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城市生活垃圾是一种成分复杂的废物，其中含有数量可观的重金属。垃圾的焚烧处理技术由于具有无害化、减量化和资源化方面的显著优势[1]，近年来已成为垃圾无害化处理研究领域的热点[2]。然而垃圾中的部分重金属在高温焚烧过程中会大量挥发，并富集在烟气净化系统的焚烧飞灰上(以下简称飞灰)，使其含有大量高浸出浓度的重金属化合物[3-4]，因此，飞灰在世界各国普遍都被作为危险废物进行管理[5]。
目前，国内外对飞灰中重金属的研究主要集中在含量和浸出特性两个方面，但是这类研究存在一些共性的问题：将飞灰假设为了一种均一的颗粒物。而实际上，由于飞灰形成条件(炉型、温度、湍流等)的差异性，其颗粒粒径和重金属分布是极不均匀的[6]；另外，重金属的浸出特性研究也只停留在污染途径和迁移过程的试验与模拟上[7-9]，还没有深入到从微观的层次来分析焚烧飞灰中重金属浸出过程的控制因素及机理，这些因素包括颗粒物粒径、不同粒径中重金属含量与形态分布等。
近年来已有学者通过试验探索了飞灰粒径分布、重金属含量、不同粒径颗粒的微观结构以及矿物相态[10-11]，但研究中还没有将飞灰颗粒的形成机理与重金属的分布规律进行耦合分析，尤其对不同粒径飞灰的浸出(含量和形态)规律的研究尚未见有相关的文献报道。因此，本文将通过系统的试验手段对上海某垃圾焚烧发电厂的飞灰开展实验研究，总结出不同粒径飞灰中重金属的分布规律和浸出特性，并结合飞灰颗粒物的形成过程，从机理上对其分布规律和浸出特性进行理论分析，从而为垃圾焚烧烟气的污染控制和飞灰的有效处置提供重要的实践和理论依据。
1材料与方法
1.1样品的采集
飞灰样品采自于上海某垃圾焚烧厂稳定运行时的布袋除尘装置，该厂采用逆推式炉排炉，烟气净化系统是半干法工艺+布袋除尘+活性炭和石灰浆制备系统。
1.2实验仪器与方法
1.2.1飞灰含水率和主要成分分析
取一定量灰样放于干燥箱中，在105±1℃烘24h后取出，测定其前后质量差。用飞利浦PW2404-X射线荧光光谱仪对干基中的主要成分进行测定。
1.2.2不同粒径飞灰中的重金属的含量测定
用Retchcontrol-g-200型自动筛分仪，将飞灰筛分为六段：<38μm、38～53μm、53～75μm、75～106μm、106～280μm和＞280μm。把筛分后的各粒径飞灰分别用HNO3-H2O2法消解[7]，用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定重金属的含量。
1.2.3不同粒径飞灰中的重金属的浸出
采取硝酸-硫酸法测定飞灰的浸出毒性[12]，具体步骤为：将飞灰碾磨至颗粒尺寸<9.5mm，按液固比为10∶1(L/kg)加入浸提剂1#后，在旋转振荡器上以30±2r/min振荡18±2h。浸取液经滤膜(0.6～0.8μm)过滤后，用ICP-MS测定滤液中重金属的含量。
1.2.4飞灰中重金属的化学形态
采用Tan改进的Tessier方法对飞灰进行连续浸提[13]，用ICP-MS测定浸提剂中重金属的含量。
2结果与讨论
2.1飞灰的含水率和主要成分
本实验飞灰呈暗灰色粉末状，烘干后颜色变淡，含水率为1.5%～2.1%。飞灰主要成分均以氧化物的形式表示(见表1)。可知飞灰主要由Ca、Cl、S、K、Na等元素构成，约占总量84%。其中Ca元素的含量就占了总量41.12%，主要是因为烟气净化过程中喷石灰所致[14]。
表1飞灰的主要成分含量 
2.2飞灰的粒径分布
图1为不同粒径飞灰质量分布曲线图。由图1可以看出，飞灰粒径分布经历了两个升降过程，中位径约为53μm。其中38～53μm粒径的飞灰就占了总量的近50%。大部分飞灰都聚集在粒径38～106μm，约占总量的78%。而粒径＞280μm和<38μm都很少，这是因为飞灰中粒径较大的颗粒质量偏大，大部分都已直接在烟管道中沉积，不能随烟气到达布袋；粒径较小的颗粒则与布袋的收集效率有关[15]。 图1飞灰的粒径分布
2.3不同粒径飞灰中重金属的含量分布
对不同粒径飞灰中6种重金属的含量进行测定，结果见图2。从图2横向上比较发现，在各粒径飞灰中重金属Cr、Ni和Cd的含量都很低，而Pb和Zn则普遍偏高。这与焚烧垃圾中重金属含量以及各重金属的沸点都有很大的关系。Klain等[16]研究指出重金属停留在飞灰还是底灰中主要取决于它的沸点，如果沸点高于焚烧区温度，由于不易挥发而较多的存在于底灰中，反之则在飞灰中。各重金属含量在不同粒径飞灰中的分布规律如：Pb＞Zn＞Cu＞Cr＞Cd＞Ni。从图2纵向上看，飞灰中的Zn、Cu和Pb普遍表现出向小颗粒富集的趋势，而Cd、Ni和Cr的含量随飞灰粒径的变化并不明显[17]。Greenaurg[18-19]等研究指出，在垃圾焚烧过程中，不易挥发的重金属容易以氧化物的形式形成飞灰颗粒的内核，它们在飞灰中的含量与颗粒物的大小无关；而易挥发性物质如Pb则以氯化物的形式冷凝于飞灰颗粒表面，颗粒物越小其比表面积越大，物理吸附能力也就越强，相应的重金属含量也就越高。
图2不同粒径飞灰中重金属的分布
2.4不同粒径飞灰中重金属的浸出量
对不同粒径飞灰的浸出液进行pH测试，发现其pH值都在10.2～12.6之间波动，这是烟气处理系统中喷碱工艺的缘故[14]。图3列出了在不同粒径飞灰中重金属的浸出量，可见在各粒径飞灰中Cu和Cd的浸出量都很低，而Pb的浸出量则都普遍偏高，Zn次之，大体的分布规律如：Pb＞Zn＞Cr＞Ni＞Cu＞Cd。推测原因可能是：(1)因为Pb和Zn在不同粒径飞灰中的本身含量就高；(2)Pb和Zn都是两性金属，在碱性条件下，会生成可溶的Pb(OH)3(-)、Pb(OH)4(2-)、Zn(OH)3(-)、Zn(OH)4(2-)等化合物，致使它们在浸出液中的量都比其它重金属高。从图3中还可发现随着飞灰粒径的减小，Cr、Ni和Cu的浸出量都大体的呈逐渐增加趋势，这是不同粒径飞灰中重金属的含量高低所致；而Zn在106～280μm和Pb在75～106μm处的浸出量都经历了一个陡增过程，分析是由于在碱性条件下，两性金属都有一个最大浸出量碱度，而对于Zn和Pb而言，106～280μm和75～106μm处飞灰浸出液的pH值刚好接近于它们各自的最大浸出碱度。
图3不同粒径飞灰中重金属的浸出量
2.5不同粒径飞灰中重金属的浸出形态
飞灰中各重金属的主要化学形态不尽相同，其中Cd以碳酸盐结合态为主，Ni、Cr和Cu以残留态为主，而Zn和Pb的主要化学形态则与残留态、铁-锰氧化物结合态和碳酸盐结合态都有关，这可以从图4所示的重金属形态分布中清楚的看到。因此，飞灰中各重金属的浸出与浸提剂的不同有着密切的关系。另外，各重金属的可交换态和有机结合态都很少，推测是由于高温焚烧的原因，而致使飞灰中有机结合态重金属含量很少；可交换态与飞灰-水的作用机理有关。根据每一步所用萃取剂的不同可知，可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态在中性盐或弱酸的环境下就可浸出，属不稳定态；有机物结合态和残留态只有在强氧化剂或强酸的环境下才能浸出，属稳定态。那么可知，飞灰中含有的重金属除Cr和Ni相对比较稳定外，其它元素不稳定态所占比例均很高，特别是Cd，其碳酸盐结合态就占了总量的绝大部分。
图4各重金属形态在不同粒径飞灰中的分布
另外，比较各重金属形态在不同粒径上的分布，发现其因重金属种类的不同而规律各异。随着飞灰粒径的减小，碳酸盐结合态的Cd、Pb、Zn、Cu和铁锰氧化物结合态的Pb、Zn、Cu的量逐渐增加；残留态的Zn和有机结合态的Cu则不增反减。Ni和Cr的各形态分布随粒径变化的规律不明显。
3结论
(1)垃圾焚烧飞灰粒径分布经历了两个升降过程，中位径约为53μm。其中38～53μm粒径的飞灰就占了总量的近50%。大部分飞灰都聚集在粒径38～106μm，占了总量的近78%。
(2)除Ni和Cr外，重金属Zn、Cd、Cu和Pb都普遍表现出向小颗粒富集的趋势。各重金属含量在不同粒径飞灰中的分布规律均为：Pb＞Zn＞Cu＞Cr＞Cd＞Ni。
(3)各粒径飞灰的浸出液pH值在10.20～12.60之间。随着飞灰粒径的减小，除Zn和Pb的浸出量都经历了一个陡增过程外，其它重金属的浸出量都呈逐渐增加趋势。重金属在不同粒径飞灰中的浸出量分布规律均为：Pb＞Zn＞Cr＞Ni＞Cu＞Cd。
(4)不同重金属的主要化学形态各不相同。除Ni和Cr外，其它重金属都呈不稳定性形态。随着飞灰粒径的减小，碳酸盐结合态的Cd、Pb、Zn、Cu和铁锰氧化物结合态的Pb、Zn、Cu的含量逐渐增加；残留态的Zn和有机结合态的Cu则不增反减；Ni和Cr的各形态分布规律不明显。 [参考文献]略
