生活垃圾焚烧飞灰压制砌块与减容填埋技术

朱新才，赵由才，周 雄，张 骏，夏发发，陈善平，全学军

(1．重庆科技学院，重庆 401331； 2.同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092；3.上海市环境工程设计科学研究院有限公司,上海 200232； 4.重庆理工大学，重庆 400054)



生活垃圾焚烧飞灰压制砌块与减容填埋技术

朱新才1，赵由才2，周 雄1，张 骏2，夏发发2，陈善平3，全学军4

(1．重庆科技学院，重庆 401331； 2.同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092；3.上海市环境工程设计科学研究院有限公司,上海 200232； 4.重庆理工大学，重庆 400054)

目前我国生活垃圾焚烧厂的建设速度远远超过危险废物填埋场的建设速度，大量的飞灰亟待安全处置。相对于其他处置技术，化学稳定化填埋被广泛应用，但需耗费大量重金属螯合剂以及填埋场库容，且满足技术规范的危废填埋场的填埋能力和使用年限均受限制。针对以上问题，对生活垃圾焚烧飞灰砌块减容潜力、重金属降低浸出进行研究，分析了飞灰压制砌块-减容填埋的可行性，并进行工艺设计，初步确定了工艺投入和综合效益。结果表明：生活垃圾焚烧飞灰在高压作用下可减容60%以上，重金属浸出浓度明显降低，可减少30%～70%螯合剂的使用量；设计的减容填埋工艺使填埋场寿命增加1～2倍，节省飞灰直接处理成本200元/d(不含设备投入)；压制后的飞灰砌块形状规则、质地紧实，有利于减少传统飞灰填埋过程中的扬尘以及机械化转运、填埋成本，提高了管理水平和生产效率。

生活垃圾焚烧飞灰；压制；减容；工艺设计；安全填埋场

随着城市建设的发展和城市规模的扩大，城市人口数量骤增，生活垃圾产量也快速递增，使原有的垃圾填埋场日益饱和或已经饱和，而新的填埋场却因各种原因选址困难。采取垃圾焚烧的方法可以大大减少生活垃圾的体积，从而更大限度地延长现有垃圾填埋场的使用寿命。此外，随着生活水平的提高，垃圾中可燃、易燃物的含量大幅增多，提高了生活垃圾的热值。随着垃圾焚烧技术越来越广泛地在国内外推广，所产生的垃圾飞灰也越来越多。生活垃圾经焚烧后，会产生占垃圾总质量23%左右的底灰及3%～5%的飞灰。飞灰主要包括SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3和硫酸盐、钠盐、钾盐等反应物，还有Hg、Mn、Mg、Sn、Cd、Pb、Cr等重金属元素以及痕量级二噁英类有机物，另加其他种类污染物，属于危险废物，其安全处理日益受到国内外的关注[1-2]。

1 飞灰的处理技术现状

目前飞灰常用的处理处置方法有:固化/稳定化，包括水泥固化、沥青固化、化学药剂稳定化等[3]；高温处理，包括烧结与熔融/玻璃化等，然后填入专门填埋场或资源化利用[4]；提取飞灰中的重金属，包括酸浸取、生物及生物制剂提取、高温提取等，然后将提取的重金属资源化利用[5]。如图1所示。

图1 飞灰的处理处置方法

以上处理法对飞灰均有不同程度的作用。客观上熔融固化处理效果最好，但成本高，使用范围有限。水泥基固化处理会使废物最终体积增大0.5～1倍，增加了最终处置的费用，占用大量严格符合技术规范的危险废物填埋场库容。重金属提取着力于飞灰中重金属的回收与利用，但飞灰中的重金属一般并不是稀有金属，其附加值低，回收过程易造成二次污染，因此从环境和经济的角度讲并不实用[6]。化学药剂处理是应用最为广泛的飞灰处理技术，工艺相对简单，化学稳定化后的飞灰直接进入填埋场填埋处置。但目前我国生活垃圾焚烧厂的建设速度远远超过危险废物填埋场的建设速度，每天大量的飞灰都在等着安全处理。而满足技术规范的危险废物填埋场的填埋能力和使用年限也是有限的。由此寻找更经济合理的处理方法迫在眉睫。

垃圾飞灰是非常细小的粉尘，飞灰颗粒非常松散地堆积在一起，颗粒间存在明显的间隙，且飞灰由于生成过程的影响，其往往也具有一定的孔隙率。由于这些空隙和孔隙的存在，不仅使得飞灰的表观密度很小，体积庞大，而且使得飞灰中的重金属比较容易浸出，从而对环境造成危害。因此，若能改变飞灰的结构，使其致密化，则可以大大降低其表观体积，同时减少重金属的浸出量，不仅降低飞灰处置过程的环境污染风险，而且节省了飞灰填埋场库容，减少了化学螯合剂的使用量，从而降低了飞灰的处置成本，实现生活垃圾高效、经济的快速消纳处置。

2 飞灰压制砌块减容填埋潜力分析

利用高压环境使物质发生变化，以达到特殊的效果是一种常见的手段。粉末冶金利用高压实现了显著节能、省材、高密度等一系列目标，充分利用了矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、废旧金属等原料[7]，因此高压亦可作为飞灰安全化处置的一种潜在新技术。在高压条件下，使飞灰达到很高的密度，变成大比重的飞灰砌块，可以解决传统飞灰填埋过程中转运困难、扬尘大等问题，而且能改善工作环境，降低填埋成本，在工程应用上具有很大的前景。

2.1 飞灰减容潜力分析

利用取自上海老港焚烧厂的生活垃圾焚烧飞灰，研究了高压压制对飞灰减容的效果。所用压力系统其压强可调节范围为0～ 600 MPa，在此区间内，选取了若干压强对原生飞灰进行压制，并测定压制后的飞灰砌块密度。从图2中压制效果可以直观地观察到一定质量飞灰在压制前后显著减容，并由疏松松散转变为规则、密实的状态。

原生飞灰密度为0.79 g/cm3，不同压强作用下的飞灰砌块的密度变化如图2所示。原生飞灰的密度随着压强的增大而增大，当压强低于50 MPa时，飞灰砌块密度随压强增大上升迅速。但压强高于50 MPa时，压强的上升对飞灰砌块密度增加的效果明显减弱。

如图2所示：在压制过程的前期，主要是压缩飞灰颗粒之间的间隙，这一过程相当于排出空气，因此所受到的阻力较小，压缩效率随压强上升变化显著。当颗粒间间隙被压缩尽后，颗粒间相互接触。一方面，飞灰颗粒本身形状不一；另一方面，由于飞灰本身具有较大比表面积，即内部存在一定孔隙，因此压制过程的后期，颗粒内部孔隙被破坏，同时压制前期因颗粒形状不一而无法压缩的空隙也因飞灰颗粒结构的破碎而被填充。但在压制的后期，由于压力要克服的是飞灰颗粒的结构应力，因此阻力明显上升，压制效率显著降低，且飞灰间空隙与颗粒内孔隙的逐渐减小，飞灰砌块的密度上升逐渐平缓，并有趋近与某一常值的趋势。飞灰砌块与密度变化关系表明：飞灰在有效压强作用下，其密度可以提高至少1倍，体积减容60%以上，减容潜力巨大。实际应用过程中，应以产品的要求和成本综合考虑，确定最终压制压强。

图2 原生飞灰密度与压强之间的关系

2.2 飞灰砌块重金属浸出降低潜力分析

随着飞灰颗粒间的紧实度增加，颗粒间的结合更加紧密，飞灰颗粒物理性质改变，比表面积降低。因此，飞灰砌块的重金属浸出理论上将会有所降低。取样的上海老港飞灰样品，其原生飞灰中主要检出Cr、Cu、Hg、Pb、Zn等重金属，其中浓度超标的主要是Pb，其次是Hg。飞灰砌块重金属浸出浓度随压制压强的变化趋势如图3所示。

图3 飞灰重金属浸出浓度与压制压强的关系

Hg的浸出浓度基本随压强无变化，其原因可能是Hg的存在形态一般为游离态，主要吸附于飞灰颗粒上，与飞灰中其他组分结合不紧密，浸出浓度波动于规定限制量附近。Cr，Pb，Zn，Cu在压力作用下浸出浓度明显降低，在50 MPa压强后，其浸出浓度出现稳定波动，但对于含量较高的Pb而言，其浓度依然超过规定限制。结合图2，重金属浸出效果主要受飞灰颗粒间的间隙影响，当在压强作用下，间隙被压缩，飞灰颗粒无法与浸提液体有效接触，减少了浸提面积，从而降低了浸出速率和浓度。但飞灰颗粒间间隙被充分压缩后，再增大压强对重金属浸出效果影响不大，存在最经济压强。

从重金属浸出效果来看，飞灰砌块的重金属浸出浓度降低明显下降，飞灰压制砌块减少了约30%的重金属浸出，换句话说，高压压制砌块工艺对于飞灰稳定化而言，不仅具有明显的减容效果，节省填埋场库容，而且能减少约30%的螯合剂的使用，降低了工艺成本。

3 飞灰压制砌块-减容填埋工艺

3.1 工艺流程设计

图4 飞灰砌块压制减容填埋工艺流程

相较于传统化学稳定化填埋工艺，此工艺的不同主要体现在高压压制系统和转运系统。卧式搅拌系统则要求出料的稳定化飞灰含水率低于30%，以利于高压压制系统稳定运行。高压压制系统选用特制的液压压缩设备，将稳定化飞灰压缩为标准砌块大小(600 mm×240 mm×200 mm)。压制后的飞灰利用市场上现有的混凝土砌块输送、搬运机械及运输机械转运至填埋场处置。进入填埋场的飞灰砌块按产生批次进行编号并分单元填埋。转运填埋全流程自动化、机械化操作，减少人工的使用，降低人员的环境暴露风险。

3.2 投资估算

表1 飞灰压制砌块—减容填埋工艺投资估算

由于飞灰砌块形状规则，因此有利于提供工艺的自动化水平和作业效率，没有了传统作业过程中的摊铺、压实等作业，降低了飞灰扬尘的产生，避免了大气污染。与上海老港现有飞灰处理工艺(表2)相比，减容填埋工艺增加的设备主要是高压压制设备，节省了传统工艺中的挖掘机、压实机、钢结构平台和路基箱等。利用吊车等转运设备可以使填埋更加精细化，按生产批次分区填埋也有利于飞灰处置的安全管理。

表2 上海老港焚烧飞灰现有工艺成本分析

3.3 效益分析

表3 经济效益分析

由表3综合分析可知，砌块减容填埋工艺相对于普通化学稳定化填埋工艺，其吨处理成本(不含设备投入)可节省至少200元,同时可以大幅度延长填埋场使用寿命，增长填埋场服务年限，相对降低了填埋场全周期投入成本。

4 结束语

日益增长的飞灰产生量、有效的填埋场库容，被广泛应用的飞灰化学稳定化填埋技术难以满足处理的要求。经过压制处理的飞灰，其密度显著提高，减容60%以上，减少了填埋体积；同时重金属浸出显著降低，可减少30%～70%的螯合剂使用量，降低了处理成本。成型的飞灰砌块形状规则，有利于自动化、机械化填埋。经设计的填埋工艺处理，飞灰处理直接成本可降低至少200元/t(不含设备投入)。规划化、精细化的工艺流程有效杜绝了飞灰扬尘污染问题，降低了处置企业的综合管理成本。

[1] 张瑞娜,赵由才,许实，等.生活垃圾焚烧飞灰的处理处置方法[J].动力工程,2008,28(2): 284-287.

[2] 朱新才,胡桂川,林顺洪.城市生活垃圾在机械炉排炉内焚烧过程研究及数值模拟[J].环境工程学报,2013,7(12):4958-4964.

[3] 娄性义．固体废物处理与利用[M].北京:冶金工业出版社,1995.

[4] SHIN-ICHI SAKAI,MASAKATSU HIRAOKA.Municipal solid waste incinerator residue recycling by thermal process[J].Waste Management,2000(20):249-258.

[5] ECKE H,SAKANAKURA H,MATSUTO,et al.State-of-the-art treatment process for municipal solid waste incineration residues in Japan[J].Waste Management & Research,2000,18(1):41-51.

[6] MANGIALARDI T.Disposal of MSWI fly ash through a combined washing-immobi lisation process[J].Journal of Hazardous Materials,2003,B98:225-240.

[7] 黄培云,粉末冶金原理[M].北京:冶金工业出版社,1997.

(责任编辑 刘 舸)

Pressing Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash Bricks for Landfill Volume Reduction

ZHU Xin-cai1, ZHAO You-cai2, ZHOU Xiong1, ZHANG Jun2,XIA Fa-fa2,CHEN Shan-ping3, QUAN Xue-jun4

(1.Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331,China;2.College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092,China;3.Shanghai Research Institute of Environmental Engineering Design and Science,Shanghai 200232,China; 4.Chongqing University of Technology，Chongqing 400054,China)

The construction speed of municipal solid waste incineration (MSWI) is currently faster than that of hazardous waste landfill in China, so that the disposal of MSWI fly ash becomes a pressing problem of the day.In comparison with other technologies, the chemical stabilization is applied widely, while still consume plenty of chelating agent and landfill volume. Restriction from total volume and service life of hazardous waste landfill, it is urgent to find a novel, economical and efficient technology for quick disposal of MSWI fly ash. In this study, the fly ash was pressed at high hydraulic load to reduce considerably both the volume and the quantity of chelating agents so that remarkably extend the service life of landfill. It was shown that the volume can be reduced over 60 % and the heavy metals leaching concentration of MSWI bricks was down obviously after pressing, which indicated the usage of chelating agent can be reduced by 30%～70%. A novel volume reduction landfill process was proposed, the investment and benefit were evaluated. The service life can be prolonged for more than one to two times. The direct cost for the disposal of fly ash could be decreased by 200 RMB/t (not including the investment of equipment). The MSWI fly ash bricks were of regular shape and tight texture, which can avoid the dust in conventional landfill, promote automation, improve management and efficiency.

MSWI fly ash；pressing； process design； volume reduction； security landfill

2016-09-22 基金项目：国家科技支撑项目“村庄/农户聚集区生活垃圾中废塑料提质及分流分类处理与示范研究”资助项目(2014BAL02B05-02 )

朱新才(1954—)，男，四川宜宾人，教授，主要从事垃圾焚烧研究；通讯作者 全学军(1963—)，男，教授，主要从事环境污染治理研究，E-mail: hengjunq@cqut.edu.cn。

朱新才，赵由才，周雄，等.生活垃圾焚烧飞灰压制砌块与减容填埋技术[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(11):78-83.

format：ZHU Xin-cai,ZHAO You-cai, ZHOU Xiong,et al.Pressing Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash Bricks for Landfill Volume Reduction[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):78-83.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.11.014

X705

A

1674-8425(2016)11-0078-06