於劍霞,李均濤(.上海PACT環(huán)保技術有限公司,上海00433;.廣州市市政工程設計研究院,廣東廣州 50000)

垃圾焚燒與二惡英的污染和治理＊

於劍霞1,李均濤2(1.上海PACT環(huán)保技術有限公司,上海200433;2.廣州市市政工程設計研究院,廣東廣州 510000)

概括地介紹了二惡英的來源和毒性,著重分析了固體廢物焚燒處理過程中二惡英的生成和釋放機制,提出了具體的控制措施。

垃圾;焚燒;二惡英

隨著我國經(jīng)濟水平的發(fā)展,城市規(guī)模迅速擴大,人們的消費水平不斷提高,垃圾產量也隨之增加。但由于目前許多城市尚未實現(xiàn)垃圾分裝分倒,垃圾的成分復雜,水分高,熱值較低且不穩(wěn)定……使得垃圾處理非常困難。因此,垃圾的無害化處理已成為我國各級政府面臨的重要環(huán)境問題之一。

在國外,垃圾焚燒已成為垃圾處理的主要方式,對燃燒效果和過程度控制也已有了相當?shù)匮芯亢凸こ探?jīng)驗。同時,垃圾焚燒也將成為我國垃圾處理的重要方式。然而,該技術在處理垃圾過程中仍會產生一些污染物,其中以劇毒物質二惡英較為典型。因此對二惡英進行研究與分析很有價值。

一、焚燒技術的優(yōu)缺點

(一)優(yōu)點

焚燒處理與填埋處理相比,占地面積小,能迅速而大幅度地減少可燃廢棄構的容積,徹底消除有害細菌和病毒,破壞毒性有機結構,并可能回收熱能,尾氣經(jīng)處理后排放,無害化程度非常高。我國地多人稀,土地資源十分寶貴,填埋處理不僅會造成對周圍環(huán)境的污染,而且占地面積很大,尤其在南方經(jīng)濟發(fā)達人口稠密地區(qū),填埋處理將會受到很大局限。而焚燒技術則有相當大的前景。1991年,日本已有75%的城市垃圾采用焚燒處理,瑞士(80%)、丹麥(70%)、瑞典(55%)應用也比較廣泛。而進入九十年代后,尤其在近幾年中,中國南方如深圳,上海等地也紛紛投產運營了許多大型的垃圾焚燒廠,有的處理量已達到了1000噸/天,取得了較好的社會和經(jīng)濟效益。

(二)缺點

焚燒處理的缺點主要為:投資及運行管理費用高,尾氣處理不當容易造成二次污染。其中尾氣排放的主要污染物有:重金屬塵粒、PCDDs(多氯二苯并一對一二惡英)、PCDFs(多氯二苯并呋喃)、PCA(多環(huán)芳香族化合物)及其他有害氣體(如HCl、HF、SO2、NOx等)。其中,特別是二惡英的危害已引起人們的極大關注。另外,焚燒處理投資大,周期長,對垃圾熱值要求高等缺點也是比較顯著的。

二、二惡英的結構與性質

二惡英是毒性很強的一類三環(huán)芳香族有機化合物,由2個或1個氧原子聯(lián)接2個被氯取代的苯環(huán),分別稱為多氯二苯并二惡英(PCDD)和多氯二苯并呋喃(PCDF)。每個苯環(huán)上可以取代l一4個氯原子,所以共有75個PO I D異構體和135個PCDF異構體。二惡英異構體的毒性因所含氯原子數(shù)及其取代位置的不同而有所差異,其中毒性最強的是2,3,7, 8—四氯二苯并二惡英(2,3,7,8—PCDD),一般利用它的毒性當量(TEQ)來表示各異構體的毒性,稱之為毒性當量因子(TEF)。如2.3,7,8—四氯二苯呋喃(2,3,7,8—PCDF)和1.2.3,7,8—五氯二惡英(l,2,3,7,8—PCDD)的毒性當量因子分別為0.1—TEQ和0.5—TEQ。

二惡英均為固體,熔點較高,難溶于水.易溶于脂肪,如2, 3,7,7—TCDD在水中的溶解度只有7.2×10-9g/L,而在對二氯苯中的溶解度高達1.4g/L,所以二惡英容易在生物體內積累。大量的動物實驗表明很低濃度的二惡英就對動物表現(xiàn)出致死效應。PCDD和PCDF暴露可引起皮膚痤瘡、頭痛、失聰、憂郁、失眠等癥,并可能具有長期效應,如染色體損傷、心力衰竭、癌癥等:目前許多發(fā)達國家相繼制定了固體廢物焚燒爐的二惡英排放標準,如韓國的二惡英排放標準為0.5ng/m3(TEQ),并在首都漢城實施更加嚴格的標準,即0.1ng/m3(TEQ)。

三、二惡英的生成

二惡英的人為來源大致有:

①農藥生產過程中以副產品或雜質的形成生成;

②對合氯有機物進行焚燒時形成;

③紙漿的氯氣漂白過程中形成。

另外,含鉛汽油的使用以及煙草燃燒也可能生成二惡英。

在固體廢物焚燒過程中,二惡英的生成途徑可能有:

a.固體廢物中原含有痕量的二惡英,由于二惡英具有熱穩(wěn)定性,所以能在燃燒之后排放出來。

b.高溫合成。在垃圾進入焚燒爐內初期干燥階段,含碳氫成分的低沸點有機物揮發(fā)后與空氣中的氧反應生成水和二氧化碳。若此時暫時缺氧.則部分有機物同HCl反應生成二惡英。資科表明.垃圾焚燒爐排放煙氣中的二惡英濃度隨煙氣中一氧化碳的濃度增加而增加。

c.前驅物合成。在燃燒過程中由含氯前驅物生成二惡英。前驅物包括聚氯乙烯(PCB)、氯代苯、五氯苯酚等,在燃燒中的體物分子通過重排、自由基縮合、脫氯或其他分子反應等過程生成PCDD和PCDF,生成溫度為300-800℃。

d.從頭合成。碳、氫、氧和氯等元素通過基元反應生成二惡英,稱為PCDD和PCDF的“從頭合成(De Novo Synthe-sis)”。

上述后3個途徑在固體廢物焚燒爐的二惡英形成中都可能起作用,各種途徑的重要性則取決于具體的爐型、工作狀態(tài)和燃燒條件。由于各焚燒爐的處理量差別很大,而且其工藝設計和操作條件各異,所以幾乎每個焚燒爐的二惡英排放都會有所不同。由于現(xiàn)代化焚燒爐一般配有復雜而先進的煙氣凈化和燃燒控制系統(tǒng),可以大幅度降低焚燒爐的二排惡英放水平。通過高溫焚燒法進行處理,在1200-1400℃時,二惡英的分解率為99.7%。

四、二惡英的控制控術

抑制二惡英產生的最有效方法有“3T”:(1)爐內溫度〔Temperature〕保持在800℃以上(最好在900℃以上),將二惡英完全分解;(2)保證足夠的煙氣高溫停留時間(Time);(3)優(yōu)化爐形和二次空氣噴入方法,使其形成渦流〔Turbulence〕,充分混合攪拌以達到完全燃燒。

根據(jù)二惡英在焚燒處理中的生成途徑,其主要控制措施有改進燃燒技術、廢氣處理技術和灰渣熔融處理技術3種。

(一)改進燃燒技術

燃燒技術的實現(xiàn)手段有多種,但實現(xiàn)方法可分為:一次燃燒和二次燃燒。

一次燃燒,顧名思義其燃燒次數(shù)為一次,即在燃燒過程中改變燃燒方法,采用高精度的燃燒控制系統(tǒng),提高“3T”(Turbulence、Temperature、Time)作用效果,使燃燒物與氧充分攪拌混合,造成富氧燃燒狀態(tài),減少二惡英前驅物的生成。現(xiàn)舉日本一臺140t/d全連續(xù)燃燒式焚燒爐為例,二次燃燒空氣的進口設置在干燥帶的頂部,提高廢氣和空氣的混合攪拌效串(Turbulence),采用高精度的I CC燃燒控制系統(tǒng),將二次燃燒空氣控制出口煙氣溫度(Temperature),溫度波動范圍920℃一950℃,呈現(xiàn)良好的燃燒狀態(tài);一次空氣由燃燒帶的底部進人,將氣體冷卻室的噴嘴住上移,擴大燃燒區(qū)的范圍,增加氣體停留時間(Time)。

在一次燃燒的基礎之上,再增加一次燃燒稱之二次燃燒。一次燃燒所產生的二惡英類物質通過二次燃燒室,在高溫下分解并燃燒,二次燃燒室的燃燒溫度較商,通常在1000℃以上。美國近年開發(fā)了一種流動焚燒系統(tǒng):由焚燒爐、氣體連續(xù)測定儀和氣體凈化器三部分組成。煙氣經(jīng)過二次燃燒室,借助輔助燃油燃燒,溫度控制在1200℃左右,經(jīng)冷卻后進人高效氣體凈化器,除去原粒及酸性氣體,該系統(tǒng)的二惡英去除串達99.9999%。

(二)廢氣處理技術

在實現(xiàn)完全燃燒降低二惡英的的前驅物合成后,下面要解決的是殘存的前驅物重新合成和生成的二惡英捕集的問題。

袋式除塵器:實驗數(shù)據(jù)已證明,降低溫度在抑制二惡英類物質的重新生成和提高吸附捕集效率兩方面均很有效。袋式除塵器的入口溫度一般為150℃以下,而合成二惡英類物質的催化反應濕度為300℃,因此其前驅物不可能在袋式除塵器中催化合成為二惡英類物質。與靜電除塵器不同,袋式除塵器在工作時,在濾布表面會形成顆粒層,廢氣中的二惡英類物質通過該層被吸附脫除。被吸附的二惡英類物質被排至灰渣處理系統(tǒng)中。

活性焦炭吸附:活性焦炭是一種具有活性炭和焦炭的中間性物質的吸附劑,由于其具有較大的比表面積,所以吸附能力較強,不但能吸附二惡英類物質,還能吸附NOx、SO2和重金屬及其化臺物。其工藝主要由吸收、解吸部分組成,煙氣進入含有活性焦炭的移動吸收塔,溫度在120℃一180℃范圍之類,吸附二惡英。這個溫度一般是活性炭吸附的最佳溫度。

(三)灰渣熔融處理技術

通過改進燃燒和廢氣處理技術,排人大氣中的二惡英類物質的量達到最小,被吸附的二惡英類物質隨顆粒一起進入灰渣系統(tǒng)中,所以灰渣中的二惡英的量比大氣中的二惡英的量多的多。自1977年K.Olie等人在荷蘭阿姆斯特丹的城市垃圾焚燒飛灰中發(fā)現(xiàn)氯化二苯并二惡英以來,世界各國對垃圾焚燒灰渣進行了嚴格的規(guī)定。焙融處理技術是較通常的灰渣處理技術。

將灰渣送入溫度1200℃以上的熔化爐內熔化,灰渣中的二惡英類物質在高溫下,被迅速的分解和燃燒。實驗證明,通過灰渣焙碰處理過后,PCDD/PCDF的分解串99.77%,TEQ為99.7%。因此灰渣焙融處理技術是一種較為有效的灰渣處理手段。

五、我國現(xiàn)階段對二惡英的控制

目前我國《大氣污染防治法》尚沒有制訂出二惡英的排放標準,建設部的《醫(yī)療垃圾焚燒環(huán)境標準》及《醫(yī)療垃圾焚燒設備標準》也沒提及二惡英的要求,故建議早日研究制定,再則從分析手段上應日臻完善以適應發(fā)展的要求。

對焚燒待實施的城市可借鑒美、日、瑞等國規(guī)定。如在選爐型時盡量選用較先進的爐型、成熟的爐型,二惡英的微量污染是可以解決的。

已運行的焚燒設施應考慮焚燒溫度,停留時間及空氣攪拌(所謂“三T”措施)以保證二惡英能盡量分解并采用高效的滌氣和過濾設備,盡量減少排氣中所含帶TCDD的顆粒,保證在尾氣排放時TCDD濃度盡可能降低,注意加以監(jiān)控。

隨著焚燒設備的不斷增加,環(huán)境監(jiān)測部門應加強對大氣、爐體等燃燒狀況的監(jiān)測,為將來制定有關標準,收集匯總基礎資料。

六、結語

鑒于垃圾焚燒處理的種種優(yōu)點,隨著我國經(jīng)濟實力增強,我國城市垃圾焚燒處理也將有較快發(fā)展,北京、深圳兩地已安裝有城市垃圾焚燒爐,上海也已建成城市垃圾焚燒站,山東省濟南、淄博也準備安裝城市垃圾焚燒爐。愿我國城市垃圾焚燒爐設計時重視對二惡英的控制,有較高的起點。

[1]田洪海,全浩.固體廢物焚燒處理中的二惡英排放[J].環(huán)境科學研究,1998,(3).

[2]許靖平.二惡英及其生成機理探討[J].北京機電通訊,2000.

[3]孟凡柱,吉祟哲,白硯鵬,等.垃圾焚燒與控制二惡英污粱[J].環(huán)境衛(wèi)生工程,1999,(3).

[4]張洪波,陳廣超.城市生活垃圾焚燒與二惡英的產生及控制[J].連云港化工高等專科學校學報,2001,(6).

[5]韓道汶,徐國榮,邢恩欽.對城市垃圾焚燒爐二惡英污染問題的探討[J].山東環(huán)境,2001,(1).

[6]馮斌,吳領海,李鋒,等.城市垃圾焚燒與二惡英[J].能源研究與利用,2000,(4).

[7]潘順昌,孫鳳英,王俊起.二惡英與垃圾焚燒[J].冶金環(huán)境保護, 1999.

2010-01-10

於劍霞(1976-),女,江蘇人,工程師。