趙潔，張遠文，張曉佳，葉紅，張新功

垃圾焚燒飛灰資源化處理技術

趙潔，張遠文，張曉佳，葉紅，張新功

（青島惠城環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆綎| 青島 266555）

生活垃圾焚燒飛灰由于含有二噁英等重金屬有毒有害物質(zhì)，被認為是“危險廢物”。針對生活垃圾焚燒后產(chǎn)生的飛灰處置，面臨著占用大量土地資源，且具有二次污染性問題，因此，提出了垃圾焚燒飛灰資源化處置方法，簡要的總結了現(xiàn)有的垃圾焚燒資源化處置方法。

垃圾焚燒飛灰； 資源化； 處置法

隨著我國快速的城鎮(zhèn)化發(fā)展，人民經(jīng)濟水平普遍上升，產(chǎn)生的垃圾也呈梯子型增長， 我國生活垃圾2019年產(chǎn)生量為3.4億t，2020年垃圾產(chǎn)生量比2019年增長0.2億t[1]?！袄鴩恰眴栴}日益突出，垃圾亂堆亂放、污染環(huán)境等問題成了普遍關注的熱點，然而，日益增長的垃圾飛灰量與沒有成熟的飛灰處置設施之間的矛盾，資源化需求激增與缺乏技術標準和規(guī)范的矛盾逐步成為制約飛灰處理處置發(fā)展的兩大問題。因此，推進垃圾無害化處理已成為改善環(huán)境的重要工作而且迫在眉睫。

近年來，在國家和各級地方政府的高度重視下，我國的垃圾焚燒飛灰無害化處理成效初顯，垃圾處理運行體系不斷完善，處理垃圾設備的數(shù)量和處理能力快速增長。2019年，我國建設大、中、小型垃圾焚燒廠大約600個[2]。焚燒飛灰一直在增加，如果可以將這些飛灰資源化處置，減少垃圾填埋，這將對社會循環(huán)化經(jīng)濟發(fā)展有重要的意義。目前，日本的垃圾可以達到焚燒處理目標，并將其用于路基材、建材中，代替部分原材料進行有效利用，前景廣泛。日本資源化利用處理焚燒灰渣的技術，對我國在處理焚燒灰渣方面有很大的啟發(fā)。

我國目前主要是利用固化穩(wěn)定化和填埋法，填埋會占用大量的土地，而且這兩種方法不能長期穩(wěn)定飛灰中的二噁英和重金屬，這與我國的可持續(xù)性經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略不匹配，從長遠來看垃圾焚燒飛灰的資源化利用是我國飛灰處置技術的發(fā)展方向。目前，飛灰資源化處置大致有以下幾種：燒結輕骨料、玻璃陶瓷；熔融固化用于建筑材料；水泥窖協(xié)同處置生產(chǎn)水泥；機械化學法；直接資源化利用。

1 垃圾焚燒飛灰資源化處置技術現(xiàn)狀

1.1 高溫熱處理法

高溫熱處理方法是高溫處理飛灰，分解固化飛灰中的有害有機物，如：二噁英和重金屬，達到對環(huán)境沒有威脅和資源化應用的技術手段。該技術可分為低溫燒結法、高溫熔融法以及熔融玻璃化法[3-5]。熔融處置飛灰是當前比較超前、高效的處置技術。目前，已經(jīng)有很多關于飛灰燒結制備輕骨料、陶粒的研究。

低溫燒結法是在溫度為900～1 100 ℃下，飛灰中的固體顆粒發(fā)生化學反應而聚集成團。該過程中，顆粒質(zhì)檢的空隙逐漸減少，飛灰中的除Pb以外的大部分重金屬形成氧化物，達到國標的浸出濃度。Liu[6]還將飛灰進行水洗后燒結，發(fā)現(xiàn)與原有飛灰燒結相比，重金屬的浸出濃度都達到標準，但是經(jīng)過水洗后燒結，Cr的浸出率增加，Cd，Pb，Ni的浸出率相對減少。劉富強等[7]在燒結溫度為1 050～1 180 ℃下，經(jīng)水洗飛灰后，其氯含量顯著降低，鉛和鋅的揮發(fā)率也明顯下降。陳煒[8]曾報道了將垃圾焚燒飛灰通過1 050 ℃高溫分解，因為飛灰中鈣含量較高，因此需加入其他生料，在回轉窯中經(jīng)過烘干、預熱煅燒，形成生料球，迅速冷卻制成陶粒。該技術過程中，由于經(jīng)過高溫煅燒一定時間，飛灰中二噁英分解，同時，Pb、Cr、Cd、Hg等重金屬熔融固化，不易浸出。

高溫熔融/玻璃化法是將飛灰在1 100～1 500 ℃下熔融，玻璃化法是將添加劑和飛灰混合，溫度較高于熔融溫度。在此過程中，飛灰在高溫下分解，形成的爐渣作為原材料用于制作建筑材料。煙氣則被送入預熱器進行加熱后冷卻，過濾，固化灰渣，最終達到尾氣排放標準。飛灰熔融固化技術在美國、日本、德國等發(fā)達國家已經(jīng)形成工業(yè)化應用，還根據(jù)焚燒溫度不同設計并構造了相應的熔融爐，并研究后期熔融后的殘渣用于制造建材并進行建設使用。Park等將飛灰和TiO2、ZnO等晶核劑混合經(jīng)熔融固化得到基礎玻璃，再經(jīng)過熱處理、核化、晶化，制成了微晶玻璃，這種材料工業(yè)前景非常好且經(jīng)濟價值高[9]。Rebmz等將飛灰經(jīng)過熔融爐后產(chǎn)生的爐渣制造高質(zhì)量的聚合混凝土[10]。而我國仍處于科研發(fā)展階段。WANG Q 等[11]將飛灰熔融，檢測到玻璃體熔渣中的重金屬的浸出毒性小于國標。朱雁鳴等人[12]研究發(fā)現(xiàn)熔融處置后的飛灰中的重金屬浸出毒性顯著降低，遠遠低于浸出毒性標準，可在建材等領域實現(xiàn)安全的資源化利用。蔡可兵等[13]在焚燒飛灰中加入廢玻璃來合成玻璃陶粒，從而達到了飛灰、廢舊玻璃這兩類工業(yè)固體廢物無害化處置和資源化。魏娜等人[14]將污泥和飛灰混合燒制，得到的污泥陶粒有效穩(wěn)定其中各種重金屬，其浸出毒性均符合標準。吳玉杰等[15]研究廢玻璃：污泥：飛灰：鹽漬土不同配比，合成陶粒。當廢玻璃、污泥、鹽漬土和飛灰的質(zhì)量比為10∶6∶70∶8時，合成的陶粒中重金屬毒性都滿足標準，這為城市垃圾無害化資源處置開辟了新思路。

直流熱等離子熔融技術是在溫度5 000 ℃的等離子反應器中進行氣化/玻璃化，進入金屬/玻璃收集系統(tǒng)進行收集，在通過熱能回收利用系統(tǒng)，尾氣凈化處理系統(tǒng)，二次燃燒室，自動控制系統(tǒng)，將尾氣實現(xiàn)達標排放，能量進行二次回收。早在1992年日本TAKUMA公司采用石墨電極等離子體熔融爐來處置飛灰和爐渣，到1998年處理規(guī)模達到了25 t。日本三菱公司利用等離子體技術處置飛灰的研究有很大的進展，逐漸商業(yè)化[16]。英國Tetnmics公司利用直流電極等離子體熔融技術處理焚燒飛灰，取得了重要成果，現(xiàn)已成為世界上處理焚燒飛灰技術的主要供應商。該技術已在日本、美國、英國等發(fā)達國家實現(xiàn)商業(yè)化，并將飛灰產(chǎn)生的玻璃體用于建筑材料[17]。

熱處理方法對重金屬和二噁英的處理效果都很好，可有效固定重金屬，可減容化，資源化利用價值較高。但缺點是整個過程中能源消耗大，二次飛灰中重金屬含量高，二噁英存在二次生成，容易形成二次污染。目前，可以優(yōu)化的方案有以下處理方法一是將熔融鹽處理；二是通過二次飛灰循環(huán)；三是增加含氧量，增加處置溫度，減少熱量損失。

1.2 水泥窖協(xié)同處置

飛灰水泥窖協(xié)同處置技術是目前常見的一種焚燒飛灰資源化利用技術。飛灰由于其化學成分與水泥類似，因此將飛灰作為生產(chǎn)水泥的原材料。研究表明利用水泥窖協(xié)同處置過程中，飛灰經(jīng)過高溫（1 800～2 200 ℃）二噁英等有機物將會徹底分解，重金屬物質(zhì)也將固化在水泥熟料當中，并且CaO可與高氯飛灰產(chǎn)生的HCl反應，抑制了酸性有害氣體HCl的排放[2]。目前，該工藝方法已在國內(nèi)工業(yè)化，代表廠家是北京金隅玻璃河水泥廠。具體工藝流程是飛灰原料倉進入水洗罐進行預處理，降低飛灰中的高鹽度，防止腐蝕水泥窖。進入臥螺離心機，分離后固體進入烘干機，烘干，進入料倉，進入窖尾（850～900 ℃），生成水泥產(chǎn)品。另一部分液體經(jīng)過物理沉降池，反應罐、化學沉淀池，過濾罐MVR蒸發(fā)結晶后產(chǎn)出工業(yè)用鹽[18]。肖海平[19]驗證了水洗后的飛灰中96.21%的氯元素被脫除，99.97%的二噁英留在了脫氯飛灰中，經(jīng)過水泥窖高溫煅燒后，徹底降解，降解率達到99%以上。同濟大學教授施惠生[20-23]團隊將少量的垃圾焚燒飛灰與硅酸鹽水泥和CaCl2燃燒成功合成阿利尼特水泥。探索利用垃圾飛灰燒制的阿利尼特水泥與石膏、飛灰摻雜合成水泥的最佳比。為垃圾焚燒飛灰的資源化處理找到新思路。目前，國家、政府也在積極鼓勵該技術生產(chǎn)線的建設。

水泥窖協(xié)同處置對重金屬和二噁英的處理效果都很好，能耗較低，沒有二次污染，可將徹底處置飛灰，從而資源化利用。缺點就是在窖中氯化物容易揮發(fā)，在窖尾處放生凝結堵塞，因此在窖內(nèi)之前首先水洗預處理。該方法也有效促進了水泥行業(yè)綠色環(huán)保轉型發(fā)展，為社會和環(huán)境作出貢獻。

1.3 水熱法

水熱法是將飛灰溶于水，在高溫高壓下，加入含有Si、Al等物質(zhì)與飛灰中的Al和Si發(fā)生反應生成不同類型的沸石（硅酸鹽），沸石的結構是架狀，中間有很多的空隙，所以沸石的吸附性和離子交換能力非常強，重金屬有效的固定其中。Bayuseno A P等[24]研究水熱法制備加藤石，經(jīng)過轉變?yōu)檠┕桠}石。FAN Y等[25]通過水熱處理得到了X型沸石。Yang GC C等[26]通過此方法得到了鈉、斜方鈣沸石；石德智等[27]在水熱條件下，加入粉煤灰、高嶺土和膨潤土，Pb、Zn和Cu等重金屬浸出濃度明顯降低，可以看出，加入硅鋁添加劑有效地抑制了重金屬向液相轉移。

邱琪麗[28]研究利用微波水熱法將垃圾焚燒飛灰進行無害化處置，可以看出微波加熱可有效穩(wěn)定粉煤灰中的重金屬，還可以加快二噁英的分解。Gong等[29]采用微波水熱法可減少飛灰中的Pb、Cu和Zn浸出。Qiu等探究了在溫度為220 ℃下，經(jīng)過微波加熱，分別加入質(zhì)量分數(shù)為5％和10％的Na2HPO4，與空白試驗做對比，二噁英消除率從達到60.6％到83.3％在到91.8%。進而證明了在微波加熱過程中，加入Na2HPO4可以增加二噁英的降解率，也可以有效固定重金屬。劉林林[30]在水熱反應過程中加入O2，發(fā)現(xiàn)二噁英的消除率上升，目前二噁英含量符合國外農(nóng)用土壤中的標準。微波加熱技術相比普通水熱技術來說，其更加高效、節(jié)能，而且處置以后的飛灰適應環(huán)境pH范圍更大[31-32]。

水熱法能量消耗低，處理效率相對來說較高，對重金屬的穩(wěn)定效果好，二噁英的降解較高，但是對處理設備要求高，產(chǎn)生的水熱廢液還需要處理，成本高， 經(jīng)水熱法處理后的飛灰二噁英和重金屬都被合理抑制，可填埋也可資源化處理，但是水熱法要求設備嚴格，產(chǎn)生的廢液處置難度大，并且對爐排爐飛灰中重金屬固化能力不佳，當前還需要不斷的探索研發(fā)。

1.4 機械化學方法

機械化學方法是通過碰撞、剪切、壓縮和摩擦等機械外力激活、加快顆粒物發(fā)生物理變化和化學改變，飛灰中Cu、Pb 和Cr等重金屬被固化[33]。很多研究表明，加入添加劑有助于固定重金屬以及增強二噁英的降解。CaO由于價格低和添加效果好是最常用的添加劑。Nomura Y研究表明添加CaO可使飛灰中的Pb的形式發(fā)生轉變[34]。陳志良等將CaO-Al作為添加劑，加快了飛灰的降解以及重金屬的固化。其作用機理是在機械力的作用下，氧原子將電子給C-Cl鍵，鋁需要電子，刺激CaO的電子的釋放。并在此基礎上，研究開發(fā)出實用性強且降解率高的SiO2-Al添加劑[35]。

王旭[36]研究了以球磨后的飛灰混合水泥制備輕骨料，從實驗可以看出，球磨飛灰使得飛灰的粒徑減小、孔隙減少，因此，球磨使得骨料的性能提升。在不同pH條件下原始飛灰和球磨飛灰的重金屬滲出量來看,球磨對重金屬的浸出率有一定的影響，球磨飛灰骨料的強度更高，可以看出球磨后飛灰制備的輕骨料環(huán)境安全性能更好。還對爐排爐飛灰和流化床飛灰進行了對比，爐排爐飛灰水洗脫氯效果好，但是處理飛灰脫氯水洗液比較困難，經(jīng)濟成本高。流化床飛灰需二級水洗，經(jīng)過化學沉淀法和反滲透膜分離技術的結合，滿足排放標準，經(jīng)濟又環(huán)保。

XU P等[37]利用爐排爐飛灰和流化床飛灰作為堿激發(fā)磚的原材料，實驗結果發(fā)現(xiàn)兩種磚均可滿足標準要求，這也說明飛灰可用于堿活化材料。

寧博等[38]研究了飛灰單獨摻入制備混凝土原材料中與飛灰以及礦渣、稻殼灰等礦物混摻制備混凝土進行了對比實驗，研究可以看出，單摻飛灰比混摻后得到的混凝土的各方面性能強，重金屬毒性浸出也達到國標。孟令敏等[39]將一定比例的飛灰作為原材料合成C80高強混凝土，得到的結果是兩者的穩(wěn)定性差不多，而且重金屬毒性浸出符合國標，可安全使用。

李強等[40]將飛灰、水泥、細骨料按照一定比例在攪拌機內(nèi)攪拌均勻后在混凝土壓力機上勻速加壓制備混凝土空心磚。

許鵬等人[41]通過利用焚燒、燃煤飛灰、礦渣粉末混合，攪拌壓制成堿激發(fā)磚材，摻雜飛灰為40%時，各方面性能優(yōu)良且重金屬被固定于磚材中。

機械化學法處理過的飛灰粒徑變小、孔隙減少，比表面積增大，整個過程能量消耗低，從而有益于飛灰的資源化利用。但是對爐排爐飛灰處理效果不好，對飛灰的選擇性有一定的要求。

1.5 直接資源化處置

飛灰與火山灰的性能有點相似，經(jīng)過脫除、水洗重金屬等有毒物質(zhì)進行預處理后方可代替一定量的水泥用于建筑材料、路基和堤壩、制造混凝土實心磚[42]，從而實現(xiàn)資源化應用。飛灰還可以用作催化劑（生物質(zhì)制氫）[43]、土地肥料、污泥調(diào)理劑、穩(wěn)定劑、吸附劑以及其他物質(zhì)的填充料和生產(chǎn)原材料。但如果飛灰不經(jīng)處理直接資源化利用的話，二噁英、重金屬等有機毒物不能有效控制，對環(huán)境存在潛在的危險，因此飛灰的直接資源化利用不環(huán)保也不科學[3]。

2 結束語

目前，資源化處置飛灰是最理想的方法，飛灰的資源化處置重點在重金屬浸出毒性以及二噁英的完全消除。在資源化處置方法中熱處理法需要的能量高，二次污染嚴重，成本高。水熱法和機械化學法還需要進一步研究。水泥窖協(xié)同處置方法是目前比較理想的技術。該技術可高溫處理飛灰并與其他原材料實現(xiàn)飛灰的資源化處置。但仍有不少缺陷，我們?nèi)匀灰M一步驗證重金屬的長期穩(wěn)定效果。目前已有很多新技術還處在研究階段，要從經(jīng)濟、環(huán)境等多方面去考量，飛灰在資源化處置技術的發(fā)展空間還很大，目前國內(nèi)外研究學者對此相當?shù)年P注。希望早日解決我國垃圾飛灰的處置問題。

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Waste Incineration Fly Ash Resource Treatment Technology

,,,

(Qingdao Huicheng Environmental Technology Co., Ltd., Qingdao Shandong 266555,China)

The municipal solid waste incineration fly ash is considered as "hazardous waste" because it contains dioxin and other heavy metal toxic and harmful substances. In view of occupying large amount of land resources and having the secondary pollution of treating the fly ash from the incineration of municipal solid waste (MSW), a resource treatment method for waste incineration fly ash has been proposed. In this article, existing waste incineration resource disposal methods were briefly summarized.

Fly ash from MSW incineration; Resource utilization; Disposal method

2021-04-09

趙潔（1989-），女，山東省青島市人，工程師，碩士，2016年畢業(yè)于長春理工大學化學專業(yè)，研究方向：固體廢棄物資源化利用。

TQ09

A

1004-0935（2021）10-1507-05