城市垃圾焚烧飞灰无害化处置技术研究进展

陈昕 胡友彪 查甫更 徐国春 杨琳 汪飞

摘 要：该文围绕城市生活垃圾焚烧飞灰的处置，重点总结了国内外生活垃圾焚烧飞灰的无害化处置技术，包括热处理法、分离法以及固化/稳定法等，分析了各种处理处置方法的优缺点与存在的问题，并对城市垃圾焚烧、飞灰无害化处理技术的进一步发展进行了展望。

关键词：城市生活垃圾;飞灰;重金属;稳定化

中图分类号 X705  文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）19-0146-04

2019年，我国生活垃圾的清运量高达24206.2万t[1]。城市生活垃圾的主要处置方法有填埋、堆肥、焚烧等，我国垃圾处置以填埋、焚烧法为主，其他方法为辅[2，3]。填埋法作为一种经济简便的处理方法多年来在我国得到了广泛应用，然而，填埋需要占用大量土地资源[3]，垃圾填埋场地变得日益紧张稀缺;并且在填埋过程中，雨水渗透和垃圾降解反应，产生大量的垃圾渗滤液，污染附近的土壤和地下水系统。

目前，焚烧法在城市生活垃圾处置中占比逐年上升，2019年中国垃圾焚烧厂为389家，处理量为12174.2万t，占垃圾无害化处理量的50.7%。经焚烧处理后的生活垃圾质量和体积分别减少70%、90%，能有效改善填埋法的不足之处;且焚烧能销毁固废中有机物质，降低病原体和微生物引发的风险[4]，焚烧产生的热量可供暖发电，达到废物资源化利用的同时。因此，焚烧逐渐成为固体废物处置的主要方法，然而，城市生活垃圾焚烧后产生的固体残留物飞灰（约占焚烧固体废物的2%～5%），由于富集高浓度重金属、二噁英、可溶性盐类等有毒污染物，被列入《国家危险废物名录》，在填埋之前需要进行无害化处置。本文综述了近年来文献报道中应用较多的飞灰无害化处置技术，包括热处理、分离以及固化/稳定化[5]，并對其各自的优缺点进行了系统的整理和归纳。

1 热处置技术

该技术是将飞灰与助熔剂混合，在700～1600℃高温作用下加热，灰渣表面的有害物质得到二次挥发，二噁英、呋喃被分解[6]，飞灰中残留的重金属元素固化成晶体结构，不易被浸出，常用于飞灰的解毒和减容。根据飞灰加热温度和添加辅料的不同，热处理技术主要分为，烧结（900～1100℃）、熔融/玻璃化（>1100℃）2种。

1.1 烧结处置法 烧结法是将飞灰与其他助剂混合造粒，在低于混合物熔点的温度下，粉末颗粒发生扩散、聚集和碰撞，将大部分甚至全部气孔从晶体中排出，使颗粒间相互黏结，形成致密坚固的烧结体。烧结体会将重金属固定于新形成的晶体结构内部，限制其迁移，极大降低了重金属浸出毒性，烧结产物具有较高的抗压强度和密度，常用于陶瓷和建筑轻骨料的生产[7，8]。T. Mangialardi[9]对意大利4种不同垃圾焚烧厂的飞灰进行了烧结测试，结果表明，成型压力28N/mm2、温度1140℃和烧结时间60min是制造水洗飞灰烧结体的最佳条件，烧结后飞灰浸出液中重金属浓度远低于固体废物处置法规定限值，烧结产品可以满足混凝土重骨料需求，但高氯含量的飞灰会降低混凝土骨料的抗压强度和腐蚀钢筋，在使用前需要进行降氯预处理。烧结处置技术升温速度快、温度高，有利于二噁英的降解。但由于飞灰中残留氯和重金属含量较高，在生产前需要进行预处理，降低其在建筑中的浸出风险。

1.2 熔融/玻璃化处置法 熔融和烧结过程相似，二者的区别在于熔融温度更高，飞灰的高融化温度使该技术在实际工程应用中具有局限性。但经过大量研究发现，添加助熔剂可以降低熔化温度，将飞灰或飞灰混合物转化为刚性非晶玻璃基体，有害元素被封装在玻璃结构中，不易受到浸出或化学侵蚀[10，11]，同时也可以利用玻璃体良好的固化性能和机械特性来替代建筑材料，如道路建设的底基层、砖和石板等，实现飞灰的再循环利用。

目前，熔融炉主要有电弧炉、电阻炉、等离子体炉等。Ma等[12]使用直流电弧等离子体炉，在1250～1400℃条件下对飞灰进行熔融处置，结果表明，经等离子体炉处理的飞灰体积减小68.7%～82.2%，重量损失23.8%～56.7%，飞灰成功熔融比例为氧化钙20%～48%，氧化铝10%～15%，二氧化硅40%～65%，水洗预处理降低了重金属挥发速率，熔渣中重金属浸出量远低于国家标准。

近年来，大量研究集中在降低飞灰熔融温度的添加辅料的种类、比例、含量等方面。Gao等[13]使用B2O3为助熔剂，通过控制添加比例，对城市生活垃圾焚烧飞灰进行熔融实验以降低熔化温度并保持玻璃碴的化学耐久性。当B2O3添加量从0增加到15%时，在高温的作用下，B2O3影响了飞灰中耐火矿物的熔融特性，飞灰的熔融温度从1211℃下降到986℃。液态炉渣的产生导致颗粒表面积减少和重金属传质阻力增加，此外，随着炉渣粘度降低，飞灰颗粒更易附聚，提高了重金属的化学稳定性。

熔融处置技术具有高减容率，能够降解飞灰中二噁英和呋喃，产生的玻璃态抗浸出渣将非挥发性重金属封装在玻璃基质中，有效避免其对环境的污染。然而，挥发性成分、酸性气体、重金属和其他化合物会随着烟气排放，释放到环境中，因此熔融后要进行尾气的净化处置。且热处理过程能耗大，二次飞灰中的重金属富集，处置设备价格昂贵，飞灰的高氯含量会腐蚀设备，缩短设备使用寿命，故该方法运行成本较高，仅在部分发达国家普及应用[14]。

2 分离技术

2.1 水洗（分离）法 飞灰中的氯化物（如氯化钠、氯化钾和氯化钙等）易溶于水，通过简单水洗操作可以有效地从飞灰残渣中去除[15，16]。Chiang等[17]将水洗作为飞灰预处理工艺，结果表明，飞灰中大部分有害氯化物、硫酸盐和重金属得到去除，氯离子含量显著降低。在熔融温度为1450℃，液固比为10时生成的熔渣中铜和铅的玻璃化率相对较高，水洗加强了重金属玻璃化程度，此外，水洗后飞灰中钠、钾、钙、镁的玻璃化率也高于未经处理的飞灰。

飞灰性质、液固比和提取时间是影响水洗的关键因素，Yang等[18]研究发现，活性炭残渣水洗的最佳操作条件为液固比为3mL∶1g，萃取时间为5min，水洗后超过70%的氯化物和近25%的硫酸盐得到去除。此外，水洗过程进行二氧化碳曝气，可以有效提高氯盐的分离效果并降低水洗液中重金属浓度。