趙 潔,葉 紅,張曉佳,呂靈靈,葉闌珊,張新功
(青島惠城環(huán)??萍脊煞萦邢薰?,山東 青島 266500)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的加快,生活垃圾產(chǎn)量急劇增加。預(yù)計(jì)到2020年底,我國(guó)垃圾總焚燒量達(dá)59.14萬t/d。因焚燒處理方式能夠最大程度的使生活垃圾減容化、減量化、資源化,所以,垃圾焚燒飛灰產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用,預(yù)計(jì)年產(chǎn)生飛灰量約為1000萬噸。可見,垃圾飛灰產(chǎn)量巨大。垃圾焚燒飛灰是垃圾焚燒廠煙氣凈化系統(tǒng)收集而得到的殘余物,一般包括除塵器飛灰和吸收塔飛灰,其中包括煙道灰、加入的化學(xué)試劑以及反應(yīng)產(chǎn)物等。
垃圾焚燒飛灰中含有大量的Hg、Pb和Cd等毒性重金屬以及大量的二噁英類物質(zhì),是一種高比表面積物質(zhì)。自然界的微生物和水解作用難以自然分解消除二噁英,它的毒性相當(dāng)于砒霜的900倍,被稱為 “世紀(jì)之毒”。二噁英有致癌毒性、生殖毒性以及遺傳毒性,萬分之一克,甚至億分之一克的二噁英就會(huì)給生物造成難以修復(fù)的傷害甚至危害子孫后代的健康和生活?!秶?guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》明確規(guī)定,垃圾飛灰為危險(xiǎn)廢棄物。
目前,水泥固化是全世界應(yīng)用最廣泛的危險(xiǎn)廢物固化技術(shù),也是我國(guó)主要的飛灰處置方式之一。早在1991年Hamernik等[1]就研究了在混凝土中添加45%的垃圾飛灰,可達(dá)到與未加飛灰的混凝土相似的抗壓強(qiáng)度。但水泥中未經(jīng)預(yù)處理的垃圾飛灰中的有毒有害物質(zhì)依然存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。后國(guó)內(nèi)外提出穩(wěn)定化技術(shù),其關(guān)鍵是穩(wěn)定化藥劑的加入。穩(wěn)定化藥劑主要分為無機(jī)類藥劑和有機(jī)類藥劑,其中高分子螯合劑的研發(fā)技術(shù)在日本已基本成熟。國(guó)內(nèi)目前主要開發(fā)重金屬螯合劑。陳善平等[2]研究將無機(jī)磷藥劑和有機(jī)硫藥劑相結(jié)合的方式來處理飛灰。與水泥固化技術(shù)相比,這種技術(shù)具有易于操作,穩(wěn)定化效果好,用量少,不增容,不增加飛灰質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn),但是幾乎沒有哪種穩(wěn)定化藥劑可以普遍適用,而且隨著飛灰的大量增加,填埋場(chǎng)地壓力劇增,起不到減量化的作用,加之填埋場(chǎng)使用壽命有限,固化體的安全填埋處置費(fèi)用高。并且經(jīng)過處理的飛灰直接填埋后環(huán)境是否安全還沒有得到驗(yàn)證。之后,學(xué)者們[3-5]研究添加無機(jī)、有機(jī)等藥劑穩(wěn)定化與水泥固化技術(shù)相結(jié)合的方式來處理處置垃圾飛灰。從研究結(jié)果可以看出,經(jīng)過預(yù)處理后的飛灰,重金屬穩(wěn)定性增強(qiáng),進(jìn)一步進(jìn)行水泥固化后環(huán)境安全可靠性更大。該技術(shù)工藝成熟、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低,經(jīng)濟(jì)環(huán)保,但由于在預(yù)處理過程成不僅可以去除飛灰中的重金屬等有害物質(zhì),同時(shí)也將部分 SiO2、Al2O3、Fe2O3洗掉,膠凝活性下降,導(dǎo)致水泥材料的抗壓強(qiáng)度下降。
高溫熔融處理技術(shù)是在高溫下將二噁英等物質(zhì)徹底分解,同時(shí)固化重金屬。主要分為燒結(jié)法和熔融法。目前,該處理技術(shù)已在日本等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展應(yīng)用。
1)燒結(jié)法。燒結(jié)法是采用溫度在1000~1100℃條件下,飛灰中的氣孔從晶體中排除,致使顆粒黏結(jié),最終飛灰燒制成致密堅(jiān)硬的燒結(jié)體。1996年,Nowok J W.等[6]發(fā)表了關(guān)于燒結(jié)法處理飛灰并探究了影響燒結(jié)體質(zhì)量的影響因素。2001年,Mangialardi T等[7]對(duì)預(yù)處理后的飛灰將其放在1140℃高溫下煅燒形成燒結(jié)體的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了一系列的研究,結(jié)果表明,抗壓強(qiáng)度符合混凝土中抗壓強(qiáng)度的要求。隨后,李潤(rùn)東等[8]探究了燒結(jié)條件對(duì)焚燒飛灰燒結(jié)特性的影響。
2)熔融法。熔融法是在1400℃的專用燃燒爐下使飛灰熔融,冷卻后轉(zhuǎn)為熔渣,作為其他行業(yè)的原材料使用,最終達(dá)到飛灰的綜合利用。2000年,Sakai S[9]研究城市生活垃圾通過熔融法處理達(dá)到循環(huán)利用。李潤(rùn)東等[10]探究了垃圾焚燒飛灰熔融過程二噁英分解特性,研究表明,經(jīng)過該技術(shù)處理后,飛灰中的二噁英可有效分解,分解率大約在99%以上。Park YJ等[11]采用1500℃熔融,后玻璃固化,抗折能力強(qiáng)及產(chǎn)品強(qiáng)度達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。王學(xué)濤等[12]在自己建設(shè)的旋風(fēng)爐上利用熔融法處理飛灰,研究發(fā)現(xiàn)熔融后熔渣重金屬浸出率顯然低于美國(guó)EPA標(biāo)準(zhǔn)要求。高飛等[13]、趙鵬等[14]利用熱等離子體發(fā)生器裝置對(duì)飛灰進(jìn)行熔融處置的,結(jié)果表明,最終產(chǎn)物中重金屬固化效果非常好,并可進(jìn)行綜合利用。趙俊東等[15]在垃圾焚燒飛灰燒結(jié)處理新工藝及爐內(nèi)氣流特性中闡述了一種以煤為燃料的低溫?zé)Y(jié)處理工藝,并用數(shù)值模擬了爐內(nèi)冷態(tài)的氣流特性。高溫熔融處理技術(shù)減容率大、減量率高,產(chǎn)出的熔渣質(zhì)量穩(wěn)定,沒有重金屬溶出,可資源化利用,可以將二噁英及其它有機(jī)污染物等徹底分解,但在高溫熔融時(shí)會(huì)產(chǎn)生易揮發(fā)的重金屬?gòu)U氣,需要在煙氣排放處安裝處理裝置,其工藝復(fù)雜,能源消耗大、處理成本高。目前在國(guó)內(nèi)尚未大規(guī)模推廣。
水泥窯協(xié)同處置技術(shù)由于具有創(chuàng)新性、技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)、治理效果好,基本達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用水平,因此該技術(shù)在2018年被收錄入 《國(guó)家先進(jìn)污染防治技術(shù)目錄 (固體廢棄物處理處置、環(huán)境噪聲與振動(dòng)控制領(lǐng)域)》。水泥窖共處置技術(shù)是指利用水泥窖中1600℃高溫以及封閉的環(huán)境,不僅將飛灰中的二噁英等有機(jī)物徹底分解,還可以防止易揮發(fā)的有害物質(zhì),將重金屬固熔于水泥熟料中,不再滲出。實(shí)現(xiàn)飛灰無害化、減量化處置以及再生利用。2012年北京市一水泥廠實(shí)現(xiàn)了水泥窖協(xié)同處置技術(shù)的應(yīng)用,日處理百余噸飛灰,首次在北京實(shí)現(xiàn)了垃圾焚燒飛灰無害化、零填埋、減量化、資源化利用。經(jīng)技術(shù)成果鑒定,該技術(shù)中飛灰預(yù)處理水洗工藝中水經(jīng)過處理后回收循環(huán)利用,無污水排放,耗水量?jī)H為國(guó)際同類技術(shù)的1/20,處于國(guó)際領(lǐng)先[16-17]。該技術(shù)方法的優(yōu)點(diǎn)是預(yù)處理后的垃圾飛灰可作為水泥原料,操作簡(jiǎn)單,易于控制,污染廢物徹底被處理,實(shí)現(xiàn)資源化利用,缺點(diǎn)就是在作為水泥原料前,為避免重金屬揮發(fā),須減少飛灰中可溶性鹽的含量,以確保水泥質(zhì)量。
生物/化學(xué)浸提法主要是利用微生物的降解和浸提來實(shí)現(xiàn)重金屬的轉(zhuǎn)化,借助各種氧化還原反應(yīng)可以提取出飛灰里面的重金屬。該技術(shù)反應(yīng)條件溫和,但成本高,重金屬含量低,回收比較困難。
水熱處理技術(shù)是指在一定的溫度、壓力的堿性條件下,飛灰中加入適量的硅源、鋁源,形成硅鋁酸鹽等礦物,通過離子交換、吸附、沉淀等物理、化學(xué)作用將重金屬固定于沸石中,從而實(shí)現(xiàn)飛灰的無害化處理。早在1997年,Ma等[18]利用飛灰在水熱條件下添加NaOH合成雪硅鈣石。之后,Bayuseno等[19]系統(tǒng)的研究了水熱條件下的各項(xiàng)工藝條件。國(guó)內(nèi)學(xué)者金劍[20]研究水熱法將垃圾焚燒飛灰中重金屬穩(wěn)定化處理同時(shí)去除廢水中重金屬,結(jié)果表明當(dāng)液固比為10/1、碳酸鈉投加量 (以20 g干灰質(zhì)量計(jì))為4~5 g時(shí)處理效果最佳。馬曉軍[21]研究利用水熱處理飛灰合成沸石,具有非常高的利用價(jià)值。同濟(jì)大學(xué) Xie等[22]研究在水熱溫度為533K時(shí),添加0.1% (與飛灰量之比)的碳酰肼,飛灰中的毒性最低。水熱處理技術(shù)在堿性條件下處理煤飛灰[23]已成功應(yīng)用,同樣該技術(shù)在處理垃圾焚燒飛灰方面可以取得很好的效果。水熱處理技術(shù)是一種新興技術(shù),雖然反應(yīng)條件對(duì)設(shè)備有一定要求,但其無害化程度高,而且反應(yīng)產(chǎn)物可以再利用。因此,水熱處理飛灰經(jīng)濟(jì)又環(huán)保,在未來該方法應(yīng)該具有很大的應(yīng)用潛力。
除去以上介紹的幾種處理技術(shù)外,目前還有超臨界流體萃取技術(shù),該技術(shù)雖能有效實(shí)現(xiàn)重金屬分離、提純,回收利用,但其對(duì)設(shè)備以及工藝技術(shù)要求過高,投資比較大,萃取釜無法連續(xù)操作,造成裝置空置率比較高等缺點(diǎn)。以上每種技術(shù)都各有利弊,隨著垃圾焚燒飛灰日益增長(zhǎng)、可利用土地面積日益稀少,飛灰以及經(jīng)過處理后的產(chǎn)物今后必定是向資源化再生的方向發(fā)展,而將來飛灰處理技術(shù)必然是向普遍適用性、穩(wěn)定性強(qiáng)、成本低和資源化再生的方向發(fā)展,因此,對(duì)于飛灰處理技術(shù)仍需要不斷完善。
現(xiàn)階段,垃圾焚燒飛灰處理技術(shù)多種多樣,其中,固化/穩(wěn)定化處理技術(shù)較為成熟,水泥窯協(xié)同處置技術(shù)逐漸普及工業(yè)化,高溫熔融技術(shù)、水熱處理技術(shù)等的研究動(dòng)態(tài)不斷更新,但是每種技術(shù)各有利弊,想要實(shí)現(xiàn)垃圾焚燒飛灰的無害化、可循環(huán)化,實(shí)現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,還需進(jìn)一步研究與完善。未來,垃圾焚燒飛灰處理技術(shù)必定是向無害化、零填埋資源化技術(shù)方向發(fā)展。