生活垃圾焚烧发电项目中飞灰的资源化处理及方式

生活垃圾焚烧发电项目中飞灰的资源化处理及方式

李文彬

深圳市一晟环保技术服务有限公司 广东省深圳市518000

摘要：中国的城市规模逐年扩大，城市生活垃圾的产生也在逐年增加。急增的生活垃圾已成为环境污染的一大公害，严重威胁着人类的生存空间。生活垃圾无害化处理方式包括卫生填埋、焚烧发电和堆肥处理，焚烧法是将垃圾置于高温炉中，使其中可燃成分充分氧化的一种方法，其优点是减量效果好，焚烧后的残渣体积减少90%以上，重量减少80%以上，处理彻底，产生的热量用于发电和供暖，从而使垃圾成为新的资源，实现了城市垃圾减量化、无害化和资源化。然而，城市生活垃圾焚烧所面临的问题是如何处理大量的焚烧残余物，这些残余物主要由焚烧炉渣和飞灰组成。由于温度和氯的存在加速了重金属的化学分配，在利用生活垃圾(食品、PVC等)进行焚烧发电所产生的飞灰中的重金属含量高于焚烧炉渣。

关键词：生活垃圾焚烧发电；飞灰的资源化处理；方式

引言

焚烧作为城市生活垃圾无害化、减量化、资源化处置最高效的手段已成为现阶段生活垃圾处理的关键技术及主流方式。国家发改环资[2021]642号《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》指出，“十三五”期间，全国共建成生活垃圾焚烧厂254座，累计在运行生活垃圾焚烧厂超过500座，焚烧设施处理能力58万吨/日，全国城镇生活垃圾焚烧处理率约45%，初步形成了新增处理能力以焚烧为主的垃圾处理发展格局；并提出，到2025年底，全国城市生活垃圾资源化利用率达到60%左右，全国城镇生活垃圾焚烧处理能力达到80万吨/日左右，城市生活垃圾焚烧处理能力占比65%左右。然而，垃圾焚烧过程产生的固体残留物飞灰，因其具有较高浸出浓度的重金属和高毒性当量的二噁英等毒害物质而被列入《国家危险废物名录》，备受社会关注。我国大中型城市生活垃圾焚烧产生的飞灰量大，以填埋为主的处置方式会造成土地资源极度浪费。据调查，全国垃圾填埋场已接近饱和状态，鉴于土地资源紧缺的现状，目前全国多个省份原则上已不再审批填埋场建设。因此亟需寻找出一条既能有效处理飞灰又能节约土地资源的有效途径。

1飞灰的利用现状

飞灰的主要用途包括作为水泥和混凝土灰泥等的建筑材料、作为路堤、人行道和铺路等公路建设铺装材料、作为荒地、充填矿山和海滩等的填料、作为填埋场覆盖材料和其他应用(吸附剂和污泥调节剂)。与欧洲不同，美国的焚烧炉渣和飞灰是混合在一起而不是分离的。飞灰中存在大量的SiO2、A12O3和CaO，其组成与水泥生产原料的组成非常相似。因此，飞灰可以作为水泥生产的一种替代原料。如果在未经预处理的水泥生产中加入飞灰，飞灰中重金属和氯化物含量高，会影响产品质量，同时重金属含量过高会带来其他环境问题。通过固化稳定技术，飞灰可以作为水泥的替代品或骨料应用，但在工艺过程中应严格控制飞灰的添加量，以确保工艺安全及产品质量。另外，飞灰常作为填料广泛应用在充填矿山、海滩等。垃圾填埋场具有屏障层和渗滤液回收系统等环保设施，可以很好地控制飞灰中重金属浸出对人体健康和环境的不利影响。如果用作垃圾填埋场覆盖，飞灰的预处理过程如筛分、磁选、粒度分布等都不是必要的。

2垃圾焚烧飞灰的化学组成特性

利用x射线荧光光谱仪(XRF)分析飞灰的化学成分。粉煤灰的化学成分见表2.5。焚烧飞灰的主要成分是Ca、Cl、k、Na、Fe，如果像矿物元素的一般组成一样，大多数Cl元素以可溶性氯盐(CaCl2、NaCl、KCl)的形式出现在飞灰中，飞灰中的重金属是Pb、Zn粉煤灰中含有大量的Ca元素，主要原因是通过在烟气净化系统中蒸发过多的热量，从而使粉煤灰中的Ca浓度增加，从而确保垃圾焚烧产生的酸性气体的完全吸收。

3飞灰污染特性

飞灰的特点是含水量低、粒径不均匀、孔隙率高、比表面积大。生活垃圾燃烧烟气脱酸性气体的过程中，必须喷洒大量熟石灰和其他碱性物质，这提高了酸的缓冲力和飞灰的耐蚀性。飞灰的主要元素有硅、钙、铝、铁等。此外，还有K、Na、Cl等多种元素属于CaO-SiO2-Al2O3(Fe2O3)系统。飞灰的组成与生活垃圾的组成和焚烧技术密切相关。含氯率高是我国飞灰的特点之一，有的甚至高达37.3%。主要以可溶性氯化物Ca，Na，K的形式存在。大多数研究表明，飞灰中重金属浓度分布差异很大，但X射线衍射(XRD)分析没有发现含有飞灰中重金属的晶体矿物相成分。这可能是因为飞灰中重金属的比例相对较小。

4飞灰的资源化处理

4.1热分离技术

热分离方法可分为三大类：玻璃化、烧结和熔融。玻璃化是一种化学过程，将玻璃前体材料和危险废物的混合物在高温下熔化或熔融，生成无定形的单相产品。烧结是一种化学过程，危险废物和小玻璃的混合物在1000~1100℃高温下熔化，得到玻璃废物形式。熔融是一种化学过程，飞灰在超过1300℃的高温下在燃料炉中熔化或熔融，形成晶体等产品。在熔融过程中，飞灰中的二噁英等有机污染物可被分解、燃烧和气化，而无机污染物则被熔融成玻璃渣。飞灰中重金属残留被烧结的玻璃网状结构包围，有效地抑制重金属的浸出，该方法可减少大量的废弃物，且产品耐浸出，可作为建筑材料或生产玻璃、陶瓷的原料。同时该技术具有体积还原率高、渣稳定、重金属不浸出等优点，是目前公认的最稳定、最安全的方法之一。由于体积缩小等显著优势，飞灰处理的熔融技术在世界各国得到显著的发展。

4.2化学药剂稳定化技术

“化学稳定化技术”是指选择与灰分反应器中重金属性质相匹配的化学物质，制造与重金属反应的不溶性或不溶性化合物、络合物或螯合物，从而降低重金属的流动性和毒性。常规稳定剂主要是无机剂，如石膏、硫化物、铁氧体、磷酸盐和有机剂，如聚合物有机稳定剂(EDTA)。化学试剂对于稳定重金属是可选的。利用2.5%Na2HPO4和7.5%Na2S稳定飞灰中的重金属。结果表明，飞灰中Cd、Pb、Se、Zn等重金属的浸出浓度低于GB5085.3—2007标准限值。利用两种新的有机化学物质稳定飞灰中的重金属:六黄大学的卡巴梅和四黄大学的卡巴梅。结果表明，锌、铜、镍、铅、铬、镉等重金属可以有效结合。由于硫化氢的饱和基团，因此性能稳定良好。

4.3湿法冶金

湿法冶金过程将飞灰与水溶液(或其他液体)接触，通过化学和其他反应将重金属传输到液相。这个过程产生一种富集金属的溶液，金属可以通过进一步的方法回收，包括沉淀、结晶或电化学方法。湿法冶金工艺具有简单、灵活、成本低等优点。因此，在处理低金属浓度的飞灰时具有明显的优势。目前，超临界萃取法和生物浸出法是从飞灰中分离重金属的主要湿法冶金技术。

4.4飞灰重金属固化技术

现有的一般飞灰固化技术包括水泥固化、化学固化、热处理。水泥硬化是通过硬化和封锁降低飞灰的表面积和渗透性，而水泥的高ph值会产生不溶性碳酸盐或重金属氢氧化物，达到无害的目的。“化学硬化”是指在飞灰中加入包裹重金属元素的螯合物，或通过化学反应转化为惰性物质，降低重金属的浸出毒性。热处理主要分为烧结、熔融或玻璃化，利用高温条件分解二恶英、呋喃等有机物，重金属固定在矿物结构中。

4.5超临界萃取法

超临界萃取法利用流体在高于其临界点的条件下进行萃取。超临界流体的密度与液体相似，而粘度与气体相当。另一方面，它的扩散率是在气体和液体之间。这些特性使超临界流体能够更深入、更快地渗透到固体基体中。该方法中最常用的溶剂是二氧化碳，因其成本合理、安全可靠。它还可以防止萃取物被破坏，因为它在萃取过程中提供了一种非氧化气氛。目前已采用超临界萃取法对飞灰中的重金属Zn、Pb、Cu和Cd等进行萃取。

4.6直接资源化处置

飞灰的性能有点像火山灰。去除、冲洗重金属等有毒物质后，可用建筑材料、路基、堤坝等替代一定量的水泥，制成混凝土实心砖，实现资源化。飞灰也可用作生产催化剂(生物质制氢)、土地肥料、污泥调节剂、稳定剂、吸附剂、填料等物质的原料。然而，如果不经过处理就直接提取碱，有机毒物如二恶英、重金属就无法得到有效控制，这有可能对环境造成潜在危害。因此，飞灰资源的直接传输既不是环境，也不是科学。

4.7生物浸出法

在生物浸出过程中，重金属普遍可以通过酸形成，直接酶促减少或由细胞外产生的间接效应来释放。生物浸出的有效性受到微生物物种、浸出方法、pH、浸出温度和时间以及底物浓度等影响。许多类型的微生物可用于生物浸渍，包括异养真菌、自养细菌和异养细菌。异养真菌通常可以在碱性和酸性pH周围生存，因此它们适用于碱固体废物的生物浸出。然而，自养细菌的运营成本相对较低，因此自养细菌也通常用于生物浸出实验中以从飞灰中浸出重金属。具体而言，主要使用的生物是A.niger、Thiobacillusferrooxidans(铁氧化细菌)和Thiobacillusthiooxidans(硫氧化细菌)。一些研究在生物浸出前使用水洗涤预处理以减少可溶性盐的影响。

4.8渗滤液处理技术

城市垃圾焚烧浸漏液主要产生于水库，水库首先必须防水，以确保浸漏液不渗入；随后建立了一个浸漏液收集池，由于浸漏液浓度高，该池可以根据实际情况确定废物的储存时间，并具有调节水质和水量的功能。浸漏液处理通常采用更成熟、更具成本效益的处理方法:预处理+厌氧处理+好氧处理+深度处理。在处理浸漏液时，冷凝液和污泥等物质经常存在，必须直接在焚化厂处理，以避免在厂外处置。随着垃圾分类的推广，厨房垃圾等水含量高的垃圾被放置起来，数据表明，垃圾的浸漏液含量将减少20%。

结束语

目前，最理想的方法是利用飞灰。处理飞灰资源时，重点是重金属浸出毒性和二恶英的彻底去除。资源节约处理方法中热处理能耗高，二次污染严重，成本高。水热法和机械化学需要进一步研究。水泥坑的联合拆除是目前理想的技术。该工艺可以对飞灰进行高温处理，实现飞灰和其他原料的资源化。

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