危废焚烧飞灰处理处置技术研究及进展

随着焚烧技术在危废处理处置中的广泛推广和应用，危废焚烧厂飞灰处理处置，即将成为当下和可预见的未来环境领域的研究热点、焦点、难题，亟待引起足够重视，特别是随着“无废社会”建设逐步深刻开展，该问题面临凸显的风险。

危废焚烧产生的飞灰主要是因为危废焚烧飞灰产量大， 同时飞灰中含有大量的重金属元素、盐类及高毒性当量的二噁英等有毒有害的污染成分，位列《国家危险废物名录》HW18 类。因此飞灰必须按照危险废物的标准进行处置，飞灰资源化利用之前必须经过无害化处置。2016年，我国危废以焚烧方式处置量为 110万吨，目前，危废焚烧飞灰主要以固化安全填埋仍，但相对于正在以每年12%的速度飞速增长的危废产量而言，安全填埋场有限的库容显得杯水车薪。因此探索安全、可靠的固化/稳定化飞灰处置技术的同时，也应该积极开发飞灰的资源化利用途径和市场，变废为 宝，彻底解决安全填埋的库容压力。该文通过对目前焚烧飞灰的处理处置技术的介绍和比较，主要包括化学处理法、固化/稳定化法、安全填埋法和资源化法，以期为危废焚烧飞灰的处理处置提供借鉴。

危废焚烧飞灰的性质和成分

危废焚烧飞灰和城市垃圾焚烧飞灰同样具有含水率低、形状 不规则、孔隙率高、粒径小及比表面积大等特点，但危废焚烧飞 灰中可溶性盐的含量更高，化学成分分析见表 1。由焚烧灰成分分析可以看到，焚烧灰中主要成分为 Na、Ca、K、Cl、S、Si 等。 两种不同类型的飞灰形态如图 1、图 2 所示。

现有危废焚烧飞灰处理技术线路

1、化学处理法

飞灰的化学处理法主要是用化学药剂将重金属元素提取出来，从而减少重金属对环境造成的危害，重金属的提取方法有酸提取、碱提取、生物制剂浸提、高温提取及其他药剂提取等。

采用酸提取可以将飞灰中的部分金属提出从而作为资源进行利用，但由于危废焚烧物成分复杂、焚烧条件不同，飞灰中各成分含量差异较大，处理条件难以把控。另外，飞灰中存在很多碱 性的金属氧化物，因此一般为碱性。直接用酸进行浸提会消耗大量的酸，因此在用酸浸提之前一般要进行水洗预处理。

重金属提取技术主要具有以下优点： (1)灰中的可溶盐溶解于水中，提高了处理效果，增加了处理物的稳定性；(2)处理物中的可溶盐较少，且形态为脱水滤饼状，易于进行操作、搬运、填埋； (3)工艺简单，可操作性强。 但同时也存在着需要对可溶盐和排水进行处理的弊端，一般只用于重金属浓度较高，有必要进行回收的情况。

2、固化/稳定化法

固化与稳定化技术是国际上处理有毒废物的主要方法之一， 自20世纪80年代以来，该技术得到迅猛发展。固化/稳定化处理的目的，是使危险废物中的所有污染组分呈现化学惰性或被包容起来，以便运输、利用和处置。由于垃圾焚烧飞灰中含有的重金属具有不可降解性，若直接填埋或作建筑用材，在自然环境下经历风化、侵蚀后，飞灰中的重金属很容易浸出来，对周围的环境产生很大的影响。现行的固化/稳定化方法主要有:水泥固化、沥青固 化、熔融固化、化学药剂稳定化等。

（1）水泥固化技术 固化/稳定化是利用固化剂与垃圾焚烧飞灰混合后形成固化体，从而达到降低废物中危险成分浸出的目的。胶凝材料水泥是 常见的危险废物固化剂，因此常采用水泥对焚烧飞灰进行固化处理。飞灰被掺入水泥的基质中后，在一定的条件下。经过一系列的物理、化学作用，形成溶解性更小的金属氧化物，使污染物在废物水泥基质体系中的迁移率减小。为改善固化条件，提高固化体的性能，固化过程中需视废物的性质和对产品质量的要求掺入适量的添加剂。

关于水泥固化技术的机理，一般认为水泥固化有害物质是把有害物质封闭在固化体内，通过水泥中粉末状的硅酸钙水化物胶体对有害物质的吸附包容，并逐渐硬化性化固化体，而将有害物质束缚达到废物稳定化、无害化目的的。

水泥固化处理飞灰具有工艺成熟、处理成本低、操作简单、不需要特殊的设备、原材料来源丰富、可在常温下操作、被固化的废渣不要求脱水和干燥等优点。用水泥稳定化的主要缺点是对于一定的污染物较为灵敏，会由于某些污染物的存在而推迟固化时间，甚至影响终的硬结效果。

（2）沥青固化技术 沥青固化是以沥青为固化剂与飞灰在一定的温度、配比、碱度及搅拌作用下产生皂化反应，使有害物质均匀地包裹在沥青中，形成固化体。沥青具有良好的化学稳定性、粘结性与一定的弹性和塑性，对大多数酸、碱、盐类有一定的耐腐蚀性。沥青固化 操作有两种：一是将沥青加热，利用在高温下可以变成熔融胶粘性液体将飞灰掺合、包覆在沥青中，冷却后即形成沥青固化体； 二是利用乳化剂将沥青乳化，用乳化沥青和飞灰混合，然后破乳、 脱水，即完成废物的沥青固化处理，此法可以在室温下完成。沥青固化体的性能指标包括在水中的浸出率、辐照稳定性和化学稳 定性，它们主要由沥青种类、飞灰加入量、飞灰的组分和残余水分等的影响。

（3）熔融固化技术 熔融固化技术也称之为玻璃化技术，该技术是在燃料炉内利用燃料或电将飞灰加热到1400℃左右的高温，使其中的二恶英等有机污染物高温分解，熔渣快速冷却形成玻璃固化体，借助玻璃体的致密结晶结构，从而确保固化体的稳定。熔融固化技术不仅可以控制污染，而且熔融后灰渣致密，减容效果也非常显著。 此外，根据需要可以将熔渣制成建筑材料或作为陶瓷、玻璃等生 产行业的原料，实现灰渣的资源化利用。

熔融固化的大优点是可以得到高质量的建筑材料，同时具有减容率高、熔渣性质稳定、无重金属等溶出的优点，国外已研究出多种焚烧飞灰处理的高温熔融炉，并已在日本和欧洲有少量应用。其缺点是需要消耗大量的能源，同时由于其中的Pb、Cd、 Zn等易挥发重金属元素需进行后续严格的烟气处理，故处理成本较高。

（4）化学药剂稳定化技术 化学药剂稳定化是利用化学药剂通过化学反应使有毒有害物质转变为低溶解性、低迁移性及低毒性物质的过程。用药剂稳定化技术处理焚烧飞灰，可以在实现无害化的同时，达到少增容或不增容，从而提高焚烧飞灰处理、处置系统的总体效率和经济性。

化学药剂稳定化技术以处理重金属废物为主。到目前为止， 已发展了许多重金属稳定化技术，如pH值控制技术，氧化/还原电 势控制技术，沉淀技术，吸附技术，离子交换技术等。目前发展较快的螯合型有机重金属稳定化药剂，对多种重金属污染物的稳定化处理效果已经得到试验证明，但其长期稳定性如何，还有待于进一步考察。另外，螯合剂的价格比较昂贵，对二恶英的稳定作用不明显，飞灰处理后的脱水滤液需要进行二次，限制了它 的广泛应用。因而应用广、络合能力强的新型螯合剂的开发也是今后的一个研究方向，对螯合剂的稳定性、水溶性、安全性等方面也应做进一步的研究。

（5）矿物聚合材固化稳定化技术 矿物聚合材是一种以水玻璃和氢氧化钠等采用一定的工艺激发偏高岭土、工业废渣等含铝硅酸盐物质制得的新材料。

在碱性条件下，通过解聚、形成凝胶体并再聚合形成，分子链由 Si、O、Al 等以共价键或离子键连接而成，有单硅铝、双硅铝以及三硅铝三种结构，对重金属有较强的固定作用。矿物聚合 材兼有有机高聚物、陶瓷、水泥的特点，有耐腐蚀、耐高温、低渗透、有效固定重金属等优点，其生产能耗只及陶瓷的1/20，钢的 1/70，塑料的 1/150，而且污染物排放量降低，加上其原材料丰富，价格低廉，因此，受到了包括欧、美、日等国家的重视，国外政府把它作为高技术材料，投入大量人力物力进行研究开发。

由于矿物聚合材有以上的诸多优点，金漫彤等人对利用矿物聚合材固化焚烧飞灰的工艺及处理效果进行了实验研究，并与水泥处理飞灰的效果进行了比较，结果表明，在其它条件相同时，矿物聚合材固化飞灰后固化体的抗压强度比水泥固化效果高，且表现出早期抗压强度高的特点，固化体中重金属浸出毒性的效果更好。

通过以上对各种固化/稳定化方法的对比可以看出，理想的飞灰固化/稳定化处理方法应该可以满足以下要求：(1)有害废物经固化处理后所形成的固化体应具有良好的抗渗透性、抗浸出性、抗干湿性、抗冻融性及足够的机械强度等， 好能作为资源加以利用，如作建筑基础和路基材料等； (2)固化过程中材料和能量消耗要低，增容、增重比低； (3)固化工艺过程简单、便于操作； (4)固化剂来源丰富、价廉易得； (5)处理费用低。

3、安全填埋法

安全填埋法是将焚烧飞灰在现场进行简单处理后，送入安全填埋场填埋处理的方法，这是目前焚烧飞灰处理安全可靠的手段之一。但安全填埋场的建设和运行费用居高不下，垃圾焚烧处理厂难以承受，同时也不能达到减容化和资源化的目的，因此今后会逐渐减少该方法的应用。

4、资源化

近年来随着焚烧规模的不断扩大，飞灰的产量也不断增加， 若仅仅通过固化/稳定化处理抑制有毒重金属离子的危害，势必将造成大量资源的浪费，因此部分研究者、实践者已开展了将垃圾焚烧飞灰资源化利用的相关研究并取得了一定的成果。

飞灰的主要成分属于CaO-SiO2-A12O3-Fe2O3体系，与常用的 掺合料高炉矿渣、粉煤灰等辅助性胶凝材料组分非常接近，因此不少学者、研究者、实践者展开用飞灰取代部分胶凝材料的研究及应用。日本太平洋水泥公司从可持续发展的战略角度出发，早开始利用城市垃圾焚烧飞灰代替生料粉配料，在高温下烧制生态水泥熟料，并于 2001年4月投入商业生产。水泥工业处理飞灰有其得天独厚的优 势，一方面水泥工业利用废弃物规模大、适用范围宽和效果好， 同时减轻了水泥工业对资源与能源巨大需求的压力，实现了废弃物的资源化利用；另一方面飞灰中二噁英在高温炉内可被彻底破坏，重金属以化学键合的方式固化到熟料中，重金属离子固化率高，避免飞灰制品使用过程中二次污染。

近年来也有将飞灰用作路基材料的研究报道，主要是用飞灰代替部分细集料作为填充层，或掺入水泥中替代部分水泥生成水泥固化体作为道路支撑层，该技术不仅实现飞灰的资源化利用， 而且减少建筑工业对天然骨料的需求。

另外，垃圾焚烧飞灰中含有大量的易溶盐类物质和重金属元素，这些组分与合适的粘土进行配合可以用来烧制陶粒，不仅能够被稳定地固化到陶粒的硅铝网络玻璃体中，还能在粘土的熔化阶段起到助熔作用，使熔体粘度变化对温度的敏感性降低，起到降低烧成温度、节能降耗，提高成品率，提高陶粒产品质量的多重作用。垃圾焚烧飞灰中的二噁英类物质则可以在陶粒烧成的高温度段彻底分解。

关于飞灰的资源化研究，还有其它的研究报道，但大多数还 仅限于实验室研究阶段，如用来制备吸附剂、土壤改良剂、玻璃、 陶瓷等制品，但飞灰的资源化必将成为未来的发展趋势。

主要研究结论

随着经济的发展和人们环境意识的提高，对于未来焚烧飞灰的处理处置应该是随污染物排放标准的提高，无害化/资源化程度要进一步提高，同时应尽可能减少处理和控制二次污染物的运行费用。 结合我国的实际情况，危废焚烧飞灰处理的发展方向应该包括以下3 个方面： ①开发先进的焚烧炉，并加强对入炉废物的控制； ②开发稳定效果好、处理成本低的化学稳定剂以减少垃圾焚烧飞灰中重金属的迁移； ③开发并积极推广应用安全可靠、能耗低效益好的资源化技术，资源化处理处置危废焚烧飞灰。