生活垃圾焚烧飞灰处理措施研究
文章导读
生活垃圾焚烧处理时产生的飞灰因含有有害成分而被归属为危险废物，目前针对飞灰主要的处理方式为“稳定化固化+生活垃圾填埋场填埋”，但根据政策导向，焚烧飞灰后续很难再“入土为安”。飞灰处理已成为城市生活垃圾处理亟待解决的问题。
本文通过飞灰处理的传统技术及资源化利用技术进行讲解，分析现有飞灰处置技术体系中面临的问题与不足，为研究、开发符合环境安全及普适性的飞灰处理技术提供参考。
2022年10月12日，住建部发布《2021年城乡建设统计年鉴》和《2021年城市建设统计年鉴》，根据统计2021年生活垃圾焚烧厂583座，日处理能力719533吨。
生活垃圾焚烧处理时会产生飞灰，相较于应用最广的两种生活垃圾焚烧炉型，炉排炉焚烧工艺的飞灰产生率（3%~5%）远小于流化床焚烧工艺的飞灰产生率（15%~20%）。但即便是按照炉排炉焚烧工艺的飞灰产生率中值4%计算，按2021年焚烧能力统计数据，全国飞灰日产生量28781吨，全国飞灰年产量约1000万吨。飞灰处理已逐渐成为城市生活垃圾处理亟待解决的问题。
为应对飞灰处置问题，2020年7月，国家发展改革委、住房城乡建设部、生态环境部发布关于《城镇生活垃圾分类和处理设施补短板强弱项实施方案》，明确要求：建设垃圾焚烧设施应同步明确飞灰处置途径，跨区域布局建设飞灰协同处置设施。
2020年8月，生态环境部首次发布《生活垃圾焚烧飞灰污染控制技术规范（试行）》，规定了生活垃圾焚烧飞灰收集、贮存、运输、处理和处置过程的污染控制技术要求。
2022年1月，国务院发布《国务院关于支持贵州在新时代西部大开发上闯新路的意见》，要求深入打好污染防治攻坚战，实施生活垃圾焚烧发电和飞灰利用处置示范工程。
2022年10月，浙江省生态环境厅印发《浙江省危险废物“趋零填埋”三年攻坚行动方案》，通知要求以焚烧灰渣、废盐资源化为突破口，打通危险废物减量化、资源化通道。2024年底前，形成满足实际需求的焚烧灰渣、废盐等大宗危险废物资源化利用能力，到2025年，全省危险废物填埋比控制在5%以内。
1飞灰的产生及危害
生活垃圾焚烧飞灰主要来源为反应塔底部收集的脱酸反应生成物、烟气中粗烟尘的混合物，以及由布袋除尘器捕集的烟气中的灰尘。
生活垃圾焚烧飞灰的有害成分主要体现在Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni等重金属、可溶盐、以及二噁英和呋喃等有机物。由于含有毒性物质，《国家危险废物名录》修订时明确“生活垃圾焚烧飞灰”属于危险废物，危废类别为HW18。
2飞灰处理的传统技术
1. 飞灰进入生活垃圾填埋场的历程
2008年以前，由于当时生活垃圾焚烧厂数量少，飞灰除少数地区开展水泥窑协同处置外，飞灰的合法处置方式只有送危险废物填埋场进行填埋处置。但是，随着生活垃圾焚烧行业的发展，飞灰产生量逐渐增大，而危险废物填埋能力相对有限，飞灰进入危险废物填埋场处置从经济和技术上均不可持续。
为破解焚烧飞灰处置的困境，2008年以来，环保部先后修订了《生活垃圾填埋场污染控制标准》《生活垃圾焚烧污染控制标准》，针对飞灰进入生活垃圾填埋场处置在含水率、二噁英含量、重金属浓度等方面提出了入场要求。2016年，环保部修订《国家危险废物名录》，在名录豁免管理清单中允许飞灰在满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》规定的条件下，进入生活垃圾填埋场处置。
2008年版《国家危险废物名录》中将飞灰列入危废名录，但并未对生活垃圾焚烧飞灰提出豁免管理，2016年版《国家危险废物名录》新增了对生活垃圾焚烧飞灰提出了豁免管理要求，包括豁免环节、豁免条件和豁免内容等。但豁免清单仅豁免了危险废物特定环节的部分管理要求，并没有豁免其危险废物的属性和危险废物管理的其他程序。
2016年以前，规定要求水泥生产企业、垃圾填埋场接收飞灰填埋时需具备危废处理处置相关许可证，从而影响了飞灰的无害化处置。《名录》实施后，生活垃圾填埋场不再需要申请经营许可证就可接受飞灰填埋，从而促进了飞灰填埋场的建设。
2. 国际飞灰处理的传统技术
目前我国飞灰处理的主要方式是“稳定化固化+生活垃圾填埋场填埋”的方式处理。其中稳定化固化多在生活垃圾焚烧厂完成，填埋时需进入填埋场独立分区。这种处理方式以无害化为目的，固化稳定化重金属，利用防渗手段，隔绝重金属与二噁英与外界的联系。
这也是国际上多数发达国家采用的主要处理路径。其中美国、加拿大、瑞典、法国、意大利、日本、英国等发达国家均采用此类技术，以无害化处理为目标，对飞灰进行固化稳定化，然后进入独立库区、废旧矿井填埋（贮存）。
中国环保网盘点总结了当前世界上几大发达国家对飞灰的处理处置方法：
综上，利用螯合剂可固化飞灰中的重金属，飞灰降低至重金属浸出标准后垃圾填埋场可进行分区填埋，以减少重金属的浸出风险，该方法是目前国内外应用最广泛的飞灰处置技术。
3. 飞灰填埋存在的问题
2016年环保部组织开展了全国垃圾焚烧行业环境保护专项执法检查，由各省级环保部门逐一对所有在用垃圾焚烧厂和在建垃圾焚烧项目进行现场检查，并将飞灰处置作为检查内容之一。经检查发现，飞灰填埋主要存在的问题如下：
1）入场重金属超标；预处理企业为节约成本，药剂、螯合剂掺加比例少，造成重金属析出。
2）未经固化与生活垃圾混合填埋；运营单位意识不强，出现了飞灰与生活垃圾混合填埋现象。
3）未严格执行分区填埋；生活垃圾填埋场无独立分区空间，未采取有效的分区措施。
4）未采取日覆盖、雨污分流等措施，造成飞灰填埋场积存渗滤液。
5）选址不当，地下水位高，外界压力突破人工防渗衬层，造成飞灰填埋场积水。
4. 近几年飞灰填埋相关政策要求
2020年7月，发改委等三部委发布关于印发《城镇生活垃圾分类和处理设施补短板强弱项实施方案》通知，其中要求如下：
跨区域布局建设飞灰协同处置设施，其它地区可在省域内统筹规划建设飞灰处置设施。
合理规划建设生活垃圾填埋场，原则上地级以上城市以及具备焚烧处理能力的县（市、区），不再新建原生生活垃圾填埋场。
2020年8月，生态环境部实施《生活垃圾焚烧飞灰污染控制技术规范（试行）》（HJ 1134-2020），其中对于飞灰填埋处置有如下要求：
未经处理的飞灰采用密封包装后，可进入满足 GB 18598 要求的新标准刚性危险废物填埋场填埋。
飞灰处理产物满足 GB 18598 关于重金属浸出液浓度、PH值、含水率、水溶性盐、有机质等入场要求的，可进入柔性危险废物填埋场填埋。
飞灰处理产物满足 GB 16889 关于重金属浸出液浓度、含水率、二噁英等入场要求的，可进入生活垃圾填埋场分区填埋。
综上，《生活垃圾焚烧飞灰污染控制技术规范（试行）》虽然指出了焚烧飞灰填埋3个去处：新标准刚性填埋场、柔性危废填埋场、生活垃圾填埋场独立分区。
但新标准刚性填埋场处理成本（1200~2200元/吨）百倍于生活垃圾填埋场（50~100元/吨），新标准柔性危废填埋场处理成本（200~300元/吨）数倍于生活垃圾填埋场。而且按2020年实施的《危废填埋污染控制标准》要求，柔性危废填埋场已经很难选到合适的场址。考虑到经济因素，焚烧飞灰似乎只有一个去处，生活垃圾填埋场独立分区。
但是《城镇生活垃圾分类和处理设施补短板强弱项实施方案》通知限制了生活垃圾填埋场的建设，“原则上地级以上城市以及具备焚烧处理能力的县（市、区），不再新建原生生活垃圾填埋场。”
根据政策导向，焚烧飞灰很难再“入土为安”。
3飞灰处理的资源化利用方式
1. 飞灰资源化利用技术
飞灰资源化利用方式一般是进行建材使用，或者利用预处理工艺提取金属成分。目前国内进行资源化利用的工艺有水泥窑协同、低温热分解、高温烧结、高温熔融、酸洗利用、飞灰机械化学处置工艺等。
各工艺处理方式及存在的问题如下：
水泥窑协同处置飞灰：由于国内生活垃圾焚烧飞灰氯含量较高，水泥窑协同处置飞灰首先需进行除氯，入窑前须预处理将飞灰氯含量降至1%以下，因此飞灰进水泥窑前需先进行水洗。
经水洗后的湿灰，含水率通常在30%左右。湿灰在库存过程中易板结，运转时需要对板结成大块的飞灰再进行破碎。另外，协同处置飞灰的水泥产品，重金属含量远高于普通水泥，应用在外界建筑材料时，有重金属析出的风险。
低温热分解：将飞灰在缺氧或无氧气氛下，通过低于500℃的低温热分解反应，将有机污染物从飞灰基质挥发，如对二噁英脱除效率可达 99%。但热脱附可能引起二噁英再合成，且仅能作为飞灰处置的预处理。
飞灰烧结处置：指将飞灰或其处理产物与其他硅铝质组分、助熔剂进行混合后，通过高温使其部分熔融，冷却后形成烧结体产物的过程。
利用低于熔融的温度（900-1000℃），提供飞灰的扩散能量，将大部分甚至全部气孔填充，变成致密坚硬的烧结体并符合各种材料性能要求。经过烧结后，烧结体内致密的颗粒将重金属包围降低飞灰重金属浸出毒性，飞灰的堆积密度也提高，从而降低飞灰填埋费用。烧结能耗低于熔融，但一般效果也低于熔融。
飞灰熔融处置：指将飞灰或其处理产物与其他硅铝质组分、助熔剂进行混合后，通过高温使其完全熔融， 再经过水淬等急冷处理，形成致密玻璃体产物的过程。
飞灰熔融处置利用高温（＞1400℃）来降解飞灰中有机污染物，将重金属稳定于致密的陶瓷及玻璃结构体中。飞灰熔融后仅密度增加就可减容70%以上，且生成的玻璃体能满足危险废弃物毒性浸出标准，从而实现减容、减毒以及资源化利用。
但飞灰熔融能耗大、成本高。另外飞灰熔融时，低熔点盐和重金属会挥发进入烟气形成盐雾，最终对烟气进行冷凝净化捕集生成二次飞灰，对环境造成二次污染风险。
酸洗利用：利用酸溶液去除飞灰中可溶盐、重金属等，酸洗后灰浆制成水泥块体，相对飞灰直接制备的水泥块体具有较高的抗压强度。
通过利用不同pH的硝酸对垃圾焚烧飞灰重金属进行浸出发现，pH越低对Cr、Cu、Pb和Zn元素的浸出率越高。重金属浸出率随酸灰比增加而增加，不同酸对重金属的浸出效果差异也很大，无机酸效果优于有机酸。酸洗利用一般属于预处理手段，成本较高。
飞灰机械化学处置工艺：通过引入机械能量使受力飞灰的理化性及结构发生变化，具有重金属固化和二噁英降解的潜力。
机械化学法处理过程处于完全封闭的反应器中，因此处理过程不会产生如常规热处理技术存在的二噁英再合成问题。机械化学法降低重金属浸出浓度原理为机械化学法处置激活了飞灰颗粒，使其内部晶体的反应活性和重金属浸出浓度降低。但机械化学法主要是科研研究以及中试，目前暂未见相关工程应用报道。
2. 飞灰资源化利用存在的问题
飞灰资源化利用工程主要存在于经济发达的城市，除水泥窑协同处置外，其他工艺实际应用案例较少，主要原因如下：
1）资源化利用成本高
以资源化利用为处理工艺的飞灰处置价格普遍在2000元/吨上下。
其中，衢州市区生活垃圾焚烧飞灰处置服务采购项目飞灰处理费用1750元/吨，嘉善县生活垃圾焚烧飞灰外运处置项目飞灰处理费用2200元/吨，上海市政府定价的经营服务性收费目录清单（2021版）中飞灰处理费用1860元/吨，而采用传统的“稳定化固化+填埋”工艺，实际单价一般在100~300元。
2）终端产品销路问题
由于重金属不能破坏分解，因此如不能提取利用，飞灰中的重金属都将转移到产品中，影响下游企业应用的积极性。
以日本的生态水泥为例，用垃圾焚烧炉飞灰为原料制造出来的生态水泥，在2001-2006年有五家生态水泥厂相继投产，最大产能85万吨/年，但由于销路不畅，大部分都已停产。
3）污染处置难题
垃圾焚烧飞灰中富集了焚烧烟气中的重金属、二噁英等污染物，且具有高氯的特点，成为其处理处置的难题。建材利用存在重金属与二噁英造成环境污染的风险；高氯易导致设备易腐蚀；且氯回收难度大，处理成本高。
4结论
目前飞灰处置技术体系仍存在自身不足，符合环境安全且具有普遍适用性的飞灰处理技术仍需进一步研究和开发。
1. 生活垃圾焚烧飞灰的有害成分主要体现在Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni等重金属、可溶盐、以及二噁英和呋喃等有机物。二噁英和呋喃等有机物可以通过高温等方式处理，但重金属只能通过提取利用的方式才能减量。只有能够回收重金属，才能真正使得飞灰无害化。否则作为建材应用到室外环境，长期处在湿润的环境中，甚至有些地区酸雨的影响，都增加了重金属析出的风险。
2. 目前资源化利用技术处理飞灰的单价在2000元/吨左右，基本上采用的是财政补贴的方式，按照炉排炉焚烧工艺的飞灰产生率中值4%计算，相当于每吨垃圾焚烧处理费用增加80元，因此，资源化利用技术的研发应考虑经济性，否则只能应用于东部发达城市。
3. 如土地资源不匮乏，利用螯合剂固化飞灰中重金属，降低至重金属浸出标准后进行贮存处理，等待成熟经济的资源化利用技术，未尝不是明智之举。
4. 加强飞灰监督管理，既要对飞灰填埋运营方式加强监督管理，又要对资源化利用技术高处理成本带来的非法倾倒、非法处置利用进行监管。
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