飛灰啊飛灰,快管管你的重金屬吧!

垃圾焚燒飛灰是什么?

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如下圖所示,飛灰是垃圾焚燒煙氣凈化系統捕集物和煙道及煙囪底部沉降的底灰,是一種富含重金屬、鹽和持久性有機污染物的危險廢棄物。

圖:飛灰和爐渣是什么

飛灰處置現狀

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近年來,焚燒在城市生活垃圾處理中所占的比重越來越大。從2003年至2016年,焚燒比例由 2.49% 急劇上升至 35.25%. 焚燒比例的劇增,導致飛灰的量不斷增加。

而通常由于其處置的隱蔽性,相較于煙氣而言,飛灰受到的關注較少。并且由于處置成本高,填埋空間稀缺,技術水平較低,監管不足等原因,飛灰普遍存在處置不當的問題。據估計,我國垃圾焚燒飛灰總量中僅有 10% 得到了有效處理,而獨立機構的抽樣調查發現,垃圾填埋場中 70% 的穩定飛灰未達到浸出要求。2017年,華東環保督察組也曾公開批評安徽、福建、江蘇、江西、山東、浙江、上海的垃圾焚燒飛灰處理不當。

 

圖:未經螯合/固化處置的飛灰

而處置不當的話,飛灰恐怕很快就會成為我國一個重要的重金屬排放源。

基于此,北京大學和中國地質大學的研究人員[1]整理了 2003-2018 年間國內發表的論文,獲取了飛灰和爐渣以及常用輔助燃料即煤中的主要重金屬(鎘、鉛、鉻、鋅、鎳、銅、砷和汞等 8 種)的含量,飛灰浸出液中重金屬的濃度,爐型以及飛灰中重金屬含量等數據,并依據這些數據對我國 2003-2017年焚燒飛灰中的重金屬的時空分布進行了分析,估算了它們潛在的生態危害指數,探討了控制重金屬進入飛灰的關鍵因素,并提出了一些解決方案等等。

 

垃圾焚燒過程中重金屬的流向

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圖:垃圾焚燒廠中重金屬的“來龍去脈”

如上圖所示,垃圾焚燒過程中重金屬的來源為生活垃圾和輔助燃料。在儲坑中時,部分重金屬會進入滲濾液。經焚燒后,重金屬則會進入飛灰、爐渣和煙氣中。

生活垃圾中的重金屬,依據其物化性質的不同,以及在焚燒中的再分配方式,可以分為四類:

1、鈷、鉻、銅、錳和鎳,難揮發,90% 留在爐渣中;

2、砷、鉛、鋅、銻和錫,40-50% 進入飛灰,其余留在爐渣中;

3、鎘,在爐渣、飛灰和煙氣中分別占10%、85%和5%。

4、汞,70% 進入煙氣,5% 進入爐渣,25% 進入飛灰。

飛灰中 8 種重金屬的量

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2016年,經焚燒處理的垃圾總量為 7178 萬噸。

其中 78% 是經爐排爐處理,剩下 22% 幾乎是經循環流化床處理的。由于爐排爐的飛灰量為焚燒垃圾量的 3-5%,循環流化床為 10-20%。但是循環流化床的爐渣和飛灰中重金屬含量比爐排爐的低。研究人員估計,2016年,這兩種類型的焚燒爐的飛灰產量分別為 123.2 萬噸和 236.9 萬噸。也就是說,2016年的飛灰總量約為 360.1 萬噸。

這 360.1 萬噸飛灰中包含鎘、鉛、鉻、鋅、鎳、銅、砷和汞的量分別為 112、2960、182、36400、100、7320、242、14.7 噸。這些重金屬的含量大致是:鋅>鉛>銅>鉻>鎳>鎘>砷>汞。飛灰中的鉛和鋅含量很高,高于日本,研究人員分析這與垃圾中的高氯含量有關。

垃圾焚燒爐原料(即生活垃圾和煤)中有 51.5% 的鎘、37.7% 的鉛、24.9% 的鉻、57.7%  的鋅、40.2% 的鎳、42.3% 的銅、16.0% 的砷和 12.1% 的汞進入飛灰。

值得注意的是,由于汞的高揮發性和煙氣凈化裝置相對較低的汞去除率,入爐垃圾中87.7% 的汞是隨著煙氣排放的,這使得垃圾焚燒成為我國日益重要的人為汞排放源。

垃圾與飛灰中重金屬的濃度

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>> 飛灰中的重金屬濃度

我國飛灰中鎘、鉛、鉻、鋅、鎳、銅、砷和汞的幾何平均濃度和范圍如下表所示:

 

可以看到,飛灰中的重金屬含量范圍非常寬,有些甚至差 3 個數量級,這是由于中國不同地區間社會經濟條件以及各廠的煙氣凈化系統的表現存在比較大的差異。

華南地區垃圾焚燒飛灰中鎘、鉛、鉻、鋅、鎳含量較高,而華中地區垃圾焚燒飛灰中砷、銅 含量較高,西南地區如四川和云南的飛灰中的鎘含量高,因為這里的煤中的鎘含量高。中國北方城市生活垃圾焚燒飛灰中汞含量最高,可能是因為冬季家庭大量使用煤炭做飯和供暖所導致的煤灰含量較高。

 

圖:不同地區的飛灰重金屬的濃度

>> 垃圾中的重金屬濃度

目前,有關我國垃圾中的重金屬含量的研究是很少的。而垃圾進入焚燒爐后,其中的重金屬的量不會增加或減少?;谶@一點,研究人員根據 Monte Carlo 模擬(10,000次) ,估算出我國城市生活垃圾中鎘、鉛、鉻、鋅、鎳、銅、砷和汞的幾何平均含量(95% 置信區間)分別為3.0(0.8-17.4)、109(65-312)、101(25-303)、877(282-2、630)、34.0(6.0-115)、241(43.0-913)、20.8(3.8-42.5)和1.7(1.5-2.9) mg/kg,與世界其他國家的城市相比,并無顯著差異。

并且,生活垃圾中有 45% 的鎘、鉻、汞和砷來自廚余,37% 的鉛來自塑料和橡膠,紙制品貢獻了總重金屬的 10-15%。垃圾中的有機和無機的組分比例會隨著季節、地方、生活方式和回收策略變化而變化。

 

表:8 種重金屬數據匯總

飛灰重金屬的環境風險

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垃圾焚燒飛灰中重金屬的浸出潛力是一個重要的環境問題。當重金屬與雨水或徑流接觸時,重金屬會從飛灰中滲出,重新進入環境。管理不善的飛灰會進入焚燒廠和垃圾填埋場周圍的表層土壤,飛灰中的重金屬會對環境造成直接的危害。

經計算,華北、華東、華南、華中和西南地區垃圾焚燒飛灰中重金屬的潛在生態危害指數(RI)分別為3.09X103、2.38X103、7.49X103、5.66X10和5 .56X103。而 RI>600,即表明其潛在生態危害指數為極強。這些結果表明,我國垃圾焚燒飛灰管理不善可能造成較高的生態風險。華南地區飛灰中鎘、鉛、鉻、鋅、鎳的含量高于其他地區,飛灰的 RI 值最高。

研究人員建議

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穩定/固化 1 噸飛灰在美國大約需要 240 美元(約合人民幣 1680 元),在歐洲需要 150-500 歐元(約合人民幣 1200-4000 元),在我國大約需要 2000 元人民幣。然而,我國垃圾焚燒飛灰處理的招標價格僅為 1000 元/噸左右,遠低于適當處理飛灰的實際成本。經濟回報率低是阻礙我國城市生活垃圾焚燒飛灰妥善處置和處置的最主要因素。

基于此,研究人員建議通過提供經濟補償、鼓勵和開發具有經濟效益的飛灰處理技術、減少垃圾中重金屬的量(方式:垃圾減量、分類處理,減少煤炭的使用)、明確的監測頻次,以及做好信息公開等等方式來降低飛灰對環境的影響。

除此之外,研究人員還建議,由于在焚燒廠工作和居住在飛灰露天處置場所的居民可通過呼吸、皮膚接觸和經口等方式攝入飛灰,因此應對他們進行與重金屬暴露有關的健康影響評估。

所以,飛灰啊飛灰,快管管你的重金屬吧?。ú⒉淮沓志眯晕廴疚锖望}就不需要管了啊。)

參考文獻:

[1]Wang, Ping & Hu,Yuanan & Cheng, Hefa. (2019). Municipal solid waste (MSW) incineration flyash as an important source of heavy metal pollution in China. EnvironmentalPollution. 10.1016/j.envpol.2019.04.082.

致謝:感謝鄭悅為本文所做的部分翻譯。

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