隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)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(yù)計(jì)到2010年，生活垃圾年產(chǎn)量將達(dá)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(diǎn)的焚燒發(fā)電處理技術(shù)，在一些經(jīng)濟(jì)水平較高、垃圾熱值高、土地資源有限的城市，將逐漸得到應(yīng)用。然而，垃圾焚燒發(fā)電廠的飛灰對(duì)環(huán)境將產(chǎn)生影響，本文主要介紹國內(nèi)外對(duì)此類飛灰進(jìn)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(duì)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(guān)，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(xué)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(dāng)，將會(huì)造成重金屬遷移，污染地下水、土壤及空氣。同時(shí)，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(duì)環(huán)境的影響十分嚴(yán)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(huì)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(fēng)向呈半圓形放射狀分布的8 個(gè)點(diǎn)的雨和雪樣品進(jìn)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(tái)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(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)，因此垃圾焚燒飛灰被普遍認(rèn)為是一種危險(xiǎn)廢物，必須對(duì)其進(jìn)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(jìn)展

國內(nèi)外對(duì)飛灰中重金屬特性的研究結(jié)果表明:具有高沸點(diǎn)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(huì)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(guān)，主要依賴飛灰中重金屬存在的形態(tài) 。 Ca (OH) 2 對(duì) Cd、Zn、Cr 的溶出有較強(qiáng)的抑制作用，但對(duì) Pb 有促溶作用。Chirs 和 Chan 研究認(rèn)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?yàn)榧訜崽幚盹w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(duì)垃圾焚燒中飛灰的分布進(jìn)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(shí)，焚燒排放尾氣中的二惡英類濃度比未加活性炭時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格實(shí)施，垃圾焚燒產(chǎn)生的二惡英類將主要進(jìn)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(duì)垃圾焚燒飛灰通常采用的處理方法有: (1) 經(jīng)過適當(dāng)處置按危險(xiǎn)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)，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(xué)惰性或被包容起來，以便運(yùn)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(jìn)行資源化處理，如酸提取、堿提取、生物提取等。本文主要對(duì)固化與穩(wěn)定化進(jìn)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(dá)國家應(yīng)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(xiǎn)廢物固化劑，因此工程中常采用水泥對(duì)焚燒飛灰進(jìn)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(xué)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(shí)，還添加一些輔料以增進(jìn)反應(yīng)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(duì)垃圾焚燒飛灰進(jìn)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(dá)到較高的強(qiáng)度。Macakova 等在Slovakia 采用以鎂冶煉工藝的殘?jiān)a(chǎn)的水泥進(jìn)行飛灰穩(wěn)定化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果經(jīng)美國環(huán)保署檢驗(yàn)程序檢測證明，采用這種方式對(duì)飛灰進(jìn)行穩(wěn)定化處理，砌塊的機(jī)械強(qiáng)度不高，但飛灰中重金屬的浸出毒性檢測指標(biāo)符合美國環(huán)保署的標(biāo)準(zhǔn)。Iretskaya 等在研究飛灰中的重金屬浸出時(shí)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(dǎo)致污染物超標(biāo)。

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(diǎn)，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(jìn)行前處理，以減少氯離子對(duì)固化后砌塊的機(jī)械性能以及后期重金屬離子浸出的影響等問題，這樣就會(huì)大大提高對(duì)飛灰處置場建設(shè)和運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)，增加了成本，即限制了該法的長期應(yīng)用。

也有研究者對(duì)其它礦物等固化材料進(jìn)行了研究。袁玲等在研究垃圾焚燒飛灰與礦物摻合料的復(fù)合中發(fā)現(xiàn)，在宏觀上表現(xiàn)出復(fù)合膠凝效應(yīng)，不僅能提高固化體的力學(xué)性能，而且對(duì)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(duì)飛灰中 Pb 的影響。認(rèn)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(duì)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(shì)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(yīng)用較少，但是一個(gè)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(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)。目前發(fā)展較快的螯合型有機(jī)重金屬穩(wěn)定化藥劑，對(duì)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(yàn)證明。蔣建國等對(duì)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并與Na2S和石灰處理等效果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，螯合劑投加量 0.6 %時(shí)，捕集飛灰中重金屬的效率高達(dá) 97 %以上，為達(dá)到相同穩(wěn)定化效果，螯合劑的使用量要比無機(jī)穩(wěn)定化藥劑少得多。同時(shí)，14 個(gè)月的微生物影響實(shí)驗(yàn)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(dòng)的影響。張瑞娜等研究認(rèn)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(jī)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(xiǎn)廢物與細(xì)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(huì)以三價(jià)的形式在燒結(jié)殘?jiān)懈患?，而且，隨著燒結(jié)溫度的升高和時(shí)間的延長，三價(jià)鉻的富集將會(huì)越來越嚴(yán)重，這樣會(huì)對(duì)燒結(jié)法處理飛灰?guī)硪欢ǖ挠绊?。為解決這個(gè)問題， KuenSheng Wang 等人采用水洗的方法對(duì)垃圾焚燒飛灰進(jìn)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(huì)進(jìn)入液相，這樣，會(huì)增加污水的處理成本。Iret skaya 等人在研究重金屬的浸出機(jī)理中得出結(jié)論:應(yīng)充分結(jié)合化學(xué)穩(wěn)定和熔融處理工藝，以降低垃圾焚燒飛灰對(duì)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(shí)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(diǎn)以上，無論采用電或是其它燃料，需要的能源和費(fèi)用都相當(dāng)高。相對(duì)于其它處理技術(shù)，熔融固化的最大優(yōu)點(diǎn)是可以得到高質(zhì)量的建筑材料。以前熔融后殘?jiān)且环N玻璃態(tài)物質(zhì)，強(qiáng)度很低，這就限制了它的有效利用。為解決這個(gè)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?jiān)軌蚺c石頭一樣達(dá)到較高的強(qiáng)度。Katsunori Nishida等人在Chiba Prefecture 和Kamagaya City 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(biāo)準(zhǔn);3) 熔融物質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度達(dá)到日本對(duì)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(diǎn)，已受到廣泛的關(guān)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(shí)由于其中的 Pb、Cd、Zn 等易揮發(fā)重金屬元素需進(jìn)行后續(xù)嚴(yán)格的煙氣處理，故處理成本很高，只能在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家應(yīng)用。

2. 2   濕式化學(xué)處理法

垃圾焚燒飛灰濕式化學(xué)處理法有加酸萃取和煙氣中和碳酸化法等，該工藝運(yùn)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(jìn)行必要的處理。目前應(yīng)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(jìn)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(shè)和運(yùn)行費(fèi)用居高不下，垃圾焚燒處理廠難以承受，同時(shí)也不能達(dá)到減容化和資源化的目的，因此今后會(huì)逐漸減少這種方法的應(yīng)用。

3   垃圾焚燒飛灰處理展望

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們環(huán)境意識(shí)的提高，對(duì)于未來垃圾焚燒飛灰的處理應(yīng)該是隨污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，無害化程度要進(jìn)一步提高，同時(shí)應(yīng)盡可能減少處理和控制二次污染物的運(yùn)行費(fèi)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(dá)到灰渣(底灰和飛灰) 無害化的研究。結(jié)合我國實(shí)際，垃圾焚燒飛灰處理的發(fā)展方向應(yīng)該包括以下兩方面: (1) 開發(fā)先進(jìn)的焚燒爐，加強(qiáng)對(duì)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(xué)穩(wěn)定劑以減少垃圾焚燒飛灰中重金屬的遷移。

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