垃圾焚烧飞灰中重金属的形成机理

摘要：以常州市环境卫生综合厂垃圾焚烧车间的飞灰为例．比较深入地分析了飞灰中重金属的来源与形成机理。研究结果表明由于不同种类重金属及其混合物的蒸发点差异较大，在生活垃圾中的含量也各不相同．所以它们在飞灰中的含量以及在底灰和飞灰的分配比例上都有很大的差异锌、铅、镉等挥发性重金属在飞灰中的含量明显高于底灰。
关键词：生活垃圾；焚烧；飞灰；重金属
1引言
我国许多城市正在或已建了生活垃圾焚烧厂，生活垃圾焚烧后，将产生占所焚烧垃圾0.5%的焚烧飞灰。飞灰中重金属含量很高，特别是铅和镉，各个国家因此都等其列为危险废物加以管理。随着生活垃圾中重金属含量的增加，飞灰中的重金属含量也会相应增加。
迄今为止，飞灰中重金属与垃圾中的重金属含量、形态、熔点和沸点等的关系，尚未完全清楚。本文以常州市环境卫生综合厂垃圾焚烧车间的飞灰为例，比较深入地分析了飞灰中重金属的来源与形成机理。
2实验材料和方法
实验用的飞灰和底灰取自常州市环境卫生综合处理厂。该厂的主要工艺是用城市生活垃圾制堆肥，而焚烧炉是作为一个配套工艺存在的，主要是焚烧制堆肥过程中的筛余物和一部分原始的城市生活垃圾。采用自行研制的FDLLF-50型生活垃圾焚烧炉，处理能力为50t/d，炉温可达850-1200℃。
按照《固体废弃物试验分析评价手册》中方法3050对飞灰和底灰进行消解．消解后的试样用电感耦合氩等离子发射光谱（ICP）进行分析，测定其重金属含量。
3结果与讨论
3．1飞灰和底灰的特性
飞灰和底灰中熔渣的物理化举性质见表1。
表1飞灰和底灰的物理化学性质

1）熔渣是指底灰中能通过5mm筛的细粒部分。
飞灰的重金属含量见表2。
由表2可见，飞灰中各种重金属的含量由多到少依次是：Fe、Zn、Pb、Cu、Cr、Ni、Hg和Cd，灰中锌、铅、镉等挥发性重金属的含量明显高于底灰。
3.2飞灰中重金属物质的形成机理探讨
飞灰中的重金属源于焚烧过程中生活垃圾所含重金属及其化合物的燃烧和蒸发。例如，除了垃圾中混入的一些工业废物以外，汞主要来自烧碱生产工艺的残渣、塑料上的颜料、温度计、电子元件和电池；铅来源于颜料、塑料（稳定剂）和蓄电池及一些合金物；镉来源于涂料、电池、稳定剂／软化剂；锌主要来自一些镀锌材料；铬主要来自不锈钢，而镍则主要来自不锈钢、镍镉电池。
表2飞灰和底灰的重金属含量（mg/kg）

1)底灰1为熔融块，底灰2为细灰。
垃圾中所含重金属物质高温焚烧后，除部分残留在底灰中以外，一部分会在高温下直接气化挥发进入烟气，而另一部分则会在炉内参与反应生成金属氧化物或比原来的金属元素更易气化挥发的金属氯化物。这些金属氧化物和氯化物因挥发、热解、氧化和还原作用，可能进一步发生复杂的化学反应，最终产物包括元素态重金属单质和重金属氧化物、氯化物、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐以及硅酸盐等。
3.2.1飞灰中重金属含量与垃圾中金属含量的关系
生活垃圾的重金属含量是决定飞灰中的重金属含量的主要因素。由于垃圾的化学元素分析测定非常繁琐，一般城市环卫系统较少进行这项工作，现将瑞士St.Gallen焚烧炉处理的生活垃圾和北京环卫科研所对北京市的生活垃圾的元素测定数据列于表3，由表3可见，各元素在生活垃圾中的含量多少基本上与飞灰中的含量大小次序相符。
3.2.2飞灰中重金属含量与各金属物质蒸发点的关系
表3垃圾中各化学元素的含量

1）表中数据虽然单位有些不同，但可据此判断各元素在垃圾中含量的相对大小：2)引自文献[7]
飞灰中的重金属含量与焚烧温度和各种重金属物质的蒸发点有关，蒸发点低于焚烧温度的重金属物质能全部挥发出来，进人烟气。烟气中的重金属物质，随烟气温度的降低会凝结成均匀的小颗粒物或凝结于烟气中的烟尘上，无法凝结的气态重金属物质也有部分会被吸附在烟尘上，最后一起被烟气除尘设备捕集下来形成飞灰。重金属物质的蒸发点愈高则愈易凝结，飞灰中的含量亦随之增高。各种重金属元素及其化合物的熔点和沸点见表4。
常州市环境卫生综合厂焚烧炉的温度可达850－1200℃，在此焚烧温度下，垃圾中原有的单质、氧化物、氯化物和硫酸盐4种形态的重金属物质发生的变化讨论如下。各金属单质及其化合物的熔点和沸点（见图l），2条虚线之间的区域表示常州环境卫生综合处理厂焚烧炉的焚烧温度范围。由于重金属的硫酸盐热稳定性很差、在焚烧温度下会分解为重金属氧化物和二氧化硫，故图中没有标出。
由图1可见，镍、铬、铁的金属单质以及锌、镍、铬、铁的氧化物由于其熔点高于焚烧温度将很难直接挥发出来，而所有的氯化物和大多数硫酸盐以及金属单质因其熔点落在或低于此焚烧温度范围，意味着可直接挥发出来进入飞灰。因此，我们可以推断飞灰中的重金属源自各金属单质或化合物的挥发，主要是锌、镍、铬、铁的氯化物和硫酸盐以及汞、锌、铜、铅和镉的金属单质、氯化物、硫酸盐和氧化物。