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1、烟尘治理 垃圾焚烧飞灰的处理技术现状*张玉燕? 倪文? 李德忠? 谢婷婷? 延黎( 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室, 北京科技大学土木与环境工程学院? 北京 100083)? ? 摘? 要? 系统论述了国内外垃圾焚烧飞灰的处理现状, 从固化稳定化、 湿法化学处理、 安全填埋等几个方面分析了垃圾焚烧飞灰在各个技术领域的利用情况, 以及以后的处理方向和发展前景, 并且对各项技术的利用情况作了详细的阐述。? ? 关键词? 垃圾焚烧飞灰? 重金属? 资源化The Present Situation of the Treatment for the MSWI Fly AshesZHA
2、NG Yu- yan? NI Wen? LI De- zhong ? XIE Ting- ting? YAN Li(The State Key Laboratories of High- efficient Mining and Safety of Metal Mines, Civil and Environment Engineering School ,University of Science and Technology Beijing ? Beijing 100083)Abstract? This paper discusses the treatment of municipal
3、solid waste incineration fly ash at home and abroad, analyzes the using situationfrom the following aspects: stabilization/ solidification, treated by wet chemical process, safe landfill and etc, the future development orienta?tion and prospects as well. Meanwhile the using of each technology is des
4、cribed in detail.Keywords? MSWI fly ashes? heavy metals? resource recovery? ?随着我国经济的高速发展, 城市化水平和人民生活水平的不断提高, 城市垃圾产生量与日俱增。城市生活垃圾的基本处理方式有填埋、 焚烧和堆肥。其中, 焚烧法可使垃圾减容90% , 减量 75% , 可以杀死所有的病原微生物和寄生虫卵, 产生的热能可以回收利用, 能够最大限度地实现生活垃圾的减量化、 无害化、 资源化, 而且占用土地资源最少 1。焚烧法对于持续、 稳定、 安全、 可靠地消纳大量的城市生活垃圾, 改善城市人的居住环境, 保障经济可持续发
5、展, 无疑起着重要作用。然而, 垃圾焚烧产生的飞灰中含有大量的有毒重金属( Cr, Pb, Cu 等) , 属于国家规定的危险废物, 在进入危险废物填埋场之前必须经过稳定化/固化处理。本文对目前所使用的垃圾焚烧飞灰资源化处理技术进行总结。1? 固化与稳定化法固化与稳定化技术是国际上处理有毒废物的主要方法之一, 而胶凝材料是目前应用最广也是最重要的固化稳定化材料。国外已经开展过垃圾焚烧灰作为水泥混凝土集料或混合材的研究2- 5, 也报道了运用热处理技术把垃圾焚烧灰资源化的方法6。1. 1? 水泥固化法固化处理是利用固化剂与垃圾焚烧飞灰混合后形成固化体, 从而减少重金属的溶出。水泥是最常见的危险废
6、物固化剂, 因此工程中常采用水泥对焚烧飞灰进行固化处理。飞灰被掺入水泥的基质中后, 在一定的条件下, 经过一系列的物理、 化学作用, 使污染物在废物水泥基质体系中的迁移率减小(如形成溶解性比金属离子小得多的金属氧化物) 7。有时, 还添加一些辅料以增进反应过程, 最终使粉粒状的物料变成坚固的混凝土块, 从而使大量的废物因固化而稳定化。对垃圾焚烧飞灰进行稳定化处理的研究结果表明, 无论是采用水洗还是粉碎等飞灰前处理工艺, 处理后的砌块均难以达到较高的强度。另外在研究飞灰中的重金属浸出时发现, 由于飞灰中氯离子的影响, 经固化后的砌块中铁、 铜、锌等离子容易浸出而导致污染物超标。Hamernik
7、和 Frantz8等研究了垃圾衍生燃料垃圾飞灰作为辅助材料代替水泥加入混凝土, 当用垃圾飞灰代替 45%的水泥时的耐压强度与原来的相当。对于重金属及氯化物含量高的飞灰若作为水泥替代材料时应作适当处理, 如水洗或加入添加剂 9, 10。张文生等 11研究指出垃圾焚烧飞灰与矿渣等材料复合, 可改善水泥的后期强度。从强度发展趋势看, 垃圾焚烧灰与其他混合材的复合, 在一定程度上改善了单掺垃圾焚烧灰水泥后期强度增长缓慢的情况。垃圾焚烧灰与矿渣或低钙粉煤灰复合能改善水泥后期强度, 尤其与矿渣复合的作用非常显著。因此, 尽管水泥固化处理飞灰具有工艺成熟、 操作简单、处理成本低等优点, 但由于垃圾焚烧飞灰中
8、含有较高的氯离子, 采用水泥固化法处理必须进行前处理, 以减少氯离子对固化后砌块的机械性能影响以及后期重金属离子浸出等问题, 这样在很大程度上提高了对飞灰处置场建设和运行的要求, 造成成本增加, 限制了该方法的应用。1. 2? 凝石稳定化法目前凝石技术体系已趋于成熟。凝石的生产是利用具*国家科技支撑计划项目课题? 尾矿凝石技术?资助( 课题编号: 2006BAC21B03) 。?1?2009 年第 35卷第 1 期 January 2009? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 工业安全与环保 Industrial Safety and Environmental Protec
9、tion有火山灰活性的固体废弃物, 包括粉煤灰、 冶金渣、 煤矸石、油页岩渣、 预处理过的尾矿、 黄河砂、 城市建筑垃圾、 以及天然火山灰等硅铝质物料, 加入少量或不加水泥熟料, 再配入1%- 5% 的成岩剂, 经分别磨细再混匀或一起混磨工艺制备而成的, 能够在许多场合替代水泥的硅铝基胶凝材料。凝石是基于仿地成岩原理制备而成的硅铝基胶凝材料。目前凝石在中国已经形成几十条生产线和数百万 t/a 的生产规模。现在凝石技术体系推广应用的基本模式是: 凝石成岩剂由区域性工厂集中生产。将生产好的凝石成岩剂运往凝石胶凝材料生产工厂。在凝石胶凝材料生产厂内将 1%- 5% 的凝石成岩剂与上述固体废弃物磨细后
10、的微粒一起混磨均匀, 加入少量或不加水泥熟料, 就得到了凝石胶凝材料。垃圾焚烧飞灰在凝石成岩剂中的加入量为 1% - 10% , 这样垃圾焚烧飞灰在成岩剂中就得到了 10- 100 倍的稀释。成岩剂在凝石胶凝材料中的加入量为 1% - 5% , 这样垃圾焚烧飞灰在凝石胶凝材料中就得到了 200- 10 000 倍的稀释 12。该技术初步研究的结果表明, 凝石对垃圾焚烧飞灰中重金属物质的处理效果良好, 当飞灰的掺加量为 1% - 5% 时,重金属在凝石中得到了有效处理, 其渗滤的结果均符合固体废弃物浸出毒性鉴别标准, 其浸出液中的各重金属浓度都远远低于城市污水排放的标准, 对环境不会造成危害。该
11、技术被认为是固体废弃物资源化利用方面非常有前途的。1. 3? 熔融固化技术飞灰经加热熔融, 使其中的二恶英等有机污染物高温分解13, 熔渣快速冷却形成致密而稳定的玻璃体, 从而有效地控制重金属的浸出。熔融处理不仅可以控制污染, 而且熔融使灰渣变得致密, 减容效果非常显著。此外, 根据不同需要可以将熔渣制成建筑材料或作为玻璃、 陶瓷等生产行业的原料, 实现灰渣的资源化利用。研究表明, 灰渣熔融后仅由于密度增加就可减容 70% 左右, 如果再考虑到熔渣综合利用,对于填埋负担而言, 可以达到 1/20 的减容比14。正是由于灰渣熔融的上述优势, 熔融技术在发达国家迅速发展。许多学者对垃圾焚烧飞灰的熔
12、融进行了大量的试验研究15- 19。(1)烧结法。烧结法是将待处理的危险废物与细小的玻璃质, 如玻璃屑、 玻璃粉混合, 经混合造粒成型后, 在 1000-1 100 ? 高温熔融下形成玻璃固化体, 借助玻璃体的致密结晶结构, 确保固体化的永久稳定。但该方法需充分结合化学稳定和熔融处理工艺才能降低垃圾焚烧飞灰对环境的危害。(2)熔融法。熔融法是在燃料炉内利用燃料或电将垃圾焚烧飞灰加热到 1 400 ? 左右的高温, 使飞灰熔融后经过一定的程序冷却变成熔渣, 熔渣可作为建筑材料, 实现飞灰减容化、 无害化、 资源化的目的。熔融固化需要将大量物料加温到熔点以上, 无论采用电或其他燃料, 需要的能源和
13、费用都相当高。相对于其他处理技术, 熔融固化的最大优点是可以得到高质量的建筑材料。高温处理法具有减容率高、 熔渣性质稳定、 无重金属等溶出的优点, 已受到广泛的关注, 国外已研究出多种垃圾焚烧飞灰处理的高温熔融炉, 并已在日本和欧洲有少量使用。但采用高温熔融工艺需要消耗大量的能源, 同时由于其中的Pb、 Cd、 Zn 等易挥发重金属元素需进行后续严格的烟气处理,故处理成本很高, 只能在经济发达的国家应用。1. 4? 烧制陶粒技术该方法所见报道甚少, 但是在专利 CN1830885?利用垃圾焚烧飞灰为原料的陶粒及其制备方法?中提到一种利用垃圾焚烧飞灰为原料的陶粒及其制备方法, 其原料组成及质量分
14、数为: 飞灰 20% - 80% , 其余为黏土; 经配料、 造粒、 高温煅烧制成陶粒产品; 所述高温煅烧的烧结温度为 1 000- 1 400 ? 。此发明将危险废弃物垃圾焚烧飞灰作为陶粒原料再生利用, 实现了对固体废弃物飞灰无害化、 资源化处理, 避免了二次污染, 减少了资源浪费, 既可安全处置垃圾焚烧飞灰, 又经济、 可行地利用城市垃圾焚烧飞灰制备陶粒产品, 也减少了陶粒工业对天然原料的需求量 20。2? 湿式化学处理法飞灰湿式化学处理法有加酸萃取和烟气中和碳酸化法等, 该工艺运行成本较低, 可回收重金属和盐类。将飞灰中的重金属提取: 酸提取、 碱提取、 生物及生物制剂提取等。经过重金属
15、提取后的飞灰和重金属可以分别进行资源化利用21- 23。聂永丰24的研究指出: 磷酸洗涤后 Zn 的溶出率由水洗时的 112. 65 mg/ kg 降低至 2 mg/ kg 左右, Pb 的溶出浓度未检出, 固留在灰样中重金属的残留态和有机态的比例都有不同程度的提高。结论是: 磷酸洗涤不但能有效抑制重金属的溶出, 还有助于改善重金属的化学稳定性和焚烧飞灰的热稳定性。李定龙 25等人的研究也指出大多数有害的离子浸出率较低, 对于安全填埋影响不大, 也可作为建材、 筑路之用。重金属提取技术主要具有以下优点: ? 灰中的可溶盐溶解于水中, 提高了处理效果, 增加了处理物的稳定性; ? 处理物中的可溶
16、盐较少, 且形态为脱水滤饼状, 易于进行操作、 搬运、 填埋; ? 工艺简单, 可操作性强。但同时也存在着需要对可溶盐和排水进行处理的弊端, 一般只用于重金属浓度较高、 有必要进行回收的情况下 26, 因此目前很少应用。3? 安全填埋法安全填埋法是将垃圾焚烧飞灰在现场进行简单处理后,送入安全填埋场填埋处理的方法, 这是目前垃圾焚烧飞灰处理最安全可靠的手段之一。但安全填埋场的建设和运行费用居高不下, 垃圾焚烧处理厂难以承受, 同时也不能达到减容化和资源化的目的, 因此今后会逐渐减少该方法的应用。4? 其他用途Young Jun Park, Jong Heo 27研究了在焚烧飞灰中加入SiO2、 MgO、 TiO2制造玻璃, 然后将这种玻璃进一步转化为玻璃陶瓷制品, 用来制作可以进一步循环利用的建筑材料。随着经济的发展和人们环境意识的提高, 对于未来垃圾焚烧飞灰的处理应该是随污染物排放标准的提高, 无害化程度要进一步提高, 同时应尽可能减少处理和控制二次污染物的运行费用。结合我国的实际情况, 垃圾焚烧飞灰处理的发展方向应
