生活垃圾焚烧飞灰稳定化处理新工艺的研究
摘要：在生活垃圾焚烧处置过程中，会产生一定量的飞灰，飞灰中含有危害环境的有害元素，根据国家有关规定，必须按危险废物处置。文章介绍了传统的水泥稳定化处理飞灰的工艺及应用射流技术稳定化处理飞灰的新工艺;对磷酸盐固化剂的固化机理及配比进行了分析;并对新老工艺的成本进行了比较。
关键词:城市生活垃圾,焚烧,飞灰稳定化,磷酸盐,射流技术
1 引言
城市发展和人民群众生活水平的不断提高，使得城市生活垃圾大量地产生，以上海市为例，200年每天的城市生活垃圾量已超过1.6万t，且以每年5%的速度增长。如何合理、有效的处置好生活垃圾，已成为人们普遍关注的环境和社会问题。垃圾焚烧处置可帮助我们达到生活垃圾减量化、无害化、资源化处理的目标。在生活垃圾焚烧处置过程中，会产生一定量的固体废物—炉渣、飞灰。其中飞灰是生活垃圾焚烧后对所产生的烟气进行净化过程中的产生物，含有污染环境的有害组分，因此，国家《生活垃圾焚烧污染控制标准》和《危险废物污染防治技术政策》中明确规定，生活垃圾焚烧产生的飞灰，需按危险废物进行管理和处置。
飞灰内含的可溶性重金属在暂存或填埋过程中会溶入降水、地下水、地表水、渗沥液中，因此，有可能污染水体环境。按照《危险废物鉴别标准-浸出毒性》(5086.3-1996)中规定的方法，对上海御桥生活垃圾热能电厂的飞灰进行测定，飞灰样本中的重金属铅(Pb)均超过鉴别标准值(> 3 mg/L)）1）。
飞灰进行安全填埋前，必须要经过稳定化处理或固化处理，达标后，方能进行填埋。稳定化/固化(S/S)方法是处理危险废物的重要手段。化学药剂稳定化处理是化学药剂通过化学反应，使有毒有害组分转变为低溶解性、低迁移性及低毒性组分的过程，同时也可使废物少增容或不增容。本文介绍了传统的水泥稳定化处理飞灰的工艺及应用射流技术稳定化处理飞灰的新工艺;对磷酸盐固化剂的固化机理及配比进行了分析;并对新老工艺的成本进行了比较。
2 飞灰处理工艺
2.1传统的水泥稳定化处理工艺
上海御桥生活垃圾热能电厂和上海江桥生活垃圾热能电厂的飞灰，采用干法收集的方法，由飞灰专用运输车。运送至上海固体废物处理中心进行安全填埋。一般采用水泥固化的方法，对飞灰中重金属等有害物固化、稳定，然后进行填埋。具体的作业过程如下:飞灰由焚烧厂用专用罐车送至处置厂灰库，添加适量的水泥或药剂，进搅拌机加水予以搅拌，然后用输送设备送至填埋坑摊平、压实进行填埋见图1。
图1 飞灰进行安全处置工艺示意 |
该工艺作业过程主要是将飞灰与固化剂或药剂按一定比例充分搅拌，以稳定飞灰中的有害物。
2.2 应用射流技术稳定化处理飞灰的新工艺
新的飞灰稳定化处置工艺，将焚烧厂飞灰装人飞灰槽罐车后，直接运输至填埋坑，用车载空气压缩机产生压缩空气，通过管道将飞灰送人专门设计的混合器，混合器的另一人口连接药剂液管道，化学药剂由液压泵提供一定的压力，灰、液经混合器喷射而出，利用两者速度差，产生吸附作用，以达到充分混合目的，混合料直接进人填埋坑，然后进行摊平、压实作业见图2
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图2 飞灰安全处置新工艺示意  |
新工艺应用射流技术。通常大射流一般是无固壁约束的自由湍流。这种湍流射流通过边界上活跃的湍流混合将周围流体卷吸进来，不断扩大并流向下游。据此，在新工艺中设计了一种全新的用于液、灰混合的喷射器。
新飞灰稳定化处置工艺的实施过程，需解决以下关键的技术问题:(1)灰、液比及其调节措施;(2)均匀性问题;(3)扬尘的控制。
由于进填埋坑的飞灰需要控制一定的含水量，一方面，是防止扬尘需要，另一方面，是要控制渗沥液出现，还要考虑使药剂与飞灰充分混合、反应。经试验，药剂量确定为飞灰量的35%左右。在有条件的情况下，采用自动跟踪、调节药剂量是较为理想的措施。经试验，采用“灰、液差速、两相交叉”原理设计混合喷射器。飞灰通过输料管进人喷射器，喷射器中心装有输液管道，管道底部连接一特殊喷头，飞灰在通过灰管出口时，因管径的变化降低了速度，被高速喷出液流所产生负压吸引，产生混合效应，同时由于对灰、液的两者流向设计了一定的相交，由呈雾状的液体包裹了飞灰，以达到充分混合及控制扬灰的效果。
3 磷酸盐固化剂的固化机理及其配比
稳定化/固化工艺稳定的重金属元素为Pb。飞灰中的Pb存在状态以可溶性PbC03和Pb(OH)2及PbCl2为主，难溶性Pb以Pb,PbO,PbSi03,PbSO4,PbS状态存在。
为促进飞灰中的重金属溶解，笔者采集的全部飞灰样品中Pb的浸出液pH值均大于12。难溶态Pb可与OH反应生成溶解性的络离子。
3.1 用磷酸盐固化飞灰的机理[1]
通过硫化物和磷酸盐类化学药剂的试验，本研究选用磷酸盐稳定化处理飞灰。磷酸盐类化学药剂一般用来固化被污染土壤中的化学污染组分(Chemical Fixation)和焚烧残渣、矿冶废物、含重金属废物与混合废物。重金属Pb,Cd,Zn,Cu的磷酸盐溶解度比其他盐都要低很多。
飞灰中的Pb与磷酸盐的反应机理为:
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其生成物的溶解性可参考磷酸铅矿的资料报道[2]， 见表1。
表1 磷酸盐的溶解度 |
磷酸盐稳定化处理可用液态或固态的化学试剂，液态磷酸盐处理速度快，固态磷酸盐可缓慢释放磷酸根，并可长久地提供磷酸根。液态包括磷酸和可溶性磷酸盐的水溶液。固态包括天然磷酸盐矿石和钙磷灰石。
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3.2 磷酸盐的配比实验
2005年2月-3月，笔者先使用不同剂量的NaS9H2O或Na3PO4对飞灰进行了稳定化处理，然后测试Pb浸出浓度。通过试验，决定采用2种配比量的Pb3(PO4)2，对飞灰样本进行稳定化试验。2005年4月-7月，共处理了12批飞灰试样，结果见表2。
表2 测试结果（2） |
由表2可见，稳定化处理后样本的浸出毒性测试结果配比C要优于配比B。对照《危险废物填埋污染控制标准》规定“危险废物入场填埋控制限值Pb<5mg/l,;配比C超标样本1个，配比B超标样本2个。
1)浸出液Pb含量采用双硫粽分光光度法;2) K为飞灰稳定化处理前Pb浸出浓度,B,C分别为采用Na3PO4的B配比、C配比对飞灰进行Na3PO4稳定化处理后的Pb浸出浓度。
3.3 现场应用
现场试验的样本，送上海市环境监测中心检测，重金属浸出毒性降低效果明显，且其结果随药剂量变化呈正相关变化见表3。
表3 检测结果1) （mg/L) |
由于《危险废物填埋污染控制标准》要求稳定化处理达标后，方能进人填埋作业。按惯例从稳定化处理作业起至分析测试数据出现至少要3d时间。在进行现场处理、隔日摊铺填埋保证质量的前提，必须配备持续的飞灰稳定化处理试验研究。根据不同时间、不同季节的生活垃圾飞灰重金属组分变化情况提出相应的磷酸盐配比量。此外，现场稳定化处理和安全管理相结合的处置工艺仅限于生活垃圾飞灰处理。
4 新老工艺的成本比较
新工艺采用了由飞灰运输车直接将飞灰卸人填埋坑的方法，简化了传统工艺中多个必须的工艺环节，减少了设备、设施的投人，降低了运行成本，新工艺与传统工艺在同样达到稳定化要求情况下，其成本对比见表4
传统工艺在实际运转过程中，由于工序相对繁多，机械设施也多，相应的各类故障等影响正常生产的因数相对较多，而新工艺简化了工艺环节，具有技术上、经济上的优势。本技术已被常熟市生活垃圾焚烧发电厂配套的飞灰安全填埋场试用。
表4 2种工艺成本比较(倍数比) |
5 结论
新工艺以磷酸盐稳定化处理飞灰，使飞灰内含的重金属组分显示超常的稳定性和水不溶性，清除了重金属重新溶出对环境的危害。新工艺的技术系统简单，运行成本低，相对于水泥固化技术Pb的溶出率小、稳定性好。新工艺的应用，将大大降低焚烧飞灰对环境的污染。
参考文献
1.Lyons M R .The use of solublc Yhosphatcs to stabilizc hcavy mctals in fly ash. Sustaining Dcvclopmcnt 2000,2000,87一95.
2.Gmclin Lcopold, Mcycr R T, Yictsch E H E，ct al.Gmclins Handbuch Dcr Anorgnischcn Chcmic, YbElcmcnt.第8版，mclin-lnstitut,1972, 324, 349, 367, 372.
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