垃圾焚烧的污染与治理

垃圾焚烧的污染与治理

垃圾焚烧处理技术在国外已经广泛使用。许多研究人员对焚烧产生的二次污染（尤其是重金属污染）进行了大量研究，并提出了一些相对成熟的控制技术。然而由于垃圾成分的复杂性,目前仍缺乏对垃圾焚烧过程中重金属迁移机理及价态转化的了解,而且现阶段的研究结果中还存在许多相悖之处。垃圾焚烧技术在我国才刚刚起步,关于焚烧中重金属的迁移特性的研究还很少,而且不够深入。因此,有必要对垃圾焚烧过程中重金属来源、迁移机理及分布特性作系统的分析了解,为进一步控制垃圾焚烧过程中重金属的排放、减少对环境的污染提供理论依据。1铅、镉的危害及危害重金属的危害在于它不能被微生物分解且能在生物体内富集形成其它毒性更强的化合物。在环境中重金属经历地质和生物双重循环迁移转化,最终通过大气、饮水、食物等渠道为人体所摄取,对人体的健康产生负面效应,如致癌、致畸等。对于汞,由于其蒸发压力高,焚烧处理后,主要以气态形式排放,进入大气后,易被微生物转化为甲基汞,这种形态的汞毒性最大,通过食物链进入人体后,损坏中枢神经,造成儿童发育畸形等危害。同样铅、镉对人体的危害同样持久和不可医治,研究表明,即使在人体内积累小剂量的重金属也会造成神经末梢、肾功能等的损害。环境中的重金属污染物主要来自矿山开采、金属冶炼、金属化合物的制造、重油燃烧、肥料、农药、煤及垃圾焚烧等多方面。其中燃煤与垃圾焚烧是两大主要来源,而垃圾焚烧重金属的排放量比煤燃烧高得多。由于垃圾组成复杂,焚烧处理后炉灰及烟气中将含有多种重金属,如铅、镉、铬、锌、铜、汞、镍、硒、砷等。其中以Hg、Cd、Pb、Cr、As备受人们关注,此外还有Zn、Cu、Ni、Co、Sn等也有较大的毒性。以下是垃圾中几种重金属的主要来源Cd:报纸、塑料、杂草、镍镉电池、半导体及颜料等;Cr:报纸、塑料、杂草、木块、织物、鞋跟等;Pb:报纸、塑料、木块、织物、橡胶、庭院杂物等;Hg:电池,电器(荧光灯)、温度计、报纸杂志等;Cu:纸张、织物、木块、塑料等。2焚烧底灰和烧灰黑含有重金属的垃圾在进入焚烧炉后,重金属在焚烧过程中将发生迁移和转化,最终分布在焚烧底灰、飞灰、烟气中。含有重金属的垃圾在焚烧时发生的化学反应:一是与有机物焚烧时释放出的氯反应;二是由于高温在焚烧的垃圾周围产生还原性气氛,尽管焚烧炉是在过量空气下运行的,但还原性气氛几乎在所有焚烧炉中都存在,在这种气氛下生成的金属化合物更易挥发。不同的重金属在焚烧底灰、飞灰、烟气中的分布比例也不同。一般而言,挥发性的重金属在焚烧过程中挥发或与垃圾中的其它成分(如氯)反应生成更易挥发的化合物,蒸发产生气体向烟气中迁移,随着烟气的冷却发生同类核化或异相吸附。对于非挥发性金属,在焚烧过程中主要是通过夹带的方式向烟气中迁移。如重金属Hg,因其易挥发,分压力低(103影响重金属分布特征的因素影响重金属分布特性的因素可归纳为:单个金属的特性、垃圾组成(氯、硫、水、碱金属等)、运行环境、烟气净化手段3.1飞灰表面金属元素Cahill和Nerland沸点很高的金属元素:如:Al、Ba、Ca、K、Mg、Si等在燃烧区域不挥发,构成灰的基体,较多的存在于底灰中,而很少沉降在飞灰表面。沸点较低的金属元素,如:As、Cd、Pb、Zn、Se等这些元素在燃烧过程中挥发,在离开焚烧区域后将经历冷凝过程(Hg除外,Hg没有冷凝,整个过程都停留在气相中),当温度低于金属或其化合物的冷凝露点时,发生金属的同类核化(形成金属颗粒直径在0.02~1μm)或异相吸附(富集在飞灰颗粒上),且随着飞灰颗粒尺寸减小富集浓度增加,最终根据挥发程度的大小停留在飞灰或底灰中。除单个金属的特性外,重金属化合物的特性对其分布特性也有一定的影响。3.2国内外学者对含量年度增加的研究垃圾成分的不同对焚烧过程中重金属的迁移有不同程度的影响。近年来垃圾中氯含量逐年增加引起了国内外一些学者的重视。垃圾焚烧过程中氯的存在对重金属分布特性的影响已成为国内外研究的热点,国内目前还只是针对垃圾焚烧过程中HCl的排放特性进行研究,而氯对重金属分布特性的影响在国内尚未开展研究。3.2.1金属氯化态垃圾成分中氯的存在在焚烧过程中使大多数重金属的挥发都有不同程度的增加。研究表明,金属氯化态的蒸发压力都高于氧化态,当垃圾内无机氯或有机氯含量较多时,燃烧过程就有氯的存在,一定条件下与重金属反应产生颗粒小、沸点低的氯化物而加剧了重金属的挥发,使其由底灰向飞灰或由飞灰向烟气的迁移增加。Kuen-ShengWang等人3.2.2污染中的硫影响重金属的影响DirkVerhulst等人3.2.3影响垃圾中水和碱金属含量关于垃圾中水分含量的影响目前的研究结果中有一些不同的看法,Durlak,SusanK等人3.2.4温度和烟气滞留时间运行环境的影响因素很多,通常指焚烧炉型、焚烧温度及气氛(氧化或还原)、烟气滞留时间等。其中研究最多的是燃烧区域温度的影响,关于这一点至今尚无定论,WilliamPLinak3.2.5气处理设备对铬形态转化的影响JackREdwards4在焚烧过程中，重金属排放的控制4.1活性炭吸附剂脱除效果汞极易挥发,在燃烧过程中几乎所有的汞都是以气态形式离开燃烧区,传统的脱硫系统对汞也有一定的脱除能力,但要达到较好的效果,需采用活性炭吸附剂。吸附及脱除机理:气体分子向炭基扩散,由于范德华力的作用,而将这些扩散来的分子保留在表面,在颗粒捕获设备中有效地脱除。研究表明无论向烟气中喷入活性炭还是采用固定床吸附,效果都很好。活性炭对汞的脱除效率虽然很高,但其价格昂贵,除此外,JongsooJurng4.2其他重金属控制Uberoi和Shadman4.3飞灰的固定一个重要污染源垃圾焚烧产生的底灰中重金属含量较少,尤其挥发性金属如:Hg、Pb、Cd、Zn含量更少,主要是一些亲岩性的金属如:Ni、Cr、Cu等,被认为是没有毒害的。飞灰与底灰相比富集了更多量的挥发态的重金属,研究表明飞灰颗粒尺寸越小,其中富集的重金属浓度越高,且焚烧改变了金属的种类,使其转化为更易迁移的形式。若将焚烧飞灰直接进行填埋或处理不当,在自然环境下由于酸雨等因素的作用,酸性环境下重金属将逐渐渗滤出来,重新进入环境,污染地下水源而危害人类。因此垃圾焚烧飞灰被规定为有毒废弃物,应采取相应的措施进行处理。飞灰的处理方法主要有:水泥固定、化学药剂固定、热处理(熔融及烧结)等。4.3.1氢氧化物和络合物水泥固定的机理:在水泥的水合过程中,金属可以通过吸附、化学吸收、沉降、离子交换、钝化等多种方式与水泥发生反应,最终以氢氧化物或络合物的形式停留在水泥水化形成的水化硅酸盐胶体C-S-H表面上,同时水泥的加入也为重金属提供了碱性环境,抑制了重金属的渗滤。这种方法简单,投资少,但因飞灰的加入,影响了水泥的水合过程,使飞灰的掺和量很低(<30%),而当飞灰中水溶性硫酸盐含量高时,即使飞灰的掺和量很低,也会抑制水泥的硬化,增加了水泥的消耗量。A.Polettini4.3.2固定灰中重金属利用一种水溶性的螯合高分子,与重金属离子反应形成不溶于水的高分子络合物,使灰中的重金属固定下来。与水泥固化相比,螯合剂的投加量少,实现了焚烧飞灰稳定化处理且不增容或少增容的目的。4.3.3物理熔融法热法飞灰的烧结处理:Kuen-ShengWang灰的熔融处理:垃圾焚烧灰渣熔融处理是无害化和资源化的一项处理技术。在高温(1200~1400℃)状况下,飞灰中有机物发生热分解、燃烧及气化,而无机物则熔融形成玻璃质熔渣。经熔融处理后,飞灰中的二恶英等有机物受热分解被破坏,飞灰中所含的沸点较低的重金属盐类,转移到气体中并以熔融飞灰的形式捕集下来,其余的金属则转移到玻璃熔渣中,大大降低了重金属的浸出特性。灰渣经熔融处理后,密度大大增加,灰渣减容可达2/3以上,并且可以回收灰渣中的金属,而且熔渣可作为路基材料、混凝土骨料、沥青骨料等,达到资源化利用的目的。5控制焚烧