飞灰啊飞灰,快管管你的重金属吧!

垃圾焚烧飞灰是什么?

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如下图所示,飞灰是垃圾焚烧烟气净化系统捕集物和烟道及烟囱底部沉降的底灰,是一种富含重金属、盐和持久性有机污染物的危险废弃物

图:飞灰和炉渣是什么

飞灰处置现状

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近年来,焚烧在城市生活垃圾处理中所占的比重越来越大。从2003年至2016年,焚烧比例由 2.49% 急剧上升至 35.25%. 焚烧比例的剧增,导致飞灰的量不断增加。

而通常由于其处置的隐蔽性,相较于烟气而言,飞灰受到的关注较少。并且由于处置成本高,填埋空间稀缺,技术水平较低,监管不足等原因,飞灰普遍存在处置不当的问题。据估计,我国垃圾焚烧飞灰总量中仅有 10% 得到了有效处理,而独立机构的抽样调查发现,垃圾填埋场中 70% 的稳定飞灰未达到浸出要求。2017年,华东环保督察组也曾公开批评安徽、福建、江苏、江西、山东、浙江、上海的垃圾焚烧飞灰处理不当。

 

图:未经螯合/固化处置的飞灰

而处置不当的话,飞灰恐怕很快就会成为我国一个重要的重金属排放源。

基于此,北京大学和中国地质大学的研究人员[1]整理了 2003-2018 年间国内发表的论文,获取了飞灰和炉渣以及常用辅助燃料即煤中的主要重金属(镉、铅、铬、锌、镍、铜、砷和汞等 8 种)的含量,飞灰浸出液中重金属的浓度,炉型以及飞灰中重金属含量等数据,并依据这些数据对我国 2003-2017年焚烧飞灰中的重金属的时空分布进行了分析,估算了它们潜在的生态危害指数,探讨了控制重金属进入飞灰的关键因素,并提出了一些解决方案等等。

 

垃圾焚烧过程中重金属的流向

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图:垃圾焚烧厂中重金属的“来龙去脉”

如上图所示,垃圾焚烧过程中重金属的来源为生活垃圾和辅助燃料。在储坑中时,部分重金属会进入渗滤液。经焚烧后,重金属则会进入飞灰、炉渣和烟气中。

生活垃圾中的重金属,依据其物化性质的不同,以及在焚烧中的再分配方式,可以分为四类:

1、钴、铬、铜、锰和镍,难挥发,90% 留在炉渣中;

2、砷、铅、锌、锑和锡,40-50% 进入飞灰,其余留在炉渣中;

3、镉,在炉渣、飞灰和烟气中分别占10%、85%和5%。

4、汞,70% 进入烟气,5% 进入炉渣,25% 进入飞灰。

飞灰中 8 种重金属的量

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2016年,经焚烧处理的垃圾总量为 7178 万吨。

其中 78% 是经炉排炉处理,剩下 22% 几乎是经循环流化床处理的。由于炉排炉的飞灰量为焚烧垃圾量的 3-5%循环流化床为 10-20%但是循环流化床的炉渣和飞灰中重金属含量比炉排炉的低。研究人员估计,2016年,这两种类型的焚烧炉的飞灰产量分别为 123.2 万吨和 236.9 万吨。也就是说,2016年的飞灰总量约为 360.1 万吨。

这 360.1 万吨飞灰中包含镉、铅、铬、锌、镍、铜、砷和汞的量分别为 112、2960、182、36400、100、7320、242、14.7 吨。这些重金属的含量大致是:锌>铅>铜>铬>镍>镉>砷>汞。飞灰中的铅和锌含量很高,高于日本,研究人员分析这与垃圾中的高氯含量有关。

垃圾焚烧炉原料(即生活垃圾和煤)中有 51.5% 的镉、37.7% 的铅、24.9% 的铬、57.7%  的锌、40.2% 的镍、42.3% 的铜、16.0% 的砷和 12.1% 的汞进入飞灰。

值得注意的是,由于汞的高挥发性和烟气净化装置相对较低的汞去除率,入炉垃圾中87.7% 的汞是随着烟气排放的,这使得垃圾焚烧成为我国日益重要的人为汞排放源。

垃圾与飞灰中重金属的浓度

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>> 飞灰中的重金属浓度

我国飞灰中镉、铅、铬、锌、镍、铜、砷和汞的几何平均浓度和范围如下表所示:

 

可以看到,飞灰中的重金属含量范围非常宽,有些甚至差 3 个数量级,这是由于中国不同地区间社会经济条件以及各厂的烟气净化系统的表现存在比较大的差异。

华南地区垃圾焚烧飞灰中镉、铅、铬、锌、镍含量较高,而华中地区垃圾焚烧飞灰中砷、铜 含量较高,西南地区如四川和云南的飞灰中的镉含量高,因为这里的煤中的镉含量高。中国北方城市生活垃圾焚烧飞灰中汞含量最高,可能是因为冬季家庭大量使用煤炭做饭和供暖所导致的煤灰含量较高。

 

图:不同地区的飞灰重金属的浓度

>> 垃圾中的重金属浓度

目前,有关我国垃圾中的重金属含量的研究是很少的。而垃圾进入焚烧炉后,其中的重金属的量不会增加或减少。基于这一点,研究人员根据 Monte Carlo 模拟(10,000次) ,估算出我国城市生活垃圾中镉、铅、铬、锌、镍、铜、砷和汞的几何平均含量(95% 置信区间)分别为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,与世界其他国家的城市相比,并无显著差异。

并且,生活垃圾中有 45% 的镉、铬、汞和砷来自厨余,37% 的铅来自塑料和橡胶,纸制品贡献了总重金属的 10-15%。垃圾中的有机和无机的组分比例会随着季节、地方、生活方式和回收策略变化而变化。

 

表:8 种重金属数据汇总

飞灰重金属的环境风险

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垃圾焚烧飞灰中重金属的浸出潜力是一个重要的环境问题。当重金属与雨水或径流接触时,重金属会从飞灰中渗出,重新进入环境。管理不善的飞灰会进入焚烧厂和垃圾填埋场周围的表层土壤,飞灰中的重金属会对环境造成直接的危害。

经计算,华北、华东、华南、华中和西南地区垃圾焚烧飞灰中重金属的潜在生态危害指数(RI)分别为3.09X103、2.38X103、7.49X103、5.66X10和5 .56X103而 RI>600,即表明其潜在生态危害指数为极强。这些结果表明,我国垃圾焚烧飞灰管理不善可能造成较高的生态风险。华南地区飞灰中镉、铅、铬、锌、镍的含量高于其他地区,飞灰的 RI 值最高。

研究人员建议

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稳定/固化 1 吨飞灰在美国大约需要 240 美元(约合人民币 1680 元),在欧洲需要 150-500 欧元(约合人民币 1200-4000 元),在我国大约需要 2000 元人民币。然而,我国垃圾焚烧飞灰处理的招标价格仅为 1000 元/吨左右,远低于适当处理飞灰的实际成本。经济回报率低是阻碍我国城市生活垃圾焚烧飞灰妥善处置和处置的最主要因素。

基于此,研究人员建议通过提供经济补偿、鼓励和开发具有经济效益的飞灰处理技术、减少垃圾中重金属的量(方式:垃圾减量、分类处理,减少煤炭的使用)、明确的监测频次,以及做好信息公开等等方式来降低飞灰对环境的影响。

除此之外,研究人员还建议,由于在焚烧厂工作和居住在飞灰露天处置场所的居民可通过呼吸、皮肤接触和经口等方式摄入飞灰,因此应对他们进行与重金属暴露有关的健康影响评估。

所以,飞灰啊飞灰,快管管你的重金属吧!(并不代表持久性污染物和盐就不需要管了啊。)

参考文献:

[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.

致谢:感谢郑悦为本文所做的部分翻译。

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