垃圾焚烧与二恶英的污染和治理＊

於剑霞,李均涛(.上海PACT环保技术有限公司,上海00433;.广州市市政工程设计研究院,广东广州 50000)

垃圾焚烧与二恶英的污染和治理＊

於剑霞1,李均涛2(1.上海PACT环保技术有限公司,上海200433;2.广州市市政工程设计研究院,广东广州 510000)

概括地介绍了二恶英的来源和毒性,着重分析了固体废物焚烧处理过程中二恶英的生成和释放机制,提出了具体的控制措施。

垃圾;焚烧;二恶英

随着我国经济水平的发展,城市规模迅速扩大,人们的消费水平不断提高,垃圾产量也随之增加。但由于目前许多城市尚未实现垃圾分装分倒,垃圾的成分复杂,水分高,热值较低且不稳定……使得垃圾处理非常困难。因此,垃圾的无害化处理已成为我国各级政府面临的重要环境问题之一。

在国外,垃圾焚烧已成为垃圾处理的主要方式,对燃烧效果和过程度控制也已有了相当地研究和工程经验。同时,垃圾焚烧也将成为我国垃圾处理的重要方式。然而,该技术在处理垃圾过程中仍会产生一些污染物,其中以剧毒物质二恶英较为典型。因此对二恶英进行研究与分析很有价值。

一、焚烧技术的优缺点

(一)优点

焚烧处理与填埋处理相比,占地面积小,能迅速而大幅度地减少可燃废弃构的容积,彻底消除有害细菌和病毒,破坏毒性有机结构,并可能回收热能,尾气经处理后排放,无害化程度非常高。我国地多人稀,土地资源十分宝贵,填埋处理不仅会造成对周围环境的污染,而且占地面积很大,尤其在南方经济发达人口稠密地区,填埋处理将会受到很大局限。而焚烧技术则有相当大的前景。1991年,日本已有75%的城市垃圾采用焚烧处理,瑞士(80%)、丹麦(70%)、瑞典(55%)应用也比较广泛。而进入九十年代后,尤其在近几年中,中国南方如深圳,上海等地也纷纷投产运营了许多大型的垃圾焚烧厂,有的处理量已达到了1000吨/天,取得了较好的社会和经济效益。

(二)缺点

焚烧处理的缺点主要为:投资及运行管理费用高,尾气处理不当容易造成二次污染。其中尾气排放的主要污染物有:重金属尘粒、PCDDs(多氯二苯并一对一二恶英)、PCDFs(多氯二苯并呋喃)、PCA(多环芳香族化合物)及其他有害气体(如HCl、HF、SO2、NOx等)。其中,特别是二恶英的危害已引起人们的极大关注。另外,焚烧处理投资大,周期长,对垃圾热值要求高等缺点也是比较显著的。

二、二恶英的结构与性质

二恶英是毒性很强的一类三环芳香族有机化合物,由2个或1个氧原子联接2个被氯取代的苯环,分别称为多氯二苯并二恶英(PCDD)和多氯二苯并呋喃(PCDF)。每个苯环上可以取代l一4个氯原子,所以共有75个PO I D异构体和135个PCDF异构体。二恶英异构体的毒性因所含氯原子数及其取代位置的不同而有所差异,其中毒性最强的是2,3,7, 8—四氯二苯并二恶英(2,3,7,8—PCDD),一般利用它的毒性当量(TEQ)来表示各异构体的毒性,称之为毒性当量因子(TEF)。如2.3,7,8—四氯二苯呋喃(2,3,7,8—PCDF)和1.2.3,7,8—五氯二恶英(l,2,3,7,8—PCDD)的毒性当量因子分别为0.1—TEQ和0.5—TEQ。

二恶英均为固体,熔点较高,难溶于水.易溶于脂肪,如2, 3,7,7—TCDD在水中的溶解度只有7.2×10-9g/L,而在对二氯苯中的溶解度高达1.4g/L,所以二恶英容易在生物体内积累。大量的动物实验表明很低浓度的二恶英就对动物表现出致死效应。PCDD和PCDF暴露可引起皮肤痤疮、头痛、失聪、忧郁、失眠等症,并可能具有长期效应,如染色体损伤、心力衰竭、癌症等:目前许多发达国家相继制定了固体废物焚烧炉的二恶英排放标准,如韩国的二恶英排放标准为0.5ng/m3(TEQ),并在首都汉城实施更加严格的标准,即0.1ng/m3(TEQ)。

三、二恶英的生成

二恶英的人为来源大致有:

①农药生产过程中以副产品或杂质的形成生成;

②对合氯有机物进行焚烧时形成;

③纸浆的氯气漂白过程中形成。

另外,含铅汽油的使用以及烟草燃烧也可能生成二恶英。

在固体废物焚烧过程中,二恶英的生成途径可能有:

a.固体废物中原含有痕量的二恶英,由于二恶英具有热稳定性,所以能在燃烧之后排放出来。

b.高温合成。在垃圾进入焚烧炉内初期干燥阶段,含碳氢成分的低沸点有机物挥发后与空气中的氧反应生成水和二氧化碳。若此时暂时缺氧.则部分有机物同HCl反应生成二恶英。资科表明.垃圾焚烧炉排放烟气中的二恶英浓度随烟气中一氧化碳的浓度增加而增加。

c.前驱物合成。在燃烧过程中由含氯前驱物生成二恶英。前驱物包括聚氯乙烯(PCB)、氯代苯、五氯苯酚等,在燃烧中的体物分子通过重排、自由基缩合、脱氯或其他分子反应等过程生成PCDD和PCDF,生成温度为300-800℃。

d.从头合成。碳、氢、氧和氯等元素通过基元反应生成二恶英,称为PCDD和PCDF的“从头合成(De Novo Synthe-sis)”。

上述后3个途径在固体废物焚烧炉的二恶英形成中都可能起作用,各种途径的重要性则取决于具体的炉型、工作状态和燃烧条件。由于各焚烧炉的处理量差别很大,而且其工艺设计和操作条件各异,所以几乎每个焚烧炉的二恶英排放都会有所不同。由于现代化焚烧炉一般配有复杂而先进的烟气净化和燃烧控制系统,可以大幅度降低焚烧炉的二排恶英放水平。通过高温焚烧法进行处理,在1200-1400℃时,二恶英的分解率为99.7%。

四、二恶英的控制控术

抑制二恶英产生的最有效方法有“3T”:(1)炉内温度〔Temperature〕保持在800℃以上(最好在900℃以上),将二恶英完全分解;(2)保证足够的烟气高温停留时间(Time);(3)优化炉形和二次空气喷入方法,使其形成涡流〔Turbulence〕,充分混合搅拌以达到完全燃烧。

根据二恶英在焚烧处理中的生成途径,其主要控制措施有改进燃烧技术、废气处理技术和灰渣熔融处理技术3种。

(一)改进燃烧技术

燃烧技术的实现手段有多种,但实现方法可分为:一次燃烧和二次燃烧。

一次燃烧,顾名思义其燃烧次数为一次,即在燃烧过程中改变燃烧方法,采用高精度的燃烧控制系统,提高“3T”(Turbulence、Temperature、Time)作用效果,使燃烧物与氧充分搅拌混合,造成富氧燃烧状态,减少二恶英前驱物的生成。现举日本一台140t/d全连续燃烧式焚烧炉为例,二次燃烧空气的进口设置在干燥带的顶部,提高废气和空气的混合搅拌效串(Turbulence),采用高精度的I CC燃烧控制系统,将二次燃烧空气控制出口烟气温度(Temperature),温度波动范围920℃一950℃,呈现良好的燃烧状态;一次空气由燃烧带的底部进人,将气体冷却室的喷嘴住上移,扩大燃烧区的范围,增加气体停留时间(Time)。

在一次燃烧的基础之上,再增加一次燃烧称之二次燃烧。一次燃烧所产生的二恶英类物质通过二次燃烧室,在高温下分解并燃烧,二次燃烧室的燃烧温度较商,通常在1000℃以上。美国近年开发了一种流动焚烧系统:由焚烧炉、气体连续测定仪和气体净化器三部分组成。烟气经过二次燃烧室,借助辅助燃油燃烧,温度控制在1200℃左右,经冷却后进人高效气体净化器,除去原粒及酸性气体,该系统的二恶英去除串达99.9999%。

(二)废气处理技术

在实现完全燃烧降低二恶英的的前驱物合成后,下面要解决的是残存的前驱物重新合成和生成的二恶英捕集的问题。

袋式除尘器:实验数据已证明,降低温度在抑制二恶英类物质的重新生成和提高吸附捕集效率两方面均很有效。袋式除尘器的入口温度一般为150℃以下,而合成二恶英类物质的催化反应湿度为300℃,因此其前驱物不可能在袋式除尘器中催化合成为二恶英类物质。与静电除尘器不同,袋式除尘器在工作时,在滤布表面会形成颗粒层,废气中的二恶英类物质通过该层被吸附脱除。被吸附的二恶英类物质被排至灰渣处理系统中。

活性焦炭吸附:活性焦炭是一种具有活性炭和焦炭的中间性物质的吸附剂,由于其具有较大的比表面积,所以吸附能力较强,不但能吸附二恶英类物质,还能吸附NOx、SO2和重金属及其化台物。其工艺主要由吸收、解吸部分组成,烟气进入含有活性焦炭的移动吸收塔,温度在120℃一180℃范围之类,吸附二恶英。这个温度一般是活性炭吸附的最佳温度。

(三)灰渣熔融处理技术

通过改进燃烧和废气处理技术,排人大气中的二恶英类物质的量达到最小,被吸附的二恶英类物质随颗粒一起进入灰渣系统中,所以灰渣中的二恶英的量比大气中的二恶英的量多的多。自1977年K.Olie等人在荷兰阿姆斯特丹的城市垃圾焚烧飞灰中发现氯化二苯并二恶英以来,世界各国对垃圾焚烧灰渣进行了严格的规定。焙融处理技术是较通常的灰渣处理技术。

将灰渣送入温度1200℃以上的熔化炉内熔化,灰渣中的二恶英类物质在高温下,被迅速的分解和燃烧。实验证明,通过灰渣焙碰处理过后,PCDD/PCDF的分解串99.77%,TEQ为99.7%。因此灰渣焙融处理技术是一种较为有效的灰渣处理手段。

五、我国现阶段对二恶英的控制

目前我国《大气污染防治法》尚没有制订出二恶英的排放标准,建设部的《医疗垃圾焚烧环境标准》及《医疗垃圾焚烧设备标准》也没提及二恶英的要求,故建议早日研究制定,再则从分析手段上应日臻完善以适应发展的要求。

对焚烧待实施的城市可借鉴美、日、瑞等国规定。如在选炉型时尽量选用较先进的炉型、成熟的炉型,二恶英的微量污染是可以解决的。

已运行的焚烧设施应考虑焚烧温度,停留时间及空气搅拌(所谓“三T”措施)以保证二恶英能尽量分解并采用高效的涤气和过滤设备,尽量减少排气中所含带TCDD的颗粒,保证在尾气排放时TCDD浓度尽可能降低,注意加以监控。

随着焚烧设备的不断增加,环境监测部门应加强对大气、炉体等燃烧状况的监测,为将来制定有关标准,收集汇总基础资料。

六、结语

鉴于垃圾焚烧处理的种种优点,随着我国经济实力增强,我国城市垃圾焚烧处理也将有较快发展,北京、深圳两地已安装有城市垃圾焚烧炉,上海也已建成城市垃圾焚烧站,山东省济南、淄博也准备安装城市垃圾焚烧炉。愿我国城市垃圾焚烧炉设计时重视对二恶英的控制,有较高的起点。

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2010-01-10

於剑霞(1976-),女,江苏人,工程师。