生活垃圾焚燒飛灰穩定化處理新工藝的研究
摘要：在生活垃圾焚燒處置過程中，會產生一定量的飛灰，飛灰中含有危害環境的有害元素，根據國家有關規定，必須按危險廢物處置。文章介紹了傳統的水泥穩定化處理飛灰的工藝及應用射流技術穩定化處理飛灰的新工藝;對磷酸鹽固化劑的固化機理及配比進行了分析;并對新老工藝的成本進行了比較。
關鍵詞:城市生活垃圾,焚燒,飛灰穩定化,磷酸鹽,射流技術
1 引言
城市發展和人民群眾生活水平的不斷提高，使得城市生活垃圾大量地產生，以上海市為例，200年每天的城市生活垃圾量已超過1.6萬t，且以每年5%的速度增長。如何合理、有效的處置好生活垃圾，已成為人們普遍關注的環境和社會問題。垃圾焚燒處置可幫助我們達到生活垃圾減量化、無害化、資源化處理的目標。在生活垃圾焚燒處置過程中，會產生一定量的固體廢物—爐渣、飛灰。其中飛灰是生活垃圾焚燒后對所產生的煙氣進行凈化過程中的產生物，含有污染環境的有害組分，因此，國家《生活垃圾焚燒污染控制標準》和《危險廢物污染防治技術政策》中明確規定，生活垃圾焚燒產生的飛灰，需按危險廢物進行管理和處置。
飛灰內含的可溶性重金屬在暫存或填埋過程中會溶入降水、地下水、地表水、滲瀝液中，因此，有可能污染水體環境。按照《危險廢物鑒別標準-浸出毒性》(5086.3-1996)中規定的方法，對上海御橋生活垃圾熱能電廠的飛灰進行測定，飛灰樣本中的重金屬鉛(Pb)均超過鑒別標準值(> 3 mg/L)）1）。
飛灰進行安全填埋前，必須要經過穩定化處理或固化處理，達標后，方能進行填埋。穩定化/固化(S/S)方法是處理危險廢物的重要手段。化學藥劑穩定化處理是化學藥劑通過化學反應，使有毒有害組分轉變為低溶解性、低遷移性及低毒性組分的過程，同時也可使廢物少增容或不增容。本文介紹了傳統的水泥穩定化處理飛灰的工藝及應用射流技術穩定化處理飛灰的新工藝;對磷酸鹽固化劑的固化機理及配比進行了分析;并對新老工藝的成本進行了比較。
2 飛灰處理工藝
2.1傳統的水泥穩定化處理工藝
上海御橋生活垃圾熱能電廠和上海江橋生活垃圾熱能電廠的飛灰，采用干法收集的方法，由飛灰專用運輸車。運送至上海固體廢物處理中心進行安全填埋。一般采用水泥固化的方法，對飛灰中重金屬等有害物固化、穩定，然后進行填埋。具體的作業過程如下:飛灰由焚燒廠用專用罐車送至處置廠灰庫，添加適量的水泥或藥劑，進攪拌機加水予以攪拌，然后用輸送設備送至填埋坑攤平、壓實進行填埋見圖1。
圖1 飛灰進行安全處置工藝示意 |
該工藝作業過程主要是將飛灰與固化劑或藥劑按一定比例充分攪拌，以穩定飛灰中的有害物。
2.2 應用射流技術穩定化處理飛灰的新工藝
新的飛灰穩定化處置工藝，將焚燒廠飛灰裝人飛灰槽罐車后，直接運輸至填埋坑，用車載空氣壓縮機產生壓縮空氣，通過管道將飛灰送人專門設計的混合器，混合器的另一人口連接藥劑液管道，化學藥劑由液壓泵提供一定的壓力，灰、液經混合器噴射而出，利用兩者速度差，產生吸附作用，以達到充分混合目的，混合料直接進人填埋坑，然后進行攤平、壓實作業見圖2
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圖2 飛灰安全處置新工藝示意  |
新工藝應用射流技術。通常大射流一般是無固壁約束的自由湍流。這種湍流射流通過邊界上活躍的湍流混合將周圍流體卷吸進來，不斷擴大并流向下游。據此，在新工藝中設計了一種全新的用于液、灰混合的噴射器。
新飛灰穩定化處置工藝的實施過程，需解決以下關鍵的技術問題:(1)灰、液比及其調節措施;(2)均勻性問題;(3)揚塵的控制。
由于進填埋坑的飛灰需要控制一定的含水量，一方面，是防止揚塵需要，另一方面，是要控制滲瀝液出現，還要考慮使藥劑與飛灰充分混合、反應。經試驗，藥劑量確定為飛灰量的35%左右。在有條件的情況下，采用自動跟蹤、調節藥劑量是較為理想的措施。經試驗，采用“灰、液差速、兩相交叉”原理設計混合噴射器。飛灰通過輸料管進人噴射器，噴射器中心裝有輸液管道，管道底部連接一特殊噴頭，飛灰在通過灰管出口時，因管徑的變化降低了速度，被高速噴出液流所產生負壓吸引，產生混合效應，同時由于對灰、液的兩者流向設計了一定的相交，由呈霧狀的液體包裹了飛灰，以達到充分混合及控制揚灰的效果。
3 磷酸鹽固化劑的固化機理及其配比
穩定化/固化工藝穩定的重金屬元素為Pb。飛灰中的Pb存在狀態以可溶性PbC03和Pb(OH)2及PbCl2為主，難溶性Pb以Pb,PbO,PbSi03,PbSO4,PbS狀態存在。
為促進飛灰中的重金屬溶解，筆者采集的全部飛灰樣品中Pb的浸出液pH值均大于12。難溶態Pb可與OH反應生成溶解性的絡離子。
3.1 用磷酸鹽固化飛灰的機理[1]
通過硫化物和磷酸鹽類化學藥劑的試驗，本研究選用磷酸鹽穩定化處理飛灰。磷酸鹽類化學藥劑一般用來固化被污染土壤中的化學污染組分(Chemical Fixation)和焚燒殘渣、礦冶廢物、含重金屬廢物與混合廢物。重金屬Pb,Cd,Zn,Cu的磷酸鹽溶解度比其他鹽都要低很多。
飛灰中的Pb與磷酸鹽的反應機理為:
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其生成物的溶解性可參考磷酸鉛礦的資料報道[2]， 見表1。
表1 磷酸鹽的溶解度 |
磷酸鹽穩定化處理可用液態或固態的化學試劑，液態磷酸鹽處理速度快，固態磷酸鹽可緩慢釋放磷酸根，并可長久地提供磷酸根。液態包括磷酸和可溶性磷酸鹽的水溶液。固態包括天然磷酸鹽礦石和鈣磷灰石。
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3.2 磷酸鹽的配比實驗
2005年2月-3月，筆者先使用不同劑量的NaS9H2O或Na3PO4對飛灰進行了穩定化處理，然后測試Pb浸出濃度。通過試驗，決定采用2種配比量的Pb3(PO4)2，對飛灰樣本進行穩定化試驗。2005年4月-7月，共處理了12批飛灰試樣，結果見表2。
表2 測試結果（2） |
由表2可見，穩定化處理后樣本的浸出毒性測試結果配比C要優于配比B。對照《危險廢物填埋污染控制標準》規定“危險廢物入場填埋控制限值Pb<5mg/l,;配比C超標樣本1個，配比B超標樣本2個。
1)浸出液Pb含量采用雙硫粽分光光度法;2) K為飛灰穩定化處理前Pb浸出濃度,B,C分別為采用Na3PO4的B配比、C配比對飛灰進行Na3PO4穩定化處理后的Pb浸出濃度。
3.3 現場應用
現場試驗的樣本，送上海市環境監測中心檢測，重金屬浸出毒性降低效果明顯，且其結果隨藥劑量變化呈正相關變化見表3。
表3 檢測結果1) （mg/L) |
由于《危險廢物填埋污染控制標準》要求穩定化處理達標后，方能進人填埋作業。按慣例從穩定化處理作業起至分析測試數據出現至少要3d時間。在進行現場處理、隔日攤鋪填埋保證質量的前提，必須配備持續的飛灰穩定化處理試驗研究。根據不同時間、不同季節的生活垃圾飛灰重金屬組分變化情況提出相應的磷酸鹽配比量。此外，現場穩定化處理和安全管理相結合的處置工藝僅限于生活垃圾飛灰處理。
4 新老工藝的成本比較
新工藝采用了由飛灰運輸車直接將飛灰卸人填埋坑的方法，簡化了傳統工藝中多個必須的工藝環節，減少了設備、設施的投人，降低了運行成本，新工藝與傳統工藝在同樣達到穩定化要求情況下，其成本對比見表4
傳統工藝在實際運轉過程中，由于工序相對繁多，機械設施也多，相應的各類故障等影響正常生產的因數相對較多，而新工藝簡化了工藝環節，具有技術上、經濟上的優勢。本技術已被常熟市生活垃圾焚燒發電廠配套的飛灰安全填埋場試用。
表4 2種工藝成本比較(倍數比) |
5 結論
新工藝以磷酸鹽穩定化處理飛灰，使飛灰內含的重金屬組分顯示超常的穩定性和水不溶性，清除了重金屬重新溶出對環境的危害。新工藝的技術系統簡單，運行成本低，相對于水泥固化技術Pb的溶出率小、穩定性好。新工藝的應用，將大大降低焚燒飛灰對環境的污染。
參考文獻
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