生活垃圾焚烧飞灰处置方法与综合利用探讨

李佳谣

（中环智慧环境有限公司，北京 100029）

引言

随着我国城市化进程的不断加快，人民生活水平的迅速提高，城市生产与生活过程中产生的垃圾也随之迅速增加，导致城市生活垃圾处理越来越困难，使得生活垃圾污染环境问题被社会各界广泛关注[1]。焚烧法作为生活垃圾处理的可行方法之一，可通过高温炉焚烧生活垃圾，使垃圾中可燃成分充分氧化并产生热量用于发电和供暖，具有减量效果好、处理彻底的优点，应用范围较广[2]。但由于生活垃圾中含有某些重金属，使得焚烧过程中燃烧排出的微小灰粒，即飞灰（又称粉煤灰或烟灰）中的重金属含量较高，如果对大量粉煤灰不加控制或处理就将其排放，不仅会造成大气污染，而且灰粉进入水体也会淤塞河道，其中的某些化学物质也会对生物和人体造成危害[3]。因此，为了合理有效地处置生活垃圾焚烧飞灰，并实现综合利用，本研究通过提取分离法和水洗脱除工艺进行垃圾焚烧飞灰重金属Pb 的浸出毒性和脱氯水洗预处理，使得水洗处理后的垃圾焚烧飞灰掺入水泥混凝土达到综合回收利用的要求。

1 生活垃圾焚烧飞灰处置方法

1.1 提取分离法

生活垃圾焚烧飞灰，在《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB 18485-2014）的相关规定中属于危险废物。焚烧飞灰约占生活垃圾焚烧灰渣总量的20%左右，通常情况下飞灰颗粒的粒径都小于100μm，且表面粗糙，具有较大的比表面和较高的孔隙率。生活垃圾焚烧飞灰的化学成分包括Cl、Ca、K、Na、Si、Al、O 等元素，主要化学成分为CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3，并且飞灰中常含有0.5%～3%高浓度的Hg、Pb、Cd、Cu、Cr 及Zn 等重金属，这些重金属不仅为非惰性物质，还以气溶胶小颗粒和富集于飞灰颗粒表面的形式存在，浸出毒性较高[4]。另外，生活垃圾焚烧飞灰中还含有少量的二噁英和呋喃，因此垃圾焚烧飞灰具有很强的潜在危害性，必须对其进行无害化处理后才能将其填埋或者综合回收利用。

提取分离法处置生活垃圾焚烧飞灰中的重金属是通过酸、碱提取或者生物、生物制剂提取，经过提取处理之后的飞灰和重金属可以分别进行综合回收利用。目前，提取生活垃圾焚烧飞灰重金属的方法，已在生活垃圾焚烧厂中实际运用，并取得了一定的效果。结合去除生活垃圾焚烧飞灰的浸出毒性的3 种方法，即水平振荡法、硫酸硝酸法、醋酸缓冲溶液法，研究碱金属化合物对飞灰中重金属Pb 的浸出毒性影响[5]，通过单因素实验分析对重金属Pb浸出毒性的直接影响。由于生活垃圾焚烧飞灰中约有20%～40%的氯含量，因而在生活垃圾焚烧飞灰处置时，易溶解的NaCl、KCl 等无机氯盐，容易浸出污染水体和重金属的污染物，使得生活垃圾焚烧飞灰综合回收利用过程变得困难。

1.2 水洗脱除工艺

为实现生活垃圾焚烧飞灰综合回收利用，采用水洗脱除工艺对飞灰进行脱氯预处理，可有效脱除飞灰中大量的氯盐。垃圾焚烧飞灰水洗脱氯预处理是指满足10min 水洗时间、110r/min 的振荡速率，以及1:10 的固液比条件，将水洗液经0.45um 滤膜进行真空抽滤。由于X射线衍射谱（X-ray diffraction，XRD）作为检查材料中存在的物相和各相含量的一种有效的检测手段，因而为了便于水洗液完成XRD 检测，抽滤之后的滤饼还要置于干燥箱中完成干燥处理，并在处理过后将其研磨，再过200 目筛子才能使用[6]。

2 生活垃圾焚烧飞灰综合回收利用处理

生活垃圾焚烧飞灰中的重金属经过提取处理后，在综合回收利用过程中，产物还需要达到满足较低成本与相关标准规定的2 点要求。考虑生活垃圾焚烧飞灰中主要的化学成分为CaO 5%、SiO245%～65%、Al2O320%～35%、Fe2O35%～10%，且含水率很低，灰飞表面粗糙、孔隙率较高，因此可在目前的建筑材料行业实现对生活垃圾焚烧飞灰的综合利用。

生活垃圾焚烧飞灰进行水洗预处理之后，掺合料为水洗飞灰也可以用于制作水泥胶砂，并使用飞灰烧结产物制备混凝土[7]。因此，生活垃圾焚烧飞灰作为建筑材料综合回收利用，可依据飞灰具有的胶凝特性，将其应用于混凝土中，不仅能降低混凝土的使用成本，还能提高混凝土的耐久性，避免环境污染，实现飞灰综合利用。本研究的实验材料采用普通硅酸盐P·O42.5 水泥，经过水洗预处理的水洗灰，细集料为ISO 标准砂和天然砂，粗集料为5～10mm 和10～20mm 碎石复配。制备之后，根据《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T 2419-2005）对生活垃圾焚烧飞灰水泥胶砂流动性进行测试[8]，研究的抗折强度，如式（1）所示。

研究的抗压强度，如式（2）所示。

为研究生活垃圾焚烧飞灰的浸出毒性，将28d 龄期的棱柱形水泥胶砂试件（规格为40mm×40mm×160mm）敲碎，然后按照《固体废物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》（HJ/T 299-2007）测试[9]；为探讨混凝土的性能，根据规范《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB 50081-2019），自制非标准立方体试件（规格为100mm×100mm×100mm）、非标准棱柱体试件（规格为100mm×100mm×400mm）为抗压试件，然后放入标准养护室分别养护3d和28d[10]。抗压强度计算结果应精确至小数点后一位，如式（3）所示。

针对抗折强度实验，抗折强度计算结果应精确至小数点后一位，如式（4）所示。

3 生活垃圾焚烧飞灰处置方法与综合利用的结果分析

CaO 对生活垃圾焚烧飞灰浸出毒性影响试验方案，是以CaO 添加浓度为0%作为基准，研究CaO 对飞灰中Pb 浸出毒性检测干扰。在不同添加浓度CaO 中，加入相同的10g 生活垃圾焚烧飞灰样品，检测飞灰浸出毒性。在硫酸硝酸法、醋酸缓冲溶液法和水平振荡3 种方法下，对比分析CaO 添加浓度对Pb 浸出毒性的影响，如图1 所示。

图1 不同方法下CaO 添加浓度对Pb 浸出毒性影响

在硫酸硝酸法下，当CaO 添加浓度增长到2%时，Pb 浸出毒性由2.16mg/L 逐渐减小至2.15mg/L；当CaO 添加浓度由2%增加至4%时，Pb 浸出毒性增加最快，随后慢慢达到稳定状态；当CaO 添加浓度由2%增加至10%时，Pb浸出毒性由2.15mg/L逐渐增加至2.45mg/L，与原灰相比，增大了13%。在醋酸缓冲溶液法下，Pb 浸出毒性随CaO 添加浓度增大先减少后增加，在CaO 添加浓度为2%时，Pb 浸出毒性最少为0.10mg/L；CaO 添加浓度为10%时，Pb 浸出毒性最多为1.80mg/L。在水平振荡法下，在CaO 添加浓度为4%时，Pb 浸出毒性降到最低，比原灰浸出液中的Pb 含量降低了4.4%。

图2 为经过水洗前后的生活垃圾焚烧飞灰XRD 谱。从图2 可以看出，水洗前的飞灰含有NaCl、KCl、Ca(OH)2、CaO、CaClOH 等较多氯盐结晶，水洗后的飞灰主要含有CaCO3、SiO2、Ca(OH)2、CaSO4等结晶相，且氯盐大部分都溶于水，因此水洗预处理可去除飞灰中的氯盐和碱性物质。而在水洗过程中CaSO4、CaCO3等难溶或微溶的物质难以被除去，水洗后的结晶峰强度明显增大。

图2 水洗前后生活垃圾焚烧飞灰XRD 谱结果对比

为探讨生活垃圾焚烧飞灰制备的水泥胶砂性能，按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）规定，用胶砂配合比为0.5 比例的水灰与1:3 比例的水泥:标准砂混合，制备标准水泥胶砂试件（规格为40mm×40mm×160mm）[12]。生活垃圾焚烧飞灰掺入量分别为5%、7.5%、10%、12.5%、15%，放入标准养护室分别进行3d、7d 和28d的养护，对比得到的抗压强度和抗折强度结果如图3 所示。图3a 中，随着生活垃圾焚烧飞灰掺量增加，与飞灰掺量0%时对比，其余不同比例飞灰掺量的水泥胶砂抗折强度都有所下降。养护3d，飞灰掺量为12.5%时，抗折强度最高为4.7MPa，比飞灰掺量0%时高了86.8%；养护28d，飞灰掺量为12.5%时，水泥胶砂抗折强度为7.4MPa。图3b 中，由于水化过程中会生成氯铝酸钙膨胀物导致水泥胶砂被破坏，随着生活垃圾焚烧飞灰掺量增加，与飞灰掺量0%时对比，其余不同掺量的水泥胶砂抗压强度都有所下降。养护3d 时，5%～15%飞灰掺量的水泥胶砂抗压强度稳定在19.7～20.3MPa；养护7d 时，10%飞灰掺量的水泥胶砂抗压强度最高为32.0MPa；养护28d 时,10%飞灰掺量的水泥胶砂抗压强度最高为42.8MPa,大于普通硅酸盐P·O42.5 水泥胶砂强度。

图3 不同生活垃圾焚烧飞灰掺量胶砂抗折强度和抗压强度对比

为了探讨生活垃圾焚烧飞灰混凝土的性能，比较5%、10%、15%、20%、25%、30%飞灰烧结产物掺量，分别进行3d 和28d 养护，得到混凝土抗折强度和抗压强度结果如图4所示。图4a 中，由于生活垃圾焚烧飞灰烧结产物表面存在孔洞，使其强度降低，因而随着飞灰烧结产物掺量增加，在养护3d 和28d时，混凝土抗折强度较飞灰烧结产物掺量0%强度低。养护28d 时，飞灰烧结产物掺量为20%，混凝土抗折强度为4.0MPa 小于C30混凝土4.5MPa 的抗折强度，此时烧结产物较脆，致使混凝土更容易断裂无法使用。图4b中，由于混凝土抵抗压碎的能力较弱，易被压碎，因而随着飞灰烧结产物掺量增加，与飞灰烧结产物掺量0%相比混凝土抗压强度较低。当养护28d，飞灰烧结产物的掺量达到20%时，其抗压强度为30MPa，超过C30 混凝土标准。

图4 不同烧结产物掺量混凝土抗折强度和抗压强度结果对比

为了验证生活垃圾焚烧飞灰烧结产物能否作为制作混凝土的材料，对焚烧飞灰烧结产物掺量为30%混凝土试件检测重金属的浸出浓度，Cd、Ni、Cu 均未检出，Zn、Pb、Cr 的检出结果如表1 所示。当焚烧飞灰烧结产物掺量为30%时，混凝土试件的重金属Zn 浸出液浓度由0.253mg/L 降至0.003mg/L，Pb 浸出液浓度由2.267mg/L 降至0.033mg/L，Cr 浸出液浓度由0.172mg/L 降至0.004mg/L，毒性明显减少，且飞灰中的重金属和其他有毒物质可转化为氯氧化物或络合物，并封闭在烧结产物中，逐渐硬化形成稳定性可降低飞灰的浸出毒性的固化体。因此，30%飞灰烧结产物掺量满足生活垃圾焚烧飞灰回收利用的环保安全性要求，可以回收综合利用。

表1 混凝土中重金属的浸出浓度（单位：mg/L）

结论

综上所述，实验采用提取分离法和水洗脱除工艺，对生活垃圾焚烧飞灰重金属Pb 的浸出毒性和脱氯水洗预处理，可使生活垃圾焚烧飞灰掺入水泥混凝土达到综合回收利用的要求。但由于时间限制，未能设置更多对照实验，未来可以继续改进，力争实现生活垃圾焚烧飞灰全部资源化利用。