城市垃圾焚燒飛灰的污染特性分析
隨著工農業(yè)生產的迅速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，城市垃圾的產生量也在不斷增加，目前，我國年排放城市垃圾已達1.5億噸以上，而且還在以每年8％—10％的增長率不斷增加。因此，如何合理、有效地處理如此巨大的城市垃圾已成為一個亟待解決的環(huán)保問題。垃圾焚燒處理因具有明顯的減量化、無菌化、資源化等優(yōu)點，近年來得到了廣泛的應用。然而，飛灰中含有較高的水溶性鹽分，并且垃圾焚燒后大部分的重金屬會分布在占焚燒垃圾總量0.5％～3％的飛灰中，屬于危險廢物，對環(huán)境具有潛在的危害性，必須妥善處理。本文以城市垃圾焚燒煙氣凈化系統(tǒng)(air pollution control，APC)中收集的飛灰為研究對象，分析了飛灰的污染特性，包括飛灰的粒徑分布、pH值、水溶性鹽分含量、重金屬在不同粒徑上的含量及不同粒徑上的重金屬對總量的貢獻率，以期為飛灰的處理處置和資源化利用提供科學依據(jù)。
1．材料與方法
1．1 樣品采集
供試的飛灰樣品采自江蘇省某熱電環(huán)保有限公司，該公司垃圾的焚燒運行條件如下：焚燒的爐膛溫度為850-1000℃ ，煙氣溫度為150℃，燃料配比為80％的生活垃圾混合20％的煤做輔助燃料，采用袋式除塵及煙氣凈化塔凈化煙氣。將采集的飛灰樣品采用四分法進行縮分，直至試驗所需量為止。
1．2 儀器與試劑
標準檢驗篩(φ200mm，54～900µm)•pH計(pHS—2C)，ICP—AES(IRIS Intrepid ⅡXSP)；優(yōu)級純HC1、HN03、HF、HCIO4，去離子水等。
1．3 粒徑分析
采用手工篩分，將飛灰樣品依次通過不同孔徑的標準檢驗篩，分別測定不同孔徑飛灰的質量分數(shù)，計算其粒徑分布及累積分布。
1．4 飛灰的pH值及水溶性鹽分分析
飛灰pH值的測定采用灰：水—1：2.5(w／v)的比例，pH計測定其pH值；水溶性鹽分的分析參考國標《森林土壤水溶性鹽分分析》(GB7871-87)及文獻測定，其中全鹽量采用質量法測定，HCO3-和CO32-采用雙指示劑—中和滴定法測定，SO42-采用BaSO4質量法測定。
1．5 飛灰中重金屬含量分析
分別稱取不同粒徑的飛灰樣品(0.2±0.0002)g于聚四氟乙烯坩堝中，采用文獻優(yōu)化的消解方案進行消解，ICP—AES測定其中重金屬的總量。
2．結果與討論
2．1 飛灰的粒徑分布
本文將飛灰粒徑分為<54、54～74、74～174、174～280、280～900、>900µm六個等級，飛灰在各個粒徑上的分布及其累積分布如圖1所示。飛灰的粒徑分布近似正態(tài)分布，這與馮軍會等的研究類似，其粒徑大部分集中在54～280µm之間，占到總質量的80 以上；粒徑小于54µm和大于280µm的顆粒所占的質量分數(shù)都很少，還不足3％和15％。這是因為焚燒過程中形成的細小顆粒會通過相互碰并均相成核聚集成較大的顆粒，并且部分細小顆粒會異相冷凝吸附在粗顆粒上，因此，小于54µm的顆粒所占的質量分數(shù)很低；另外，飛灰中的部分粗顆粒主要是一些未燃盡的礦物顆粒，焚燒時因爐膛中劇烈的空氣湍流而被攜帶進入煙氣凈化系統(tǒng)后，被除塵裝置捕集下來，大部分粗顆粒在焚燒過程中會沉積在爐渣中，隨爐渣一起去除，故其在飛灰中所占的質量分數(shù)也很低。
2．2 飛灰的pH值及水溶性鹽分分析
有研究表明，飛灰中含有大量的氧化鈣，其堿性很強，pH可達1O到12，甚至更高。研究表明，采集樣品的pH值均在12以上，其中第一次采集的樣品為12.54，第二次的為l2.32。飛灰堿性如此高，可能與采用的除塵設備及焚燒過程中發(fā)生的反應有關，本研究采用袋式除塵，在煙氣凈化系統(tǒng)中加人大量的Ca(0H)2以穩(wěn)定飛灰中的重金屬；同時，在焚燒過程中也會有一定量的碳酸鹽及金屬氧化物等生成，故采集的飛灰樣品堿性很強。
飛灰樣品中水溶性鹽分的含量如表1所示。由表1可見，飛灰中可溶性鹽分的總含量較高，可達2％以上，其中C032-。和SO12-離子的含量很高，第二次采集的樣品中Cl-的含量比第一次高很多，這主要是由焚燒垃圾成分的變異性很大造成的，這與地區(qū)的經濟發(fā)展水平，居民的生活習慣、人口數(shù)量、社會結構及季節(jié)等因素有很大關系。可見，城市垃圾焚燒飛灰中含有較高的水溶性鹽分，如果處理處置不當，其中含有的水溶性鹽分會被雨水等淋洗出來，污染土壤、地下水及地表水，同時還會對植物的生長產生危害；并且，在考慮其資源化利用時，其中含有的大量鹽分可能會對資源化產品的質量產生很大影響，從而限制了資源化產品的應用；另外，飛灰中的氯化物還可通過與重金屬形成配合物而影響重金屬在環(huán)境中的遷移性。
2．3 飛灰不同粒徑上重金屬的分布及其對總量的貢獻率
已有的研究表明垃圾焚燒過程中重金屬在排放物中的遷移分布很大程度上依賴于廢物的組成、焚燒運行條件、重金屬的物理化學性質以及焚燒過程中所形成的化合物等。飛灰不同粒徑上重金屬的含量及各粒徑上的重金屬占總量的百分率如表2和圖2所示。
對于易揮發(fā)的重金屬，如鎘(Cd)、鉛(Pb)、鋅(Zn)，其在飛灰不同顆粒上的分布與粒徑有一定的相關性。Cd在粒徑較大的顆粒上含量較高，在細顆粒上也有富集，在中等粒徑范圍，其含量很少，其原因是Cd沸點(765℃)較低，焚燒過程中易揮發(fā)，并且，Cd的氧化物在焚燒過程中很容易轉化成CdCl2。而其氯化物的沸點(960℃)要低于其氧化物(>1400℃)，從而更具有揮發(fā)性，飛灰中的細顆粒主要是由均相冷凝成核形成的，而粗顆粒主要是由異相冷凝形成的；Zn在飛灰不同粒徑上的分布與Cd類似；Pb的含量隨飛灰粒徑的增大而增加，在粒徑大于174µm 的顆粒上有明顯的富集，這是由于Pb的沸點(1740℃)雖然較高，不易揮發(fā)，但在焚燒過程中優(yōu)先發(fā)生的反應是轉變成PbCl2，而PbC12的沸點(950℃)較低，很容易揮發(fā)掉，其蒸汽很容易在較大的顆粒上通過異相冷凝聚集，另外，粗顆粒主要是一些未燃盡的礦物顆粒，其本身含有的Pb比較高，故Pb在較大的顆粒上含量較高。
對于半揮發(fā)性的重金屬，如銅(Cu)、錳(Mn)，其在飛灰不同粒徑上的分布與粒徑的相關性不大。Cu在飛灰較大的顆粒上含量較高，在細顆粒上的含量較低，其原因可能是Cu的沸點(2595℃)較高，其氧化物也比較穩(wěn)定，在焚燒過程中不易揮發(fā)，飛灰中含有少量的Cu可能是由煙氣中的一些顆粒物攜帶的結果；Mn的沸點(2097℃)較高，焚燒過程中也不易揮發(fā)，在飛灰中的含量除在280～900µm的顆粒上較高外，在其它粒徑上的含量都很低，而且其分布與粒徑的相關性不大。
親石性(1ithophilic)重金屬鎳(Ni)和鉻(Cr)的含量與飛灰粒徑的相關性很小，推測是由于Ni(2837℃)和Cr(2672℃)的沸點較高，在焚燒過程中比較穩(wěn)定，不易揮發(fā)，大部分仍然存留于爐渣中，但由于焚燒爐中劇烈的湍流，使部分重金屬包裹于懸浮顆粒中被煙氣挾帶而進人煙氣凈化系統(tǒng)后被捕集下來，同時由于這兩個重金屬及其化合物本身就很難揮發(fā)，細顆粒飛灰對它們的冷凝吸附作用不明顯，導致Ni和Cr的含量在飛灰顆粒中的分布不均勻，受飛灰粒徑的影響不明顯。
2．4 飛灰不同粒徑上重金屬對總量的貢獻率
飛灰粒徑分布的不同會導致各粒徑中重金屬含量對總量的貢獻率差別很大，因此在考察飛灰不同粒徑上重金屬對總量的貢獻率時還應同時考慮飛灰的粒徑分布。馮軍會等計算了生活垃圾焚燒飛灰不同粒徑上重金屬含量對總量的貢獻率，其計算方法如下：
式中,η為各粒徑飛灰中重金屬含量對總量的貢獻率，％ ；a為各粒徑飛灰的質量分數(shù)，％ ；ß為飛灰各粒徑中重金屬的含量，mg／kg；i=1～6，分別代表不同的粒徑范圍。
本文也用上述公式計算了飛灰各粒徑重金屬含量對總量的貢獻率(圖3)。細顆粒上(<54µm)各重金屬對總量的貢獻率都很小，還不到5％；中等大小的顆粒上(54～280µm)重金屬對總量的貢獻率很大，除Pb外均占到60以上，其中Ni和Cr的貢獻率可高達80以上，Mn、Cu、Cd、Zn次之，Pb最低，只占42.8％ ；大顆粒上(>280µm)各重金屬對總量的貢獻率較低，只有Pb占到50以上，Zn、Cu、Mn、Cd次之，占35％左右，Cr和Ni最低，只有15％左右。綜上所述，中等大小的顆粒雖然其重金屬的含量不高，但因其在飛灰中所占的質量分數(shù)很高，因而對重金屬總量的貢獻率很大。
3．結 論
供試飛灰的粒徑分布近似正態(tài)分布，80以上顆粒集中在54～280µm之間，粒徑小于54µm和大于280µm的顆粒所占的質量分數(shù)都很少，還不足3％和15％；飛灰呈強堿性，pH值可高達12以上；飛灰樣品中水溶性鹽分的含量較高，可達2％以上；易揮發(fā)性的重金屬在飛灰不同顆粒上的分布與粒徑有一定的相關性；半揮發(fā)性和難揮發(fā)性重金屬的分布與粒徑的相關性不大；中等大小的顆粒(54～280µm)對重金屬總量的貢獻率最大。
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