編者按：目前，水泥窯協(xié)同處置廢棄物項(xiàng)目熱度日益高漲，越來(lái)越多的水泥企業(yè)計(jì)劃或者已經(jīng)上馬協(xié)同處置項(xiàng)目，作者在文中詳細(xì)闡述了水泥窯協(xié)同處置飛灰的優(yōu)勢(shì)和問題所在，故轉(zhuǎn)發(fā)該文供水泥企業(yè)參考。
引言
近年來(lái)，我國(guó)生活垃圾焚燒得到快速發(fā)展。截止2015年底，全國(guó)已建成生活垃圾焚燒廠219座，日處理能力達(dá)到21.6萬(wàn)噸，占我國(guó)城市生活垃圾無(wú)害化處理總量的比例已經(jīng)超過32%，預(yù)計(jì)在2020年內(nèi)將超過50%，這意味著焚燒將代替填埋，成為我國(guó)城市生活垃圾處理的主導(dǎo)技術(shù)。
生活垃圾焚燒是一個(gè)劇烈的高溫?zé)峄瘜W(xué)反應(yīng)過程，其環(huán)境影響和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自于高溫焚燒產(chǎn)生的煙氣，社會(huì)和民眾最為關(guān)切的也是焚燒煙氣，因而煙氣凈化是垃圾焚燒系統(tǒng)配置和運(yùn)營(yíng)管理的重點(diǎn)和焦點(diǎn)所在。在一定程度上，生活垃圾焚燒技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的過程就是煙氣凈化水平不斷提高的過程。隨著煙氣凈化水平的不斷提高，排放到大氣中的煙氣越來(lái)越清潔，而凈化系統(tǒng)截留捕集的細(xì)顆粒物—生活垃圾焚燒飛灰(以下簡(jiǎn)稱飛灰)變得越來(lái)越“骯臟”。因富集了毒性較強(qiáng)的重金屬和二噁英類污染物，飛灰在世界各國(guó)均屬于需要重點(diǎn)控制的危險(xiǎn)廢物。
我國(guó)生活垃圾焚燒取得了快速發(fā)展和長(zhǎng)足進(jìn)步，但飛灰的處理遠(yuǎn)不如人意，成為生活垃圾焚燒全過程污染控制和風(fēng)險(xiǎn)管理中最為薄弱的環(huán)節(jié)。由于缺乏可靠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，歷年來(lái)我國(guó)飛灰真實(shí)的無(wú)害化處理率不得而知，但估計(jì)遠(yuǎn)低于預(yù)期。近期媒體上頻頻報(bào)道的飛灰無(wú)序堆放、不規(guī)范處理及利用的案例也充分說(shuō)明了這一點(diǎn)。2014年7月1日，我國(guó)新的《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》正式施行，煙氣凈化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步向國(guó)際先進(jìn)水平看齊，控制生活垃圾焚燒“最后一公里”污染的重點(diǎn)應(yīng)該轉(zhuǎn)向飛灰處理，否則將為我國(guó)固體廢物環(huán)境管理埋下一顆“定時(shí)炸彈”。
2016年8月1日起施行的《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》將焚燒飛灰進(jìn)入生活垃圾填埋場(chǎng)處置以及進(jìn)入水泥窯協(xié)同處理的過程納入豁免清單管理。但是，我國(guó)飛灰處理的技術(shù)路線尚不明確，政府、行業(yè)、企業(yè)和專家對(duì)飛灰處理的不同技術(shù)還存在較大爭(zhēng)議。
本文將在對(duì)我國(guó)生活垃圾焚燒飛灰性質(zhì)及現(xiàn)有處理技術(shù)進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，以改善環(huán)境質(zhì)量為根本目標(biāo)，以控制環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、遵循環(huán)境倫理為基本原則，提出我國(guó)生活垃圾焚燒飛灰處理的適用技術(shù)路線。
一、我國(guó)生活垃圾焚燒飛灰基本性質(zhì)
準(zhǔn)確全面地認(rèn)識(shí)我國(guó)生活垃圾焚燒飛灰的基本性質(zhì)是處理技術(shù)路線選擇的基礎(chǔ)。我國(guó)生活垃圾焚燒飛灰的基本性質(zhì)是：
(1)產(chǎn)生量巨大。我國(guó)生活垃圾焚燒有機(jī)械爐排焚燒爐和流化床焚燒爐兩種主流爐型，目前二者的處理能力分別約占我國(guó)生活垃圾焚燒總處理能力的2/3和1/3。機(jī)械爐排焚燒爐飛灰產(chǎn)生量較小，約為入爐垃圾量的3~5%;流化床焚燒爐飛灰產(chǎn)生量較大，約為入爐垃圾量的10~15%。據(jù)此估算，2014年我國(guó)生活垃圾焚燒飛灰產(chǎn)生量約400萬(wàn)噸，其中機(jī)械爐排焚燒爐飛灰約150萬(wàn)噸，流化床焚燒爐飛灰約250萬(wàn)噸。根據(jù)環(huán)保部發(fā)布的官方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2014年我國(guó)各類危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生總量?jī)H為3634萬(wàn)噸，可見飛灰在我國(guó)危險(xiǎn)廢物管理中的重要性。
(2)富集重金屬和二噁英。生活垃圾中焚燒中大部分重金屬和二噁英被煙氣凈化系統(tǒng)截留而富集于飛灰中，因而飛灰是環(huán)境中重金屬和二噁英的重要“匯”，是明確列入我國(guó)《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》的危險(xiǎn)廢物，適用于機(jī)械爐排焚燒爐飛灰，同樣適用于流化床焚燒爐飛灰，不需要再做進(jìn)一步的鑒別來(lái)確定其屬性。這一屬性必須明確堅(jiān)持，否則將帶來(lái)生活垃圾焚燒環(huán)境監(jiān)管和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的混亂。
(3)揮發(fā)性元素含量高。生活垃圾焚燒飛灰的性質(zhì)隨垃圾組分、季節(jié)、焚燒條件、煙氣凈化水平等的變化而產(chǎn)生較大波動(dòng)，但飛灰的主要化學(xué)組分為鈣、硅和鋁，接近普通硅酸鹽水泥，存在作為建筑材料進(jìn)行資源化利用的一定物質(zhì)基礎(chǔ)。但是，飛灰中氯、硫、鉀、鈉等揮發(fā)性元素含量較高，對(duì)其處理和利用影響較大。特別是由于含氯塑料和食鹽含量較高的廚余垃圾入爐焚燒，導(dǎo)致我國(guó)飛灰的氯元素含量顯著高于發(fā)達(dá)國(guó)家，大大增加了飛灰處理與利用的難度。
二、我國(guó)生活垃圾焚燒飛灰處理技術(shù)路線分析
危險(xiǎn)廢物管理實(shí)質(zhì)上是風(fēng)險(xiǎn)管理，目的在于將污染物的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受范圍內(nèi)。環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制主要有兩條途徑，一是源頭破壞去除污染物，即削減污染源強(qiáng);二是降低污染物遷移性，即切斷暴露途徑。飛灰的風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自于其中富集的重金屬和二噁英。二噁英雖然毒性較強(qiáng)，但在飛灰中含量甚微，且水溶性極低，控制其遷移相對(duì)容易。重金屬在飛灰中含量較高，且遇水易溶出釋放，是環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制的重中之重。
基于飛灰的基本性質(zhì)及風(fēng)險(xiǎn)控制的主要途徑，目前世界上飛灰處理主要有土地(包括地質(zhì))處置和建材化利用兩條技術(shù)路線。土地處置技術(shù)成熟，流程較短，可有效切斷污染物的暴露途徑，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)最小化的目標(biāo)，因而一直是飛灰處理的主流技術(shù)路線，得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。建材化利用機(jī)理尚不明晰，技術(shù)尚不成熟，流程較為復(fù)雜，污染物暴露途徑增多，整體而言不利于實(shí)現(xiàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)最小化的目標(biāo)，在世界上僅有零星應(yīng)用。生活垃圾焚燒飛灰采用何種處理方式，取決于各國(guó)的自然社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件和法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求。具體而言，土地處置包括固化穩(wěn)定化后填埋處置和深部礦井貯存，建材化利用包括水泥窯協(xié)同處置、燒結(jié)和熔融。
固化穩(wěn)定化后進(jìn)入危險(xiǎn)廢物安全填埋場(chǎng)處置是最為穩(wěn)妥的處置方式。但是由于飛灰產(chǎn)生量巨大，即使將我國(guó)已建成的危險(xiǎn)廢物安全填埋場(chǎng)的所有庫(kù)容都用來(lái)處置新增飛灰，不到一年就將全部填滿。同時(shí)，安全填埋場(chǎng)投資成本較高，以每噸飛灰的入場(chǎng)費(fèi)用1500元計(jì)，折合到每噸生活垃圾的處理成本，機(jī)械爐排焚燒爐增加約60元，流化床焚燒爐增加約180元?？紤]到填埋前必不可少的固化穩(wěn)定化操作，安全填埋處置的成本還要更高。目前我國(guó)生活垃圾焚燒處理正常(而不是低價(jià)!)中標(biāo)價(jià)格一般為每噸垃圾60~80元，僅僅支付飛灰填埋處置成本都不夠。由此可見，不管是在能力上，還是在經(jīng)濟(jì)上，飛灰固化穩(wěn)定化后進(jìn)入危險(xiǎn)廢物安全填埋場(chǎng)處置的道路都是行不通的。
考慮到了上述情況，我國(guó)2008年修訂頒布的《生活垃圾衛(wèi)生填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，飛灰經(jīng)預(yù)處理滿足一定的入場(chǎng)要求后，可以進(jìn)入衛(wèi)生填埋場(chǎng)的獨(dú)立單元填埋處置。與飛灰進(jìn)入安全填埋場(chǎng)的入場(chǎng)要求相比較，進(jìn)入衛(wèi)生填埋場(chǎng)的入場(chǎng)要求增加了含水率、二噁英的含量限值，對(duì)重金屬的要求也更為苛刻，如鉛、鎘、鎳、砷的浸出濃度限值降低了數(shù)倍到數(shù)十倍不等。幾年來(lái)的實(shí)踐表明，部分重金屬(如鉛)難以穩(wěn)定達(dá)到入場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)，且重金屬固定主要依賴有機(jī)或無(wú)機(jī)螯合劑，長(zhǎng)期固定效果存在一定的不確定性。另外，在現(xiàn)實(shí)條件下，飛灰中的二噁英含量不可能頻繁地取樣檢測(cè)，也給標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行和環(huán)境監(jiān)管帶來(lái)了較大困難。盡管如此，這一規(guī)定仍然為飛灰的規(guī)范處理提供了更加可行的選擇，只要管理得當(dāng)，完全可以有效控制飛灰的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。
深部礦井貯存是將飛灰置于容器中，長(zhǎng)期貯存于采礦后形成的與生物圈隔離的深部礦井空間，要求地質(zhì)上長(zhǎng)期穩(wěn)定，不存在地下水，具有多層不透水的隔離屏障，深度在地表400米以下，首選受納礦井為巖鹽礦，被認(rèn)為是最為安全的高毒性難處理固態(tài)危險(xiǎn)廢物處置方式。該技術(shù)主要流行于環(huán)保要求極為嚴(yán)格的德國(guó)，德國(guó)政府于2002年專門出臺(tái)了《廢物地下充填條例》，來(lái)規(guī)范和推動(dòng)該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。德國(guó)的飛灰主要采用深部礦井貯存方式處置。我國(guó)尚無(wú)此方面的系統(tǒng)研究與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
由于飛灰土地處置存在的上述實(shí)際困難，建材化利用特別是水泥窯協(xié)同處置在我國(guó)受到了廣泛關(guān)注，甚至被當(dāng)做“救命稻草”。水泥窯協(xié)同處置飛灰的確具有較大優(yōu)勢(shì)，如可替代部分原料、處理量較大、處理較為徹底、二噁英可完全焚毀去除等。我國(guó)于2013年發(fā)布了《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)》和《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護(hù)技術(shù)規(guī)范》，為水泥窯協(xié)同處置飛灰提供了規(guī)范化管理的依據(jù)，同時(shí)北京等地的實(shí)踐也為水泥窯協(xié)同處置飛灰積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。但是，從環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制角度來(lái)看，水泥窯協(xié)同處置飛灰并非最佳可行方案，甚至存在“致命缺陷”：
(1)飛灰氯、硫、鉀、鈉等揮發(fā)性元素含量較高，進(jìn)入水泥窯之前必須進(jìn)行水洗預(yù)處理以去除揮發(fā)性元素，特別是要去除氯(要求含量小于<0.04%)，這樣必然會(huì)產(chǎn)生氯鹽濃度很高的水洗廢水，目前還沒有運(yùn)行穩(wěn)定、效果良好、經(jīng)濟(jì)可行的處理方法。
(2)飛灰特別是爐排爐焚燒飛灰中鉛、鎘、汞等毒性較強(qiáng)的重金屬含量一般較水泥生料高2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，水洗預(yù)處理過程中通常會(huì)添加沉淀藥劑讓重金屬盡可能多地存留于固體中。進(jìn)行粗略物料衡算，即使飛灰僅以1%的摻加比進(jìn)入水泥窯協(xié)同處置，也將使水泥中重金屬的含量增加1~10倍以上。
(3)水泥煅燒過程中鉛、鎘、汞等毒性較強(qiáng)的重金屬絕大部分揮發(fā)進(jìn)入煙氣，煙氣中絕大部分的鉛和鎘及50%左右的汞被捕集進(jìn)入窯灰，但是水泥窯窯灰并不按照廢物管理，而是返回窯內(nèi)再次煅燒或直接與水泥熟料混合，成為水泥產(chǎn)品的一部分，這樣實(shí)質(zhì)上是將重金屬分散稀釋到了水泥產(chǎn)品中，增大了其緩慢向環(huán)境釋放的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還增加了汞向大氣環(huán)境的額外排放。
(4)水泥制品在環(huán)境中均有一定壽命，服役期滿后均會(huì)成為建筑廢物，目前協(xié)同處置飛灰?guī)氲拇罅恐亟饘贌o(wú)疑將成為未來(lái)建筑廢物處理和利用的沉重負(fù)擔(dān)。
飛灰經(jīng)水洗預(yù)處理后，與粘土等混合造粒成型，然后進(jìn)入燒結(jié)窯高溫?zé)Y(jié)，可生產(chǎn)建筑輕骨料，具有與水泥窯協(xié)同處置相似的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也不可避免地也具有與水泥窯協(xié)同處置相似的缺陷。但是，由于燒結(jié)煙氣產(chǎn)生量相對(duì)較少，若在燒結(jié)過程中“有意”將重金屬驅(qū)趕至煙氣中，再加以回收或處理，則可避免重金屬的轉(zhuǎn)移或稀釋。熔融是在較燒結(jié)更高的溫度下將飛灰熔化，然后凝固為玻璃體，重金屬大部分揮發(fā)至煙氣中后被捕集，少部分被固定在玻璃體礦物結(jié)構(gòu)中，但存在的問題是工藝設(shè)備復(fù)雜，能耗大，成本高，僅在日本有一定應(yīng)用。
三、思考與展望
生活垃圾焚燒本質(zhì)上是將分散在環(huán)境中的污染物集中起來(lái)加以焚毀去除和分離濃縮的過程，而飛灰則是毒性污染物分離濃縮的終端產(chǎn)物。飛灰中的毒性物質(zhì)越多，意味著釋放到環(huán)境中的毒性物質(zhì)越少。從這個(gè)意義上來(lái)講，我們不需要為飛灰中富集了大量毒性物質(zhì)而感到害怕，反而應(yīng)該感到高興。
對(duì)煙氣污染物排放符合標(biāo)準(zhǔn)的生活垃圾焚燒廠而言，只要飛灰得到了妥善處置，其污染控制的目標(biāo)即可最終達(dá)到;也只有飛灰得到了妥善處置，其污染控制的目標(biāo)才算最終達(dá)到。判斷飛灰是否得到妥善處置，最主要的是評(píng)估其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)是否得到有效控制。控制我國(guó)生活垃圾焚燒飛灰的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，必須要警惕“敷衍了事”的最終處置，更要防止“短期功利”的資源化利用。以更為廣泛的視野和更為長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光加以審視，要符合環(huán)境倫理的基本要求。
生活垃圾焚燒飛灰特性復(fù)雜，危害嚴(yán)重，其處理技術(shù)路線必須全局統(tǒng)籌、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，慎重選擇，控制風(fēng)險(xiǎn)，在確保無(wú)害化的前提下再考慮資源綜合利用。一些技術(shù)看似可實(shí)現(xiàn)飛灰的資源化利用，實(shí)則“壓下葫蘆起了瓢”，在復(fù)雜的工藝過程中又產(chǎn)生了新的難以控制的廢水、廢氣及固體廢物，將生活垃圾處理過程中歷經(jīng)多重環(huán)節(jié)、付出很大代價(jià)才富集到相對(duì)穩(wěn)定的少量固體殘?jiān)械亩拘晕廴疚镏匦箩尫诺剿?、大氣和土壤等環(huán)境介質(zhì)中，形成了“逆向污染控制”。更為隱蔽的是，作為特征污染物的重金屬不可能被消滅，甚至也未被有效固定，而是被高度“稀釋”后分散在更易暴露于人群的產(chǎn)品中，使產(chǎn)品中的重金屬含量數(shù)倍地增加，從而將當(dāng)代人產(chǎn)生的飛灰處理問題擴(kuò)大化地“轉(zhuǎn)移”至下一代，成為下一代必須面臨的廢物處理問題。
生活垃圾焚燒飛灰的首要危害物質(zhì)是重金屬，飛灰處理的主要目標(biāo)在于控制重金屬的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，因而符合環(huán)境倫理的飛灰資源化利用工藝必須同步實(shí)現(xiàn)重金屬的分離回收，否則就會(huì)模糊焦點(diǎn)，本末倒置。飛灰燒結(jié)或熔融具備一定的分離回收重金屬的潛力，是飛灰資源化利用方面有一定可能的發(fā)展方向。盡管水泥窯在處理多種工業(yè)固體廢物和危險(xiǎn)廢物方面具有無(wú)可比擬的巨大優(yōu)勢(shì)，但是由于飛灰的特殊性質(zhì)，水泥窯協(xié)同處置飛灰屬于權(quán)宜之計(jì)，不宜提倡推廣。
固化穩(wěn)定化后因地制宜地進(jìn)行規(guī)范的填埋處置可有效切斷重金屬和二噁英的暴露途徑，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)最小化的目標(biāo)，是我國(guó)生活垃圾焚燒飛灰處理的現(xiàn)實(shí)選擇。現(xiàn)階段應(yīng)在系統(tǒng)全面的技術(shù)評(píng)估及標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施效果后評(píng)估的基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行必要的修訂，并研究建設(shè)飛灰專用填埋場(chǎng)的可行性。
同時(shí)，德國(guó)利用深部巖鹽礦井處理飛灰的方式也給我們帶來(lái)很大啟發(fā)。我國(guó)地下巖鹽資源豐富，分布范圍較廣，蘇北、蘇南、安徽、山東、湖北、四川、云南、陜西等地均有大型鹽礦分布，特別是陜西省榆林市探明的特大型巖鹽礦床可開采上萬(wàn)年，分布面積廣，埋藏深，厚度大，具備建設(shè)危險(xiǎn)廢物地下貯存庫(kù)的地質(zhì)條件。我國(guó)應(yīng)借鑒德國(guó)的成功經(jīng)驗(yàn)，積極開展相關(guān)研究和示范，逐步推廣應(yīng)用巖鹽礦井貯存技術(shù)，為我國(guó)生活垃圾焚燒飛灰乃至其它高毒性難處理危險(xiǎn)廢物提供一條成本低廉、安全可靠的處理途徑。
綜上，以改善環(huán)境質(zhì)量為根本目標(biāo)，以控制環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、遵循環(huán)境倫理為基本原則，我國(guó)生活垃圾焚燒飛灰處理的可行技術(shù)路線包括(按照優(yōu)先度排序)：(1)固化穩(wěn)定化后進(jìn)行規(guī)范的填埋處置;(2)深部巖鹽礦井地下貯存;(3)同步重金屬分離回收的建材化利用。
(作者：劉建國(guó)，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，固體廢物處理與環(huán)境安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。)
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