垃圾焚燒發(fā)電廠飛灰穩(wěn)定化處理技術(shù)研究進展與展望
隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市化進程的不斷加快以及人們物質(zhì)生活的提高，城市生活垃圾(MSW)的數(shù)量以年10%左右的速度遞增。預計到2010年，生活垃圾年產(chǎn)量將達到2.9億t。目前我國的垃圾處理采用以填埋為主，堆肥、焚燒為輔的措施，這將占用大量的土地資源。隨著垃圾處理技術(shù)的發(fā)展，具有處理速度快、占地面積小、減量化和無害化效率高，并可回收能源等優(yōu)點的焚燒發(fā)電處理技術(shù)，在一些經(jīng)濟水平較高、垃圾熱值高、土地資源有限的城市，將逐漸得到應用。然而，垃圾焚燒發(fā)電廠的飛灰對環(huán)境將產(chǎn)生影響，本文主要介紹國內(nèi)外對此類飛灰進行處理、處置的方法及其穩(wěn)定化處理技術(shù)。
1 垃圾焚燒飛灰對環(huán)境的影響
垃圾焚燒飛灰是生活垃圾焚燒后在熱回收利用系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)收集的物質(zhì)。飛灰的產(chǎn)量與垃圾種類、焚燒條件、焚燒爐型及煙氣處理工藝有關，一般約占被焚燒垃圾量的 3 %～5 %左右。分析表明:垃圾焚燒飛灰并不是化學惰性物質(zhì)，其中有含量較高的能被水浸出的 Cd、Pb、Zn、Cr 等多種有害重金屬物質(zhì)和鹽類。若處理不當，將會造成重金屬遷移，污染地下水、土壤及空氣。同時，飛灰中的二惡英也是潛在的重要環(huán)境污染物。由于垃圾焚燒飛灰中的重金屬和二惡英等難于自然降解，因此其對環(huán)境的影響十分嚴重。如何安全有效地處置垃圾焚燒飛灰即成為急需解決的環(huán)境和社會問題。
Xiahong Feng 等在美國新罕布什爾( New Hampshire) 州Claremont 焚燒爐周邊的2～15 km 區(qū)域內(nèi)，采集了位于下風向呈半圓形放射狀分布的8 個點的雨和雪樣品進行了研究，結(jié)果表明，該焚燒爐使周邊研究區(qū)域內(nèi)大氣中的重金屬污染增加 20%左右。臺灣北投垃圾焚燒處理廠和深圳市政環(huán)衛(wèi)綜合處理廠垃圾焚燒飛灰浸出實驗檢測結(jié)果表明:浸出液中Zn、Pb、Cd、Cr、Cu 的濃度均高于固體廢物浸出毒性鑒別標準，因此垃圾焚燒飛灰被普遍認為是一種危險廢物，必須對其進行有效的處理，以解決由此帶來的環(huán)境污染問題。
2 飛灰處理國內(nèi)外研究進展
國內(nèi)外對飛灰中重金屬特性的研究結(jié)果表明:具有高沸點的重金屬在燃燒過程中易均勻凝結(jié)，從而形成飛灰的核心，而高溫下易揮發(fā)的重金屬會隨著溫度下降凝結(jié)在飛灰的表面，飛灰中重金屬隨飛灰的粒徑減少而增加。飛灰中重金屬浸出毒性與飛灰的粒徑、表面積、pH 值有關，主要依賴飛灰中重金屬存在的形態(tài) 。 Ca (OH) 2 對 Cd、Zn、Cr 的溶出有較強的抑制作用，但對 Pb 有促溶作用。Chirs 和 Chan 研究認為 1000 ℃高溫中加入 CaCl2 熔融飛灰 3h 以上，可以降低飛灰中的重金屬含量，使其轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)的重金屬化合物，從而降低了飛灰中重金屬含量，并使飛灰中重金屬的溶出率降低；然而Al 和Cr加熱處理后，Al的浸出反而增加，主要因為加熱處理飛灰后，Al的形態(tài)由Al－硅酸鹽態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘腁l－Fe 氧化物，Cr 的情況也是如此。但Wang的研究表明，如果在缺乏O2的N2環(huán)境中熔融處理飛灰，Cr 的溶出性將大大降低。張若冰對垃圾焚燒中飛灰的分布進行了研究，指出重金屬主要分布在飛灰的小顆粒中。由于汞分壓力較低易揮發(fā)，因此飛灰中汞的含量較高。金宜英等研究了在垃圾焚燒中使用活性炭粉末除塵時，焚燒排放尾氣中的二惡英類濃度比未加活性炭時降低了 54 % ，這說明大量的二惡英類轉(zhuǎn)移到了飛灰中。因此，隨著國家大氣排放標準的嚴格實施，垃圾焚燒產(chǎn)生的二惡英類將主要進入飛灰，從而使飛灰的污染控制顯得更加重要。
基于上述研究結(jié)果，結(jié)合垃圾成分的變化，目前國內(nèi)外對垃圾焚燒飛灰通常采用的處理方法有: (1) 經(jīng)過適當處置按危險廢物填埋，但處理成本高; (2) 固化與穩(wěn)定化。主要有水泥固化、瀝青固化、熔融固化、化學藥劑固化穩(wěn)定化等。經(jīng)過固化的飛灰，如滿足浸出毒性標準，可以按普通廢物填埋處理。其主要作用是使飛灰中的重金屬及其它污染組分呈現(xiàn)化學惰性或被包容起來，以便運輸和處置，并可降低污染物的毒性和減少其向生態(tài)圈的遷移率；(3) 將重金屬與飛灰分離，分別進行資源化處理，如酸提取、堿提取、生物提取等。本文主要對固化與穩(wěn)定化進行分析。
2. 1 固化與穩(wěn)定化法
固化與穩(wěn)定化技術(shù)是國際上處理有毒有害廢物的主要方法之一，而水泥基材料是近 20 年來歐美等發(fā)達國家應用最廣也是最重要的膠結(jié)料，美國環(huán)保局將此技術(shù)稱為處理有毒有害廢物的最佳技術(shù)。 2. 1. 1 水泥固化法
固化處理是利用固化劑與垃圾焚燒飛灰混合后形成固化體，從而減少重金屬的溶出。水泥是最常用的危險廢物固化劑，因此工程中常采用水泥對焚燒飛灰進行固化處理。飛灰被摻入水泥的基質(zhì)中后，在一定條件下，經(jīng)過一系列的物理、化學作用，使污染物在廢物水泥基質(zhì)體系中的遷移率減小(如形成溶解性比金屬離子小得多的金屬氧化物) 。有時，還添加一些輔料以增進反應過程，最終使粒狀的物料變成粘合的混凝土塊，從而使大量的廢物因固化而穩(wěn)定化。MangialardiT等以波特蘭水泥作為骨料，對垃圾焚燒飛灰進行穩(wěn)定化處理的研究結(jié)果表明，無論是否采用水洗、粉碎等飛灰前處理工藝，處理后的砌塊均難以達到較高的強度。Macakova 等在Slovakia 采用以鎂冶煉工藝的殘渣生產(chǎn)的水泥進行飛灰穩(wěn)定化實驗，結(jié)果經(jīng)美國環(huán)保署檢驗程序檢測證明，采用這種方式對飛灰進行穩(wěn)定化處理，砌塊的機械強度不高，但飛灰中重金屬的浸出毒性檢測指標符合美國環(huán)保署的標準。Iretskaya 等在研究飛灰中的重金屬浸出時發(fā)現(xiàn)，由于飛灰中氯離子的影響，經(jīng)固化后的砌塊中鐵、銅、鋅等離子容易浸出而導致污染物超標。
因此，盡管水泥固化處理飛灰具有工藝成熟、操作簡單、處理成本低等優(yōu)點，但由于垃圾焚燒飛灰中含有較高的氯離子，采用水泥固化法處理必須進行前處理，以減少氯離子對固化后砌塊的機械性能以及后期重金屬離子浸出的影響等問題，這樣就會大大提高對飛灰處置場建設和運行的標準，增加了成本，即限制了該法的長期應用。
也有研究者對其它礦物等固化材料進行了研究。袁玲等在研究垃圾焚燒飛灰與礦物摻合料的復合中發(fā)現(xiàn)，在宏觀上表現(xiàn)出復合膠凝效應，不僅能提高固化體的力學性能，而且對重金屬的固化也十分有利。李卓然等利用粘土礦物研究了其對飛灰中 Pb 的影響。認為利用沸石等非金屬礦物可以固定飛灰中的重金屬 Pb2 + 。但所有礦物固定重金屬比較單一，不能對所有重金屬元素固定，總體效果不好。
2. 1. 2 藥劑穩(wěn)定化法
藥劑穩(wěn)定化技術(shù)以處理重金屬廢物為主，到目前為止，已發(fā)展了許多重金屬穩(wěn)定化技術(shù)，如 pH 值控制技術(shù)，氧化/ 還原電勢控制技術(shù)，沉淀技術(shù)，吸附技術(shù)，離子交換技術(shù)等。這類技術(shù)目前在垃圾焚燒飛灰穩(wěn)定化處理方面應用較少，但是一個發(fā)展方向。尤其是藥劑穩(wěn)定化與其它穩(wěn)定化方法相比具有工藝簡單、穩(wěn)定效果好、費用低廉等優(yōu)點。目前發(fā)展較快的螯合型有機重金屬穩(wěn)定化藥劑，對包括垃圾焚燒飛灰在內(nèi)的多種重金屬污染物的穩(wěn)定化處理效果已經(jīng)得到試驗證明。蔣建國等對利用重金屬螯合劑處理垃圾焚燒飛灰的工藝及處理效果進行了實驗研究，并與Na2S和石灰處理等效果進行了比較，結(jié)果表明，螯合劑投加量 0.6 %時，捕集飛灰中重金屬的效率高達 97 %以上，為達到相同穩(wěn)定化效果，螯合劑的使用量要比無機穩(wěn)定化藥劑少得多。同時，14 個月的微生物影響實驗表明，重金屬螯合劑穩(wěn)定化產(chǎn)物在填埋場環(huán)境下，其穩(wěn)定性不受微生物活動的影響。張瑞娜等研究認為，一般采用的穩(wěn)定化藥劑有:石膏、磷酸鹽、漂白粉、硫化物(硫代硫酸鈉、硫化鈉) 、高分子有機穩(wěn)定劑、鐵酸鹽、粘土礦物等，磷酸鹽處理飛灰后重金屬Pb 在pH 值4～13 范圍內(nèi)浸出很小。
2. 1. 3 熔融固化技術(shù)
(1) 燒結(jié)法 燒結(jié)法是將待處理的危險廢物與細小的玻璃質(zhì)，如玻璃屑、玻璃粉混合，經(jīng)混合造粒成型后，在 1000℃～1100 ℃高溫熔融下形成玻璃固化體，借助玻璃體的致密結(jié)晶結(jié)構(gòu)，確保固化體的永久穩(wěn)定。但是 KuenSheng Wang 等人研究表明，在燒結(jié)過程中 Cr 會以三價的形式在燒結(jié)殘渣中富集，而且，隨著燒結(jié)溫度的升高和時間的延長，三價鉻的富集將會越來越嚴重，這樣會對燒結(jié)法處理飛灰?guī)硪欢ǖ挠绊。為解決這個問題， KuenSheng Wang 等人采用水洗的方法對垃圾焚燒飛灰進行前處理，在水洗過程中有超過65%的Cl和超過50%的主要元素如Na，K，和Ca以及超過30%的Cr會進入液相，這樣，會增加污水的處理成本。Iret skaya 等人在研究重金屬的浸出機理中得出結(jié)論:應充分結(jié)合化學穩(wěn)定和熔融處理工藝，以降低垃圾焚燒飛灰對環(huán)境的危害。
(2) 熔融法 熔融法是在燃料爐內(nèi)利用燃料或電將垃圾焚燒飛灰加熱到 1 400℃左右的高溫，使飛灰熔融后經(jīng)過一定的程序冷卻變成熔渣，熔渣可作為建筑材料，實現(xiàn)飛灰減容化、無害化、資源化目的。熔融固化需要將大量物料加溫到熔點以上，無論采用電或是其它燃料，需要的能源和費用都相當高。相對于其它處理技術(shù)，熔融固化的最大優(yōu)點是可以得到高質(zhì)量的建筑材料。以前熔融后殘渣是一種玻璃態(tài)物質(zhì)，強度很低，這就限制了它的有效利用。為解決這個問題，日本開發(fā)了一種高效熔融飛灰的工藝，使熔融后的殘渣能夠與石頭一樣達到較高的強度。Katsunori Nishida等人在Chiba Prefecture 和Kamagaya City 進行實驗，采用高于 1450℃的高溫熔融工藝處理垃圾焚燒飛灰，結(jié)果表明:1) 超過 99. 9 %的二惡英在高溫熔融過程中被分解;2) 熔融后的玻璃態(tài)物質(zhì)經(jīng)檢測，重金屬完全符合日本的標準;3) 熔融物質(zhì)的機械強度達到日本對同類材料的要求。高溫處理法具有減容率高、熔渣性質(zhì)穩(wěn)定、無重金屬等溶出的優(yōu)點，已受到廣泛的關注，國外已研究出多種垃圾焚燒飛灰處理的高溫熔融爐，并已在日本和歐洲有少量使用。但采用高溫熔融工藝需要消耗大量的能源，同時由于其中的 Pb、Cd、Zn 等易揮發(fā)重金屬元素需進行后續(xù)嚴格的煙氣處理，故處理成本很高，只能在經(jīng)濟發(fā)達國家應用。
2. 2 濕式化學處理法
垃圾焚燒飛灰濕式化學處理法有加酸萃取和煙氣中和碳酸化法等，該工藝運行成本較低，可回收重金屬和鹽類，但產(chǎn)生的廢水、廢氣和污泥需要進行必要的處理。目前應用很少。
2. 3 安全填埋法
安全填埋法是指將垃圾焚燒飛灰在現(xiàn)場進行簡單的處理后，送入安全填埋場填埋處理的方法，這是目前垃圾焚燒飛灰處理最安全可靠的手段之一。但安全填埋場的建設和運行費用居高不下，垃圾焚燒處理廠難以承受，同時也不能達到減容化和資源化的目的，因此今后會逐漸減少這種方法的應用。
3 垃圾焚燒飛灰處理展望
隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們環(huán)境意識的提高，對于未來垃圾焚燒飛灰的處理應該是隨污染物排放標準的提高，無害化程度要進一步提高，同時應盡可能減少處理和控制二次污染物的運行費用。國外有生態(tài)型焚燒技術(shù)的研究，也有提高焚燒溫度和采用氣化熔融技術(shù)，將焚燒和熔融融為一體，使垃圾中的重金屬盡可能從煙氣道排出，從而達到灰渣(底灰和飛灰) 無害化的研究。結(jié)合我國實際，垃圾焚燒飛灰處理的發(fā)展方向應該包括以下兩方面: (1) 開發(fā)先進的焚燒爐，加強對入爐垃圾的控制; (2) 開發(fā)穩(wěn)定效果好、處理成本低的化學穩(wěn)定劑以減少垃圾焚燒飛灰中重金屬的遷移。
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