2016, Vol. 32
近年来, 随着经济的发展、城市的建设, 我国城市垃圾产量急剧增加.2002年我国城市生活垃圾已达1.5亿t以上, 已有多达35亿m2的土地面积被这些垃圾侵占, 而在城市中约有三分之二的城市面积被垃圾占领, 有四分之一的城市把乡村作为解决垃圾危机的途径[1].因此, 这些快速增加的城市垃圾已经成为了阻碍社会经济发展的一个重要因素, 同时也对人类的生活环境造成了很大的危害.因此, 为了使我国的城市垃圾实现“资源化”、“减量化”、“无菌化”的目标, 我国长期着力探究经济、有效的垃圾处理措施.焚烧垃圾是城市处理垃圾的主要方法之一.由于焚烧后的垃圾体积比原来缩小50%以上, 进行垃圾分类收集处理的可燃性垃圾在焚烧后体积甚至可缩小至原来的10%, 所以焚烧垃圾能达到“减量化”的要求.对于热值高的垃圾还可以在焚烧后进一步进行余热回收利用.但是城市垃圾焚烧飞灰的水溶性盐分含量很高, 并且垃圾焚烧后富集了大量有毒重金属和二噁英类物质, 对生态环境和人体健康有很大的危害.
1 城市垃圾焚烧飞灰的性质及处理方法 1.1 飞灰的组成及性质飞灰一般是指垃圾经过焚烧处理后在焚烧产物处理装置中收集得到的残留物, 其中包含吸收塔残渣、除尘器余烬和洗涤塔污泥.飞灰的残留物中可能还会有一些化学反应剩余产物、加入的化学药剂残留物及烟道灰泥等[2].
飞灰一般情况下是一些细小的粉尘微粒, 含水量较少, 它们的颗粒直径分布不均匀, 而且颗粒形态不规则, 表面粗糙, 孔隙率高.由于颗粒内部结构复杂, 而且存在很多细微的孔隙, 所以飞灰的表面积很大, 这使得其表面容易吸附一些重金属.以上海浦东御桥垃圾焚烧处理厂为例, 其垃圾焚烧后的产物主要化学成分为CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3, 其矿物组成较为复杂, 主要为SiO2、Al2SiO5、NaCl、KCl、CaAl2、Si2O8、Zn2SiO4、CaCO3和CaSO4, 还有少量的CaO、Ca2Al2、SiO7、PbO、Cu2CrO4等[3].
1.2 飞灰的成分及其对环境的不良影响根据大量的实验数据统计, 飞灰的粒径分布可以近似用正态分布表示, 大部分飞灰的粒径在54～280 μm之间, 占总质量的80%以上; 粒径小于54 μm的飞灰所占的质量分数不足3%;剩余15%质量分数的为粒径大于280 μm的飞灰.在粒径小于54 μm的细颗粒飞灰中, 各重金属(其中包括Mn、Pb、Zn、Cu、Ni和Cr)含量都很小, 占不到总质量的5%.在粒径为54～280 μm的中等大小的颗粒中, 各重金属所占比例很大, 除Pb外的其他重金属如Ni、Cr等含量都占60%以上; 而且Mn、Cu、Cd、Zn、Pb的质量分数也很高, 在40%以上.在粒径大于280 μm的较大颗粒中, 各重金属所占的质量分数都较低, 只有Pb的质量分数占到50%以上, Zn、Cu、Mn、Cd等次之, 占35%左右, Cr和Ni的质量分数最低, 只有15%左右[4].
飞灰焚烧后, 在焚化物中所占质量分数很高的主要是含有Ca、Na和K的氯化物的溶解盐[5].若不经过处理排放, 这些氯化物溶解盐在大自然中会以各种形式污染环境, 如其中含有的水溶性盐分会被雨水等冲刷出来, 流入土壤、地下水及地表水, 这些污染水同时还会影响附近动植物的生长发育.不仅如此, 飞灰中的氯化物还可以增加Pb、Zn等部分重金属污染物的溶解性, 从而使这些重金属污染物在环境中不容易降解、迁移.
1.3 飞灰“资源化”处理方法 1.3.1 飞灰焚烧处理的主要技术现在国际上通用的焚烧飞灰处理技术主要有固化/稳定化处理、湿式化学处理和高温处理三种[6].
固化/稳定化处理是现今国际上比较通用的处理飞灰的手段.固化作用是使废物残渣中的污染成分结块、沉淀、被包裹或难分解.固化的一种最常用的方式是水泥固化.水泥固化技术的基本原理是通过结块、包裹降低其可渗透性, 并通过填实孔隙包团等方法减小这些废渣的表面积, 实现无毒化、稳态化的目的.该技术不足之处是处理一些湿度较大的废物时水泥用量会大大提高, 使残渣的体积增大, 这也增加了处理之后运输的困难, 使处置成本提高, 此外还需要提供超出预计的场地掩埋这些废料.
湿式化学处理的基本原理是通过加入化学试剂进行反应, 使有毒、有害物质通过化学反应降低其毒性及稳定性, 并且增加溶解性的过程.该技术具有处理过程相对比较简单、运行处理费用较少等优点.但是, 湿式化学法的处理过程中会产生高浓度无机盐废水, 这些废水要安全排放必须要进行处理, 这又带来了新的问题; 并且垃圾焚烧飞灰及重金属组分复杂, 要想找到普遍适用的化学稳定剂比较困难.
高温处理包括炉渣熔融和加压烧结两种方式.飞灰焚烧时, 其中的有害物质如二噁英类物质在高温环境下结构会彻底被破坏并分解, 其分解率高达99%.但是这种处理方式成本很高, 因为其所需能源消耗很大并且处理费用也很高.加热融化过程中, 飞灰中的固体颗粒的结构也会发生变化, 在高温下飞灰会发生相变熔融变成熔渣, 熔渣呈液态形式.随后经快速冷却的过程, 结构又发生变化, 熔渣又变成玻璃态, 这种玻璃态的晶体能将重金属固化在网格中, 使结晶达到稳定的状态.烧结是在高温下进行, 飞灰固体颗粒晶体中的大部分甚至全部气孔被排出, 在低于熔点温度下结构重新改变, 形成了结构致密、硬度较大的烧结体.在烧结过程中, 各种重金属可以有效地被晶体固化.
1.3.2 焚烧飞灰的再利用处理方法采用水泥窑煅烧处理飞灰具有明显的优势.水泥窑与焚烧炉内部情况对比如表 1所示.
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表 1 水泥窑与焚烧炉内部情况对比 Table 1 Comparison between the cement kiln and the incinerator |
由于水泥窑内煅烧温度高于焚烧炉, 而且物料在水泥窑内高温区域的停留时间也长于焚烧炉, 所以在水泥窑中二噁英比在焚烧炉中被破坏得更彻底.另外, 水泥窑中的碱性环境有利于吸附飞灰中的一些挥发成分, 对HF、HCl、SO2有很强的中和作用; 当温度在1 450 ℃时, 可以通过一系列的化学反应将重金属固化在熔渣中, 而且由于经过硬化处理后的水泥石结构坚硬紧致, 在经适当处理后, 可以使飞灰中有害物质固结在熔渣中, 不易释放出来.在水泥窑内废气冷却得较快, 避免了二噁英与呋喃的再次反应.
垃圾焚烧飞灰经高温煅烧后烧结成具有陶瓷状结构的固体.这些成分可用作混凝土原料, 以及作为路基、堤坝等建筑原料.在欧美发达国家, 生活垃圾经过焚烧处理后其飞灰中的K、Na等氯化物含量较低, 常将其放入水泥窑进行高温煅烧.煅烧产物可以作为硅酸盐水泥的原料.
2 二噁英的性质及其处理方法 2.1 二噁英的性质及其对生物的危害经过焚烧处理后, 城市垃圾的焚烧产物主要是烟气、飞灰和炉灰, 其中有毒物质二噁英主要存在于烟气和飞灰中.二噁英是一种在工业上无实际用途的副产物.二噁英具有相对稳定的芳香环结构, 在常温、常压下为白色固体, 二噁英的化学性质稳定, 分子无极性, 通常状况下不容易分解, 难溶于水, 但是易溶于脂肪和四氯化碳; 在强酸性、强碱性和一般的氧化状态下能保持一定的稳定结构; 熔沸点较高, 通常在500 ℃开始分解, 800 ℃时很快就完全分解; 二噁英具有脂溶性, 会积聚在动物脂肪组织及植物的某些部位[7].
在自然环境条件下, 二噁英的分子结构受光分解、水解和微生物降解作用的影响较小, 因而能够以一定的稳定性和持久性广泛地分布于自然界中[8].
二噁英是一类急性剧毒物质, 通常小剂量的二噁英就能导致生物的死亡.生物体摄入低浓度的二噁英会引起免疫系统调节功能障碍, 诱发DNA突变, 由此会导致畸形或者诱发癌症[9].
2.2 二噁英的主要来源自然界中二噁英的主要来源一般是伴随着有机物的燃烧; 人类活动产生二噁英的途径一般是燃烧生物质能源如火力发电过程, 植物或动物皮毛的燃烧, 焚烧塑料、垃圾或抽烟等过程; 另外, 在非燃烧的条件下也可能产生二噁英, 如在布料或纸张的漂白过程中使用一些会发生反应的添加剂等; 在金属的冶炼过程中也容易产生二噁英.
2.3 减少二噁英生成及去除二噁英的方法降低二噁英排放的手段主要是在垃圾焚烧后的处理过程中对产生的二噁英进行处理.根据二噁英的性质可知, 在高温环境下二噁英能够分解.因此, 使用达到一定温度的水泥窑并配置烟气处理装置是能够有效地减少二噁英的产生.
2.3.1 入炉前的措施城市垃圾在入炉焚烧前要经过预处理, 如进行垃圾分类、预热分解等措施, 以实现垃圾在水泥窑内能在特定温度(约980 ℃)充分地进行燃烧.这样可以使垃圾中含有的可以催化产生二噁英的一些金属含量减少并且降低含氯物质的入炉, 有助于保护环境.
2.3.2 焚烧时的措施垃圾焚烧过程中生成二噁英的主要原因有燃烧温度不够、缺氧燃烧、燃烧不充分等.因而, 采用提高燃烧温度(大于900 ℃), 在高温燃烧区引入充足的氧气, 以及使烟气在高温通道增加驻留时间(一般要在2 s以上)等措施, 使物质中含有的二噁英充分分解.由此可见, 采用水泥窑高温煅烧垃圾焚烧飞灰是控制其中二噁英的一种很好的方法[10].
2.3.3 烟气中的二噁英的减少和防治措施采用布袋等高效除尘器和往烟气中喷入一定量的氟可以有效防止二噁英在烟气中生成.因为在化学性质上, 氟与氯的结合性强, 大于二噁英与氯的结合性.这种方法还避免了使用静电除尘时一些有催化作用的金属颗粒如Cu、Ni、Fe等参与催化生成二噁英.
3 城市垃圾底灰的性质及其利用 3.1 底灰的物理化学性质垃圾焚烧产物的底灰是指焚烧后在炉底产生的灰渣和掉落灰等物质, 主要成分是熔融块, 还包括一些熔渣、灰渣和一些金属及有机物燃烧的剩余残渣.底灰的吸水率、表观密度和堆积密度分别为5.5%、3 273.11 kg·m-3和2 210 kg·m-3.底灰的细度模数为3.535, 属于粗砂, 其中SiO2、CaO和Al2O3含量较高.
3.2 底灰的资源化利用——制烧结砖由于城市垃圾焚烧底灰具有与天然骨料的物理化学性质相似和重金属浸出浓度较低两个特点, 所以可以用来制成烧结砖.当所用原材料质量分数分别为膨润土掺量57%、底灰(粒径小于0.15 mm)掺量40%、玻璃粉3%时, 所制成的烧结砖抗折强度较高, 约为11 MPa.烧结砖能在建筑等行业中再利用, 实现了资源化利用.
4 结论垃圾焚烧技术凭借着“减量化”的特点突出, 已经成为了很多城市垃圾处理的重要途径之一, 而焚烧时所产生的对环境构成威胁的产物是人们所关心的, 也是垃圾焚烧技术需突破的一个关键点.在垃圾焚烧过程中对飞灰进行预处理及完全燃烧以减少飞灰中的有害物质, 对于产生的飞灰进行烧结处理和资源化利用都是处理焚化物质的有效方法[11].应更加规范垃圾焚烧处理各环节的进程, 着力于“无害化”处理, 以保护生态环境和人们的身体健康.
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