浏览次
生活垃圾焚烧容易形成烟尘颗粒物、酸性气体、重金属和二恶英等二次污染物，而焚烧飞灰是二次污染的主要载体。焚烧飞灰被普遍认为是一种危险废物[1]。目前国内外对焚烧飞灰的处置均着重于无害化处理后作为废弃物进行填埋，而对其资源化利用研究还较少。我们主要讨论国内外关于飞灰处理，包括无害化处理和资源化利用2方面的最新进展。
1飞灰的产生与特性
1.1飞灰的产生
焚烧灰渣是从垃圾焚烧炉的炉排和烟气除尘器、余热锅炉等收集的排出物，由底灰（Bottom Ash)及飞灰(Fly Ash)组成，占垃圾质量的30%35%[2]。其中飞灰是指在烟气净化系统（Air Pollution Control System APC）收集而得的残余物，在灰渣中占10%-20%[3]。
1.2飞灰的形态特征和化学组成
飞灰一般呈灰白色或深灰色，粒径一般小于300μm。颗粒形态多样化，其中以不规则形状聚合体居多，球形体、絮状集合体相对较少，少数颗粒为棒状集合体[4]。
从质量来看，Si、Ca、Al是飞灰的最主要成分。此外还含有K、Na、Cl、Fe、Ti、Mg等主要元素成分和Pb、Cr、Cd、Zn、Hg、Cu、Ni、As等微量污染元素成分。由于原料和焚烧方式的差异，飞灰的成分也有较大差异。
1.3飞灰的污染特性
生活垃圾焚烧飞灰主要因其重金属浸出毒性较大而被归为危险废物。其中Pb、Cd、Hg和Zn是飞灰重金属污染的主要元素[5]。在某些不利浸出的环境下，浸出量会显著增加并造成污染。
飞灰中的溶解盐质量分数高达20%以上，主要为Ca、Na和K的氯化物，处置时不仅有可能污染地下水和附近水体，而且氯化物的大量存在会增加其它污染物的溶解性，如Pb和Zn在高pH、高离子强度和高氯化物含量下，溶解性会增加[5，6]。
飞灰中含有少量剧毒的有机污染物，据文献[7]，飞灰中二恶英和呋喃（PCDD/DFs）毒性当量(TEQ)在10ng/g左右。在飞灰运输、贮存、处理和处置时，这些污染物对人类健康和环境可能形成污染风险和实际危害。
2飞灰的处理技术
2.1飞灰的固化／稳定化处理技术
危险废物固／稳定化的目的，是使危险废物中的污染组分呈现化学惰性或被包容起来。处理后的产物进入常规填埋场或危险废物填埋场进行填埋，或者进行资源化利用。目前应用最多的是水泥固化、熔融固化和药剂稳定化。
2.1.1水泥固化法
水泥固化法是目前应用最广的生活垃圾焚烧飞灰固化技术。该法最主要的缺陷是处理后增容，而且，镉、五价铬、钼和锌等金属很难被稳定。若飞灰中含有阻碍水泥正常凝结的特殊的盐类，会降低固化体强度，致使有害物质浸出率高，甚至造成固化体破裂。研究表明，水泥固化前将飞灰进行预洗，能大幅度降低水泥的消耗量，增强固化体强度和降低固化体的重金属浸出毒性。
石灰固化飞灰所得结构体的强度不如水泥固化，很少单独使用。沥青固化、塑性材料固化技术等也是传统的危险废物固化方法，但由于技术和经济原因很少应用于生活垃圾焚烧飞灰的处理。
2.1.2熔融固化法
熔融固化技术主要是将飞灰和细小的玻璃质混和，经高温（通常1000～1400℃）熔融后形成玻璃固化体，借助玻璃体的致密结晶结构，确保重金属的稳定。
飞灰经熔融固化法处理可减量2/3左右，并能将其中的有机化合物等毒性物质分解，同时熔融后重金属的浸出率很低，但由于成本较高应用范围受到限制。这种方法在技术上遇到的主要困难是飞灰中的碱金属氯化物、硫酸盐和其它挥发性金属化合物[9]在熔融过程中会产生带有大量酸性气体的烟尘，因此还需要考虑废气的处理。
2.1.3化学药剂稳定法
药剂稳定化是利用化学药剂通过化学反应使有毒有害物质转变为低溶解性、低迁移性及低毒性物质的过程。根据废物中所含重金属种类可以采用的稳定化药剂有：石膏、漂白粉、磷酸盐、硫化物（硫代硫酸钠、硫化钠）、铁酸盐和高分子有机稳定剂等。
重金属螯合剂处理后的飞灰有很强的抗酸、碱性冲击能力。铁酸盐处理后的飞灰在pH为5～12都有很好的抗浸出能力。磷酸盐处理后的飞灰重金属的浸出率很小，尤其是Pb，在pH为4－13Pb的浸出量很小。国内有研究用磷灰石作为稳定化药剂对飞灰进行稳定化预处理，表明该法价廉、工艺简单、效果好，具有较好应用前景[11]。
化学药剂稳定法使飞灰中的重金属具有长期稳定性。处理飞灰与所消耗药剂质量比约为20:1（与药剂品种有关）；处理后废弃物增容比约为1.0。但成本较高，操作管理较复杂，另外对籍英品和溶解盐的稳定作用较小。
2.1.43种固化／稳定化技术的比较与讨论
以上处理法对飞灰均显示不同程度的作用。客观上熔融固化处理效果最好，但成本高，使用范围有限。若能降低飞灰熔融温度，同时避免或减少重金属和盐类的挥发，使熔融系统简化，能耗和费用降低，则可望得到广泛应用。
而化学药剂处理相对而言是比较好的方式，在使用时，应针对不同飞灰中所含不同的有害成分进行选择。如对含Pb等重金属高的飞灰用络合剂来处理；而对As、Sb等非金属含量高的飞灰用加铁盐处理为宜。一般而言，最好的飞灰稳定化处理方法是先化学稳定化后再进行固化处理。
2.2生活垃圾焚烧飞灰中重金属的提取
飞灰中重金属的提取方法主要有酸提取、碱提取、高温提取、生物浸提和其它药剂提取等。目前对于酸提取研究较多。经过重金属提取后的飞灰和被提取的重金属可以分别进行资源化利用。
2.2.1酸提取和碱提取
飞灰中存在很多碱性的金属氧化物和大量的含Ca、Na、K的可溶解盐类，因此飞灰一般为碱性[12]。当直接用酸进行浸提时，上述盐类会消耗大量的酸，因此在用酸浸提之前要进行水洗预处理。
在高H+浓度时飞灰中重金属的浸出率会大大增加[13]。硫酸、盐酸和硝酸对于金属的浸出效率都很高，硫酸浸出的缺点是不能将Pb浸出，因此必须在硫酸浸出后增加其他的酸或者碱浸出。飞灰中含有大量的Fe、Al、Ca、Mg、Si，这些金属的含量为有毒重金属含量的几倍甚至几十倍。在酸浸提时，这些金属被大量溶解，消耗大量的酸。因此可采用碱（NaOH）浸出与酸浸出有机结合的工艺，能取得很好的效果。
2.2.2其他药剂提取
EDTA(ethylendiamine tetraacetic acid）能与重金属离子配位形成非常稳定的可溶性鳌合物。HongKyungjin等在20℃，pH3～9的条件下，用浓度3%的EDTA或DIPA(Diisopropanolamine)对飞灰进行24h的振荡浸提，浸出液中重金属离子浓度很低，可以满足一般填埋场的进场规定[14]。
2.2.3微生物淋滤法提取
微生物淋滤法浸提飞灰中的重金属是国际上近年兴起的新技术，与传统的化学浸提法相比，具有反应温和、耗酸少、运行成本较低的优点。它的主要原理是利用化能自养型的嗜酸性硫杆菌与氧化硫硫杆菌的生物产酸作用，将难溶性的重金属从固相溶出而进入液相成为可溶性的金属离子，再采用适宜的方法从液相加以回收[15]。目前有研究以污泥代替常规的无机盐（SM）进行飞灰的微生物淋滤脱毒处理，效果较好[16]。
2.2.4高温提取
瑞士的CTEnvironment公司开发的CT-FLU-APUR工艺可用于生活垃圾焚烧飞灰的处置。此工艺利用了焚烧产生的热量和湿式除尘器产生的含HCl的废液，其基本思想是把重金属尽可能地分离出来。该工艺可分为3个基本步骤：(1)在900℃、HCl的条件下，对飞灰进行热处理；（2）金属氯化物的生成和挥发；（3)金属氯化物的收集；（4）经过处理后飞灰被分为无机的惰性物料和重金属2部分[17]。
3飞灰的资源化利用
作为危险废物，飞灰的资源化利用必须从3方面综合考虑：（1）加工适应性，主要受飞灰的物理化学性质（如颗粒尺寸和化学性质）影响，这些性质可能会对特定加工过程造成限制；(2)产品性能，只有具有好的技术性能的最终产品才能被使用；（3)环境影响，在飞灰稳化定过程中毒性不一定会消失，必须对可能造成的新污染进行仔细评估。表1中列举了飞灰的9种利用途径并进行了比较[8]。
表1城市生活垃圾焚烧飞灰各种应用途径的比较
3.1建筑用材料
3.1.1水泥和混凝土
传统水泥生产过程中会消耗大量原料和能量，并排放大量温室气体CO2，如果以MSWI飞灰替代部分石灰，可以大幅降低CO2的排放量。但飞灰生产水泥产品有一定的技术难题，因为飞灰中含有较高的重金属和氯化物，这将导致它们在水泥中的含量也增加。更严重的是飞灰中的氯化物在水泥回转窑高温段挥发，然后在低温段冷凝而堵塞、腐蚀某些设备，引起设备停产。所以对飞灰须进行水洗等预处理，降低重金属和氯化物的含量，以满足水泥生产的要求。
飞灰也可用于生产混凝土。由于飞灰中含有很多水泥类物质，因此可部分代替混凝土中的水泥。飞灰添加量适宜时，可以提高混凝土的抗压强度，但同时会导致混凝土硬化时间延长，因此要通过加入速凝剂来加快硬化速度。对飞灰进行预处理可减少飞灰对硬化时间的影响和提高抗压强度。另外，飞灰也可制成球状体，代替砂、石用作轻质混凝土的骨料，这种产品抗压强度低，但隔音隔热性能较好，一般适合于非结构件。
3.1.2陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷
陶瓷制作中要消耗大量硅酸盐物质，细颗粒的飞灰可直接加入到陶瓷原料中，几乎不需预处理。但是飞灰中含有的大量氧化铁和金属会影响陶瓷的性能，必须严格控制飞灰加入量。
飞灰进行高温处理后，形成的玻璃态物质可以破坏有机污染物同时稳定重金属，其产物用途很广，但成本较高。
通过控制玻璃化过程中的冷却环节，制作玻璃陶瓷。此玻璃陶瓷性能较好，市场价值更高，可用作工业建筑的地板，墙体的内外壁，还可生产机器工具部件[19]。
3.2岩土工程用材料
3.2.1路基
飞灰可代替部分砂或水泥作为道路填充层或支撑层。正确的操作和配料可使所得材料符合建筑原料的要求，对环境影响较小。当飞灰作为道路填充层时，可能对土壤或地下水产生污染。
3.2.2堤坝
堤坝主要是由泥土和石头类物质构筑而成的，加入石灰或水泥能降低泥土的可压缩性，增强剪切强度，起到很好的稳定作用。基于飞灰的凝硬化特性，飞灰可代替部分石灰和水泥用于构筑堤坝。由于飞灰的密度比堤坝中其它填充物质小，飞灰用于堤坝可以减小负荷，减轻地面沉降。通过对飞灰进行预水洗可以有效防止对土壤和地下水产生污染[20]。
3.3农业应用
氮、磷、钾是肥料必备的3种主要元素。由于飞灰中含有大量磷和钾（氮已在燃烧中损耗），因此可以代替化肥供给植物养分。此外，还可以用飞灰代替石灰加入土壤中，调节土壤酸碱度，效果较好。但是无论作为肥料还是土壤改良剂，都必须严格控制加入量，否则会给土壤和植物带来过多的养分和污染物。飞灰作为肥料或改良剂的最大问题是重金属和盐的影响。
3.4其它应用
3.4.1吸附物
生活垃圾焚烧飞灰和天然沸石、粉煤灰一样，具有高比表面积，还含有SiO2和Al2O3等矿物质，因此可用于合成人工沸石，其产品可用于化学工业，如吸取不同溶解态的离子和分子，也可用于处理工业废水吸附重金属离子，以及吸附农业废水中的氨离子。但是合成过程中会产生高浓度重金属残留物，必须事先控制。
3.4.2污泥调理剂
生活垃圾焚烧飞灰作为污泥调理剂已有研究，结果显示，飞灰降低了比阻和毛细管吸收时间，从而推动污泥的过滤脱水过程。虽然滤出液中重金属离子浓度增加，但仍符合排放标准[21]。
4结束语
我国生活垃圾焚烧处理势在必行，因此对飞灰的处理和综合利用格外重要。从目前研究的技术来看，水泥固化和熔融／玻璃化仍是当前飞灰综合利用的发展方向，但得到的固化体和玻璃体大部分还是进行填埋，其综合利用还需进一步研究。
飞灰的各种综合利用方法还处于研究阶段，决定飞灰利用的关键是最终产品的安全性。飞灰的预处理研究也很重要，水洗是目前主要的预处理方法，但是水洗后会产生含高浓度重金属离子废水。要做到飞灰的减量化、资源化和无害化处理，必须从环境、技术和经济的角度进一步研究，同时加大立法和管理力度。
5参考文献略
