垃圾焚烧残余物资源化利用途径分析
随着经济的发展、城市化规模的扩大及人民生活水平的提高，城市生活垃圾的产量呈逐年增加的趋势。据统计，我国城市生活垃圾每年以8％～10％的速度增加，人均日产垃圾量达到1.0kg以上，接近发达国家的水平。垃圾的处理主要有填埋、堆肥、焚烧等方式。填埋处理需占用大量的土地资源，而且垃圾产生的浸出液容易对地下水源造成污染。欧盟立法规定：有机碳含量高于3％的生活垃圾禁止填埋。堆肥处理往往受到产品销路的影响。近些年来，我国城市生活垃圾的构成有了明显的变化，垃圾中有机质及可燃垃圾成分逐年增加，垃圾热值有明显提高，这些都为垃圾的焚烧处理提供了条件，因此在国内尤其是经济发达地区得到了迅速发展。
1 垃圾焚烧飞灰特性
随着垃圾焚烧处理在国内的迅速发展，垃圾焚烧飞灰(垃圾飞灰)的产量也呈明显增加的趋势。生活垃圾焚烧处理后产生的固体残渣大约占垃圾重量的30％～35％，其中底渣占25％～30％，其余是飞灰，占5％左右，而流化床焚烧炉产生的灰渣量还要高。垃圾焚烧产生的底灰中重金属含量较少，尤其是易浸出重金属Hg、Pb、Cd、Zn含量更少，主要是一些亲岩性的金属如Si、Al、Ca等，被认为是没有毒害的，可作为原材料进行再利用。飞灰与底灰相比富集了更多的易浸出的重金属。在垃圾焚烧过程中，由于重金属的特性(如沸点)、垃圾的组分(氯、硫、水分、碱金属含量等)、炉内气氛等因素的作用，使随垃圾进入炉内的重金属在焚烧过程中发生迁移和转化，最终分布在烟气、飞灰和底灰中。如Hg因其易挥发，主要以气态的形式出现在烟气中；Pb、Cd则以气固两相出现，且Cd大约80％以上出现在飞灰中；Cr、Cu、Ni大部分出现在底灰中。研究表明，飞灰颗粒尺寸越小，富集的重金属浓度越高，且焚烧改变了金属的种类，使其转化为更易迁移的形式。若将垃圾飞灰直接进行填埋或处理不当，在自然环境下由于酸雨等因素的作用，重金属将逐渐浸出，重新进入环境，污染地下水源，从而危害人类。
国内已投入使用的典型垃圾焚烧炉型主要有引进的炉排式焚烧炉和自行开发研制的流化床焚烧炉。由于以垃圾作为燃料具有其特殊性，要使垃圾燃烧完全，燃烧设备的设计应充分考虑垃圾的停留时间、搅动、翻转及与空气有良好的接触。流化床燃烧是一种新的燃烧技术，由于床料蓄有大量的热量，能使低热值的燃料在床内稳定燃烧；少量煤的掺入可以弥补垃圾热值低的缺陷，且煤中的硫可抑制二恶英的生成。另外，煤中少量矿物质还可以对烟气中重金属排放起到吸附的作用，使污染物排放降低。表1示出了国内2台不同类型垃圾焚烧炉飞灰的基本组成及二恶英和重金属的含量情况，其中FA1为日处理垃圾350t的炉排式焚烧炉布袋飞灰，FA2为日处理垃圾量300t的流化床焚烧炉布袋飞灰(掺煤20％)。
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从垃圾飞灰的构成来看，流化床飞灰中Si、Al、Fe氧化物的含量较高，这主要是掺煤混烧时煤中此类元素含量高造成的；Ca在两种飞灰中的含量都很高，则为尾部烟道喷钙(减少酸性气体排放)所致。流化床飞灰中二恶英与重金属的含量明显低于炉排炉飞灰，也即其飞灰的毒性远较炉排炉飞灰低，这主要与焚烧方式有关。
表2、表3给出了一些国家关于二恶英的控制标准，表4、表5为我国关于重金属控制及质量标准，表6为两种飞灰重金属含量与上述标准进行比较的结果。
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2 垃圾飞灰可能的资源化利用途径
随着垃圾焚烧规模的扩大，垃圾飞灰的产量不断增加，因此需寻找切实可行的垃圾飞灰资源化利用方向。垃圾飞灰的物理化学性质与燃煤飞灰相似，其可资源化利用的途径主要有以下4个方面。
2.1用于生产建筑材料
(1)水泥产品
水泥是CaCO3与黏土混合物与其它材料混合经高温煅烧并研磨而成。试验研究表明，垃圾飞灰中含有一定量的水泥制作材料，如Ca、Si、Al(对于Si、Al流化床飞灰较炉排炉飞灰高)，因此若利用垃圾飞灰取代部分水泥制作所需的CaCO3，不仅可以减少由于CaCO3锻烧时所消耗的能量，同时还可以减少CaCO3分解而释放的CO2。然而，垃圾飞灰中含有较高浓度的重金属等污染物，在加热时重金属易挥发，为防止对环境造成污染，应设置烟气吸收系统或采用适当措施将飞灰进行处理后再资源化利用。
(2)混凝土制作
在混凝土制作中，用垃圾飞灰替代部分水泥将是很有发展前景的。耐压强度是混凝土的重要指标。Hamernik和Frantz等研究了垃圾衍生燃料垃圾飞灰作为辅助材料代替水泥加入混凝土，当用垃圾飞灰代替45％的水泥时的耐压强度与原来的相当；当代替比例为15％时比原来的耐压强度明显要大。试验发现，水泥中掺入垃圾飞灰后，当掺合比例小时，对水泥的水化影响不明显，而当掺入比例增加后，对水泥的水化影响较明显，尤其是重金属及氯化物含量高的飞灰。因此，重金属及氯化物含量高的飞灰若作为水泥替代材料制作混凝土时应作适当处理，如水洗或加入添加剂。 此外，垃圾飞灰还可用于制造陶瓷及玻璃-玻璃陶瓷。
2.2铺路
道路的中间层会用到水泥和沙子，因此可以用垃圾飞灰取代部分水泥或沙子。荷兰将垃圾飞灰作为沥青混凝土的填充成分用来铺路，技术上和环保上均满足要求。试验表明，沥青对飞灰中重金属的浸出有较好的控制作用。
2.3改良土壤
垃圾飞灰中含有一定量的K、P、Cu元素，而这些正是植物生长所需要的营养成分，可以用少量垃圾飞灰替代化肥来改善土壤。C.J.ROSEN研究发现，用垃圾飞灰改良后的土壤生长的植物比没有改良或单纯用钾肥或磷肥改良的土壤高大。另外，还可以利用垃圾飞灰的碱性来治理酸性较强的土地。
2.4用作吸附剂、脱硫剂等
Matsuda等人指出，燃煤飞灰经Ca(OH)2溶液处理后，可以作为脱硫剂脱除烟气中的SO2及其它酸性气体。垃圾飞灰与燃煤飞灰有极相似的物理化学组成，相信垃圾飞灰经适当的处理也会具备此方面的作用。另外，在污泥脱水处理时，由于污泥中往往含有一定的油性物质，使脱水处理较困难，而垃圾飞灰与污泥以一定的比例混合后可以改善污泥的脱水性能。
此外，G.Marruzzo研究指出，可以利用垃圾飞灰制作人造沸石，作为离子交换剂制作纯净水，但由于垃圾飞灰成分复杂，制作的费用很高，目前尚处于研究阶段。
3 国内外垃圾焚烧残余物利用情况
垃圾焚烧产生的残余物主要有底渣和飞灰。为了合理地对其进行处置，美国、日本和欧洲的许多国家在几十年前就开始从资源利用和环境影响方面考虑，研究其资源化利用的可行性。
目前欧洲一些国家(如英国、德国、荷兰等)和加拿大以及日本大多数垃圾焚烧厂的底灰和飞灰均分别收集和处理，我国也要求分别收集；在美国，底灰和飞灰是混合收集和处理的，因此被称作混合残余物。表7给出了国外垃圾焚烧残余物的资源化利用情况。
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从表7可以看出，底灰是目前残余物资源化利用的主要考虑对象，由于底灰的物理和工程性质与轻质的天然骨料相似，并且容易进行粒径分配，易制成商业化应用的产品，因此使之成为一种适宜的建筑填料。从表7还可看到，飞灰的资源化利用率很低，仅在荷兰有小部分飞灰用作沥青的细骨料。飞灰资源化利用率低的主要原因是飞灰中可溶性盐类的含量、可浸出重金属浓度和有机氯化物(二恶英等)浓度均比较高，其对环境影响的潜在威胁较大。
大多数国家处理飞灰仍然采用填埋的处理方法，但是由于可用的填埋场地越来越少，并且利用填埋法处理飞灰会给环境带来较大的危害。因此，目前很多国家开始研究飞灰的资源化利用途径。
由于我国垃圾焚烧处理起步较晚，因此对于垃圾焚烧残余物的处理一直未引起足够的重视。目前我国已经有许多垃圾焚烧厂，但大部分未对残余物进行适当处理，只是简单填埋，这将造成严重的环境污染。
4 结语
针对我国垃圾焚烧飞灰的理化特性和垃圾焚烧残余物的处置状况，我国的科学工作者应当吸取国外资源化利用的成功经验，开发出适合我国国情的残余物处理技术，并应尽快制定出相关措施和技术规定，以减少环境污染和资源的浪费。
参考文献略
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