垃圾焚燒飛灰水泥工業化前景探討
摘要:簡單述垃圾焚燒飛灰的污染特性及當前處理處置現狀，并介紹近年來垃圾焚燒飛灰的研究動向，著重探討垃圾焚燒飛灰水泥工業化前景、理論依據和國內外垃圾焚燒飛灰水泥工業化研究現狀，最后提出水泥處理處置過程中存在的問題及建議。
關鍵詞:垃圾焚燒飛灰 危險廢物 水泥工業化
經濟的快速發展、城市化進程的加快使生活垃圾的產生量越來越大。據報道[1]，中國約有2/3的城市陷入垃圾圍城的困境，目前，我國僅“城市生活垃圾(MSW)”的年產量就近1.5億t。且以年10%的速度增長，預計到2010年，生活垃圾產量將達到2.9億t[2]。垃圾焚燒技術以其處理速度快、無害化、減量化效果顯著且可回收熱能等優點得到了迅速的發展，在中國土地緊張、垃圾處理壓力大的城市，如上海、北京、深圳、廣州等地率先得到了應用[1]。2002年，垃圾焚燒年處理能力僅為275萬t，由全國43個垃圾焚燒廠承擔。截止到2005年底，全國已建和在建的垃圾焚燒處理廠已經達到67個。“十一五”期間又將建成87座垃圾焚燒廠。預計到2010年，產生的垃圾焚燒飛灰將達52萬t/a。按目前的危險廢物處置技術和管理水平，垃圾焚燒飛灰最終出路是填埋，既浪費資源，又增加填埋場的壓力，且填埋場的使用壽命不長，而垃圾焚燒飛灰的重金屬污染可長達百年。因此，尋找垃圾焚燒飛灰的資源化途徑才是適合我國國情的出路。
1 垃圾焚燒飛灰的污染特性
飛灰是指在煙氣凈化系統(APC)和熱回收利用系統(如節熱器、鍋爐等)中收集而得的殘余物，約占灰渣總量的20%左右，約占焚燒垃圾總量的3％~5％。生活垃圾焚燒飛灰不但富集了Pb、Cd、Hg等低沸點重金屬，而且也是二噁英類物質主要富集體，目前被認為是危害性較大的危險廢物。垃圾焚燒飛灰對環境及生態系統的危害主要體現在以下3個方面：（1）鹽污染：飛灰中含有大量的可溶性氯鹽，據資料顯示，飛灰中Cl-可高達112 000 mg/kg[2]，這可能污染地下水及促使重金屬溶出；（2）重金屬污染：飛灰中含有大量高浸出性的重金屬，主要有Pb2+、Zn2+、Cu2+和少量的Cr（Ⅵ）、Cd3+、Mn2+、Ni+等；（3）有機毒物污染：飛灰中還含有少量的二噁英(PCDDs)和呋喃(PCDFs)。因此，垃圾焚燒飛灰在貯存、運輸、處理處置各個環節都存在一定的環境風險，其危害不容忽視，其處理處置已經成為各方關注的焦點。
2 垃圾焚燒飛灰的處理處置現狀
我國的《危險廢物污染防治技術政策》對飛灰處理處置提出了嚴格的要求：生活垃圾焚燒產生的飛灰必須單獨收集，不得與生活垃圾、焚燒殘渣等其他廢物混合；不得與其他危險廢物混合；不得在產生地長期貯存；不得進行簡易處置及排放。生活垃圾焚燒飛灰在產生地必須進行必要的固化和穩定化處理之后方可運輸[3]。因此，其處置必須按照危險廢物的標準進行處置。
目前，飛灰處置的常用方法有穩定化和資源化兩種。飛灰的穩定化包括水泥固化、石灰固化、玻璃熔融固化[4]、化學藥劑固化穩定化后進入危險廢物填埋場進行最終處置[5]或固化后進行資源再利用[6]。何艷峰等[7]對垃圾焚燒飛灰熔融前后對人體健康風險評價進行了計算，發現其對兒童和成年健康的非致癌風險值在熔融前后相差500多倍。熔融前的風險遠高于人體可接受水平。蔣建國等[8]研究發現當磷酸鹽加料為3%時，重金屬Pb、Cd、Zn的浸出濃度降低了97.5%、91.6%和95.5%。張大捷等[9]研究發現1.5%的磷酸鈉-25%摻量的粉煤灰膠結材固化飛灰后，養護7 d后固化體就滿足填埋標準。
飛灰的資源化目前還不是很普遍，進行資源化利用時，除滿足浸出毒性標準外，還要滿足資源化應用的其他物理化學性質要求，如：硬度、強度、抗壓、抗拉、物理完整性、長期化學浸出行為等。飛灰的資源化研究較多的是重金屬的提取，包括如下：（1）酸、堿提取：張瑞娜[10]等曾用H2SO4、HCl、HAc、NaOH等對飛灰中的重金屬進行提取，發現3種酸對飛灰中金屬的提取效率都很高。其中HCl對Zn的提取率約80%，H2SO4對Fe的提取率約為66%，HAc對Pb的提取率達到了96%；（2）生物及生物制劑提取：VERHULST等[11]利用生物制劑甾體皂苷（sopnin）進行了飛灰浸提實驗，約有20%~45%的Cr、50%~60%Cu、60%~100%Pb和50%~60%Zn會被提取出來。楊潔等[12]做了黑曲霉素和飛灰溶液的淋濾試驗研究，發現在飛灰質量濃度為20 g/L時，淋濾結束后pH最低為（3.85），重金屬溶出效果最佳，Cd的溶出率為93.06%，Mn、Pb和Zn的約為70%，Fe、Cr和Cu的分別為22%、33%和47%，經淋濾后的飛灰重金屬浸出濃度遠低于國家標準；（3）高溫提取：中國環境科學研究院王琪等研究了飛灰中重金屬的熱分離工藝，認為飛灰中重金屬的熱分離過程主要是以氯化物形式揮發的，得出最佳揮發溫度和時間為1 000 ℃和120 min，并測得此時重金屬Pb、Cd、Cu、Zn的揮發率分別為99.7%、89.7%、77.9%、53.2%[13]。
此外，也出現了垃圾焚燒飛灰的其他研究應用，張海英等[14]利用飛灰、米黃泥、長石和耐火砂按照20%、60%、10%和10%的質量比來燒制飾面磚，產品重金屬進出毒性、安全性均滿足要求。宋玉等[15]做了以TiO2為晶核劑、垃圾焚燒飛灰為主要原料、硅鎂鋁質添加劑，研制微晶玻璃的研究，成功研制出了以透輝石(CaMgSi2O6)為主晶核的微晶玻璃。為飛灰資源化提供又一條出路。高亮等[16]做了垃圾焚燒飛灰制備陶粒的試驗研究，并在天津泰達環保公司投入運行，既控制了污染又創造了經濟效益。
3 垃圾焚燒飛灰水泥工業化前景
3.1 垃圾焚燒飛灰水泥工業化市場前景
水泥工業為世界城市和基礎設施的發展和現代化做出了巨大貢獻，同時也消耗了大量的自然資源和能源。目前，全球水泥消耗量正在增加，特別是發展中國家和轉型期的國家。由于發展中國家和轉型期國家的巨大需求，全世界水泥產量從2001年的16.9億ｔ開始，以年均3.6%的速度穩步增長，2003年全世界水泥產量為19.4億ｔ。歐洲的消耗量占14.4%；美國占4.7%；美洲其他國家占6.6%；亞洲占67.5%(中國占41.9%)；非洲占4.1%；世界其他國家占2.7%。可見，垃圾焚燒飛灰水泥工業化市場前景很大。
3.2 垃圾焚燒飛灰用于水泥工業的理論依據
水泥窯處置技術在發達國家已經有20多年的應用歷史，積累了豐富的經驗。隨著水泥窯焚燒廢物的理論與實踐的發展，該項技術在經濟和環保兩方面顯示了巨大的優勢并形成產業規模，在發達國家危險廢物處置中發揮著重要作用。水泥工業處置利用廢物已經成為當前國際水泥行業發展的新潮。而且，垃圾焚燒飛灰在化學組成上屬于SiO2-Al2O3-CaO-Fe2O3體系，與水泥生產原料成分較為接近[17]。與目前常用的高爐礦渣、粉煤灰等輔助性膠凝材料非常接近。而且飛灰顆粒微細，比表面積大，易與其他成分反應形成新的物相[18]。
3.3 國外垃圾焚燒飛灰水泥工業化的研究現狀
利用垃圾焚燒飛灰生產水泥，在國外研究較早。日本太平洋水泥公司在2001年就利用垃圾焚燒飛灰和碳酸鈣為原材料，建成了世界上第一座“生態水泥廠”[19]。它是通過金屬回收系統分離和回收飛灰中銅、鉛、鋅等金屬，再經過回轉窯里1 350 ℃的高溫燒結，其中的二噁英等有害物質被分解，生產線達11萬ｔ，但對飛灰中多達5%~10%的氯未作任何處理，雖然這種水泥有加快凝固的優點，但氯在建筑場景中的遷移帶來的環境風險尚待進一步研究，日本在2002年7月還制訂了“生態水泥”的日本工業標準。HIRAOKA等[20]利用飛灰代替石灰用于生產水泥，稱為硫代硫酸鹽水泥，這種水泥具有較高的強度和和快速硬化等特點。HAMERNIK等[21]研究飛灰代替水泥用于混凝土的抗壓強度，結果發現加入15％的飛灰要高于沒有加入飛灰的混凝土。葡萄牙人RYUNOSUKE[22]利用礦石Ca12Al14O32Cl2和Ca21Mg[(Si0.75Al0.25)O4]8O4Cl2對飛灰中的氯進行固定，進行50 t/d的中試試驗，得出的水泥硬度、水硬性等方面均能滿足要求，但對飛灰中的重金屬成分沒有分析。因此，水泥產品的環境風險有待進一步研究。
3.4 國內垃圾焚燒飛灰水泥工業化研究現狀
垃圾焚燒飛灰的安全處理處置是我國近年才出現的一個新的環境問題，國內所開展的相關研究大都停留在對垃圾焚燒飛灰做簡單的穩定化處理，重金屬浸出毒性滿足危險廢物填埋要求后運往危險廢物填埋場進行最終處置。這不僅增加了有限的填埋場壓力，同時也是資源的巨大浪費。垃圾焚燒飛灰中含有5%~10%的氯，但普通水泥規定氯不能超過200 mg/kg。水泥中如果氯含量過高，一方面會降低水泥的質量，因為在實際應用中，氯在混凝土中遷移，過多的氯跟水泥成分中的氫氧化物發生反應生成氯化鈣和氫氧化鎂，這兩種物質吸水引起混凝土中孔隙增大，降低其強度。此外，鋼筋表面會被來自于孔隙的氧氣腐蝕而生銹；另一方面，還會降低水泥窯的運行性能，因為氯化物在水泥窯的高溫段很容易揮發，沉積在排氣管道和鼓風機的扇頁上，腐蝕設備，堵塞管道甚至造成停產；再一方面，水泥中含有較高濃度的氯，容易在水泥窯的低溫段形成二噁英類有毒物質。垃圾焚燒飛灰中還含有大量的重金屬，其中Pb2+、Zn2+、Cu2+是主要的，此外還有少量的Cr6+、Cd3+、Mn2+、Ni+等。張俊麗等[23]對0.65%的工業污泥生態水泥的金屬離子在給水系統中的溶出行為做了環境風險評價，得出其費致癌風險水平遠低于人體可接受水平，認為銅、鉛是風險管理重點。
4 存在的問題及建議
（1）各國垃圾焚燒飛灰存在很大差異，即使同一個垃圾焚燒廠，季節不同，成分亦有很大不同。國外的相關研究并沒有討論飛灰時間和空間的差異性，因此針對水泥生產的適宜性、可用性和環境安全性，借鑒國外成功經驗，研究全國各地垃圾焚燒飛灰的組成及特性，如有可能，建立地方乃至全國的垃圾焚燒飛灰數據庫，以便水泥生產企業根據水泥產品元素總量控制值控制飛灰在水泥生料中的比例。
（2）利用垃圾焚燒飛灰生產水泥的處置過程會對周圍生態環境產生何種影響，水泥熟料中的氯鹽和重金屬離子會對水泥產品性能產生何種負面影響，以及水泥產品在使用場景中會對周圍生態產生何種影響，國外相關研究都只單一研究氯鹽或者重金屬，這可能跟其所在國家的垃圾焚燒飛灰的組成有關，而在我國，飛灰中氯鹽和重金屬含量都非常高。目前應開展這方面的環境暴露風險研究，建立環境暴露風險評價方法，并出臺與之配套的污染控制標準、管理規范和處理處置技術。
（3）垃圾焚燒飛灰從垃圾焚燒廠到生產出水泥全過程中的運輸、貯存、投料、煅燒的安全防范措施技術要求高且容易產生二次污染。如粉塵、有害氣體和二噁英的再生成。雖然我國新修的大型水泥廠環保水平較高，但70%以上的水泥量是由小型水泥企業生產的，這些小型企業以盈利為最大目的，而垃圾焚燒飛灰水泥窯處置技術環保要求高。因此，在無完整的處理處置技術的條件下，應由大型環保水平高的水泥企業承擔處置任務，嚴禁垃圾焚燒飛灰流向這類小型企業。
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