垃圾焚烧飞灰处理技术研究

孙晶晶

（厦门市政环能股份有限公司，福建 厦门 361000）

0 前言

飞灰主要的物理特性是灰白色的颗粒状，表面积和孔隙率都比较大，主要的形状特点是棒状和角质状。它的化学成分主要包含铝、钙、硅等，在焚烧过程中重金属会在飞灰中富集，如处理不当将会造成环境污染[1]。此外，飞灰的腐蚀性能因为在烟气脱酸工艺中产生消石灰而变强。另外，飞灰中存在部分重金属和有机化合物，具有非常高的浸出毒性，加大了处置飞灰所产生污染物的难度，如果不经过处理就排放到环境中，就非常容易对大气和水体等造成二次污染，因此充分处理焚烧垃圾时所产生的飞灰尤为重要。

1 飞灰的产生和污染特性

1.1 飞灰的产生

飞灰是把垃圾焚烧后通过热回收利用和烟气净化系统所收集到的物质[2]。焚烧垃圾所产生飞灰量的多少同垃圾的类型、焚烧设备和处理工艺相关，通常是焚烧垃圾总量的3%～5%（垃圾分类好的城市飞灰产生量为2%～3%）。其主要物质及重金属含量分别见表1、表2。

表1 垃圾焚烧飞灰主要成分

表2 垃圾焚烧飞灰中重金属含量 （单位：ppm）

1.2 飞灰的污染特性

焚烧垃圾产生的飞灰中包含有毒有害物质，它们的主要污染特性如下。

（1）重金属：生活垃圾的成分非常复杂，在各种成分里包含部分重金属，其中飞灰重金属污染的主要元素是铅、镉和锌等。如果环境不利飞灰浸出时，其毒性会明显提升并导致污染。目前，生活垃圾中的电池、电器、半导体、镀金材料和颜料等是造成垃圾焚烧过程中产生重金属的主要来源[3]，随着垃圾分类的逐步完善，垃圾焚烧所产生的重金属将逐渐减少。

（2）二噁英：焚烧垃圾时会产生少量的二噁英等剧毒有机污染物。二噁英属于一类剧毒物质，大量的动物实验表明，低浓度的二噁英（PCDD）就会对动物产生致死效应。从职业暴露和工业事故受害者身上得到的一些二噁英对人体的毒性数据及临床表现来看，人们暴露在含有PCDD的环境中，可引起皮肤痤疮、头痛、失聪、忧郁、失眠等症，并可能导致染色体损伤、心力衰竭、癌症等症状。人们越来越重视二噁英造成的危害。

（3）溶解盐：飞灰包含质量分数达到20%的溶解盐，主要是钠、钾和钙的氯化物，如果处理不当既会造成地下水和附近区域的污染，同时大量的氯会导致其他污染物的溶解度增加并有可能影响到飞灰的固化和稳定化处理效果。

2 飞灰处理技术

2.1 化学药剂稳定法

化学药剂稳定法是指通过水将飞灰和一些化学药剂进行混合处理，把飞灰里含有的重金属转化为溶解性较低和低毒性的物质。化学药剂通过降低飞灰中的重金属总量和限制重金属的溶出减少重金属的浸出量，其主要通过将飞灰中的一些重金属溶解出来，减少飞灰中的重金属含量。另外，重金属和化学药剂会产生不溶的化合物，可以避免其在其他环境条件下溶解。使用无机药剂可以让飞灰的表面产生新的物质，这种物质具有限制飞灰内部的重金属溶出的效果，但是这种物质在pH值较低的环境中会被破坏，导致飞灰的重金属重新溶解。这时，利用硫脲等把可溶重金属物质转化为不可溶物质，能够确保重金属不会溶出。经过化学药剂处理过的重金属浸出量都可以满足浸出的要求，但在特殊情况下飞灰的处理也会出现不达标的现象。因此，国内在使用化学药剂处理飞灰时，基本都会加入一定比例的水泥对稳定化的飞灰进行进一步固化，增强药剂固化体的强度，进一步降低极端条件下重金属浸出的风险。

2.2 高温处理

飞灰的高温处理就是对飞灰进行玻璃化或玻璃陶瓷化处理，在高温条件下将飞灰进行熔融固化，有效分解飞灰中的有毒有机化合物[4]。在高温下重金属会被禁锢在二氧化硅网状晶格里，使其状态稳定，同时飞灰的体积和重量经高温处理后会减少。研究人员发现，在不同的升温速率和颗粒直径下的熔融效果是有很大差距的，在较高的升温速率环境中，较大的颗粒直径具有较好的生成力学性能。相关研究者还发现，很多金属都具有较强蒸发率，并且二氧化硅网状晶格对重金属有很大的禁锢作用。

目前，高温处理的方式主要有回转窑处理资源化工艺（如天津市固废处置中心项目）、等离子体资源化工艺（如海安市等离子体示范工程项目）等。

2.3 飞灰水洗+水泥窑协同处理

在国家政策的支持下，水泥窑协同处理飞灰近几年发展势头良好。水泥窑协同处理飞灰主要利用垃圾焚烧飞灰取代部分水泥原料，作为原料投加到水泥生产工艺中，从而达到节约成本、治理废物的双重目的。因为飞灰中含有大量的氯离子，对水泥灰浆后期的硬度发展有着很大的抑制作用，并且飞灰中的盐分及重金属会对水泥品质造成不良影响，所以飞灰在进入水泥窑前需要进行水洗，尽可能除掉飞灰中存在的氯离子、可溶性盐及重金属类。

飞灰水洗工艺可简要分为“洗、提、蒸”三步法。“洗”指将飞灰加水制浆后进行多级逆流漂洗脱氯除盐，水洗后的湿灰经压滤脱水进入水泥窑协同处置；“提”是对滤液进行多级加药处理、精制提纯，去除钙、镁离子、重金属等杂质；“蒸”是将提纯后的滤液通过MVR系统蒸发结晶，制得氯化钾、氯化钠等工业盐。

飞灰水洗+水泥窑协同处理技术近几年在某些城市相继使用，比如浙江建德、浙江桐庐、浙江宁波、江西弋阳、安徽芜湖、福建大田等。

2.4 飞灰处理技术对比分析

几种飞灰处理技术的比较见表3。

表3 飞灰处理技术的比较

3 资源化利用方向

近年来，飞灰的处理方向正在由无害化转向资源化，因是有毒有害物质，对飞灰进行资源化利用时要综合考虑3点要素：①适合性，要考虑飞灰的物理化性质对特定加工过程的影响和适用性；②使用性能，唯有技术经济最佳的工艺技术才会被大范围接受；③对周遭环境的影响，如果其毒性是无法处理的，要进行危险性评估，防止在进行资源化利用时产生二次污染[5]。目前，飞灰的资源化利用主要有以下几个方向。

根据国家对医学本科院校教学和实习要求，以及西南医科大学临床教学基地的规定，结合本科室的实际情况，制定脊柱外科临床医学本科学生实习阶段培训内容（本科室常见疾病临床特点、查体内容、常规治疗方案、可能并发症、临床可能的预后情况等）；培训方法（带教具体步骤及实施方案）和培训目标（学生掌握本科室常见病的临床特点、查体方法、治疗方案、可能并发症、临床可能的预后情况，了解少见疾病临床特点、治疗措施等）。

3.1 飞灰制造混凝土

飞灰也可用于生产混凝土。有学者对飞灰单独进行了具体试验，并混合矿渣和稻壳灰等，对各种配料比、混凝土的力学和重金属浸出及耐久性能进行测试。通过试验得知，只加入飞灰的混凝土具有良好的性能，而且浸出值也满足要求，可以当作普通混凝土的材料来使用。通过添加飞灰合成的高强混凝土体积稳定性和没添加的基本一样，重金属浸出浓度也符合要求，并且不会对施工的安全使用造成不良影响。

3.2 飞灰烧结成陶粒

把飞灰和废玻璃作为主要的原料利用烧结技术制作成玻璃陶粒，实现飞灰同废玻璃的资源化利用和无害化处理。有学者开展了用污泥和飞灰一起燃烧制作陶粒的研究，通过试验得知，这两者内的多种重金属都被陶粒有效固化，浸出浓度符合GB/T 5085.3—2007的要求。此外，部分学者正在开展飞灰与厨余垃圾厌氧发酵沼渣混合热解后制陶的可能性，这些研究都为城市垃圾资源化利用提供了新途径。

3.3 土壤改良剂

飞灰呈碱性，具有较大的酸缓冲容量，能够代替土壤中的石灰，达到调节土壤酸碱度的目的。但将飞灰作为土壤改良剂使用时，要对加入量进行严格控制，避免造成土壤污染。

3.4 飞灰制除磷材料

飞灰颗粒大小不均，表面粗糙，具有较大的比表面积和较高的孔隙率，还含有一定量的钙、铝、铁盐，其可溶性重金属盐也可以为磷酸根的沉淀提供阳离子，非常适合用作除磷吸附剂[6]。但是，粉末飞灰在运输过程中可能会造成粉尘污染且吸附完成后难以从污水中收集，因此这限制了飞灰作为吸附剂的实际应用[7]。目前，有学者提出了飞灰重金属螯合固定与制备可漂浮轻质颗粒吸附材料的耦合技术，有望破解飞灰作为吸附剂应用的难题。

4 未来发展趋势分析

通过表3分析，我们可以对焚烧飞灰处理技术的现状和发展趋势有一个比较清晰的认识。

（1）目前我国飞灰最主要的处理方式是固化/稳定化-填埋处理技术，但是采用这种处理技术时需要占用非常多的土地资源，而且仍然含有二噁英和重金属，会造成潜在的环境污染风险。将来相关处理标准和技术得到逐渐完善和提升，这种处理技术可以在土地资源比较宽裕且飞灰产生量较少的中小型城市中应用。

（2）高温烧结制备陶粒处理技术可以把飞灰中的二噁英降解掉95%以上，经过烧结后所得的物质是轻质致密固体，其可以当作陶粒使用，但是这种处理工艺比较难，烧结时所产生的废气不好处理，会产生比较多的二次飞灰，还存在较多的技术难题需要研究攻关。

（3）采用等离子体熔融处理技术能够把飞灰中的二噁英和其他有机污染物完全分解，最后产生可以直接做建材化利用且无毒无害的玻璃体渣，但是这种处理技术的投资成本比较高（约1万元/t）、处置成本高（约2 400元/t）、技术开展难度也比较大，另外还会产生二次飞灰和废气处理等问题，所以现在仅仅是小规模应用，要得到大范围的应用还需要较长的时间。

（4）水泥窑协同处理技术是通过水泥窑对飞灰进行处理，该技术不仅可以达到飞灰的无害化处理目的，还实现了飞灰的资源化利用，在解决垃圾处理问题的同时，也推动了水泥行业向绿色转型发展，社会效益和环境效益显著。水泥窑协同处理飞灰技术成熟，具有完善的体系标准，是大中型城市水泥厂的首选处理技术，具有广阔的发展前景[8]。

5 结语

随着生活垃圾量逐年增加，垃圾焚烧项目“三废”处理日益受到关注，特别是飞灰中十分复杂的组分和有毒有害物质，更是受到社会各界重点关注。因此对飞灰进行无害化处置，做好减量化控制具有重要意义。虽然目前对传统的飞灰处理技术研究比较多，但是仍难以解决存在各种问题，因此对飞灰处理的研究要坚持不懈。各地在做好垃圾分类、控制源头减量的同时，还要结合土地资源、财政能力、产业布局等情况积极研究适合当地的飞灰处理方式，让飞灰得到合理处置，生态环境得到优化。