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随着城市垃圾产量的大幅度增加和焚烧技术的不断发展,垃圾焚烧已经成为了很多国家大力发展的垃圾处理技术。城市生活垃圾焚烧会产生酸性气体、灰分、重金属和含氯有机物等有害物质。其中的二噁英类物质具有强致癌性,近年来引起了越来越多学者的关注。
“ 二噁英是多氯代二苯并二噁英(PCDD或二噁英)和多氯代二苯并呋喃(PCDF或呋喃)的统称,二噁英的毒性十分大,万分之一克的二噁英就会给人类健康带 来严重的危害。这些危害包括软组织,肉瘤,淋巴瘤,皮肤损害(氯痤疮),胃癌,生物化学肝测试异常,高血脂,致命伤,免疫系统和神经副作用等。同时,二噁英化合物在环境和生物体内都具有稳定性,因此它对人类的影响是慢性而又广泛的。
1 垃圾焚烧中二噁英的产生和排放
生活垃圾焚烧产生二噁英的主要机制有两种:前驱物合成和从头合成。前驱体合成是通过不同的前驱体物质,如氯苯和氯酚等生成二噁英。前驱体物质可 以通过不完全燃烧,或者飞灰表面异相催化反应生成。从头合成机制是在低温下利用大分子碳和飞灰上的氯形成二噁英。由于焚烧过程中二噁英形成的反应过于复杂,目前还没有得出这两种机制的详细的反应机理。
目前,大部分国家已经对焚烧厂排放的废气中的二噁英浓度做出了限制,其中欧盟和日本等国将焚烧厂二噁英排放标准定为0.1 ng-TEQ/m3(TEQ是排除四氯二苯并二噁英(TCDD)的PCDD和PCDF的毒性当量,其中假设TCDD的毒性为1 TEQ),是目前世界学术界无争议的安全标准。我国制定的GB 18485-2001生活垃圾焚烧污染控制标准将二噁英排放浓度定为1.0 ng-TEQ/m3,而实际上国内部分城市新建焚烧厂已开始执行0.1 ng-TEQ/m3的排放标准。
垃圾焚烧过程中二噁英的污染控制技术主要包括燃烧中控制和燃烧后烟气污染控制两种。燃烧中控制主要是在过程中控制二噁英的产生,而燃烧后控制主要是在末端对燃烧过程中二噁英污染物进行进一步的脱除处理,以减少二噁英的排放量。
2 焚烧过程中二噁英的控制技术
2.1改善炉内燃烧条件
焚烧炉内不同的燃烧条件会影响PCDD/F的量,这些燃烧条件包括燃烧温度、停留时间、氧气与垃圾之间的扰动、垃圾前处理、燃料补充、氧气供给量等。其中温度(Temperature)、停留时间(Time)和紊流(Turbulent)被并称为“3T”,是焚烧炉内控制PCDD/F量的关键因 素。目前最常使用的过程管理措施是“3T”原则。通常认为温度高于850 ℃时,燃料中存在的PCDD/F都可以被破坏;但如果需要微粒状的含碳物质完全燃烧,炉内温度需达到1000 ℃以上。同时需要保证一定的停留时间,在1000 ℃时,炉内气体停留时间要超过1 s;而在850 ℃时,要超过2 s。此外,需要在燃烧室中制造紊流,使得空气与燃料可以混合均匀,进一步保证燃烧的完全,推荐的紊流的雷诺数要超过10000。
现代垃圾焚烧厂除了要满足“3T”原则外,对氧气供给量和垃圾组成也存在一定的要求。氧气量不足会导致垃圾不能完全燃烧;而氧气量过多时,过量 的氧气会和HCl反应产生Cl2,促进PCDD/F的形成。因此,通常通入到焚烧炉中的氧气含量要高于理论需要值3-6%(体积分数)。另外,根据垃圾组 成的不同,通常在焚烧前需要进行垃圾的前处理,或者向垃圾中掺入燃料。
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余刚,清华大学环境学院教授,长江学者奖励计划特聘教授,国家杰出青年科学基金和北京市教学名师奖获得者,教育部“新兴污染物风险评价与控制技术”创新团队负责人。曾任联合国环境规划署POPs公约最佳可行技术-最佳环境实践专家组联合主席。现任清华大学持久性有机污染物研究中心主任、新兴有机污染物控制北京市重点实验室主任、中国环境科学学会持久性有机污染物专业委员会主任、中国化学会环境化学专业委员会副主任,国际期刊《EmergingContaminants》主编,《Chemosphere》AssociateEditor。
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