（环境工程专业论文）垃圾焚烧飞灰重金属浸出特性及稳定化研究.pdf

山东农业大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济的发展，城市生活垃圾的产生量越来越多。焚烧处理是解决日益增长 的生活垃圾的有效方法，但是焚烧过程中产生的飞灰含有大量的重金属等污染物，这将 会带来严重的二次污染等问题。本文较为系统地分析了泰安市垃圾焚烧飞灰中c u 、p b 、 z n 、c d 、c r 、n i 六种金属的浸出毒性及浸出行为变化规律，并设计了单独试验和联合 试验分析了化学药剂对飞灰中重金属的稳定效果，主要结果如下： ( 1 ) 泰安市生活垃圾焚烧飞灰中p b 、c d 的浸出毒性超标，表明该飞灰为危险固体 废物，需要采取一定的方法稳定或固化其中的重金属，降低其浸出毒性，才能进入危险 废物填埋场。 ( 2 ) 飞灰中重金属的浸出受浸出液初始p h 值、液固比、浸出时间等因素影响。一 般而言，重金属随酸性的增大，其浸出浓度呈现增大的趋势；随着浸出时间的增大，飞 灰中各重金属的浸出浓度总体均呈现增大的趋势。p b 、z n 、c r 、c d 、n i 随液固比的增 加，浸出量呈上升趋势，而c u 的浸出规律不明显。 ( 3 ) 不同化学稳定药剂对飞灰中p b 的稳定效果为e d t a 二钠 n a h 2 p 0 4 n a 2 s ； 对飞灰中c d 的稳定效果为e d t a 二钠 n a 2 s n a h 2 p 0 4 。随着添加量的增加，飞灰中 每种重金属的浸出浓度都呈减小的趋势。 ( 4 ) 当药剂投加比例为0 4 时，三种化学稳定试剂( n a 2 s 、n a h 2 p 0 4 和e d t a 二 钠) 的投加比例为1 ：1 ：l 时对飞灰中p b 和c d 的稳定效果最好。但考虑到成本和二次处 理的问题，综合比较来看，n a 2 s 、e d t a 二钠和n a h 2 p 0 4 的投加比例为1 ：1 ：4 时最为理 想。 关键词：城市生活垃圾；飞灰；重金属；危险废物；稳定化 垃圾焚烧飞灰重金属浸出特性及稳定化研究 r e s e a r c ho nl e a c h i n gp r o p e r t i e sa n ds t a b i l i z a t i o no fs o l i dw a s t e s i n c i n e r a t i o nf l ya s h sh e a v ym e t a l l i uy u a n p e n g d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n g y u - j u n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f0 1 1 1 n a t i o n a l se c o n o m y ，t h ea m o u n to fm u n i c i p a lr e f u s ei s i n c r e a s i n g i n c i n e r a t i o ni sai n c r e a s i n g l ye f f e c t i v em e t h o do fg a r b a g e ，b u tt h eb u r n i n gp r o c e s s o ff l ya s hc o n t a i n sal o to fh e a v ym e t a lp o l l u t a n t ss u c ha st h i sw i l lb r i n gs e r i o u sa n d s e c o n d a r yp o l l u t i o np r o b l e m s t h et h e s i ss t u d i e sp o l l u t i o np r o p e r t i e so fs i xh e a v ym e t a l sc u ， p b ，z nc d ，c r ，n ii nt a i a nm s wf l ya s h ，w h i c hi n c l u d ed i s t r i b u t i o n ，l e a c h i n g t o x i c i t ya n d e f f e c tf a c t o r s t h es t u d i e sd e s i g ns e p a r a t ea n dc o m b i n e de x p e r i m e n t ，t h a ta n a l y s i st h ee f f e c to f h e a v ym e t a l sc h e m i c a ls t a b i l i t yi nf l ya s h t h r o u g ht h es t u d y ，as e r i e so fv a l u a b l er e s u l t sa r eo b t a i n e da sf o l l o w ： ( 1 ) i nt a l a n sw s wi n c i n e r a t i o nf l ya s h ，t h ep b 、c d sl e a c h i n gt o x i c i t ye x c e e dt h e s t a n d a r d ，i ts h o wt h a tt h ef l ya s hi sh a z a r d o u ss o l i dw a s t e ，w es h o u l da d o p tc e r t a i nm e t h o d st o s t a b i l i z eo rs o l i d i f i c a t i o nt h eh e a v ym e t a l ，r e d u c et h el e a c h i n gt o x i c i t y ，t h e nl e ti te n t e rt h e h a z a r d o u sw a s t el a n d f i l l ( 2 ) t h el e a c h i n gp r o p e r t i e sa r ei n f l u e n c e db yp hv a l u e ，l i q u i d s o l i dr a t i o ，l e a c h i n gt i m e g e n e r a l l y , w i t ht h ei n c r e a s i n go fa c i d i t y , t h el e a c h i n gc o n c e n t r a t i o n o fh e a v ym e t a l si n c r e a s e s ； w i t ht h ei n c r e a s eo fl e a c h i n gt i m e ，l e a c h i n gc o n c e n t r a t i o no fh e a v ym e t a l si nf l ya s ha r e i n c r e a s i n g ；w i t ht h ei n c r e a s i n go fl i q u i d s o l i dr a t i o ，t h el e a c h i n gc o n t e n to fp b ，z n ，c r , c d , n i s h o wa s c e n d i n gt r e n d ，w h i l et h ec u sl e a c h i n gr u l ei sn o tc l e a r ( 3 ) t h es t a b i l i z a t i o ne f f e c to fp bi nd i f f e r e n tc h e m i c a ls t a b i l i t ya g e n ti se d t a 一2n a n a h 2 p 0 4 n a 2 s ；t h ec d ss t a b i l i z a t i o ne f f e c ti se d t a - 2n a n a 2 s n a h 2 p 0 4 w i mt h e i n c r e a s eo fa g e n t sa d d i t i o n ，t h el e a r c h i n gc o n c e n t r a t i o no fp ba n dc da l ls h o w st h et r e n do f d e c r e a s i n g ( 4 ) t h es t a b i l i z a t i o ne f f e c to fp ba n dc di sb e s t ，w h e nt h ed o s i n gr a d i oi so 4 a n d 2 山东农业人学硕士学位论文 t h e r er e a g e n t sa d d i n gp r o p o r t i o ni sl ：1 ：1 b u tc o n s i d e r i n gt h ec o s ta n dt h et w op r o c e s s i n g p r o b l e m s ，c o m p a r e dc o m p r e h e n s i v e l y , w h e n1 ：1 ：4 ( n a 2 s ：e d t a - 2n a ：n a h 2 p 0 4 ) a r em o s t i d e a l k e yw o r d s ：m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) ；f l ya s h ；h e a v ym e n t a l ；h 钇a r d o u sw a s t e ； s t a b i l i t y 英文缩略表 垃圾焚烧飞灰重金属浸 特性及稳定化研究 1 引言 城市生活垃圾是指在城市日常生活及活动中产生的固体废物，主要包括居民生活垃 圾、建筑垃圾和商业垃圾等，根据城市生活垃圾回收利用价值的不同，其又可分为“厨 余 、“灰分”、“可回收物质成分”、“其他”等组分( 张国英等，2 0 0 3 ) 。随着国民经济 的发展，城市化进程的加快和人民消费水平的提高，我国城市垃圾的产量急剧增加，且 增长势头不减。 我国城市生活垃圾的无害化程度较低，大量未经处理或经简单处理的生活垃圾围绕 在城市四周，使城市陷入到了生活垃圾的包围之中，对城市周围的大气及水环境等均造 成了严重的破坏和污染，给城市及其周边居民的身体健康带来了极大地危害。因此，安 全而又合理的处理生活垃圾显得十分重要。 近年来，垃圾焚烧发电技术在我国发展较快，它大大缓解了生活垃圾对城市造成的 压力，但垃圾焚烧也会产生一定的问题，比如它对环境造成的二次污染，垃圾在焚烧过 程不仅会产生二氧化硫、氮氧化物、烟尘等常规污染物，还会产生酸性气体( h c l 、h f ) 、 二恶英( t e q ) 和重金属等有毒有害污染物质( 吴云波等，2 0 0 9 ) ，对环境造成严重的破坏， 特别是二恶英和重金属，目前越来越受到人们的关注。 当垃圾进行焚烧处理时，其所含的重金属则会发生迁移和转化，一般富集于直径小 于11 t u t i 的灰渣颗粒中( c h a n gmbe ta l ，2 0 0 0 ；c h i m e n o sjm e ta l ，1 9 9 9 ) 。灰渣包含 炉渣和飞灰两部分，其中，飞灰约占灰渣总量的2 0 左右，重金属主要富集于于飞灰中 ( s a b b a ste ta l ，2 0 0 3 ) 。飞灰中的重金属如果未经处理，在环境中遇水会大量浸出，从 而污染土壤、水体和大气环境，对生态环境和人体健康造成严重的危害。 1 1 城市生活垃圾现状及处理技术 1 1 1 城市生活垃圾现状 前面提到，随着生活节奏的加快，我国城市生活垃圾的产生量也在逐年增加，同时， 其构成也发生了很大变化，主要表现为灰渣成分减少，有机物和可燃物增多，可利用价 值增大。由于各地区经济发展不平衡，使得我国城市垃圾的构成有十分明显的区别。大 城市的生活垃圾中有机物成分比中小城市要高，同一城市，不同地区的垃圾成分也有所 不同，高级住宅区垃圾中可回收废物( 塑料、纸类、金属、织物和玻璃) 的含量明显高 于普通住宅区，与发达国家城市垃圾成分相近。下面将从城市生活垃圾的产生、其产生 4 山东农业大学硕上学位论文 的影响因素和其危害三个方面对城市生活垃圾做下简要介绍： ( 1 ) 城市生活垃圾的产生 城市生活垃圾主要包括居民生活垃圾、城市道路清洁垃圾、单位垃圾和商业垃圾等。 具体可分为以下几种： 居民生活垃圾：是指居民在生活活动中，于居住场所产生的垃圾。其产生场所主 要包括家庭、干部修养所、社会福利养老院、收容院、康复中心( 医院除外) 、老年人 公寓、残疾儿童托儿所等非盈利性社会福利活动场所。 清扫、清洁垃圾：是指城市道路、桥梁、隧道、广场、公园及其它开放性露天公 共场所产生的垃圾。清扫垃圾的产生场所主要包括城市园林活动场所、公园、动植物园、 各街区公共绿地及露天场所。 商业活动垃圾：是指城市中各种类型商业企业及城市中其它待业经办的商业性或 专业性服务网点所产生的垃圾。商业垃圾的产生场所包括各种商店、酒店、宾馆及其它 从事商业经营活动的场所。 工业单位垃圾：城市中各种类型工业企业在非生产过程中产生的垃圾。 事业单位垃圾：城市中各级政府行政部门、社会团体、金融保险、科研设计、学 校、外地派驻机构以及广播、电视等事业单位产生的垃圾。 公共、交通垃圾：城市公共交通、客货运输、交通场点以及邮政、通讯等行业停 放交通工具、中转运输和维修管理车辆场所产生的垃圾。 ( 2 ) 城市生活垃圾产生量的影响因素 城市生活垃圾的产生量与国民经济发展水平、城市人口数量、居民生活水平以及居 民燃料结构等因素有关，各个因素的影响具体如下： 国民经济发展水平。国民经济发展水平的高低对城市生活垃圾产生量的影响巨 大。相对来说，经济越发达的地区，城市生活垃圾的总产量越大，城市居民生活中产生 的包装材料、废纸、废塑料和厨余等废物也越多，但当经济发展到一定程度时，垃圾产 量的增长幅度会放缓，并逐渐趋于稳定。 城市人口数量。从历史的发展可以看出，城市生活垃圾的总产生量的增长几乎与 人口的增长率成正比关系，在经济水平一定的情况下，城市人口数量越多，其产生的生 活垃圾的量越大，因此，城市人口数量是影响城市生活垃圾总量的主要原因。 居民生活水平。研究表明，城市生活垃圾的产生量与其居民生活水平面有一定的 关系。经济发达地区，居民生活水平较高，其家具、电器等生活用品的更新加快，生活 e 一 垃圾焚烧飞灰重金属浸f i j 特性及稳定化研究 垃圾的产量也会随之增大。 居民燃料结构。居民取暖所用的燃料对城市生活垃圾产量有一定影响，例如，我 国北方一些地区冬季通常使用燃煤取暖，民用燃煤往往并未再生利用而成为垃圾，因此 北方燃煤地区冬季的产量比北方燃气地区或南方地区要高许多。但随着经济的发展，我 国大部分地区城市均采取集中供暖的方式，这有效的减少了煤渣等废物的产生。 ( 3 ) 城市生活垃圾的危害 城市生活垃圾的与日俱增给我们的生活带了巨大压力，其危害不容忽视，归纳起来 主要有以下四个方面： 侵占大量土地。目前，中国生活垃圾的年产生量近2 亿吨，而处理垃圾主要是采 用填埋法，并且是简单填埋，很少采取压实手段及更为合理的卫生填埋。全国有近三分 之二的城市都处在垃圾的包围之中，垃圾围城的窘境越演越烈，近几年很多城市都上演 了垃圾无处可去的困境。以北京为例，随着经济发展，北京已迈入国际特大城市行列， 人口激增，接踵而来的就是垃圾量的激增，这些垃圾的临时堆存，占据了大量的土地。 污染土壤。垃圾的成分复杂，里面不可避免地含有各种重金属，有毒有害有机物， 由于垃圾管理的不到位，还可能出现有害的工业废弃物倒往垃圾填埋场，这些都成为污 染土壤的源头。 污染水体。垃圾在堆放过程中，有许多有机物不断分解，会产生大量的酸性和碱 性污染物，这些污染物通过垃圾渗滤液进入水体，影响周围的地表水，更严重的是一旦 渗滤液进入地下水，将会使污染大量向外扩散，造成大面积的污染。 污染大气。一走进垃圾填埋场，就会有一股异味直冲鼻孔，有大量的沼气、氨气、 硫化物等污染物进入大气。填埋区域附近大量蚊蝇滋生，鼠患成灾，给不少填埋场附近 的居民在生活上带来诸多不便。 1 1 2 城市生活垃圾主要处理方法 目前，国内外应用较多的城市生活垃圾处理技术主要有填埋、堆肥、焚烧和热解技 术等，具体介绍如下： ( 1 ) 填埋技术 城市生活垃圾的填埋可分简单填埋和卫生填埋两种。 简单填埋的特点是将垃圾倒入具有一定地型特征的填埋场中，此方法处理量大，方 便易行，但填埋场占用大量的土地资源，垃圾渗滤液污染地下水及地表水，有害气体严 重污染空气，垃圾场随时有爆炸的危险。不发达国家和发展中国家由于经济落后，大多 山东农业大学硕士学位论文 采用简单填埋法，垃圾渗滤液会对地下和地表水造成严重的二次污染。 卫生填埋又称卫生土地填埋，它与简单易填埋的根本区别主要在于卫生填埋过程中 采取了底、侧层防渗与废气回收处理，覆盖压实作业等措施，从而避免了采用的简易填 埋方式所产生的二次污染，它的实质是对垃圾进行填埋处理，在处理过程中通过各种工 程、技术、操作工艺手段防止对地下水、大气等环境因子造成影响( 栾智慧等，2 0 0 4 ) 。 发达国家垃圾填埋多采用卫生填埋。 在国外，垃圾卫生填埋技术的应用兴起较早。许多被封场后的填埋场址还被用作公 园、娱乐场所、自然保护区、植物园、作物种植、甚至商用设施用地( b r a d s h a n l a d ， 1 9 9 0 ) ，这在国外许多城市已有了许多成功的例子( b r a d s h a n lad ，1 9 9 0 ；b e l e v ih ，1 9 8 9 ) 。 早在1 8 6 3 年，巴黎就将一座废弃的石灰石场和垃圾填埋场改造成比特蒙公园( 张 庆费等，2 0 0 4 ) 。随着草坪热的升温，德国、荷兰等环保型国家已有在垃圾填埋场建植 草坪的报道( 杜天庆等，2 0 0 3 ) 。 我国目前的卫生填埋实际还比较少，广泛应用的仍然是简单填埋。 城市生活垃圾在填埋处理过程中，填埋场的绿化工作非常重要。城市生活垃圾填埋 场是可供植物生长的良好有机肥源，植物的生长既起到了固土保水、降低垃圾土容量、 改善土质的作用，又提高了土壤对植物的供水、供肥能力，改善了生态环境。 城市生活垃圾填埋场在绿化过程中，植物的选择是个重点。中国环境科学研究院的 高吉喜、沈英娃等和青岛市科学研究所的郭婉如等以山东青岛市湖岛垃圾填埋场为试验 基地，通过对青岛市垃圾填埋场植树造林问题的实地研究，对1 8 种木本植物中对城市 垃圾填埋场的耐性进行了筛选，提出枸杞、苦楝、紫穗槐、刺槐、白蜡树、女贞、金银 木、臭椿、正木、龙柏等木本和苜蓿、画眉草、牛筋草、知风草等草本植物对沼气的耐 性较强，适宜在填埋场种植，迎春和连翘不适宜在填埋场种植( 舒俭民等，1 9 9 5 ；郭宛 如等，1 9 9 4 ) 。上海市废弃物处置公司( 周乃杰等，1 9 9 8 ) 对上海老港垃圾填埋场建立 的植被生态系统调研，发现植物如枸杞、苜蓿、画眉草在垃圾填埋场生长良好。嫩江公 园自1 9 9 4 年开始封场绿化，栽植2 6 个品种，成活2 3 个品种6 7 株，铺植6 0 0 0 m 2 。经 调查，认为接骨木是齐齐哈尔比较适合的绿化树种( 冷丽丽，2 0 0 2 ) 研究表明，许多绿化植物对垃圾填埋场的重金属污染有良好的修复效果。夏汉平在 油页岩矿渣土的试验( 夏汉平等，2 0 0 0 ) 中证实了香根草在矿山治理上作用的同时，还 深入研究了香根草不同器官对z n 、c u 、p b 、c d 等金属的吸收特性，他们发现香根草对 垃圾填埋场渗滤液有较强的耐性，对其中n 、p 、c 1 的吸收率较高，对渗滤液污染的土 垃圾焚烧飞灰重金属浸h ；特性及稳定化研究 壤和污水有较好的净化修复能力( 夏汉平，2 0 0 0 ) 。 ( 2 ) 焚烧技术 焚烧是一种对城市垃圾进行高温热化学处理的技术，将垃圾作为固体燃料送入炉膛 内燃烧，在8 0 0 1 0 0 0 。c 的高温条件下，垃圾中的可燃组分与空气中的氧进行剧烈的化学 反应，释放出热量并转化为高温的燃烧气和少量性质稳定的固定残渣。当足量够的热值 时，垃圾能靠自身的能量维持自燃，而不用提供辅助燃料。垃圾燃烧产生的高温燃烧气 可作为热能回收利用，性质稳定的残渣可直接填埋处置。经过焚烧处理，垃圾中的细菌、 病毒能被彻底消灭，各种恶臭气体得到高温分解，烟气中的有害气体经过处理达标后排 放。 垃圾焚烧作为垃圾处理资源化、减量化和无害化的有效方式，其技术源于1 8 世纪 末，真正意义上的大规模生活垃圾焚烧技术的发展则始于二战后。焚烧与其它处理方法 相比，有以下优点： 消毒彻底。生活垃圾中的细菌、病菌等病原体经焚烧处理后被彻底消灭，燃烧后 产生的有害气体和烟尘经处理后能达到排放要求，无害化程度高，尤其是对可燃性致癌 物质、病毒性污染物、剧毒性有机物等几乎是唯一有效的处理方法。 减容效果好。垃圾经焚烧后，一般可减容8 0 - - 9 0 ，减重也能达到7 0 以上。 有利于城市垃圾的资源化。在焚烧过程中会产生高温烟气，其热能可进行余热发 电或供热。 卫生条件好，占地面积小，选址灵活，不受气候影响。焚烧厂占地面积小，可以 在靠近市区的土方建厂，既可节约用地又可缩短垃圾的运输距离，对于经济发达的城市， 尤为重要。 在各种生活垃圾处理方式中，焚烧处理因具有占地面积小、可最大程度的实现减量 化、无害化、资源化等优点，已成为垃圾处理主要手段之一( 王华，2 0 0 2 ；黄本生等， 2 0 0 3 ：章弊等，2 0 0 2 ) 。 近年来，城市生活垃圾的焚烧法处理发展迅速，特别是在欧美和日本获得迅速发展， 法国、德国、日本等国已将垃圾焚烧发电作为开发新能源的一种途径。目前，日本已有 8 0 以上的垃圾采用焚烧法处理，垃圾焚烧厂达1 0 0 0 多座，瑞士，丹麦和法国的垃圾 焚烧率也分别达到了9 0 、7 8 和5 0 ，新加坡甚至达到1 0 0 。目前，垃圾焚烧技术 在我国发展很快，特别是在城市化进程块、经济较为发达、人均可利用土地资源少的大 城市以及沿海地区。 。 r 山东农业大学硕士学位论文 焚烧法处理垃圾的优势明显，其不足之处是一次性投资大，日处理在1 0 0 0 吨的焚 烧厂，大约需要8 亿人民币左右，这对于并不富裕的中国大部分地区，还是一个难以承 受的数字。还有焚烧后的二次污染也不容忽视，焚烧垃圾飞灰中含有大量的有毒有害物 质( 李爱玲，2 0 0 3 ) ，比如重金属和二恶英。 研究表明，焚烧飞灰中的重金属大多分布于飞灰颗粒表面( 宋珍霞等，2 0 0 9 ；万晓 等，2 0 0 5 ；张若冰等，2 0 0 3 ) ，如重金属c d 、p b 、s b 、z n 、a s 等易挥发元素大多富集 于小粒径的飞灰上( 王学涛等，2 0 0 5 ) ，重金属h g 则分布在粒径较大的飞灰上( x a v i e r q u e r oe ta 1 ，1 9 9 5 ；王里奥等，2 0 0 9 ) ，重金属c r 的分布则较其它重金属范围更广( w e y m ye ta l ，1 9 9 8 ) ；其它微量金属如f e 、t i 、r b 、m n 等在焚烧过程中不容易挥发，故大 多存在于飞灰颗粒内部的稳定矿物相中( m a n n i n e nhe ta l ，1 9 9 6 ) 。 ( 3 ) 堆肥技术 堆肥技术是使垃圾中的有机质在微生物的作用下进行生物化学反应，最后形成类似 腐殖质土壤的物质，可作肥料或土壤改良剂( h a mrk e ta 1 ，1 9 9 0 ) 。堆肥法是一种比较 古老的垃圾处置措施由于各国工业化发展程度不同，所有采用的堆肥工艺也有差异 堆肥包括好氧发酵和厌氧发酵两种方式。厌氧堆肥的特点：处理工艺简单，成品 中能较多地保存氮；堆肥周期过长，占地面积大，有臭味，卫生条件差，有些物质不 易腐烂，一些病菌不宜被杀死。好氧堆肥的特点：好氧条件下，物料分解比较彻底， 卫生条件好，大部分病菌可杀死；堆肥周期短，效率高，处理过程一般为中温一高温 中温。 好氧堆肥方法在发展中国家受到欢迎尽管堆肥工艺技术在我国有了一定发展，好氧 堆肥作为城市生活垃圾资源化无害化处理的有效途径之一，形成堆肥产品富含腐殖质和 n p k 等营养元素，既是土壤改良剂，也是优质肥料( 杨延梅等，2 0 0 6 ；b a r r i n g t o ns e ta l ， 2 0 0 2 ) 。但是在堆肥过程中普遍存在氮素损失的现象，氮素损失形式主要有氨的持续性 挥发和硝态氮的反硝化，其中氨气挥发要明显大于硝态氮反硝化( 贺琪等，2 0 0 5 ) 。氨 气是一种有剧烈刺激性气味的臭气，它的挥发，不仅污染环境，而且降低堆肥产品品质 和农用价值( 徐灵等，2 0 0 8 ；单德鑫等，2 0 0 7 ) 。因此，堆肥过程中氨气的挥发规律及 如何控制氨气的挥发，是堆肥研究热点( r a v i vm e ta 1 ，2 0 0 2 ；逯延军等，2 0 0 8 ；林小 风等，2 0 0 5 ；赵秋等，2 0 0 7 ) 。 ( 4 ) 热解技术 热解是物料在氧气不足的气氛中燃烧，并由此产生的热作用而引起的化学分解过 垃圾焚烧飞灰重金属浸i q ；特性及稳定化研究 程，热解技术也称为热分解技术或裂解技术。热解技术作为一种传统的工业化作业，大 量用于木材、煤炭、原油、油母页岩等燃料的加工处理，但对于城市固体废物进行热解 技术研究，是直到2 0 世纪6 0 年代才开始引起关注和重视，到了7 0 年代初期，固体废 物的热解处理才达到实际应用。固体以废物经过此种处理除可得到便于贮存和运输的燃 料及化学产品外，在高温条件下所得到的炭渣还会与物料中某些无机物与金属成分构成 硬而脆的惰性固态产物，使其后续的填埋处置作业可以更为安全和便利。 1 1 3 城市生活垃圾焚烧处理技术 近年来，随着国民经济的发展，焚烧法处理生活垃圾在我国已经受到越来越多的重 视，各大经济比较发达的城市大多都己建成了垃圾焚烧发电厂，在处理了生活垃圾的同 时，产出了一定的电力能源，一些二级城市有不少也已经建设了垃圾焚烧发电厂。 目前，我国的垃圾焚烧发电行业正在逐步摆脱对国外技术的依赖，在吸收、消化了 多年国外引进技术的情况下，正逐步实现垃圾焚烧发电技术和设备的国产化。 因采用的焚烧炉的不同，对生活垃圾的焚烧方式也不同。我国采用的生活垃圾焚烧 技术中，主要有四种焚烧炉，分别为机械炉排焚烧炉、热解气化焚烧炉、流化床式焚烧 炉和回转窑式焚烧炉。 ( 1 ) 机械炉排焚烧炉 机械炉排焚烧炉主要是由往复运动的机械炉排炉和多流路水墙式锅炉构成。一般情 况下，锅炉都是直接设置于炉排的上方或连接在周围绕着耐火砖壁可铸性耐火材的炉排 的后方，如果锅炉直接设置在炉排的上方，则锅炉管通常情况下是采用耐火料保护，或 在炉体四周炉壁设置耐火砖保护。 机械炉排焚烧炉的特点是垃圾进厂后，除大件垃圾必须先经破碎处理外，其余垃圾 并不需要经过机械式的分类程序及粉碎等前处理，即可倒入垃圾贮坑中，以垃圾吊车抓 取投入进料斗，经滑槽由垃圾推入器推入焚烧炉内燃烧。 垃圾经由推入器推送至倾斜之炉排上，由炉排的运动将垃圾往前推送，同时将垃圾 层松化及均化，在这一过程中，受炉内之高温辐射热及高温空气的冲刷加热，使垃圾得 以干燥，并经历着火、燃烧及后燃烧各阶段，达到完全燃烧。目前应用中的机械炉排型 式有多种，炉床设计大多属于设备厂商的专利，有移动式、往复式、逆往复式和滚动式 等多种形式。 机械炉排焚烧炉最早用于生活垃圾的焚烧处理，因此其运行经验多，技术较成熟、 运行稳定。炉排是处于高温状态下的运动部件，机构复杂较容易损坏，而焚烧炉内的温 1 0 山东农业人学硕士学位论文 度很不均匀，二恶英生成的可能性较高，且投资亦高。 ( 2 ) 热解气化焚烧炉 热解气化焚烧炉的炉体为卧式布置，炉体分成两个燃烧室，两个燃烧室相连，一燃 室在下方，二燃室在上方。一燃室上方为简形，下方为梯级式，砼基座上设垃圾推进器 和进风管，上半部和两端为钢板焊制，内衬耐火材料。二燃室为圆筒形，钢板焊制，内 衬耐火材料，在一燃室烟气与二燃室的连接处设点火器，顶部设置鼓风机。 垃圾由装料吊车抓斗送进料斗，由推料活塞经密封门进入一燃室内，由推进器缓慢 推进，通过控制空气的进气量，使垃圾在一燃室内经过烘干、热分解及燃烬过程，灰渣 和不能热分解的物质由自动清灰系统排出炉外。烘干、热分解及燃烬过程中产生的大量 可燃气体进入二燃室。可燃气体在二燃室内燃烧，温度1 0 0 0 * c ，停留时间2 秒。充 分燃烧后的高温烟气，经过渡烟道进入水管式余热锅炉产生蒸汽。在控制空气量的条件 下垃圾中的有机物能全部热分解成烃类可燃气体，可燃气体在二燃室内得到充分燃烧。 由于二燃室温度高，烟气比较干净。 热解气化法作为比较新的垃圾焚烧技术，其炉型仍在发展中。据资料介绍，目前已 有一种竖向布置的炉型，垃圾自顶部进入炉内，在通道中还将垃圾切碎有利于热解气化， 其焚烧效率更高。 ( 3 ) 流化床焚烧炉 流化床焚烧炉炉体通常为竖向布置，没有运动炉体和炉排，而是在炉底设置了布风 板，通过布风板送入流化空气使炉内床料均匀流化。在流化床焚烧炉中，固体废物从流 化床上部或侧部与流化载体呈一定比例送人炉内，然后发生激烈的翻腾和不断的循环流 动，期间，垃圾很快被干燥，因其在炉内处于悬浮燃烧，与空气能够充分接触，所以燃 烧较为充分，垃圾燃烧后排出炉体的未燃份保持在3 以下。燃烧后残余的灰渣通过炉 底排渣装置排出炉体冷却后，由分选设备将粗渣、细砂送到厂外。 为了使进入流化床焚烧炉内的垃圾产生流态化，要求固体废物的粒度和密度差异较 小，而当固体废物为半流体状态且黏度较高时( 如污泥、厨余等) ，难以实现供料均匀， 对设备的运转有一定的影响，因而流化床焚烧炉对垃圾的预处理要求较为严格，因此， 预处理技术对于流化床焚烧炉较为重要。日本开发了一款对垃圾预处理要求较低的新型 流化床焚烧炉，它采用曲折炉壁和炉底配合，在炉内流化区形成双回旋气流，提高近壁 面流化强度而趋于均匀，卷吸轻质飞扬物。这种流化床焚烧炉的炉底在对称中心两侧各 设3 组风室，配高、中、低3 种风压成塔形分布，形成回旋气流。 垃圾焚烧飞灰莺金属浸f ；特性及稳定化研究 总体来说，流化床焚烧炉具有如下特点： 操作方便，运行稳定。垃圾经破碎混合后，质地相对较为均匀。并且流化床的床 料蓄热量大，可以避免床温的忽高忽低，保证床层温度的均一性，燃烧稳定、容易控制。 燃料与空气有良好的接触，燃料在炉内停留时间长，燃烧完全，比固定床燃烧效率高。 垃圾的干燥、着火、燃烧与后燃烧几乎同时进行，无需复杂的控制，易于实现自 动化，可在很短的时间内完成启动和停止，实现连续燃烧。 煤的处理比较简单，只需简单破碎，能耗较低。床层中积聚了大量的惰性热物料， 具有很高的传热传质能力，新加入的燃料可以很快与热物料掺混加热燃烧，因此对高灰 份、低挥发分的”难燃”燃料，同样可以实现稳定高效的燃烧。 炉膛面积燃烧强度和容积燃烧强度都较高。流化床范围内温度均匀，有利于燃料 燃尽和污染控制，并且燃烧后的灰渣可以用作建材或水泥掺和料。 燃料适应性广，可以燃烧高水分、低发热量、高灰分垃圾。我国的生活垃圾有机 物含量低、水分含量高，特别适合我国的国情。 虽然流化床燃烧技术有以上诸多优点，但又存在以下不足： 埋管受热面的磨损严重，影响运行的可靠性。 燃料中的细颗粒夹带出炉膛，不能完全燃烧，降低了燃烧效率。 炉膛断面热负荷强度不高，床面尺寸大，( 比固定床炉排炉还是高很多) 。 由于流化速度变化范围小，使得负荷适应性较差。 ( 4 ) 回转窑式焚烧炉 回转型焚烧炉由水泥工业的耐火砖衬里旋转煅烧窑设计衍生而来，它可以直接处理 生活垃圾。整个炉床由钢制园筒内部加装防火衬里组成，或由冷却水管及有孔钢板焊接 成的筒形组成。回转型焚烧炉的炉床向下方倾斜，分为干燥混合、燃烧及后燃烧三个部 分，并由前后两端特殊轮子支撑，特殊轮子则由四个滚轮支持，由链轮驱动装置转动轮 子而旋转炉床。 回转窑焚烧炉通常包括废弃物接纳贮存、进料、炉体、废热回收和二次污染控制等 部分。窑身为一维倾斜布置、低速回转的圆筒，垃圾从高端送人，在筒内翻转燃烧，直 至燃烬从下端排出。回转窑式焚烧炉有水冷壁式和耐火砖衬式2 种。其中，前者有水冷 壁沿回转筒周向排列以吸收焚烧后放出的热量，降低简体温度。筒体下部设置风室，空 气由水冷管间进入穿过底部料层，混合较均匀。耐火砖衬式回转窑焚烧炉的筒内壁用耐 火砖衬里，蓄热量大，燃烧温度高，但其空气由筒体一端送人，筒中心空气过剩，筒底 1 2 山东农业大学硕士学位论文 部得不到应有的空气，同时因其简体重、惯性大、转速低，因而垃圾的翻动和搅拌不充 分，燃烧速度和效果不如水冷管式。 垃圾由倾斜且缓慢旋转的旋转窑前端上方送入焚烧炉，藉旋转速度控制垃圾的前进 速度，使垃圾在窑内往前输送过程中完成干燥、焚烧及燃烬、冷却等过程，冷却后的灰 烬则由炉窑末端下方排出。设计应用于垃圾焚烧处理的窑，其长度与直径比为4 ：1 1 ：1 。 另一种不同的旋转窑流程设计，是先利用一倾斜阶段式炉床将垃圾干燥及初步燃烧处理 后，再进入旋转窑中进行充分燃烧及灰烬冷却。 回转窑的特点是燃料适应性广，可焚烧不同性能的废弃物，并能长时间连续运行。 但是回转窑在对发热量较低、含水率高的垃圾进行焚烧时存在一定的问题。并且，回转 窑的处理量并不是很大，设备的封闭性要求高，成本高，价格昂贵，回转窑的经济性也 不被看好，其主要应用在焚烧医疗垃圾或者焚烧危险废弃物。 综上所述，目前国内最有发展前景的城市生活垃圾焚烧炉为流化床焚烧炉。特别是 我国的垃圾发热量普遍偏低，要实现生活垃圾的高效稳定燃烧，流化床焚烧技术无疑是 最佳选择，而且由于流化床焚烧炉自身的优越性，并不需要很多的预处理设备，因此， 从长远来看，流化床焚烧炉在我国的发展前景广阔。 1 2 垃圾焚烧飞灰重金属 1 2 1 垃圾焚烧飞灰的产生和性质 城市生活垃圾在焚烧过程中会产生大量的烟气、未完全燃尽的有机组分和灰渣等物 质。焚烧灰渣由炉渣和飞灰构成，主要包括不可燃的无机物以及少量没有燃尽的有机物。 飞灰是指在烟气净化系统中收集而得的残余物，占焚烧灰渣总量的1 0 2 0 左右， 但其中重金属的含量却占据了灰渣总量的8 0 左右。飞灰包括烟灰、加入的化学药剂及 化学反应产物，其物理和化学性质随焚烧厂烟气净化系统的类型不同而有所变化，主要 成分以钠盐、钾盐、磷酸盐、重金属居多。 目前，国内外对生活垃圾焚烧飞灰的物理、化学和工程性质做了大量的研究，研究 显示，飞灰中的元素组成主要是以氧化物形式存在，原因是由于焚烧过程中焚烧炉内的 强氧化环境所致，并且，飞灰中溶解盐的含量很高，有毒有害重金属的浓度也较高，而 且含有微量有机污染物( 二恶英、吠喃等) ，如果处理不当则会对环境造成危害。 与发达国家相比，我国城市生活垃圾分类收集的水平较低，垃圾成分较为复杂，同 时，由于焚烧处理工艺和尾气净化处理系统的不同，造成我国飞灰的性质与国外有一定 1 3 垃圾焚烧飞灰蕈金属浸_ 特性及稳定化研究 的差异，且国内不同地区的飞灰性质也有所不同，这种情况有待进行进一步系统的研究。 1 2 2 飞灰中重金属的来源及分布特性 在我国，由于多数城市生活垃圾并未经过妥善的分拣处理，因而垃圾中常混有许多 含有重金属的物质，如烧碱残渣、塑料染料、温度计、电子元件和电池等，这些物质经 焚烧后会释放出大量的重金属。 重金属不能被消除，只能迁移和转化，焚烧过程释放出的重金属，除以气态形式离 开的外( 如h g ) ，其余重金属均存在于底灰或飞灰中，组成颗粒基体或者吸附于飞灰表 面，因此飞灰中的重金属源于焚烧过程中生活垃圾中所含的重金属及其化合物的燃烧和 蒸发。例如，除了垃圾中混入的工业废物以外，汞主要来自于烧碱生产工艺的残渣、塑 料上的颜料、温度计、电子元件和电池；铅来源于颜料、塑料( 稳定剂) 和蓄电池及一 些化合物；锡来自于涂料、电池、稳定剂软化剂：锌主要来自于一些镀锌材料；铬主要 来自于不锈钢；镍则主要来自与不锈钢和镍福电池。 焚烧飞灰中重金属的主要来源和分布形态见表1 1 。 表1 1 飞灰中重金晨的来源和分布( 李航，2 0 0 7 ) t a b e l1 1s o u r c ea n dd i s t r i b u t i o no fh e a v ym e t a l si nf l ya s h e s 1 2 3 飞灰重金属的毒性和危害 重金属污染会对人体健康和自然环境造成很大的危害。重金属污染的最大特点是重 金属不能在环境中降解，只能迁移和转化。 重金属进入到环境中后，水体和土壤不能靠自身的净化作用将其消除。由于重金属 容易在生物体内聚积，因此，随着时间的推移，当重金属在生物体内积聚到一定的量以 后就会使生物体致畸或导致突变，最终会导致生物体死亡。同时，重金属还会通过食物 链进行层层的富集，因为人处于食物链的顶端，所以，当重金属进入到人体内的时候， 重金属的含量将会达到一个相当高的浓度，会对人体健康产生极大的危害。 当垃圾进行焚烧处理时，其所含的重金属则会发生迁移和转化，一般富集于直径小 于li 衄的灰渣颗粒中。灰渣包含炉渣和飞灰两部分，其中，飞灰约占灰渣总量的2 0 1 4 山东农业大学硕士学位论文 左右，重金属主要富集于于飞灰中。飞灰中重金属的种类很多，目前研究最多的主要有 铜、铅、锌、镉、铬、镍等( c h e njce ta l ，1 9 9 9 ：陈勇等，2 0 0 8r 丁世敏等，2 0 0 9 ； 南旭阳，2 0 0 9 ；g u oy u w e n ，2 0 0 6 ：z h a n gy a n g u o ，2 0 0 7 ) ，他们的毒性分别如下： 铜( c u ) ：金属铜的毒性很小，但铜的化合物可引起中毒。当人体内的铜超过人体需 要量的1 0 0 1 5 0 倍时可导致坏死性肝炎、溶血性贫血等症状。临床研究发现很多癌症患 者血清铜明显增多，血清铜兰蛋白增加。对用硫酸铜为杀虫剂喷洒葡萄的植园工人进行 详细抽样调查发现这些人普遍存在着肝损伤。而误服较大剂量的铜制剂会立即引起流 涎、恶心、呕吐、溶血、黄疽、肾功能衰竭和中枢神经系统抑制等中毒症状。 铅( p b ) ：接触铅的危险性比较接触其他重金属的危险性大，铅可以通过呼吸道和消 化道进入人体，长期接触浓度在5 0 m g l 以上的铅，便会中毒，中毒者有面色苍白、贫 血等症状。铅对全身各器官均有毒害作用，但以神经系统、血液和心血管系统为甚。慢 性中毒最常见的症状为贫血、腹绞痛和铅中毒性肝炎。在神经系统方面的症状为植物神 经衰弱和多发性神经炎。 锌( z n ) ：有实验表明体内高锌会导致血中高密度脂蛋白下降而促发动脉粥样硬化， 锌过高还利于癌肿的发生。工业锌中毒可使各种类型的癌肿发生率升高，长期低剂量或 短期大剂量暴露于锌中可致急、慢性锌中毒( 李耀彬等，1 9 9 9 ) 。 镍叫i ) ：镍的毒性虽然较小，但有积蓄作用且是致癌物质。镍极易在肾、脾、肝中 蓄积。经常接触镍盐，皮肤会产生湿疹及皮炎等症状。 铬( c r ) ：铬化合物中以六价铬毒性最强，三价铬次之，二价铬和铬本身的毒性很小。 铬化合物可通过消化道、呼吸道、皮肤和粘膜进入人体。经消化道进入人体可引起恶心、 呕吐、腹痛，也能引起溃疡病；经呼吸道进入人体时，首先侵害上呼吸道，引起鼻炎、咽 炎、支气管炎等。 由于飞灰中重金属种类很多，且多数含量较大，因此，对飞灰中重金属的固化、稳 定及无害化的研究就显得十分重要。 1 2 4 飞灰重金属浸出特性 生活垃圾经焚烧后，大量的重金属被富集到了飞灰中，当这些富含重金属的飞灰被 投放到环境中后，一旦与自然界中的各种液体( 如下渗的雨水、地表水、地下水或者矿 井废水) 接触，固相中的重金属成分将会溶解而进入液相，形成含有重金属与无机盐的 浸出液。这些含有毒性物质的浸出液进入生态系统后，会直接污染土壤和地下水。 随着垃圾焚烧技术在我国的迅速发展，垃圾焚烧飞灰产生量日益增加，其污染物的 垃圾焚烧飞灰重金属浸出特性及稳定化研究 处理和处置受到越来越多的关注，尤其是二恶英及飞灰中的重金属( c u 、p b 、z n 、c d 、 c r 、n i 等) 的浸出问题。 目前，我们对焚烧飞灰的浸出行为认识是从浸出的实验数据中获得的，不同形式的 浸出实验往往能反应浸出行为不同方面的结果，这主要是因为不同的浸出实验提供了不 同的浸取环境和条件，浸取液p h 值、浸取剂种类、液固比、浸取时间等的改变在很大 程度上影响了飞灰的浸出行为；此外，焚烧飞灰浸出行为与其组成、物相构成以及形态 特征等内在因素也息息相关。部分国家浸出毒性试验方法的比较见表1 2 。 表1 2 部分国家浸出毒性试验方法的比较 t a b l e l 2t h ec o m p a r i s o no fl e a c h i n gt o x i c i t yt e s tm e t h o da b o u ts o m ec o u n t r i e s 目前，大多数浸出实验均为实验室模拟实验，这些实验为焚烧飞灰的短期浸出提供 了定性和或半定性的信息。 1 3 飞灰中重金属的固化、稳定化研究 目前，国内外研究较多的飞灰无害化处置方法有化学药剂固化稳定法、高温处理法、 水泥固化法、提取处理法等。 1 3 1 化学药剂固化稳定法 化学稳定固化稳定处理是利用化学药剂把飞灰中的有毒有害的物质转变成低溶解 1 ； 山东农业大学硕士学位论文 性、低迁移性及低毒性物质的过程( 张瑞娜等，2 0 0 3 ) 。化学药剂处理分为有机药剂和 无机药剂，飞灰的化学药剂处理主要是处理飞灰中的重金属。 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p h 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( 罗宇等，2 0 0 4 ) 。这类技术目前在垃圾焚烧飞灰稳定化处理方面应用较少，是 一个发展方向。尤其是药剂稳定化与其它稳定化方法相比具有工艺简单、稳定效果好、 费用低廉等优点