城市生活垃圾焚烧飞灰利用处置现状及环境管理

吴昊，刘宏博，田书磊，卢桂兰，郝雅琼*

1.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院 2.国家环境保护危险废物鉴别与风险控制重点实验室，中国环境科学研究院

随着我国国民经济的迅速发展、城镇化速度加快和人民生活水平的日益提高，生活垃圾产生量大幅增加。据统计，2018年我国生活垃圾清运量为2.28亿t[1]，较2009年增加 7 100 万t。目前国内生活垃圾处理方法主要有填埋、堆肥、分类处理、焚烧等。其中，焚烧通过高温灭菌使生活垃圾达到无害化处理，可减容90%、减量75%[2-3]，是目前生活垃圾处理处置的重要手段之一。同时，焚烧过程中产生的余热还可用于供热、发电，实现资源二次利用。

1 生活垃圾焚烧行业现状

自1988年在深圳建成第一座垃圾焚烧厂以来，截至2018年底，我国垃圾焚烧无害化处理厂已达331座[5]，总处理能力为37.0万t/d[6]。近10年生活垃圾填埋量与焚烧量及其占比如图1所示。

图1 2009—2018年生活垃圾填埋量与焚烧量及占比Fig.1 Quantity and proportion of domestic garbage landfill and incineration from 2009 to 2018

由图1 可知，填埋仍是生活垃圾的主要处置方式，近10年填埋量逐年增加，但填埋量的占比却呈逐年下降趋势，从2009年的81.5%降到2018年的53.5%；而焚烧无论是年处理量还是占比，均呈逐年递增趋势，截至2018年底，年处理量和占比分别为 10 184.9万t/a和46.5%。焚烧处理具有用地节省、处理速度快、减量效果好、污染控制佳及能源利用高等优点，在国家产业政策的支持下，我国垃圾焚烧技术得到了迅速发展。

2 飞灰的产生现状、污染特性及危害

2.1 飞灰产生现状

随着生活垃圾焚烧发电模式跨越式发展，焚烧过程产生的飞灰量也逐年增加。飞灰主要产生于生活垃圾焚烧发电厂的布袋除尘器等烟气净化系统以及来自烟道与烟囱底部沉降的少量底灰。我国生活垃圾焚烧炉型主要为炉排炉和循环流化床，其中炉排炉飞灰产率为2%～5%，循环流化床飞灰产率为8%～15%。按飞灰产生量约为焚烧垃圾量的3%～5%[7]计，2018年全国飞灰的产生量为305.5万～509.2万t。据统计，2018年全国200个大、中城市工业危险废物产生量为 4 643.0万t[8]，飞灰产生量占危险废物产生量的6.6%～11.0%，数量较大。

2.2 飞灰污染特性

飞灰是一种灰白色或深灰色细小粉末，具有含水率低、粒径不均、孔隙率高及比表面积大的特点。因生活垃圾焚烧产生的烟气脱酸过程中需要喷射大量的消石灰等碱性物质，导致飞灰具有很高的酸缓冲能力和腐蚀性[7]。飞灰中主要元素有Si、Ca、Al、Fe等，还有较多的K、Na、Cl等元素，属于CaO-SiO2-Al2O3(Fe2O3)体系。飞灰的组成与生活垃圾的组成及焚烧工艺密切相关，炉排炉与循环流化床2种炉型产生的飞灰主要成分如表1所示。由表1可知，炉排炉产生的飞灰中含有较多的CaO、Cl、Na2O、K2O等，循环流化床产生的飞灰中含有较多的CaO、SiO2、Al2O3。

表1 2种炉型产生飞灰的主要化学成分及其占比[9]Table 1 Main chemical components of fly ash produced by different furnace types %

生活垃圾中的含氯塑料及厨余垃圾焚烧分解后产生的氯化物富集于飞灰中，含氯元素占比高是我国飞灰的显著特征之一，有的甚至高达37.3%[10]，其主要以Ca、Na和K的可溶性氯化物存在。多数研究表明，飞灰中重金属浓度分布差异较大，但通过X射线衍射仪技术(XRD)分析未检测到飞灰中含有重金属的结晶矿物相组分，其原因可能是由于飞灰中重金属占比较小(一般为0.5%～3.0%[11])。飞灰中重金属多以无定形态存在，其中Zn、Pb、Cu、Cr相对浓度较高[12]。宋珍霞等[13]研究了重庆市垃圾焚烧发电厂焚烧飞灰，提出飞灰主要重金属化学形态、浓度及浸出浓度(表2)。结果表明，飞灰中重金属Pb、Zn的浸出浓度高于GB 5085.3—2007《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》中毒性浸出标准限值，其中Pb的浸出浓度是标准限值的7倍左右。

表2 飞灰重金属形态、浓度及浸出毒性Table 2 Morphology, content and leaching toxicity of heavy metals in fly ash

2.3 飞灰环境风险

3 飞灰资源化和无害化处理技术

3.1 固化/稳定化技术

3.1.1水泥固化技术

水泥固化飞灰技术指将飞灰和水泥按一定比例混合后，通过固化包裹手段，使飞灰中的重金属以氢氧化物或络合物的形式被包裹在经水化反应后生成的水化硅酸盐中，形成一种具有低重金属浸出毒性且长期稳定性好的块状水化硅酸钙产物[16]。杜渐[17]采用硅酸盐水泥固化飞灰，结果表明，水泥水化后一般形成钙矾石和C-S-H凝胶，将重金属离子包裹并固定，同时水泥浆体呈现强碱性，使飞灰中重金属离子形成难溶的氧化物或碳酸盐，防止重金属浸出。该技术应用比较广泛，目前，多采用普通硅酸盐水泥作为飞灰固化剂。

3.1.2化学药剂稳定化技术

化学药剂稳定化技术指通过选择与飞灰中重金属性质匹配的药剂，与重金属反应形成不溶或难溶的化合物、络合物或螯合物，使重金属的迁移性减小、毒性降低[18]。常见的稳定化药剂主要包括无机药剂如石膏、硫化物、铁酸盐、磷酸盐，有机药剂如高分子有机稳定剂(EDTA)等。化学药剂对重金属稳定化具有选择性。刘引等[19]采用2.5% Na2HPO4与7.5% Na2S复配无机药剂稳定飞灰重金属，研究发现，飞灰中Cd、Pb、Se、Zn等重金属浸出浓度均低于GB 5085.3—2007标准限值。Wang等[20]采用六硫代胍酸和四硫代氨基甲酸2种新型有机药剂稳定飞灰中重金属，结果显示，二者因具有丰富的硫化氢基团，能够与Zn、Cu、Ni、Pb、Cr、Cd等重金属有效结合，稳定化性能良好。

3.2 热处理技术

热处理技术指在较高温度条件下，混合工业固体废物或黏土等其他助剂实现飞灰中有机污染物的降解和重金属的稳定化。按照热处理温度不同，一般可分为烧结技术(700～1 100 ℃)、熔融/玻璃化技术(1 000～1 400 ℃)[15]。

3.2.1烧结技术

烧结技术指在低于熔点温度条件下提供焚烧飞灰颗粒的扩散能量，将大部分甚至全部气孔从晶体中排除，使飞灰颗粒间产生黏结，变成致密坚硬的烧结体，从而降低飞灰中重金属的迁移能力[21]。Wong等[22]将飞灰作为替代铁矿石烧结过程中部分钙熔剂，结果表明，飞灰的加入对烧结指标有所改善。目前，工程上多采用回转炉对飞灰进行烧结处理。

3.2.2熔融/玻璃化技术

熔融固化法又称作玻璃化法，它是利用高于物质熔点的温度使其达到熔融状态，在冷却过程中将有毒重金属固化在熔渣中。玻璃体的主体结构为由[SiO4]四面体构成的“短程有序、长程无序”的网络结构[23]，重金属及其他金属阳离子键接在网络结构当中，玻璃体的重金属浸出率极低。Yang等[24]通过玻璃化技术有效固化了飞灰中的Cr、Cd、Pb等重金属，但在高温条件下，部分重金属易挥发，造成二次污染。

3.3 分离萃取技术

3.3.1生物浸提技术

生物浸提技术是在微生物(细菌或真菌)作用下将重金属溶出的一种湿法冶金方法。Funari等[25]研究表明，采用生物浸提法可使飞灰中Zn、Cu、Pb的去除率均达90%以上。目前重金属浸提中应用最广泛的微生物包括氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillusferrooxidans)、氧化硫硫杆菌(Thiobacillusthiooxidans)和铁氧化钩端螺旋菌(Leptospirillumferrooxidans)[26]。

3.3.2化学浸提技术

化学浸提技术主要是采用特定的化学试剂将飞灰中的重金属分离、提取，实现重金属回收。Tang等[27]采用新型工业化学萃取剂(Cyanex 572)从酸性飞灰渗滤液中分离Zn和其他重金属，发现其对Zn的萃取选择性高于Cd、Pb、Cu等重金属。浸提过程中常用的化学浸提剂主要包括HCl、HNO3、H2SO4、NaOH、NH3和螯合剂等。

3.4 水热处理技术

3.5 水泥窑协同处置技术

3.6 填埋技术

飞灰填埋一般采用袋装固化处理后，按照分层、分单元、分区进行填埋，在堆砌的过程中尽量避免飞灰袋破损导致泄漏。考虑到渗滤液成分复杂，在填埋区交界处设置临时雨水收集点，避免雨水渗入飞灰产生渗滤液，并在填埋单元边界采用高密度聚乙烯(HDPE)膜进行隔离。现阶段我国生活垃圾焚烧飞灰处理处置主要依靠药剂螯合固化稳定或水泥固化稳定达到GB 18598—2019《危险废物填埋污染控制标准》或GB 16889—2008《生活垃圾填埋场污染控制标准》要求，再运至危险废物填埋场或生活垃圾填埋场进行填埋。

4 飞灰管理存在的问题

4.1 飞灰填埋处置管理体系不完善

目前我国飞灰主要以填埋处置为主。《生活垃圾填埋场污染控制标准》《危险废物填埋污染控制标准》中规定了废物入场限值，但生活垃圾填埋场运行单位并不具备相应的监测能力，生态环境部门也未将入场飞灰是否达标纳入对填埋场运行单位的监督监测体系，监管缺位导致入场的飞灰普遍不能稳定达标。未经水泥固化处理的飞灰在填埋场开放作业条件下容易通过大气扬散，不达标的化学螯合稳定化飞灰在填埋场有可能成为污染地下水的环境隐患。部分地区垃圾焚烧企业在稳定化预处理设施、填埋处置设施不足的情况下，违规转移、贮存等情况时有发生。针对飞灰不规范填埋处置，现有的监管体系不能有效发挥作用。

4.2 飞灰处理处置过程标准缺失

4.3 利用处置技术存在短板

飞灰的利用处置是生活垃圾焚烧行业的难题，成为生活垃圾焚烧全过程污染控制和风险管理薄弱环节。经国内研究机构及企业不断创新，无害化处置和资源化利用技术有了较大突破并涌现成功技术应用案例。但填埋技术和热处理技术还存在着技术难点，如飞灰在填埋前预处理过程缺乏统一的技术规范，对后期填埋存在安全隐患，高温热处理技术存在处置成本高、能耗高、二次飞灰等问题，技术的应用推广还需要进一步探索。

5 对策与建议

5.1 强化飞灰环境污染综合整治

结合开展焚烧行业严格执法和守法保障专项行动，将飞灰处理处置情况作为重点调查内容，全面掌握飞灰处理处置技术工艺、达标情况、管理制度、监测和执法等方面的现状。开展飞灰综合整治行动，要求地方政府、主管部门、企业落实主体责任，切实做好飞灰污染防治工作，对不达标不规范处理处置飞灰、飞灰贮存处置存在环境隐患的企业，采取严厉措施，限期整改；对严重污染环境的违法行为，依法进行查处。

5.2 强化飞灰污染防治的监督管理

严格按照危险废物管理制度要求，强化对飞灰产生、利用和处置的执法监管，依法整改、淘汰或关停不符合有关标准规范要求的飞灰处置设施。督促生活垃圾焚烧企业加强自行检测管理，按照国家规范自行或者委托第三方开展检测；督促生活垃圾焚烧企业加强信息公开和向公众开放，按要求及时公开生活垃圾焚烧飞灰的去向和处置方式等信息，强化社会监督，消除公众对飞灰处置的疑虑。

5.3 完善飞灰处理技术标准规范

住房和城乡建设部已组织编制完成《生活垃圾焚烧飞灰固化稳定化处理技术标准》，出台后将进一步规范生活垃圾飞灰处理工程设计、建设与运行管理行为。生态环境部着手修订GB 16889—2008《生活垃圾填埋场污染控制标准》，补充完善生活垃圾焚烧飞灰污染控制技术规范和技术政策。进一步针对飞灰资源化产品质量标准和污染控制标准开展研究，从全过程无害化管理的角度提出飞灰的污染防治要求。

5.4 深入研发及推广飞灰资源化利用技术

6 结语

随着生活垃圾焚烧发电技术的不断进步与应用，我国飞灰产生量逐年增加，其作为危险废物，资源化利用及处置过程环境风险较大。目前国内飞灰处理处置技术主要包括固化/稳定化、热处理、分离萃取及水热处理等技术。固化/稳定化技术—填埋及水泥窑协同处置是主流技术，热处理技术烧结陶粒已实现工程化应用，而熔融/玻璃化技术处于小规模处置试验阶段，推广应用有待进一步验证。低温热解技术成熟度不高，但可实现飞灰大规模处置，有望未来在解决我国飞灰处置中发挥重要作用。

在环境管理环节，应加强飞灰处理处置日常监督与管理，强化飞灰环境污染综合整治，建立生活垃圾焚烧企业、资源化利用与处置企业管理台账。加大飞灰资源化利用技术研发与投入，开发适用性广、稳定效果好的螯合稳定剂或开发能耗低的热处理技术等。持续完善飞灰资源化和无害化技术、方式以及相应的环境污染防控、产品质量与安全要求等相关标准制修订工作，规范利用处置行为，实现飞灰污染的有效防治。

由于我国飞灰高氯及高危险特性，飞灰的利用处置需要综合考虑环境风险、经济可行及社会影响。目前飞灰处置利用技术应用和管理存在诸多问题，应从源头上强化垃圾分类，在过程中重点开发/选择先进的焚烧技术、研发新的固化/稳定化药剂、研究新的利用处置途径和创新管理模式等，在经济成本和环境保护中寻找最佳平衡点。随着技术和管理的不断发展进步，充分发掘飞灰无害化、资源化利用潜力。