)

該技術(shù)是將飛灰與助熔劑混合，在700～1600℃高溫作用下加熱，灰渣表面的有害物質(zhì)得到二次揮發(fā)，二噁英、呋喃被分解[6]，飛灰中殘留的重金屬元素固化成晶體結(jié)構(gòu)，不易被浸出，常用于飛灰的解毒和減容。根據(jù)飛灰加熱溫度和添加輔料的不同，熱處理技術(shù)主要分為，燒結(jié)（900～1100℃）、熔融/玻璃化（>1100℃）2種。

1.1 燒結(jié)處置法 燒結(jié)法是將飛灰與其他助劑混合造粒，在低于混合物熔點(diǎn)的溫度下，粉末顆粒發(fā)生擴(kuò)散、聚集和碰撞，將大部分甚至全部氣孔從晶體中排出，使顆粒間相互黏結(jié)，形成致密堅(jiān)固的燒結(jié)體。燒結(jié)體會將重金屬固定于新形成的晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，限制其遷移，極大降低了重金屬浸出毒性，燒結(jié)產(chǎn)物具有較高的抗壓強(qiáng)度和密度，常用于陶瓷和建筑輕骨料的生產(chǎn)[7，8]。T. Mangialardi[9]對意大利4種不同垃圾焚燒廠的飛灰進(jìn)行了燒結(jié)測試，結(jié)果表明，成型壓力28N/mm2、溫度1140℃和燒結(jié)時(shí)間60min是制造水洗飛灰燒結(jié)體的最佳條件，燒結(jié)后飛灰浸出液中重金屬濃度遠(yuǎn)低于固體廢物處置法規(guī)定限值，燒結(jié)產(chǎn)品可以滿足混凝土重骨料需求，但高氯含量的飛灰會降低混凝土骨料的抗壓強(qiáng)度和腐蝕鋼筋，在使用前需要進(jìn)行降氯預(yù)處理。燒結(jié)處置技術(shù)升溫速度快、溫度高，有利于二噁英的降解。但由于飛灰中殘留氯和重金屬含量較高，在生產(chǎn)前需要進(jìn)行預(yù)處理，降低其在建筑中的浸出風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 熔融/玻璃化處置法 熔融和燒結(jié)過程相似，二者的區(qū)別在于熔融溫度更高，飛灰的高融化溫度使該技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中具有局限性。但經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn)，添加助熔劑可以降低熔化溫度，將飛灰或飛灰混合物轉(zhuǎn)化為剛性非晶玻璃基體，有害元素被封裝在玻璃結(jié)構(gòu)中，不易受到浸出或化學(xué)侵蝕[10，11]，同時(shí)也可以利用玻璃體良好的固化性能和機(jī)械特性來替代建筑材料，如道路建設(shè)的底基層、磚和石板等，實(shí)現(xiàn)飛灰的再循環(huán)利用。

目前，熔融爐主要有電弧爐、電阻爐、等離子體爐等。Ma等[12]使用直流電弧等離子體爐，在1250～1400℃條件下對飛灰進(jìn)行熔融處置，結(jié)果表明，經(jīng)等離子體爐處理的飛灰體積減小68.7%～82.2%，重量損失23.8%～56.7%，飛灰成功熔融比例為氧化鈣20%～48%，氧化鋁10%～15%，二氧化硅40%～65%，水洗預(yù)處理降低了重金屬揮發(fā)速率，熔渣中重金屬浸出量遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)。

近年來，大量研究集中在降低飛灰熔融溫度的添加輔料的種類、比例、含量等方面。Gao等[13]使用B2O3為助熔劑，通過控制添加比例，對城市生活垃圾焚燒飛灰進(jìn)行熔融實(shí)驗(yàn)以降低熔化溫度并保持玻璃碴的化學(xué)耐久性。當(dāng)B2O3添加量從0增加到15%時(shí)，在高溫的作用下，B2O3影響了飛灰中耐火礦物的熔融特性，飛灰的熔融溫度從1211℃下降到986℃。液態(tài)爐渣的產(chǎn)生導(dǎo)致顆粒表面積減少和重金屬傳質(zhì)阻力增加，此外，隨著爐渣粘度降低，飛灰顆粒更易附聚，提高了重金屬的化學(xué)穩(wěn)定性。

熔融處置技術(shù)具有高減容率，能夠降解飛灰中二噁英和呋喃，產(chǎn)生的玻璃態(tài)抗浸出渣將非揮發(fā)性重金屬封裝在玻璃基質(zhì)中，有效避免其對環(huán)境的污染。然而，揮發(fā)性成分、酸性氣體、重金屬和其他化合物會隨著煙氣排放，釋放到環(huán)境中，因此熔融后要進(jìn)行尾氣的凈化處置。且熱處理過程能耗大，二次飛灰中的重金屬富集，處置設(shè)備價(jià)格昂貴，飛灰的高氯含量會腐蝕設(shè)備，縮短設(shè)備使用壽命，故該方法運(yùn)行成本較高，僅在部分發(fā)達(dá)國家普及應(yīng)用[14]。

2 分離技術(shù)

2.1 水洗（分離）法 飛灰中的氯化物（如氯化鈉、氯化鉀和氯化鈣等）易溶于水，通過簡單水洗操作可以有效地從飛灰殘?jiān)腥コ齕15，16]。Chiang等[17]將水洗作為飛灰預(yù)處理工藝，結(jié)果表明，飛灰中大部分有害氯化物、硫酸鹽和重金屬得到去除，氯離子含量顯著降低。在熔融溫度為1450℃，液固比為10時(shí)生成的熔渣中銅和鉛的玻璃化率相對較高，水洗加強(qiáng)了重金屬玻璃化程度，此外，水洗后飛灰中鈉、鉀、鈣、鎂的玻璃化率也高于未經(jīng)處理的飛灰。

飛灰性質(zhì)、液固比和提取時(shí)間是影響水洗的關(guān)鍵因素，Yang等[18]研究發(fā)現(xiàn)，活性炭殘?jiān)吹淖罴巡僮鳁l件為液固比為3mL∶1g，萃取時(shí)間為5min，水洗后超過70%的氯化物和近25%的硫酸鹽得到去除。此外，水洗過程進(jìn)行二氧化碳曝氣，可以有效提高氯鹽的分離效果并降低水洗液中重金屬濃度。