生活垃圾焚烧飞灰处置及资源化利用研究

文_庞俊峰 张建平 秦淼 李强 黄亚继

1.光大环保固废处置（苏州）有限公司；2.东南大学能源与环境学院，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室

我国城市生活垃圾的产量持续走高，随着焚烧发电产业迅速发展，垃圾焚烧项目已成为环境基础设置领域的重点。由于焚烧垃圾及工业危废时都会产生大量飞灰，且飞灰中富集了大量的重金属属于危废，若处置不科学将会对生态环境造成影响，因此对焚烧飞灰进行科学的再生利用是目前主要的研究热点。

1 焚烧飞灰的来源

根据收集位置不同，将垃圾焚烧后产生的灰渣分为炉渣和飞灰，炉渣占比约80%左右，飞灰占比20%左右。炉渣主要由熔渣、有色金属、陶瓷碎片、玻璃碎片等组成。焚烧飞灰主要是垃圾焚烧过程中在烟气净化、除尘装置、热回收利用系统中的捕集物。

2 焚烧飞灰的组成与性质

焚烧飞灰成分既有无机物也有有机物，飞灰中无机有害物有Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和Zn 等重金属，有机物有二噁英等致癌物。焚烧飞灰中含量最高的三种元素分别是O、Ca、Cl。氯元素存在的形式有NaCl、 KCl 等金属氯化物和氯代有机物。焚烧飞灰中主要的氧化物是 CaO、 K2O、 Na2O、SO3和SiO2，飞灰形成玻璃体的主要成分是CaO、SiO2和Al2O3。

3 焚烧飞灰重金属毒性研究

垃圾焚烧发电产生的焚烧飞灰中含有铜、铅、镍、锰、镉等大量毒性重金属以及可溶性的盐类物质，但都可以通过酸洗、水洗、磁力分离、电分离、离子交换和微生物分离等方法去除。酸洗结合化学稳定化处理成本虽低，但无害化处理不彻底。研究表明，焚烧飞灰旋风熔融技术能使二噁英快速分解，熔渣形成致密的玻璃体，有效控制重金属浸出。

4 焚烧飞灰水洗脱盐

生活垃圾焚烧飞灰中有17%～22%的可溶性盐，主要为Na、K 和Ca 的氯化物。氯元素含量太高不利于固化形成各种结构，水洗可以洗去部分碱性氯化物和硫化物，从而增加飞灰中的网状结构和化学稳定性。实验表明，灰与水质量比一般在1:3/4，且蒸发结晶前的预处理非常关键，因此生活垃圾焚烧飞灰水洗脱盐逐渐成为一种适应性广泛、处理效果好、成本较低的技术。

5 焚烧飞灰处置和资源化利用

5.1 安全填埋法

安全填埋法是指将焚烧飞灰在现场进行螯合固化处理后送入安全填埋场填埋，这是目前焚烧飞灰最常用的处理方法。但填埋会占用大量土地资源，2020 年6月起我国将实施《危险废物填埋污染控制标准》（GB18598-2019）中第6 条填埋标准，要求水溶性盐总量低于10%方可进入柔性填埋场，否则进入刚性填埋场。

5.2 固化稳定化法

固化稳定化法包括水泥固化、沥青固化、熔融固化、化学药剂固化等。固化法是国内外垃圾焚烧飞灰无害化工程中最常见的方法。如水泥固化法虽然成本低、工艺简单，但水泥固化法产物增容明显。化学稳定法是通过利用化学药剂和化学反应来降低飞灰中的有毒有害物质的溶解性、迁移性和毒性。

5.3 重金属提取法

重金属提取法主要是将大部分重金属从焚烧飞灰中分离出来，实现重金属的回收，同时使飞灰成为普通废弃物或成为建筑材料进行资源化利用。提取方法主要包括酸碱浸提、生物浸提、螯合剂浸提、电渗析法提取等。

5.3.1 酸碱浸提法

各种湿法冶金工艺和过程都被用于焚烧飞灰中重金属的提取，酸碱浸提常用的试剂包括HCl、HN03、H2S04、NaOH 等。其中HCl、HN03可提取绝大部分金属，H2S04能溶解除Ca、Pb 以外的大部分金属，碱能选择性地提取Zn 和Pb。为了减少酸碱消耗又能提升金属的提取率，可采用与酸碱提取相结合的工艺。

5.3.2 生物浸提法

生物浸提取焚烧飞灰中的金属常用的微生物包括细菌和真菌，主要反应包括氧化还原反应，形成有机酸或无机酸，释放出配合物这三个步骤。有研究确定了焚烧飞灰中重金属生物淋滤浸出的最佳条件为pH4.0,飞灰浓度1%，硫粉量5g/L，在此条件下焚烧飞灰中重金属的去除率最佳，通过X 射线能谱分析发现沉淀得到的铜和锌纯度分别超过90%。

5.3.3 螯合剂浸提法

螯合剂浸提法是将螯合剂与焚烧飞灰中金属反应生成可溶性配合物。螯合剂主要有HCl、NTA、EDTA、DTPA 等。研究中使用近临界水处理飞灰，继而用NTA 提取飞灰中的有毒金属，近临界水处理后的飞灰用NTA提取率比对照平均提高3 倍。经螯合剂处理后的飞灰颗粒表面孔隙度明显降低，有机螯合剂中含硫官能团是影响重金属稳定的主要因素 。

5.3.4 电渗析提取法

电渗析提取法最先用于对污染土壤的修复项目，也有研究报道此技术对垃圾焚烧飞灰进行处理。电渗析法分离焚烧飞灰浸出液中重金属效果与电流密度、液固比、处理时间等参数均有关系。研究结果表明：电流密度0.8mA/cm2，液固比10(ω)和处理时间14d 条件下飞灰浸出液中重金属分离效果最好。飞灰中大量NaCl 被移除，可溶态和碳酸盐态重金属含量降低。

5.4 热处理法

热处理方法主要包括烧结处理、固化处理、玻璃化处理等，能够显著减少焚烧飞灰容积、减轻重量、降低重金属浸出毒性度。经处理后可形成高附加值的产物，用于生成再生建筑材料或者再生保温材料。

5.4.1 烧结技术

烧结是将待处理的危险废物与细小的玻璃屑、玻璃粉混合，经混合造粒成型后在1000 ～1100℃高温熔融下形成玻璃固化体。受到焚烧飞灰中存在的硫酸盐、氯盐影响，烧结物不适于作为建筑原料，而经过水洗预处理的飞灰大大提高了烧结产品的性能。水洗焚烧飞灰烧结产品可以作为混凝土骨料，是较理想的替代材料。

5.4.2 熔融固化技术

近年来熔融技术在我国发展较快，焚烧飞灰经加热熔融后二噁英等有机污染物高温分解，大部分重金属经过高温熔融后被固化在熔渣中，熔渣可作为路基、建材、陶瓷等原料，灰渣熔融后可减容60%～70%。

5.4.3 熔融玻璃化技术

焚烧飞灰玻璃化过程中需要混合额外辅助材料使其形成具有玻璃成分的物质，比如添加一定量的P2O5、 Fe2O3和TiO2等成核物质。所得熔渣主要用于填埋和再生利用。熔渣成分包括CaO、MgO、Al2O3、SiO2等。等离子体熔融熔技术是玻璃化技术的主要应用，有机物被完全分解，无机物被熔融成理化性质稳定的熔渣，实现焚烧飞灰的无害化和资源化。

5.4.4 水泥窑协同处置技术

水泥窑协同处置技术是利用水泥回转窑在高温煅烧水泥熟料的同时焚烧处置危险废弃物，该技术既能充分利用焚烧飞灰有机成分的热值实现节能，完全利用飞灰中的无机成分替代部分常规原料生产水泥熟料，又能使飞灰中的有毒有害物质在新型干法水泥窑的高温环境中完全焚毁，使污染飞灰中的有毒有害重金属固定到熟料中。

6 结语

目前,我国将焚烧飞灰资源化处置再利用提上了更高的要求，一是可以制备熔融陶瓷砂，可作为绿色铸造环保用砂；二是可以制备保温材料，可以生产陶瓷纤维，保温岩棉等产品；三是可以制备微晶泡沫玻璃，作为天棚材料和保温构件；四是可以制备微晶铸石，用于煤炭、电力、化工等行业。这些新技术的推广也将为我国固废和危废绿色处置和资源化利用作出全新的贡献。