福建省垃圾焚烧飞灰的理化特性分析

江佩泽

（福建省锅炉压力容器检验研究院 福建福州 350008）

随着社会经济发展、城镇化进程和居民生活消费水平不断提高，生活垃圾也随之逐年增加。垃圾焚烧由于具有减量化、资源化与无害化等优势，已成为国内处理生活垃圾的主要方式。国家大力支持垃圾焚烧发电产业发展，发布了一系列鼓励政策，为垃圾焚烧发电行业提供良好的发展环境。自2020 年以来，福建省已经新增加了35 台垃圾焚烧锅炉。

在垃圾焚烧处理过程中，会产生酸性气体、颗粒、重金属挥发物、二噁英等污染物质，其中酸性气体在烟气净化系统中被中和剂吸收生成盐类，重金属挥发物、二噁英则十分容易被吸附在颗粒物上。生活垃圾焚烧后主要有2 种灰分：炉渣（底灰）和飞灰。飞灰主要是生活垃圾在焚烧处理过程中，通过烟气净化系统的方式进行收集与处理之后所产生的残留物，这些残留物属于危险废物［1］。飞灰处理已有各种不同的技术，如化学药剂稳定化［2］、固化处理［3］、高温处理、浸提萃取法等。而不同区域的垃圾焚烧飞灰，其理化性质也各不相同，对处理技术的适应性、处理效果等也有很大的影响。

飞灰的基本理化性质是研发其稳定/固化技术的基础，可为福建省生活垃圾焚烧飞灰处置起到重要的指导作用。本文针对福建省3 个不同地区的垃圾焚烧电厂飞灰样品的特性进行分析，分别讨论3 类飞灰的微观形貌、元素组成特性、重金属浸出特性等，为后续垃圾焚烧飞灰无害化处理及资源化利用提供必要的基础数据和理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用垃圾焚烧飞灰样品分别取自福建省内3 个不同地区的垃圾焚烧电厂，福州地区某垃圾焚烧厂为飞灰A，该焚烧锅炉的型号为LC500-45.4-4.0/400，生产厂家为江联重工股份有限公司；泉州地区某垃圾焚烧电厂为飞灰B，锅炉型号SLC600-3.82/450，生产厂家为南通万达锅炉有限公司；南平地区某垃圾焚烧电厂为飞灰C，锅炉型号HG-SLC600-6.4/450-4，生产厂家为哈尔滨锅炉厂有限责任公司。

1.2 试验方法

1.2.1 微观形貌

飞灰的微观形貌采用美国FEI 场发射扫描电镜（SEM）进行观察，型号为QUANTAFEG250。在SEM 测试前，需要对样品进行预处理，预处理方法如下：将待测样品放入烘箱中70 ℃烘干30 min，取约1 g 样品涂抹在粘有导电胶的样品底座上，后用洗耳球吹走未粘住的飞灰样品，送入电镜进行观察。

1.2.2 元素成分

在对飞灰进行SEM 观察后，使用SEM 联用的英国牛津型号为Inca Energy 250 X-MaxN 20 能谱仪（EDS）对飞灰的元素成分进行分析。

1.2.3 重金属总量测试

按照《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166—2004）附录D.1.1［4］的普通酸分解法制得消解液，使用电感耦合等离子体质谱（ICP）仪测试重金属总含量。制备步骤如下：①取0.5 g 烘干样品于聚四氟乙烯坩埚中，用几滴水湿润后加入10 mLHCl 溶液（ρ=1.19 g/mL），电热板加热蒸发至约5 mL 时加入15 mL HNO3溶液（ρ=1.42 g/mL）；②继续水浴加热蒸发至近黏稠状，加入10 mL HF 溶液（ρ=1.15 g/mL），经常摇动坩埚加热2 h，加入5 mL HClO4溶液（ρ=1.67 g/mL）；③加热至白烟冒尽，倾斜坩埚时呈不流动黑色黏稠状，用稀酸溶液冲洗坩埚内壁，温热溶解残渣，冷却后定容至100 mL，得到消解液。

1.2.4 重金属浸出毒性测试

按照《固体废物浸出毒性浸出方法 醋酸缓冲溶液法》（HJ/T 300—2007）［5］得到浸出液，使用美国铂金艾尔曼的电感耦合等离子体质谱仪（ICP）测试重金属浸出量。

2 结果与讨论

2.1 飞灰的表面微观形貌

使用场发射扫描电子显微镜（SEM）观察飞灰孔隙及表面微观结构并进行分析。图1 为3 种试验样品飞灰放大1 000 倍的SEM 照片。

图1 飞灰A、B、C 放大1 000 倍的SEM 照片

由图1 可知，3 种飞灰的外观能观察到其中含有大量的结晶态和一些不规则状颗粒，呈球状、椭球状、片状层叠或立方体。在SEM 放大1 000 倍下，飞灰A 颗粒松散，颗粒均呈球状、椭球状，分布均匀，飞灰颗粒粒径在10～25 μm 之间；飞灰B 颗粒有一定的团聚现象，大部分颗粒呈球状、椭球状，部分颗粒呈立方体，飞灰颗粒粒径在5～50 μm 之间且分布不均匀，大颗粒表面可见疏松多孔结构；飞灰C 颗粒松散细小呈球状，分布均匀，飞灰颗粒粒径都在10 μm 以下。

2.2 飞灰的元素分析

用能谱分析仪（EDS）对3 种焚烧飞灰颗粒表面的元素组成进行分析。图2 显示了3 种飞灰的元素分析结果。

图2 3 种飞灰样品的能谱图

根据EDS 的分析结果，得出3 种飞灰中的元素重量与原子的百分比，如表1 所示。

表1 飞灰A、B、C 的EDS 分析结果（%）

由表1 可知，飞灰A 的元素组成中，元素O 与Ca之和占85%以上，还含有少量的Si（3.2%）、Cl（2.8%）、Mg（2.5%）、S（1.3%）；飞灰B 的元素组成中，元素O 与Ca 之和占90%以上，还含有少量的Cl（4.4%）、Mg（1.0%）、Na（0.8%）、S（0.7%）等其他元素；飞灰C 的元素组成中元素O 与Ca 之和占85%以上，还含有少量的Cl（4.7%）、S（1.8%）。

从元素成分发现O 元素占1/2 以上，再结合焚烧炉内为富氧环境的状况，推断飞灰中的成分大多数都是以金属氧化物和非金属氧化物的形式存在。3 种飞灰的元素组成以O 元素和Ca 元素为主，这是由于在垃圾焚烧过程会产生大量SO2和HCl 等酸性气体，为了不将这些有毒有害气体排入环境，需要在烟气回收系统中添加脱硫剂，脱硫剂的主要成分为石灰［6］，进而导致飞灰中O元素和Ca 元素含量较高。

2.3 飞灰中重金属总量分析

表2 显示了飞灰中重金属的含量。

表2 样品中重金属含量与土壤背景值对比 单位：mg／kg

由表2 可知，飞灰A 重金属总量为3 466 mg/kg，约占飞灰质量的0.34%；飞灰B 重金属总量为5 687 mg/kg，约占飞灰质量的0.56%；飞灰C 重金属总量为3 600 mg/kg，约占飞灰质量的0.36%。飞灰中重金属含量与不同地区垃圾的成分不同密切相关，A 厂的垃圾来源主要是城市内的生活垃圾，其中含的废锌、废铅蓄电便是Pb、Zn 重金属元素的来源；B 厂的垃圾来源大部分是城市内生活垃圾，又因厂区在工业园区内，掺烧了工业废料、建筑垃圾和油漆涂料，故样品B 的各类重金属含量整体偏高；C 厂位于闽北地区，绿化面积占比是全省最高，在焚烧生活垃圾的同时还掺烧了城市绿化废料，包括有树叶、树枝、树根和干草，所以样品C 中的重金属含量偏低。3个样品的检测结果与土壤平均值范围相比较，Cr、Ni 的含量在参考范围内，Pb、Cu、Zn 的含量远超参考值，因此飞灰在填埋和资源化利用前需要进行无害化处理，否则对生态环境有潜在风险。

2.4 重金属浸出毒性

表3 为按照《固体废物浸出毒性浸出方法 醋酸缓冲溶液法》（HJ/T 300—2007）得到A、B、C 3 种飞灰样品浸出液的重金属浸出量，以及《生活垃圾填埋污染控制标准》（GB 16889—2008）［7］中规定的浸出液污染物质量浓度限值。醋酸缓冲溶液法飞灰在进入卫生填埋场后，重金属受渗滤液影响［8］，当浸出液中任何一种危害成分的质量浓度超过规定的限值，则该样品不能直接进入生活垃圾填埋场进行填埋处置。

表3 样品中重金属浸出浓度 单位：mg／L

从表3 的数据中可以看出，飞灰C 的重金属浸出量较低，这与其较低的重金属总量有关。整体上来看，A、B、C 3 种飞灰样品Cr 的浸出量低于限值，Ni 的浸出量在限值附近，而Pb、Cu、Zn、As 的含量都超过了标准中的规定，因此，必须对3 种飞灰样品进行稳定化、无害化处理方可进入生活垃圾填埋场进行填埋处置。

3 结论

（1）3 种飞灰的外观能观察到其中含有大量的结晶态和一些不规则状颗粒，呈球状、椭球状、片状层叠或立方体，试样A、C 颗粒松散，试样B 颗粒有一定的团聚现象；试样A 粒径在10～25 μm 之间，试样B 有粒径在50 μm的颗粒，试样C 粒径在10 μm 以下。

（2）3 种飞灰元素组成以Ca 和O 为主，这2 类元素占85%以上，其余部分元素有Cl、S、Mg、Si 等。

（3）3 种飞灰中的重金属含量与土壤平均值范围相比较，Cr、Ni 的含量在参考范围内，Pb、Cu、Zn 的含量远超参考值，需要对其进行稳定化、无害化处理。

（4）3 种飞灰重金属浸出量不符合《生活垃圾填埋污染控制标准》（GB 16889—2008）的要求，属于高浸出毒性的危险废弃物，不能直接进入生活垃圾填埋场进行填埋处置。