摘要：垃圾焚燒飛灰是危險廢物，其資源化利用是環保產業的一項技術瓶頸。本文以實現垃圾焚燒飛灰的資源化為目的，通過理化性質檢測和浸出毒性試驗對飛灰進行分析。利用多功能粒徑及粒形分析儀、XRD、SEM、和XRF測定昆明某垃圾焚燒廠生活垃圾焚燒飛灰的理化性質，用ICPMS分析飛灰的浸出毒性。研究結果表明：飛灰粒徑分布集中在10～170μ，占比85.7%，50為62.55μ。飛灰的主要成分是SiO、CaO、Fe和Al，其中SiO和CaO占飛灰總質量的58.7%，Fe和Al占總質量17.9%。按照《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》(GB5085.3—2007)，飛灰浸出液中Pb、Zn、和Cd超標，浸出濃度分別是8.68mg/L、130.5mg/L、2.465mg/L。本研究為飛灰提出新的資源化利用方式提供數據支撐。

　　關鍵詞：環境工程學;垃圾焚燒飛灰;理化性質;浸出毒性

　　0引言

　　據《中國統計年鑒》可知，2018年我國生活垃圾清運量達22801.8萬[1]，焚燒量達10184.9萬[1]，產生飛灰約305.547～509.245萬。飛灰中含有重金屬及二噁英類等污染物[2,3]，被列為HW18類危險廢物。目前對飛灰的處置方式有固化穩定化、化學處理法、安全填埋法、資源化利用法這五大類[4]，由于場地限制和技術難點等原因，我國現仍以安全填埋為主[5]，飛灰的資源化利用主要是用作建筑材料[6]、微晶玻璃[4]、吸附材料[7，8]和類似保溫巖棉的保溫材料[9]。

　　其中建筑材料包含水泥、混凝土、磚材、陶粒、陶瓷和瀝青。飛灰中含與水泥原材料成分相似的SiO、CaO、Al和Fe，可用于生產水泥[10,11]，其成分特性同樣滿足制備陶粒陶瓷和混凝土的要求，胡超超等[12]研究以垃圾焚燒飛灰、電解錳渣和粉煤灰為主要原料混合燒制陶粒，CongZeng等[13]研究以飛灰和爐渣生產混凝土;基于飛灰中鈣、鋁、硅等氧化物在堿性環境中會再凝聚，許鵬等[14]研究以焚燒飛灰、燃煤飛灰及礦渣粉為主要原料，添加堿激發劑制備堿激發磚材;顏可珍等[15]基于飛灰粒徑小、比表面積大且含活性較大過渡元素的特性研究了其在瀝青膠漿中的應用;李保慶等[16]研究采用熔融法制備以飛灰和屏玻璃為主要原料的微晶玻璃;朱彧等[17]研究了飛灰為吸附材料去除硫化氫氣體。

　　易龍生等[18]研究以飛灰和粉煤灰為原料制備多孔保溫材料。飛灰處置已經成為環保行業的一個“卡脖子”技術[19]，現存的資源化利用方式存在一定弊端，探討新的資源化利用是現階段該領域的研究重點。而飛灰的理化性質直接影響其資源化，飛灰中重金屬也是研究有效利用方式的一個關鍵因素。2008年，何晶晶等[20]首次以柱浸出法研究垃圾飛灰及其產物的長期浸出特性。現通常以浸出液來衡量飛灰毒性程度[21]。

　　郭庶等[22]為規范飛灰資源化利用，從生物毒性角度研究其無害化處理后浸出液中危險成分最高容許質量濃度，而本文不僅探討浸出毒性，還從理化性質角度進行研究。為研究更經濟環保的飛灰資源化利用途徑提供數據支撐，本文利用多功能粒徑及粒形分析儀、射線粉末衍射儀(XRD)、場發射掃描電子顯微鏡(SEM)、射線熒光光譜儀(XRF)、電感耦合等離子體發射質譜儀(ICPMS)檢測昆明某垃圾焚燒廠飛灰的理化性質和浸出毒性，分析其在探索資源化利用方式過程中的具體作用。

　　1材料與方法

　　1.1試驗材料及來源

　　垃圾焚燒飛灰取自昆明某垃圾焚燒廠，該廠采用機械爐排爐，其處理能力350t/d，余熱鍋爐蒸汽參數為中溫中壓(4MPa，400℃)，焚燒爐基本參數見表，入爐垃圾成分見表。該廠采用“半干式活性炭吸附袋式除塵”煙氣凈化工藝。將正常運行時布袋除塵器中收集到的飛灰總樣充分混合均勻，采用圓錐四分法進行縮分處理，縮分后的總樣一份用于試驗檢測，一份留樣。

　　圓錐四分法是將樣品置于潔凈平整的臺面上，用樣品鏟將其堆成圓錐形，每鏟自圓錐頂尖均勻散落，反復轉堆至少三次，然后將圓錐頂端壓平成圓餅，用十字分樣板自上而下分成四等份，任取對角兩等份，可重復數次直至縮分到所需樣品質量。所取飛灰呈灰白色，飛灰成塊且含玻璃塊和小石子等粗大顆粒，所以試驗前需對飛灰進行預處理。破碎飛灰，過200目篩，置于90℃下烘干，備用。

　　1.2試驗方法

　　1.2.1粒徑分布

　　采用多功能粒徑及粒形分析儀(Mastersizer3000)對飛灰檢測，分析飛灰的粒徑分布情況。

　　1.2.2礦物相組成采用XRD(BrukerD8ADVANCEA25X)測定飛灰的物質組成，掃描角度為°～90°，衍射速度°/min，接收狹縫間距0.3mm，Cu靶，工作電壓40k，電流40mA，用Jade6.5軟件分析飛灰中主要的物質成分;采用SEM(NOVANANOSEM450)分析的微觀形貌，測試前樣品平鋪在表面粘有導電膠的圓形平臺上，再表面鍍金處理，掃描電鏡工作電壓5k，放大倍數分別5000、10000倍;將預處理后的飛灰制成直徑2cm的平整圓形待測樣品，采用XRF(AXIOS(4k，工作電壓50k，工作電流100mA)檢測飛灰元素，分析該飛灰的元素組成并計算元素對應的氧化物所占的百分比。

　　1.2.3浸出毒性測定浸出試驗按照《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》(GB5085.3—2007)[23]中的方法與標準進行。浸出步驟：稱取100g飛灰樣品置于2L的提取瓶中，按照液固比10:1(L/)計算所需計浸提劑1#的體積為1L，加入浸提劑1#后蓋緊瓶蓋固定于翻轉振蕩裝置上，轉速為30±r/min，于23±℃下振蕩18±)。浸提劑1#：質量比為2:1的濃硫酸和濃硝酸混合液加入試劑水中，1L約滴混合液，使pH為3.20±0.05。采用ICPMS(PE300X)測收集的浸出液中重金屬濃度。

　　2結果與討論

　　2.1粒徑分布分析

　　按照1.2.1的方法對飛灰樣品的粒徑進行表征，粒徑分布比例呈不斷上升趨勢，占84.97%，150～450μ逐步下降，占15.03%。飛灰集中分布在10.～176μ，含量占85.7%。其10為14.64μ，50為62.55μ，90為168.6μ。飛灰粒徑較小造成其高表面能，使得金屬離子和揮發成分更易吸附[24]。顆粒粒徑的大小對于衡量資源化產品的品質好壞有著關鍵影響[25]。飛灰中Cl元素含量約達到總量的2.7%，廚余垃圾因鹽分高的特點會影響飛灰Cl含量。通常Cl元素以氯化物的形式存在，氯化物會使建筑材料加快腐蝕[36]，減少使用壽命。

　　《水泥窯協同處置固體廢物環境保護技術規范》(HJ6622013)[37]和《通用硅酸鹽水泥》(GB1752007)[38]標準分別要求原料中氯離子含量小于0.04%和0.06%。若考慮該方面的資源利用，應首先降低飛灰中氯離子含量。因此，Cl元素的存在也是飛灰資源化利用過程中需要考慮的一個重要因素。從大量的參考文獻中我們得知飛灰的化學組成并不是一成不變，其元素與礦物相都會隨著所焚燒的生活垃圾種類及各種種類占比的不同而改變，也正是如此才為我們研究飛灰的統一處置方式帶來困難。

　　飛灰中主要物相組成是SiO和CaCO，與XRF分析的飛灰元素含量結果一致。在圖譜中沒有關于重金屬的結晶相，原因是重金屬在飛灰中可能以鋁硅酸鹽或者是硅酸鹽中的復雜化合物存在，也可能是以非晶態相的形式存在，使得以XRD的方法難以檢測到[26]。SiO可提取用以制備白炭黑、二氧化硅氣凝膠和沸石，這些材料都有很好的應用前景[39]。CaCO具有低成本、無毒和可增強其他復合材料相容性等優異性能，在造紙、橡膠、塑料、醫藥等行業得到廣泛應用[40]。兩者的應用潛力與特性均為下一步資源試驗化利用提供方向。

　　飛灰的浸出毒性評價是衡量其浸出液是否對環境造成危害的一個重要標準，由表可知，檢測結果與ZHU等41]研究結果一致。浸出液中重金屬含量順序是：Zn(130.500mg/L)>Cu(17.075mg/L)>Pb(8.680mg/L)>Cd(2.465mg/L)>Ni(0.981mg/L)>Cr(0.795mg/L)。以GB5085.3—2007標準中的浸出液污染物質量濃度限值為衡量標椎，Cu、Cr和Ni未超標，Pb、Zn和Cd超標，其超標倍數分別是0.736倍、0.305倍和1.465倍，飛灰浸出液中Cd超標倍數最大。

　　有研究表明，在飛灰中Pb、Zn和Cd以較高比例的不穩定形態存在，是浸出濃度超標的主要原因[42]。Pb和Zn主要以氯化物、氧化物和硫化物的形式存在[42]，例如PbO、PbCl、ZnO、ZnCl、ZnCO、ZnS等化合物[43,44]，部分Pb和游離的Cd2+會在堿性條件下以Pb(OH)和Cd(OH)的形式附著在飛灰上[45]，后又在酸浸條件下溶解于浸出液中。在焚燒過程中當溫度達到9001100K時，CaO和PbO會反應生成(CaO)(PbO[46]。因此，飛灰浸出液中Zn、Cd主要以二價態形式存在，Pb則以二價態和四價態形式存在，Pb4+的毒性大于Pb2+。為了實現飛灰資源化利用的目的，下一步應首先根據選取的資源化利用方法的要求對超標重金屬進行固化穩定化、高溫燒結、水熱處理或化學浸提等方法處理，以降低環境危害性。

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　　3結論

　　(1)昆明市生活焚燒飛灰呈灰白色，其10為14.64μ，50為62.55μ，90為168.6μ，10～76μ的飛灰占總質量85.7%左右。昆明垃圾焚燒飛灰中Ca的含量最高，Si含量次之，其主要成分是SiO和CaCO，主要的金屬氧化物是Fe和Al，占總量17.9%。(2)昆明垃圾焚燒飛灰的浸出液中重金屬Pb、Zn、和Cd的濃度分別超過《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》(GB5085.32007)限值的0.736倍、0.305倍和1.465倍。(3)飛灰理化性質和浸出毒性的探究是為其資源化利用提供數據支撐，同時也是具體資源化利用方向選擇的依據。

　　參考文獻：

　　[1]AOhengyong(毛盛勇,Yhicai(葉植材,JIANGeiguang(姜雷光,etal.NationalBureauofStatisticsofthePeople'sRepublicofChina.ChinaStatisticalYearbook中國統計年鑒[M].Beijing:ChinaStatisticalPress,2018.[2]HUAIANNISA,DONGZL,etal.Characteristicsofincinerationashforsustainabletreatmentandreutilization[J].EnvironmentaenceandPollutionResearch2019,26(17):1697416997.

　　作者：王博濤1，董思涵，劉天成1,2