城市生活垃圾焚燒灰渣的資源化利用

　　為適應(yīng)城市化發(fā)展需要和緩解日益增加的城市生活垃圾處置壓力，近年來我國已有不少城市，如上海（至2002年底，上海將分別有兩座大型生活垃圾焚燒廠開始運(yùn)行投產(chǎn)）、常州等，開始或計(jì)劃興建大型生活垃圾焚燒廠[1]。焚燒可大大減少生活垃圾的量（減少90%左右的體積），但仍有20%~30%的質(zhì)量留在了灰渣當(dāng)中[2]。如此大量灰渣的產(chǎn)生，將給其處理處置帶來困難。為節(jié)省日益緊張的填埋場地，降低灰渣的處理處置費(fèi)用，焚燒灰渣的資源化利用將是比較符合中國實(shí)際的一個(gè)可行方法。但目前我國的生活垃圾焚燒廠較少[3]，有關(guān)灰渣資源化利用的研究和實(shí)例不多，如何有效地利用這些即將產(chǎn)生的灰渣而又不至于對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不利影響，是我們現(xiàn)在必須面對(duì)的問題。

　　1 概述

　　城市生活垃圾焚燒（MWC）灰渣根據(jù)其收集位置的不同，主要可分為底灰和飛灰。底灰一般包括爐排渣（grateash）和爐排間掉落灰（grate　siftings），有些焚燒廠也將鍋爐灰與爐排渣混合收集并處理處置。底灰占了灰渣總量的80%左右（重量計(jì)）[4]，主要由熔渣、黑色及有色金屬、陶瓷碎片、玻璃和其它一些不可燃物質(zhì)及未燃有機(jī)物組成。飛灰是指在煙氣凈化系統(tǒng)（APC）和熱回收利用系統(tǒng)（如節(jié)熱器、鍋爐等）中收集而得的殘余物，約占灰渣總量的20%左右，其中的APC飛灰包括煙灰（在焚燒室內(nèi)產(chǎn)生并排出，在加入化學(xué)藥劑前被去除的顆粒物，如布袋除塵室飛灰）、加入的化學(xué)藥劑及化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，其物理和化學(xué)性質(zhì)隨焚燒廠煙氣凈化系統(tǒng)的類型不同而有所變化。

　　爐排渣的可浸出重金屬（如Pb、Cd、和Hg等）和溶解鹽的濃度在各種灰渣中基本上是最低的，其物理化學(xué)和工程性質(zhì)與輕質(zhì)的天然骨料相似[5]；爐排間掉落灰的細(xì)顆粒含量高，因而元素Pb和Al的含量較高；鍋爐灰的易揮發(fā)金屬（如Cd、Zn）的含量有時(shí)會(huì)比較高；APC飛灰的溶解鹽含量很高（40%~60%，重量計(jì)），可浸出重金屬（Cd、Pb、Zn和Hg等）的濃度也比底灰要高[6]，并且含有微量有機(jī)污染物（dioxin、呋喃等），因其所含的細(xì)顆粒較多，使之持水量高，易凍脹又難壓實(shí)[5]。因此，在目前，不含爐排間掉落灰和鍋爐灰的底灰被認(rèn)為是最有利用價(jià)值的部分。

　　2 國外灰渣的資源化利用情況

　　MWC灰渣的資源化利用在美國、日本和歐洲已有幾十年的歷史了。為了合理地處置日益增加的焚燒灰渣，減輕填埋場場地緊張的壓力或省去昂貴的填埋費(fèi)用，或?yàn)榱私鉀Q本國天然骨料短缺的問題，很多國家在幾十年前就開始從資源利用和環(huán)境影響兩方面考慮，研究灰渣資源化利用的可行性，力求在經(jīng)濟(jì)成本與環(huán)境要求中找到最佳平衡點(diǎn)，為灰渣提供既能減少處理處置費(fèi)用，又不至于對(duì)環(huán)境造成不利影響且又技術(shù)可行的管理策略。

　　目前在歐洲一些國家（如英國、德國、法國、荷蘭、和丹麥等）和加拿大，以及日本大部分的生活垃圾焚燒廠，其底灰和飛灰都是分別收集、處理和處置的，我國也要求分別收集；而在美國，底灰和飛灰是混合收集、處理和處置的[4]，因此被稱作混合灰渣。

　　底灰是目前灰渣資源化利用的主要考慮對(duì)象，但也有一些例外。如在荷蘭，有小部分飛灰被用作瀝青的細(xì)骨料[5]；在美國，混合灰渣也被考慮資源化利用。目前國際上灰渣的資源化利用途徑主要有：①石油瀝青路面的替代骨料；② 水泥/混凝土的替代骨料；③ 填埋場覆蓋材料；④路堤、路基等的填充材料等。如果考慮其利用位置，主要是被用作陸地水泥基及瀝青基工程（如道路、停車場等）和海洋建筑工程（如人工暗礁、護(hù)岸等）。國外MWC灰渣資源化利用的情況見表1。

　　3 灰渣的資源化利用用途及其環(huán)境影響

　　3. 1 石油瀝青鋪裝路面的替代骨料

　　MWC底灰或混合灰渣，經(jīng)篩分、磁選等方式去除其中的黑色及有色金屬并獲得適宜的粒徑后，可與其它骨料相混合，用作石油瀝青鋪面的混合物。這在美國、日本及歐洲一些國家均有使用。

　　從70年代至80年代初，美國聯(lián)邦公路管理局（FHWA）分別在休斯敦、華盛頓和費(fèi)城等地，成功地完成了至少六項(xiàng)的含混合灰渣（來自物質(zhì)焚燒爐，Mass Burn facilities）的瀝青鋪裝示范工程[11]，這些灰渣被分別用于道路的粘結(jié)層、耐磨層/表層和基層。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灰渣用于粘結(jié)層或基層時(shí)，灰渣最佳含量不宜超過20%；用于表層時(shí)，不宜超過15%。為避免灰渣會(huì)對(duì)瀝青產(chǎn)生較高且不均勻的吸附，其熱灼減率（LOI）不能大于10%。并且，示范工程的測(cè)試結(jié)果表明，只要處置得當(dāng)，灰渣瀝青利用并不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。

　　通過對(duì)底灰-瀝青混合物滲濾液9年的跟蹤測(cè)試[12]，研究者發(fā)現(xiàn)即使用保守的方法估計(jì)（當(dāng)重金屬濃度低于檢測(cè)限時(shí)，以檢測(cè)限值作為該重金屬的浸出濃度），底灰中Pb、Cd、Zn和其它成分的9年累計(jì)釋放量也仍然是很低的。研究者們也對(duì)某種用于瀝青中的商品化灰渣骨料（Boiler Aggregate TM，美國工程材料公司制造，由去除黑色及有色金屬后的底灰制成）利用的預(yù)期生命周期及其對(duì)人類健康和環(huán)境的影響等進(jìn)行了綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[13]。評(píng)價(jià)結(jié)果認(rèn)為：只要采用適當(dāng)?shù)墓芾砑夹g(shù)，該骨料瀝青利用的所有健康風(fēng)險(xiǎn)均低于美國環(huán)保局認(rèn)為的可接受風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)值；骨料中最有可能造成潛在危害的元素為Pb，但其危害程度也低于實(shí)施中的健康標(biāo)準(zhǔn)；該骨料的瀝青利用不會(huì)對(duì)人類和環(huán)境造成不可接受的影響。

　　3. 2 水泥混凝土的替代骨料

　　在美國和荷蘭，底灰（或混合灰渣）被用作混凝土中的部分替代骨料。最常見的是將底灰、水、水泥及其它骨料按一定比例制成混凝土磚，這在美國已有商業(yè)化應(yīng)用。1985年起，美國Stony Brook大學(xué)海洋科學(xué)研究中心廢物管理所（WMI）開始評(píng)估穩(wěn)定后MWC灰渣的各種海洋和陸地利用的可行性[14]。他們?cè)贚ong  Island  Sound海底，用穩(wěn)定后焚燒灰渣制成的水泥磚建成了兩座人工暗礁。在6年實(shí)驗(yàn)時(shí)間里，研究表明并無有機(jī)或無機(jī)的有毒有害成分從焚燒灰渣水泥磚中滲出到環(huán)境中去。然后，他們進(jìn)行了一系列的研究，評(píng)價(jià)MWC灰渣作為建筑用水泥替代骨料的可行性。結(jié)果他們用幾個(gè)能源回收廠的焚燒灰渣制成了符合或超過美國材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM）的水泥磚，證明了灰渣建材利用的技術(shù)可行性。此外，WMI還做了一個(gè)用灰渣磚建造船庫的示范工程[14]，在這個(gè)項(xiàng)目里，他們將350噸MWC灰渣（100噸混合灰渣，250噸底灰）與硅酸鹽水泥混合，用傳統(tǒng)制磚工藝將其制成標(biāo)準(zhǔn)空心磚，然后用此磚建成27米長、18米寬、7米高的船庫。在建成后的30個(gè)月中，研究者周期性地收集船庫里的空氣樣品進(jìn)行測(cè)定（TSP、顆粒態(tài)和氣態(tài)PCDD/PCDF、揮發(fā)和半揮發(fā)有機(jī)物及揮發(fā)性Hg等）并與周圍大氣樣品做比較分析，與船庫圍墻接觸的雨水樣品及船庫建成前后的土壤樣品也被采集用以分析其中的微量元素。結(jié)果表明：船庫內(nèi)的空氣質(zhì)量與周圍大氣相同；灰渣中的環(huán)境相關(guān)污染物能被有效地截留于水泥基質(zhì)中；工程測(cè)試還表明該灰渣磚與標(biāo)準(zhǔn)混凝土磚的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)。

　　3. 3 填埋場覆蓋材料

　　混合灰渣用作填埋場覆蓋材料是美國目前用的最多的資源化利用方式[10]。

　　由于填埋場地自身的有利衛(wèi)生條件：含環(huán)境保護(hù)設(shè)施如防滲層及滲濾液回收系統(tǒng)等，灰渣因重金屬浸出而對(duì)人類健康和環(huán)境的不利影響可以得到很好的控制；灰渣若用作填埋場覆蓋材料，可不必進(jìn)行篩選、磁選、粒徑分配等預(yù)處理工藝。因此在經(jīng)濟(jì)上、環(huán)境上和技術(shù)上，灰渣用作填埋場覆蓋材料均是一種非常好的選擇。

　　通過對(duì)專用混合灰渣填埋場滲濾液的分析[15]表明，滲濾液中的重金屬濃度均低于毒性浸出測(cè)試（TCLP）最大允許濃度，灰渣樣品中的2,  3, 7,  8-TCDD毒性當(dāng)量低于美國疾病控制中心（CDC）推薦的居住區(qū)土壤限值（1ppb），且土樣中的dioxin濃度也低于此限值（1ppb），土樣中重金屬濃度不超過背景值。但需引起注意的是，灰渣填埋場滲濾液中的溶解鹽濃度較高，常高出飲用水標(biāo)準(zhǔn)值幾個(gè)數(shù)量級(jí)以上。因此，在將底灰用作填埋場覆蓋材料（因?yàn)榈谆抑械娜芙恹}含量較低，而飛灰則高出許多）時(shí)，需監(jiān)測(cè)其滲濾液中的溶解鹽情況。

　　灰渣運(yùn)輸、裝載、卸載和覆蓋時(shí)，易產(chǎn)生飄塵。因此研究者也對(duì)其做了分析測(cè)試和評(píng)估。他們認(rèn)為，灰渣在運(yùn)輸、處理、貯存、裝載和卸載過程中產(chǎn)生的飄塵不會(huì)危害操作工人的健康[16]。

　　3. 4 路基、路堤等的建筑填料

　　由于目前填埋庫容的緊張、重新選址的困難和填埋費(fèi)用的昂貴，以及天然骨料缺乏的壓力，底灰用作停車場、道路等的建筑填料，成為歐洲目前灰渣資源化利用的主要途徑之一，在美國也有一些示范工程應(yīng)用。底灰的穩(wěn)定性好，密度低，其物理和工程性質(zhì)與輕質(zhì)的天然骨料相似，并且焚燒灰渣容易進(jìn)行粒徑分配，易制成商業(yè)化應(yīng)用的產(chǎn)品，因此使之成為一種適宜的建筑填料。歐洲多年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，這種灰渣資源化利用方式是成功的[5]。

　　3. 5 飛灰的資源化利用

　　上述幾種灰渣資源化利用方式基本上是針對(duì)底灰或是混合灰渣的。飛灰一般經(jīng)穩(wěn)定化處理后，送至填埋場填埋。但目前也有一些飛灰利用的嘗試。如在荷蘭，處理后ESP飛灰被用作瀝青的細(xì)填料；已有大約50000噸的APC飛灰在中試規(guī)模的試驗(yàn)中，被用于采礦業(yè)，用作礦坑填料和密封材料[5]。飛灰利用后可能造成的環(huán)境影響，尚有待進(jìn)一步研究與證實(shí)。

　　4 灰渣利用的規(guī)定及相應(yīng)的處理措施

　　灰渣的資源化利用已被證實(shí)是可行的，但由于灰渣中也含有一些有毒有害的污染物，如重金屬（主要來自生活垃圾。通過焚燒，家庭垃圾中33%的Pb、92%的Cd和45%的Sb遷移至飛灰中[17]）、dioxin、呋喃等，直接利用可能會(huì)對(duì)人類健康和環(huán)境造成不利影響；并且未經(jīng)處理的灰渣不一定能滿足建筑材料所規(guī)定的技術(shù)要求，因此，灰渣在利用前，需進(jìn)行預(yù)處理，有時(shí)還需進(jìn)行固化/穩(wěn)定化處理（主要為飛灰），滿足一定要求后方可利用。表2  表5列出了國外灰渣資源化利用前需滿足的部分環(huán)境和技術(shù)要求。

　　目前的灰渣預(yù)處理技術(shù)主要有：篩選（調(diào)整粒徑范圍），磁選（去除黑色金屬，主要為鐵），渦流分選（去除有色金屬），老化/風(fēng)化一至三個(gè)月[18]（降低溶解鹽浸出濃度，改善其物理化學(xué)性質(zhì)）。處理技術(shù)有：提取/回收，玻璃化、熔融等熱處理法，固化/穩(wěn)定化（水泥固化、瀝青固化、石灰穩(wěn)定、化學(xué)藥劑穩(wěn)定法等）和蒸發(fā)結(jié)晶（去除Hg）等[5，19]。

　　除對(duì)灰渣進(jìn)行處理以改善其利用可能外，對(duì)其利用的環(huán)境條件也有所限制。如丹麥，灰渣用于鋪裝路面或廣場時(shí)，就要求利用地距離飲用水源大于20米以上并高于最高地下水位，灰渣層最大平均厚度不超過1米，最大厚度不得超過2米。
此外，通過改進(jìn)焚燒設(shè)施，優(yōu)化焚燒控制條件，提高完全燃燒條件，也可降低底灰中的有機(jī)污染物的含量，并提高有害元素在焚燒爐不同物流中的分離程度；通過將飛灰、底灰分類收集和爐排渣與爐排間掉落灰分開收集以回收利用爐排渣等方式，也可有利于灰渣的資源化利用。

　　目前國際上灰渣的資源化利用途徑主要有：① 石油瀝青路面的替代骨料；② 水泥/混凝土的替代骨料；③ 填埋場覆蓋材料；④路堤、路基等的填充材料等。已有的研究和工程實(shí)踐表明，灰渣的資源化利用是可行的，并且只要管理得當(dāng)，可以做到不對(duì)環(huán)境造成危害。當(dāng)然，灰渣在資源化利用前，需滿足一定的環(huán)境要求和技術(shù)要求。底灰經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)行資源化利用，飛灰經(jīng)穩(wěn)定化處理后填埋，是目前比較適合我國經(jīng)濟(jì)條件與環(huán)境要求的灰渣管理策略。 

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　　作者簡介：

　　章驊（1978–），女，浙江桐廬人，碩士研究生，研究方向——固體廢物處理與資源化利用。

　　通訊作者：何品晶（同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所，上海四平路1239號(hào)    200092）

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