許飛，周文武，?？煽?，楊濤，倪海鳳，方程，朱賽紅，旦增

（西藏大學(xué)，西藏拉薩 850000）

隨著經(jīng)濟(jì)水平的迅速發(fā)展和居民物質(zhì)消費(fèi)水平的提高，我國(guó)生活垃圾產(chǎn)量快速增加。截至2019年底，全國(guó)生活垃圾清運(yùn)量24 206 萬(wàn)t，生活垃圾無(wú)害化處理24 012.8 萬(wàn)t，其中焚燒處理12 174.2 萬(wàn)t，焚燒處理率占比約50.7%，可見我國(guó)生活垃圾處理主要以焚燒為主。焚燒是指生活垃圾在高溫條件中變?yōu)樗魵?、氣態(tài)物質(zhì)和固態(tài)物質(zhì)等相對(duì)穩(wěn)定的惰性物質(zhì)的過(guò)程，具有顯著的無(wú)害化、資源化和減量化的優(yōu)點(diǎn)[1]。垃圾焚燒中灰渣（包括底渣（80%）、飛灰（20%））約為原垃圾的30%[2]。并且焚燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生二次污染，如SO2、NOx、CO、CO2、二惡英、金屬污染物等[3]。

汞、鎘、鉛、鉻等生物毒性顯著和鋅、銅、鈷、鎳、錫等具有一定毒性的重金屬在環(huán)境污染中是最主要的，其中砷的理化特性和環(huán)境危害與重金屬相同也被列入重金屬范圍[4]。生活垃圾焚燒過(guò)程中去除了明顯易生成的重金屬的污染源，但焚燒仍有大量重金屬存在，且危害也不能被微生物分解和可能在生物體內(nèi)富集[5-6]。而重金屬主要通過(guò)滲濾液、灰渣、煙氣等不同排放渠道危害環(huán)境和人類健康[7]。研究表明，垃圾焚燒過(guò)程中重金屬在各個(gè)排放渠道（滲濾液、底渣、飛灰和煙氣）中的分配比例與單質(zhì)和化合物的沸點(diǎn)、飛灰成分、焚燒工況、垃圾組成（硫化物、氯化物、垃圾水分、礦物質(zhì)元素等）、燃燒氣氛、添加劑等因素有關(guān)[2，8-9]。

1 來(lái)源及危害

重油燃燒、肥料、冶煉、化合物制造、農(nóng)藥、礦山開采、煤和熱力發(fā)電等方式是重金屬污染的來(lái)源[5]。其中煤和垃圾焚燒是最為主要的，又以垃圾焚燒為主[5]。經(jīng)過(guò)地質(zhì)作用和生物作用，重金屬在環(huán)境中通過(guò)大氣、飲水、食物等不同渠道被人體吸收，從而致癌、致畸等負(fù)面效應(yīng)[10]。而焚燒排放中的亞微米級(jí)顆粒重金屬帶來(lái)的危害最大[9]。單質(zhì)（汞）、化合態(tài)（鎘和鉛）具有極強(qiáng)的毒性，可以通過(guò)食物及環(huán)境等方式進(jìn)入體內(nèi)，重金屬（Cd、Cr、Cu、Ni、As、Pb、Zn）在水中具有較高的溶解度，易被生物體吸收產(chǎn)生危害[5，11]。表1為垃圾中重金屬的來(lái)源。

表1 重金屬的來(lái)源及危害

2 重金屬遷移分布規(guī)律

城市生活垃圾中有可燃和不可燃兩個(gè)部分，焚燒過(guò)程中金屬元素發(fā)生氣化—成核/凝結(jié)—凝聚等復(fù)雜反應(yīng)，主要以蒸發(fā)和冷凝過(guò)程為主[16-17]。圖1為生活垃圾焚燒過(guò)程中金屬的遷移過(guò)程圖。

圖1 城市生活垃圾焚燒過(guò)程中的金屬遷移機(jī)理圖[3，11，14，18-20]

中等揮發(fā)或難揮發(fā)的重金屬通過(guò)燃燒釋放、積存于爐渣和飛灰的形式排出[12]。研究發(fā)現(xiàn)，重金屬Hg（元素汞、氧化汞、顆粒汞）以氣態(tài)形式出現(xiàn)在煙氣中[14]，Pb（PbO）以氣固兩相的形式出現(xiàn)在飛灰和底渣中[21]，Cd（單質(zhì)鎘、氧化鎘和硫酸鎘）富集于飛灰中[14]，砷（砷酸鹽、砷的氧化物和硫化物）遷移至灰渣中和（As2O5、Ca3（AsO4）2）飛灰細(xì)顆粒中[23]，Cu 為固相且多分布在底渣和（CuCl2和Cu3Cl3）飛灰中[24]。此外，容易在低溫段冷凝沉積是熔點(diǎn)較低的氣態(tài)化合物[25]。

3 遷移分布的影響因素

遷移分布是重金屬在焚燒過(guò)程中通過(guò)排放渠道（底渣、飛灰和煙氣）的分布比例。影響重金屬遷移規(guī)律的因素主要包括：（1）垃圾成分（如垃圾中重金屬的含量及形態(tài)、可燃物質(zhì)含量與成分、Cl 和S 元素的形態(tài)和含量、水分和其他無(wú)機(jī)類物質(zhì)（主要是Si、Al、Ca 的氧化物））；（2）焚燒爐運(yùn)行參數(shù)（如焚燒的溫度、爐膛形狀、氣氛、煙氣、停留時(shí)間、混合條件、固體顆粒的物理化學(xué)條件）[10，20]。

3.1 重金屬特點(diǎn)

重金屬的沸點(diǎn)這一自身特點(diǎn)對(duì)遷移具有較大影響[2]。而沸點(diǎn)低的重金屬（如：As/Cd/Pb/Zn/Se）易進(jìn)入飛灰或煙氣，沸點(diǎn)高的重金屬（Al/Ba/Ca/K/Mg/Si/Fe/Ti）存留在底渣中[9]。根據(jù)重金屬元素?fù)]發(fā)特性分成3 類：（1）Cr 和Ni 等元素沸點(diǎn)高、不易揮發(fā)，形成底渣的基體；（2）As、Cd、Cu、Pb、Zn 等元素?fù)]發(fā)性高，底渣中存在較少，主要富集在飛灰顆粒上；（3）Hg 易揮發(fā)重金屬經(jīng)歷了揮發(fā)而沒(méi)有被冷凝，以氣相形態(tài)存在[12，16]。表2為不同重金屬及化合物的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)。

表2 幾種重金屬及其化合物的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)[3，5，13，16，20]

3.2 垃圾特性的影響

垃圾焚燒過(guò)程中，特別是垃圾本身的水分、Cl 元素、S 元素以及無(wú)機(jī)物等都會(huì)帶來(lái)影響。垃圾中的水分對(duì)重金屬的遷移和轉(zhuǎn)化有著重要影響，如在增加煙氣中的水分、降低燃燒溫度、延長(zhǎng)燃燒時(shí)間、延長(zhǎng)揮發(fā)分的釋放時(shí)間等方面[8，20，26]。對(duì)燃燒系統(tǒng)中氯及重金屬鉛[8]、鎘[3，8，20]、汞[3，20]、鉻[3，20]、鋅[8]等都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。而垃圾中的Cl 元素是廚余（NaCl）和塑料類制品（PVC）帶來(lái)的，Cl 元素的含量增加就會(huì)促使重金屬氯化物的轉(zhuǎn)化，對(duì)其揮發(fā)性影響很大[12]。溫度低對(duì)重金屬的揮發(fā)影響小，而溫度高易揮發(fā)，有機(jī)氯對(duì)揮發(fā)性強(qiáng)的重金屬（Cd、Pb）的影響較無(wú)機(jī)氯更大[3，5，27]。垃圾中的硫分可燃硫（有機(jī)可燃硫、單質(zhì)硫）和不可燃硫（硫化物、硫酸鹽），其來(lái)自垃圾焚燒時(shí)添加的輔助燃料煤中含有大量的硫和硫化物（Na2S、Na2SO3和Na2SO4），以及在輕工業(yè)中的應(yīng)用帶來(lái)的硫[12-13，20]。例如S 和Na2S 在高溫下抑制重金屬的揮發(fā)并導(dǎo)致重金屬（Cd、Ni、Zn）富集在底灰中，但能促進(jìn)Pb 向飛灰的轉(zhuǎn)化[27]。此外，生活垃圾中含有大量的不可燃物質(zhì)（如灰塵、陶瓷和玻璃等無(wú)機(jī)組分），以及化學(xué)成分為SiO2、Al2O3等硅鋁氧化物，對(duì)重金屬遷移有一定影響[12，20]。研究發(fā)現(xiàn)，CaO、CaCO3、SiO2、Al2O3、高嶺土、沸石、石灰石對(duì)Cu、Cd、Zn、Cr、Ni、Pb 等重金屬都有不同程度的影響[28-31]。

3.3 運(yùn)行環(huán)境的影響

運(yùn)行環(huán)境中焚燒的溫度、供氧量、爐型、停留時(shí)間、焚燒區(qū)域空氣分配、煙氣、凈化方式及捕集效率等都會(huì)影響重金屬的遷移[32]。溫度對(duì)垃圾焚燒中重金屬的遷移有顯著影響，如在溫度的影響下Zn 的揮發(fā)率增大，Pb、Cd 會(huì)更多地向細(xì)顆粒遷移和Pb 以氯化物的形式逸出，而Cu、Ni 的遷移受到的影響較小，在底渣中富集，Cr 揮發(fā)較小，Hg 受到煙氣氣氛和溫度的影響不大，As 與溫度和氧化性氣氛的影響呈負(fù)相關(guān)[5，16，33]。與溫度影響相比，氧化性氣氛下氮氧比的影響較小，則低溫下氮氧比的影響較明顯，高溫下氮氧比對(duì)揮發(fā)率影響較小[16]。由于氧化和還原性氣氛的轉(zhuǎn)化途徑不同，在氧化性氣氛下重金屬以氧化物和氯化物形式存在，例如Cu、Pb 揮發(fā)；在還原氣氛下，重金屬生成單質(zhì)、次氧化物、硫化物等化合物，使重金屬的揮發(fā)率增大，例如促進(jìn)Ni、Cr、Cd、Zn 揮發(fā)，和有利于Pb 固定在底渣中[12，34]。其次，添加劑（SiO2、CaF2、B2O3、TiO2、MgO、WO3、CaCl2、CaO）可有效降低飛灰熔融溫度而抑制重金屬揮發(fā)[35]。研究表明，氯化物的增加會(huì)導(dǎo)致重金屬遷移加劇，氧化物會(huì)降低重金屬向飛灰中遷移[36]。另外，重金屬的形態(tài)也決定了其分布特征影響著煙氣的凈化效率，如汞有可能會(huì)發(fā)生氧化或還原反應(yīng)[5]。

4 垃圾焚燒中重金屬控制方法

垃圾焚燒過(guò)程中底灰中的重金屬含量較少，主要是親巖性的金屬（Ni、Cr、Cu），而揮發(fā)性金屬（Hg、Pb、Cd、Zn）的含量就更少[10]。然而飛灰比底灰中富集了更多的揮發(fā)性重金屬，所以焚燒飛灰被作為有毒廢棄物不直接進(jìn)行填埋處理[23]。目前，對(duì)于飛灰中重金屬元素的處理方法主要有水泥固化法、高溫熔融法、化學(xué)穩(wěn)定法、酸及其溶解劑提取法、生物浸提法等[10]。采用吸附劑去除重金屬，其吸附效果根據(jù)運(yùn)行環(huán)境的不同而有差異，如無(wú)機(jī)氯存在會(huì)提高吸附性能，而有機(jī)氯存在會(huì)降低吸附性能[37]。例如易揮發(fā)的汞在垃圾焚燒過(guò)程中都是以氣態(tài)形式存在，則活性炭就成為去除汞的最好的吸附方式[10，37]。近年來(lái)，對(duì)脫除汞的吸附劑進(jìn)行了研究，如有機(jī)吸附（活性炭、木炭）和無(wú)機(jī)吸附（泡沸石、膨潤(rùn)土）[10]、改良活性炭[38]、礦物質(zhì)（火山石、蛭石）[10]、活性焦[39]、生物焦[40]等。

5 結(jié)論

通過(guò)文獻(xiàn)，綜述了城市生活垃圾在焚燒過(guò)程中的重金屬的來(lái)源及危害、遷移分布特征及影響因素、重金屬的控制方法。城市生活垃圾成分復(fù)雜，生活垃圾本身含有大量的重金屬和焚燒后產(chǎn)生的二次污染也對(duì)周邊的環(huán)境、人體健康帶來(lái)一定的危害。因此，需要從源頭上采取垃圾分類的方法，減少垃圾中顯而易見的重金屬物質(zhì)，分類可以有效地對(duì)垃圾進(jìn)行初步處理。垃圾焚燒中產(chǎn)生的飛灰重金屬處理可以采用吸附方法來(lái)去除。