編者按：目前，水泥窯協(xié)同處置廢棄物項目熱度日益高漲，越來越多的水泥企業(yè)計劃或者已經(jīng)上馬協(xié)同處置項目，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，我國生活垃圾焚燒得到快速發(fā)展。截止2015年底，全國已建成生活垃圾焚燒廠219座，日處理能力達(dá)到21.6萬噸，占我國城市生活垃圾無害化處理總量的比例已經(jīng)超過32%，預(yù)計在2020年內(nèi)將超過50%，這意味著焚燒將代替填埋，成為我國城市生活垃圾處理的主導(dǎo)技術(shù)。
生活垃圾焚燒是一個劇烈的高溫?zé)峄瘜W(xué)反應(yīng)過程，其環(huán)境影響和環(huán)境風(fēng)險主要來自于高溫焚燒產(chǎn)生的煙氣，社會和民眾最為關(guān)切的也是焚燒煙氣，因而煙氣凈化是垃圾焚燒系統(tǒng)配置和運營管理的重點和焦點所在。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(以下簡稱飛灰)變得越來越“骯臟”。因富集了毒性較強的重金屬和二噁英類污染物，飛灰在世界各國均屬于需要重點控制的危險廢物。
我國生活垃圾焚燒取得了快速發(fā)展和長足進(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)險管理中最為薄弱的環(huán)節(jié)。由于缺乏可靠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，歷年來我國飛灰真實的無害化處理率不得而知，但估計遠(yuǎn)低于預(yù)期。近期媒體上頻頻報道的飛灰無序堆放、不規(guī)范處理及利用的案例也充分說明了這一點。2014年7月1日，我國新的《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”污染的重點應(yīng)該轉(zhuǎn)向飛灰處理，否則將為我國固體廢物環(huán)境管理埋下一顆“定時炸彈”。
2016年8月1日起施行的《國家危險廢物名錄》將焚燒飛灰進(jìn)入生活垃圾填埋場處置以及進(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)和專家對飛灰處理的不同技術(shù)還存在較大爭議。
本文將在對我國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、遵循環(huán)境倫理為基本原則，提出我國生活垃圾焚燒飛灰處理的適用技術(shù)路線。
一、我國生活垃圾焚燒飛灰基本性質(zhì)
準(zhǔn)確全面地認(rèn)識我國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)。我國生活垃圾焚燒飛灰的基本性質(zhì)是：
(1)產(chǎn)生量巨大。我國生活垃圾焚燒有機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生活垃圾焚燒總處理能力的2/3和1/3。機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年我國生活垃圾焚燒飛灰產(chǎn)生量約400萬噸，其中機械爐排焚燒爐飛灰約150萬噸，流化床焚燒爐飛灰約250萬噸。根據(jù)環(huán)保部發(fā)布的官方統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2014年我國各類危險廢物產(chǎn)生總量僅為3634萬噸，可見飛灰在我國危險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《國家危險廢物名錄》的危險廢物，適用于機械爐排焚燒爐飛灰，同樣適用于流化床焚燒爐飛灰，不需要再做進(jìn)一步的鑒別來確定其屬性。這一屬性必須明確堅持，否則將帶來生活垃圾焚燒環(huán)境監(jiān)管和市場競爭中的混亂。
(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，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)致我國飛灰的氯元素含量顯著高于發(fā)達(dá)國家，大大增加了飛灰處理與利用的難度。
二、我國生活垃圾焚燒飛灰處理技術(shù)路線分析
危險廢物管理實質(zhì)上是風(fēng)險管理，目的在于將污染物的環(huán)境風(fēng)險控制在可接受范圍內(nèi)。環(huán)境風(fēng)險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;二是降低污染物遷移性，即切斷暴露途徑。飛灰的風(fēng)險主要來自于其中富集的重金屬和二噁英。二噁英雖然毒性較強，但在飛灰中含量甚微，且水溶性極低，控制其遷移相對容易。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)險控制的重中之重。
基于飛灰的基本性質(zhì)及風(fēng)險控制的主要途徑，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，從而實現(xiàn)環(huán)境風(fēng)險最小化的目標(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，整體而言不利于實現(xiàn)環(huán)境風(fēng)險最小化的目標(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，取決于各國的自然社會經(jīng)濟條件和法規(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)入危險廢物安全填埋場處置是最為穩(wěn)妥的處置方式。但是由于飛灰產(chǎn)生量巨大，即使將我國已建成的危險廢物安全填埋場的所有庫容都用來處置新增飛灰，不到一年就將全部填滿。同時，安全填埋場投資成本較高，以每噸飛灰的入場費用1500元計，折合到每噸生活垃圾的處理成本，機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。目前我國生活垃圾焚燒處理正常(而不是低價!)中標(biāo)價格一般為每噸垃圾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)濟上，飛灰固化穩(wěn)定化后進(jìn)入危險廢物安全填埋場處置的道路都是行不通的。
考慮到了上述情況，我國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要求后，可以進(jìn)入衛(wèi)生填埋場的獨立單元填埋處置。與飛灰進(jìn)入安全填埋場的入場要求相比較，進(jìn)入衛(wèi)生填埋場的入場要求增加了含水率、二噁英的含量限值，對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。幾年來的實踐表明，部分重金屬(如鉛)難以穩(wěn)定達(dá)到入場標(biāo)準(zhǔn)，且重金屬固定主要依賴有機或無機螯合劑，長期固定效果存在一定的不確定性。另外，在現(xiàn)實條件下，飛灰中的二噁英含量不可能頻繁地取樣檢測，也給標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行和環(huán)境監(jiān)管帶來了較大困難。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。
深部礦井貯存是將飛灰置于容器中，長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，德國政府于2002年專門出臺了《廢物地下充填條例》，來規(guī)范和推動該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。德國的飛灰主要采用深部礦井貯存方式處置。我國尚無此方面的系統(tǒng)研究與實踐經(jīng)驗。
由于飛灰土地處置存在的上述實際困難，建材化利用特別是水泥窯協(xié)同處置在我國受到了廣泛關(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，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)，同時北京等地的實踐也為水泥窯協(xié)同處置飛灰積累了一定的經(jīng)驗。但是，從環(huán)境風(fēng)險控制角度來看，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%)，這樣必然會產(chǎn)生氯鹽濃度很高的水洗廢水，目前還沒有運行穩(wěn)定、效果良好、經(jīng)濟可行的處理方法。
(2)飛灰特別是爐排爐焚燒飛灰中鉛、鎘、汞等毒性較強的重金屬含量一般較水泥生料高2~3個數(shù)量級，水洗預(yù)處理過程中通常會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，同時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，服役期滿后均會成為建筑廢物，目前協(xié)同處置飛灰?guī)氲拇罅恐亟饘贌o疑將成為未來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，同時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。從這個意義上來講，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，最主要的是評估其環(huán)境風(fēng)險是否得到有效控制。控制我國生活垃圾焚燒飛灰的環(huán)境風(fēng)險，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，慎重選擇，控制風(fēng)險，在確保無害化的前提下再考慮資源綜合利用。一些技術(shù)看似可實現(xiàn)飛灰的資源化利用，實則“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)、付出很大代價才富集到相對穩(wěn)定的少量固體殘渣中的毒性污染物重新釋放到水、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，因而符合環(huán)境倫理的飛灰資源化利用工藝必須同步實現(xiàn)重金屬的分離回收，否則就會模糊焦點，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)固體廢物和危險廢物方面具有無可比擬的巨大優(yōu)勢，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，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，從而實現(xiàn)環(huán)境風(fēng)險最小化的目標(biāo)，是我國生活垃圾焚燒飛灰處理的現(xiàn)實選擇?，F(xiàn)階段應(yīng)在系統(tǒng)全面的技術(shù)評估及標(biāo)準(zhǔn)實施效果后評估的基礎(chǔ)上，對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行必要的修訂，并研究建設(shè)飛灰專用填埋場的可行性。
同時，德國利用深部巖鹽礦井處理飛灰的方式也給我們帶來很大啟發(fā)。我國地下巖鹽資源豐富，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年，分布面積廣，埋藏深，厚度大，具備建設(shè)危險廢物地下貯存庫的地質(zhì)條件。我國應(yīng)借鑒德國的成功經(jīng)驗，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)，為我國生活垃圾焚燒飛灰乃至其它高毒性難處理危險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、遵循環(huán)境倫理為基本原則，我國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，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)境安全教育部重點實驗室副主任。)
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