城市生活垃圾焚燒灰渣的資源化利用
摘要:近年來(lái)，城市化發(fā)展的需要使得我國(guó)不少城市開(kāi)始或計(jì)劃興建大型生活垃圾焚燒廠。但是由于目前投產(chǎn)的城市生活垃圾焚燒廠很少，因此國(guó)內(nèi)有關(guān)焚燒灰渣資源化利用的研究和工程實(shí)例不多。本文以國(guó)外城市生活垃圾焚燒灰渣資源化利用現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，討論了灰渣利用的主要途徑：① 石油瀝青路面的替代骨料；② 水泥/混凝土的替代骨料；③ 填埋場(chǎng)覆蓋材料；④路堤、路基等的填充材料。已有的工程實(shí)踐證明，只要控制處理得當(dāng)，這些灰渣資源化利用可以不對(duì)人類健康和環(huán)境產(chǎn)生不利的影響。此外，本文也對(duì)灰渣資源化利用在環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和工程性質(zhì)要求方面的規(guī)定及其采取的處理方法作了簡(jiǎn)單的介紹。本文提出，底灰經(jīng)預(yù)處理后資源化利用，而飛灰經(jīng)穩(wěn)定化處理后填埋，是今后比較適合我國(guó)國(guó)情的灰渣管理策略。
關(guān)鍵字:城市生活垃圾,焚燒灰渣,底灰,飛灰,資源化利用
為適應(yīng)城市化發(fā)展需要和緩解日益增加的城市生活垃圾處置壓力，近年來(lái)我國(guó)已有不少城市，如上海（至2002年底，上海將分別有兩座大型生活垃圾焚燒廠開(kāi)始運(yùn)行投產(chǎn)）、常州等，開(kāi)始或計(jì)劃興建大型生活垃圾焚燒廠。焚燒可大大減少生活垃圾的量（減少90%左右的體積），但仍有20%~30%的質(zhì)量留在了灰渣當(dāng)中。如此大量灰渣的產(chǎn)生，將給其處理處置帶來(lái)困難。為節(jié)省日益緊張的填埋場(chǎng)地，降低灰渣的處理處置費(fèi)用，焚燒灰渣的資源化利用將是比較符合中國(guó)實(shí)際的一個(gè)可行方法。但目前我國(guó)的生活垃圾焚燒廠較少，有關(guān)灰渣資源化利用的研究和實(shí)例不多，如何有效地利用這些即將產(chǎn)生的灰渣而又不至于對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不利影響，是我們現(xiàn)在必須面對(duì)的問(wèn)題。
1 概述
城市生活垃圾焚燒（MWC）灰渣根據(jù)其收集位置的不同，主要可分為底灰和飛灰。底灰一般包括爐排渣（grateash）和爐排間掉落灰（grate siftings），有些焚燒廠也將鍋爐灰與爐排渣混合收集并處理處置。底灰占了灰渣總量的80%左右（重量計(jì)），主要由熔渣、黑色及有色金屬、陶瓷碎片、玻璃和其它一些不可燃物質(zhì)及未燃有機(jī)物組成。飛灰是指在煙氣凈化系統(tǒng)（APC）和熱回收利用系統(tǒng)（如節(jié)熱器、鍋爐等）中收集而得的殘余物，約占灰渣總量的20%左右，其中的APC飛灰包括煙灰（在焚燒室內(nèi)產(chǎn)生并排出，在加入化學(xué)藥劑前被去除的顆粒物，如布袋除塵室飛灰）、加入的化學(xué)藥劑及化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，其物理和化學(xué)性質(zhì)隨焚燒廠煙氣凈化系統(tǒng)的類型不同而有所變化。
爐排渣的可浸出重金屬（如Pb、Cd、和Hg等）和溶解鹽的濃度在各種灰渣中基本上是最低的，其物理化學(xué)和工程性質(zhì)與輕質(zhì)的天然骨料相似；爐排間掉落灰的細(xì)顆粒含量高，因而元素Pb和Al的含量較高；鍋爐灰的易揮發(fā)金屬（如Cd、Zn）的含量有時(shí)會(huì)比較高；APC飛灰的溶解鹽含量很高（40%~60%，重量計(jì)），可浸出重金屬（Cd、Pb、Zn和Hg等）的濃度也比底灰要高，并且含有微量有機(jī)污染物（dioxin、呋喃等），因其所含的細(xì)顆粒較多，使之持水量高，易凍脹又難壓實(shí)。因此，在目前，不含爐排間掉落灰和鍋爐灰的底灰被認(rèn)為是最有利用價(jià)值的部分。
2 國(guó)外灰渣的資源化利用情況
MWC灰渣的資源化利用在美國(guó)、日本和歐洲已有幾十年的歷史了。為了合理地處置日益增加的焚燒灰渣，減輕填埋場(chǎng)場(chǎng)地緊張的壓力或省去昂貴的填埋費(fèi)用，或?yàn)榱私鉀Q本國(guó)天然骨料短缺的問(wèn)題，很多國(guó)家在幾十年前就開(kāi)始從資源利用和環(huán)境影響兩方面考慮，研究灰渣資源化利用的可行性，力求在經(jīng)濟(jì)成本與環(huán)境要求中找到最佳平衡點(diǎn)，為灰渣提供既能減少處理處置費(fèi)用，又不至于對(duì)環(huán)境造成不利影響且又技術(shù)可行的管理策略。
目前在歐洲一些國(guó)家（如英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、荷蘭、和丹麥等）和加拿大，以及日本大部分的生活垃圾焚燒廠，其底灰和飛灰都是分別收集、處理和處置的，我國(guó)也要求分別收集；而在美國(guó)，底灰和飛灰是混合收集、處理和處置的，因此被稱作混合灰渣。
底灰是目前灰渣資源化利用的主要考慮對(duì)象，但也有一些例外。如在荷蘭，有小部分飛灰被用作瀝青的細(xì)骨料；在美國(guó)，混合灰渣也被考慮資源化利用。目前國(guó)際上灰渣的資源化利用途徑主要有：①石油瀝青路面的替代骨料；② 水泥/混凝土的替代骨料；③ 填埋場(chǎng)覆蓋材料；④路堤、路基等的填充材料等。如果考慮其利用位置，主要是被用作陸地水泥基及瀝青基工程（如道路、停車場(chǎng)等）和海洋建筑工程（如人工暗礁、護(hù)岸等）。國(guó)外MWC灰渣資源化利用的情況見(jiàn)表1。
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3 灰渣的資源化利用用途及其環(huán)境影響
3. 1 石油瀝青鋪裝路面的替代骨料
MWC底灰或混合灰渣，經(jīng)篩分、磁選等方式去除其中的黑色及有色金屬并獲得適宜的粒徑后，可與其它骨料相混合，用作石油瀝青鋪面的混合物。這在美國(guó)、日本及歐洲一些國(guó)家均有使用。
從70年代至80年代初，美國(guó)聯(lián)邦公路管理局（FHWA）分別在休斯敦、華盛頓和費(fèi)城等地，成功地完成了至少六項(xiàng)的含混合灰渣（來(lái)自物質(zhì)焚燒爐，Mass Burn facilities）的瀝青鋪裝示范工程，這些灰渣被分別用于道路的粘結(jié)層、耐磨層/表層和基層。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灰渣用于粘結(jié)層或基層時(shí)，灰渣最佳含量不宜超過(guò)20%；用于表層時(shí)，不宜超過(guò)15%。為避免灰渣會(huì)對(duì)瀝青產(chǎn)生較高且不均勻的吸附，其熱灼減率（LOI）不能大于10%。并且，示范工程的測(cè)試結(jié)果表明，只要處置得當(dāng)，灰渣瀝青利用并不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。
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通過(guò)對(duì)底灰-瀝青混合物滲濾液9年的跟蹤測(cè)試，研究者發(fā)現(xiàn)即使用保守的方法估計(jì)（當(dāng)重金屬濃度低于檢測(cè)限時(shí)，以檢測(cè)限值作為該重金屬的浸出濃度），底灰中Pb、Cd、Zn和其它成分的9年累計(jì)釋放量也仍然是很低的。研究者們也對(duì)某種用于瀝青中的商品化灰渣骨料（Boiler Aggregate TM，美國(guó)工程材料公司制造，由去除黑色及有色金屬后的底灰制成）利用的預(yù)期生命周期及其對(duì)人類健康和環(huán)境的影響等進(jìn)行了綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果認(rèn)為：只要采用適當(dāng)?shù)墓芾砑夹g(shù)，該骨料瀝青利用的所有健康風(fēng)險(xiǎn)均低于美國(guó)環(huán)保局認(rèn)為的可接受風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)值；骨料中最有可能造成潛在危害的元素為Pb，但其危害程度也低于實(shí)施中的健康標(biāo)準(zhǔn)；該骨料的瀝青利用不會(huì)對(duì)人類和環(huán)境造成不可接受的影響。
3. 2 水泥混凝土的替代骨料
在美國(guó)和荷蘭，底灰（或混合灰渣）被用作混凝土中的部分替代骨料。最常見(jiàn)的是將底灰、水、水泥及其它骨料按一定比例制成混凝土磚，這在美國(guó)已有商業(yè)化應(yīng)用。1985年起，美國(guó)Stony Brook大學(xué)海洋科學(xué)研究中心廢物管理所（WMI）開(kāi)始評(píng)估穩(wěn)定后MWC灰渣的各種海洋和陸地利用的可行性。他們?cè)贚ong Island Sound海底，用穩(wěn)定后焚燒灰渣制成的水泥磚建成了兩座人工暗礁。在6年實(shí)驗(yàn)時(shí)間里，研究表明并無(wú)有機(jī)或無(wú)機(jī)的有毒有害成分從焚燒灰渣水泥磚中滲出到環(huán)境中去。然后，他們進(jìn)行了一系列的研究，評(píng)價(jià)MWC灰渣作為建筑用水泥替代骨料的可行性。結(jié)果他們用幾個(gè)能源回收廠的焚燒灰渣制成了符合或超過(guò)美國(guó)材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM）的水泥磚，證明了灰渣建材利用的技術(shù)可行性。此外，WMI還做了一個(gè)用灰渣磚建造船庫(kù)的示范工程，在這個(gè)項(xiàng)目里，他們將350 噸MWC灰渣（100噸混合灰渣，250噸底灰）與硅酸鹽水泥混合，用傳統(tǒng)制磚工藝將其制成標(biāo)準(zhǔn)空心磚，然后用此磚建成27米長(zhǎng)、18米寬、7米高的船庫(kù)。在建成后的30個(gè)月中，研究者周期性地收集船庫(kù)里的空氣樣品進(jìn)行測(cè)定（TSP、顆粒態(tài)和氣態(tài)PCDD/PCDF、揮發(fā)和半揮發(fā)有機(jī)物及揮發(fā)性Hg等）并與周圍大氣樣品做比較分析，與船庫(kù)圍墻接觸的雨水樣品及船庫(kù)建成前后的土壤樣品也被采集用以分析其中的微量元素。結(jié)果表明：船庫(kù)內(nèi)的空氣質(zhì)量與周圍大氣相同；灰渣中的環(huán)境相關(guān)污染物能被有效地截留于水泥基質(zhì)中；工程測(cè)試還表明該灰渣磚與標(biāo)準(zhǔn)混凝土磚的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)。
3. 3 填埋場(chǎng)覆蓋材料
混合灰渣用作填埋場(chǎng)覆蓋材料是美國(guó)目前用的最多的資源化利用方式。
由于填埋場(chǎng)地自身的有利衛(wèi)生條件：含環(huán)境保護(hù)設(shè)施如防滲層及滲濾液回收系統(tǒng)等，灰渣因重金屬浸出而對(duì)人類健康和環(huán)境的不利影響可以得到很好的控制；灰渣若用作填埋場(chǎng)覆蓋材料，可不必進(jìn)行篩選、磁選、粒徑分配等預(yù)處理工藝。因此在經(jīng)濟(jì)上、環(huán)境上和技術(shù)上，灰渣用作填埋場(chǎng)覆蓋材料均是一種非常好的選擇。
通過(guò)對(duì)專用混合灰渣填埋場(chǎng)滲濾液的分析表明，滲濾液中的重金屬濃度均低于毒性浸出測(cè)試（TCLP）最大允許濃度，灰渣樣品中的 2, 3, 7, 8-TCDD毒性當(dāng)量低于美國(guó)疾病控制中心（CDC）推薦的居住區(qū)土壤限值（1ppb），且土樣中的dioxin濃度也低于此限值（1ppb），土樣中重金屬濃度不超過(guò)背景值。但需引起注意的是，灰渣填埋場(chǎng)滲濾液中的溶解鹽濃度較高，常高出飲用水標(biāo)準(zhǔn)值幾個(gè)數(shù)量級(jí)以上。因此，在將底灰用作填埋場(chǎng)覆蓋材料（因?yàn)榈谆抑械娜芙恹}含量較低，而飛灰則高出許多）時(shí)，需監(jiān)測(cè)其滲濾液中的溶解鹽情況。
灰渣運(yùn)輸、裝載、卸載和覆蓋時(shí)，易產(chǎn)生飄塵。因此研究者也對(duì)其做了分析測(cè)試和評(píng)估。他們認(rèn)為，灰渣在運(yùn)輸、處理、貯存、裝載和卸載過(guò)程中產(chǎn)生的飄塵不會(huì)危害操作工人的健康。
3. 4 路基、路堤等的建筑填料
由于目前填埋庫(kù)容的緊張、重新選址的困難和填埋費(fèi)用的昂貴，以及天然骨料缺乏的壓力，底灰用作停車場(chǎng)、道路等的建筑填料，成為歐洲目前灰渣資源化利用的主要途徑之一，在美國(guó)也有一些示范工程應(yīng)用。底灰的穩(wěn)定性好，密度低，其物理和工程性質(zhì)與輕質(zhì)的天然骨料相似，并且焚燒灰渣容易進(jìn)行粒徑分配，易制成商業(yè)化應(yīng)用的產(chǎn)品，因此使之成為一種適宜的建筑填料。歐洲多年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，這種灰渣資源化利用方式是成功的。
3. 5 飛灰的資源化利用
上述幾種灰渣資源化利用方式基本上是針對(duì)底灰或是混合灰渣的。飛灰一般經(jīng)穩(wěn)定化處理后，送至填埋場(chǎng)填埋。但目前也有一些飛灰利用的嘗試。如在荷蘭，處理后ESP飛灰被用作瀝青的細(xì)填料；已有大約50000噸的APC飛灰在中試規(guī)模的試驗(yàn)中，被用于采礦業(yè)，用作礦坑填料和密封材料。飛灰利用后可能造成的環(huán)境影響，尚有待進(jìn)一步研究與證實(shí)。
4 灰渣利用的規(guī)定及相應(yīng)的處理措施
灰渣的資源化利用已被證實(shí)是可行的，但由于灰渣中也含有一些有毒有害的污染物，如重金屬（主要來(lái)自生活垃圾。通過(guò)焚燒，家庭垃圾中33%的 Pb、92%的Cd和45%的Sb遷移至飛灰中）、dioxin、呋喃等，直接利用可能會(huì)對(duì)人類健康和環(huán)境造成不利影響；并且未經(jīng)處理的灰渣不一定能滿足建筑材料所規(guī)定的技術(shù)要求，因此，灰渣在利用前，需進(jìn)行預(yù)處理，有時(shí)還需進(jìn)行固化/穩(wěn)定化處理（主要為飛灰），滿足一定要求后方可利用。表2、 表5列出了國(guó)外灰渣資源化利用前需滿足的部分環(huán)境和技術(shù)要求。
目前的灰渣預(yù)處理技術(shù)主要有：篩選（調(diào)整粒徑范圍），磁選（去除黑色金屬，主要為鐵），渦流分選（去除有色金屬），老化/風(fēng)化一至三個(gè)月 （降低溶解鹽浸出濃度，改善其物理化學(xué)性質(zhì)）。處理技術(shù)有：提取/回收，玻璃化、熔融等熱處理法，固化/穩(wěn)定化（水泥固化、瀝青固化、石灰穩(wěn)定、化學(xué)藥劑穩(wěn)定法等）和蒸發(fā)結(jié)晶（去除Hg）等。
除對(duì)灰渣進(jìn)行處理以改善其利用可能外，對(duì)其利用的環(huán)境條件也有所限制。如丹麥，灰渣用于鋪裝路面或廣場(chǎng)時(shí)，就要求利用地距離飲用水源大于20米以上并高于最高地下水位，灰渣層最大平均厚度不超過(guò)1米，最大厚度不得超過(guò)2米。
此外，通過(guò)改進(jìn)焚燒設(shè)施，優(yōu)化焚燒控制條件，提高完全燃燒條件，也可降低底灰中的有機(jī)污染物的含量，并提高有害元素在焚燒爐不同物流中的分離程度；通過(guò)將飛灰、底灰分類收集和爐排渣與爐排間掉落灰分開(kāi)收集以回收利用爐排渣等方式，也可有利于灰渣的資源化利用。
目前國(guó)際上灰渣的資源化利用途徑主要有：① 石油瀝青路面的替代骨料；② 水泥/混凝土的替代骨料；③ 填埋場(chǎng)覆蓋材料；④路堤、路基等的填充材料等。已有的研究和工程實(shí)踐表明，灰渣的資源化利用是可行的，并且只要管理得當(dāng)，可以做到不對(duì)環(huán)境造成危害。當(dāng)然，灰渣在資源化利用前，需滿足一定的環(huán)境要求和技術(shù)要求。底灰經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)行資源化利用，飛灰經(jīng)穩(wěn)定化處理后填埋，是目前比較適合我國(guó)經(jīng)濟(jì)條件與環(huán)境要求的灰渣管理策略。
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