等离子体技术在处理垃圾焚烧飞灰中的应用研究

摘要：对飞灰进行TCLP重金属浸出试验，发现重金属Cd的浸出浓度达到0.3225mg/L，高出国家规定的毒性浸出标准(Cd：0.3mg/L)，采用美国EPA规定的1613方法分析飞灰中的二恶英含量，其毒性当量I-TEQ为0.45ng/g。利用直流双阳极等离子体电弧对飞灰进行熔融处理，对得到的熔渣进行分析，结果表明，飞灰经过熔融处理后，重金属的浸出浓度得到很好的控制，远低于毒性浸出标准，飞灰中的二恶英毒性当量I-TEQ接近91.6%被降解消除，得到的熔渣呈非结晶质的玻璃质结构，具有非常致密的微观结构。
关键词：城市生活垃圾；飞灰；等离子体发生器；熔融固化；熔渣；二恶英；重金属
由于垃圾焚烧飞灰中含有较高浓度的Cd、Pb、Cu、Ni、Zn和Cr等多种有害重金属物质，并且吸附了毒性很高并且在环境中难以降解的持久性有机污染物二恶英/呋喃(PCDD/Fs)。《国家危险废物名录》明确规定生活垃圾飞灰为危险废物，即编号为HW18，飞灰的处置必须严格按照危险废物的标准进行。并且在《危险废物污染防治技术政策》中第9条专门对飞灰进行规定：生活垃圾焚烧产生的飞灰必须单独收集，不得与生活垃圾、焚烧残渣等其它废物混合；不得与其它危险废物混合；不得在产生地长期贮存；不得进行简易处置及排放。生活垃圾焚烧飞灰在产生地必须进行必要的固化和稳定化处理之后方可运输。
针对飞灰的毒性、重金属的浸出特性和二恶英类污染物的毒性特征，许多研究者开展了广泛地研究[1～3]，并且报道了各种技术方法来降解飞灰中的毒性。蒋建国[4]研究了螯合剂对飞灰中重金属的固化作用，Mizutani等[5]介绍了利用化学试剂稳定处理飞灰中的重金属，Polettini[6]和Alba[7]研究了用水泥来稳定处理垃圾焚烧飞灰。
然而利用上述几种技术方法，其处理后得到的产物都只能作为垃圾焚烧飞灰处理的中间产物，最终的处置还是要运到填埋场进行填埋处置。因此，填埋场的负担不能得到有效地减轻。另一方面，这几种处理技术主要只是固化稳定化飞灰中的重金属，对飞灰中另一类污染物二恶英的降解没有深入地研究。为此，许多研究者[8～16]提出利用热处理技术，如对飞灰进行烧结和熔融处理，使飞灰中的重金属固化在玻璃质的熔渣里面，同时在高温下使飞灰中的
二恶英类物质完全分解。
本研究采用了一种由本实验室自行开发研制的双阳极直流等离子体发生器[17～19]，对垃圾焚烧飞灰进行熔融处理，并分析其熔融效果。
1材料与方法
1.1实验装置
等离子体熔融装置由以下几个部分构成：等离子体发生器、等离子体直流电源、熔融反应炉和气源等，见图1。

图1等离子体熔融炉
开启等离子体发生器后，需要调节等离子体装置的操作参数，等离子体电源的输入电流和气源的载气流量，使等离子体电弧工作在稳定状态。实验中采用的双阳极等离子体发生器是属于非转移弧类型等离子体，在稳定工作时，其电弧长度为10～15cm，在离第2个阳极出口1cm处，利用发射光谱仪测得等离子体的激发温度超过13000K，电弧的外焰温度接近1500℃。
称取垃圾焚烧飞灰43.8g放入熔融炉的坩埚中，进行熔融处理，并且利用酸液对尾气的重金属进行吸收。由于飞灰中的碱基比(CaO/SiO2)较低(见表1)，只有0.3，飞灰的熔融液的粘度很大，传热效率较低，而且飞灰在坩埚底部的堆积厚度也较高，因此，在熔融15min左右后，才拿出坩埚让它在室温下自然冷却，然后对熔渣的一些特性进行后续的分析研究。此熔融装置具有如下优点：等离子体发生器可以频繁地开启和关闭，一旦开启后，非常迅速地达到稳定状态，另外，操作简单方便。
1.2飞灰特性
表1飞灰的主要组成1)

1)本实验中能谱分析仪只能测钠(Na)以后的元素
实验中，所取用的飞灰来自华东地区某一城市生活垃圾焚烧厂，该厂采用流化床工艺焚烧垃圾，飞灰通过布袋除尘器收集。飞灰中主要组成成分采用Finder1000型能谱分析仪进行分析，飞灰中重金属含量分析参照USEPAMETHOD3050，采用HNO3-HF-HClO4法进行消解处理，然后利用原子吸收光谱仪进行测试，飞灰的主要组成及重金属含量见表1。并且采用X射线衍射仪对飞灰的晶相结构进行分析检测，结果见图2。
从表1看出，飞灰中的主要元素为Ca、Si和Fe，另含有少量Al、Cl、K等，对应着观察图2，看到飞灰的主要赋存晶相结构为石英，并有硬石膏、钙长石、赤铁矿以及方解石等晶体。

图2飞灰的晶相结构
2结果与分析
2.1重金属的浸出特性
重金属的浸出毒性是评价垃圾焚烧飞灰对环境危害最主要的指标，是判别它是否有害的重要依据因此，对原始飞灰和熔融后的熔渣的浸出毒性进行分析比较，并且对飞灰熔融过程中迁移到尾气的重金属含量进行检测分析，以此来观察等离子体技术对飞灰中重金属的熔融固化效果。