贵州城市生活垃圾焚烧过程中重金属分布和迁移特征唐贵才

生态环境学报2016,25(4):[e-mail]基金项目：贵州省科技厅项目（GKHB2015-161）；贵阳市城管局科技项目（2015GC11）作者简介：唐贵才（1971年生），男，高级工程师，安全工程师，主要研究方向为安全技术、环境保护。Email:[e-mail]*通信作者收稿日期：2015-10-09贵州城市生活垃圾焚烧过程中重金属分布和迁移特征唐贵才1*，刘明1，袁廷香21.重庆城市管理职业学院工程管理系，重庆401331；2.遵义师范学院化学化工学院，贵州遵义563002摘要：为了探明城市生活垃圾焚烧过程中重金属分布和迁移特征，采集贵州遵义市3个城市生活垃圾焚烧场的进场垃圾、渗滤液、飞灰、底渣和烟气样品，采用ICP-AES分析了城市生活垃圾各组分中Cu、Pb、Zn、Ni、Cd、Cr和Hg重金属含量，研究其重金属的分布和迁移特征，为实现生活垃圾焚烧无害化处理提供基础数据。研究结果表明，（1）生活垃圾渗滤液中Zn、Ni、Cu和Pb含量较高，各重金属含量基本表现为垃圾场二垃圾场一垃圾场三，各组分重金属含量基本表现为ZnCuNiPbCrCdHg。（2）底渣中Cu、Zn、Cr含量较高，Cd和Hg含量较低，飞灰中Cu、Zn、Pb、Cr含量较高，Hg含量较低。（3）底渣和飞灰重金属浸出含量均未超标，其中Pb和Cu属于潜在污染，烟气排放含量低于0.2mg·kg-1，Cr、Cu、Ni和Zn重金属在烟气中均无检出。（4）重金属向渗滤液的迁移相对较弱（低于1%），底渣、飞灰和烟气等与焚烧相关的产物是重金属的主要迁移途径，Cu、Ni、Cr、Zn主要迁移至底渣中，Pb和Cd主要迁移至底渣和飞灰中，Hg主要迁移至飞灰和烟气中（27.1%~34.6%随烟气排出），综上可知，生活垃圾中Hg的治理和脱毒仍需要进一步提高。关键词：生活焚烧；重金属；分布和迁移；贵州DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.04.019中图分类号：X508;X779.3文献标志码：A文章编号：1674-5906（2016）04-0686-06引用格式：唐贵才,刘明,袁廷香.贵州城市生活垃圾焚烧过程中重金属分布和迁移特征[J].生态环境学报,2016,25(4):686-691.TANGGuicai,LIUMing,YUANTingxiang.ResearchontheDistributionandMigrationRuleofHeavyMetalsinWasteIncinerationinGuizhouCity[J].EcologyandEnvironmentalSciences,2016,25(4):686-691.随着我国城市化进程的加快，城市生活垃圾废物日益增多，由此而带来的环境污染等问题引起社会各界广泛关注（Bystrzejewskaetal.，2009；Botkinetal.，2012；Gandy，2014）。城市生活垃圾焚烧将废弃物氧化成二氧化碳、水蒸气以及稳定的惰性物质，是目前处理城市生活垃圾较好的方式，具有实现垃圾减量化及热能回收的优点（Tianetal.，2012；Ragazzi，2013）。但城市生活垃圾焚烧场在对垃圾进行减量化处理的同时，也产生了渗滤液、灰渣和烟气等二次污染物，由于生活垃圾含有各种人造或自然物质，这些物质中含有一定量的重金属，其中大部分污染物在储藏、处理和利用过程中会受到雨淋和其他自然过程的作用，使得其中的重金属和有机污染物从残余物中浸滤出来，通过渗滤液、灰渣、烟气等不同渠道排放，进而对生态环境和人类的健康造成一定的威胁（Tianetal.，2012；Assamoi，2012）。大量研究表明，几乎所有垃圾组分中都含有一定量的重金属成分，在垃圾焚烧过程中，这些金属元素会发生气化-成核/凝结-凝聚等复杂反应，最终以气相形式或随烟气、灰渣排放，从而对环境造成危害（Tianetal.，2012；Ragazzi，2013；Quinaetal.，2014；万晓等，2005；李建新等，2014）。重金属在垃圾焚烧过程中的分布和迁移，反应了垃圾成分及垃圾焚烧炉的操作情况，通过分析其规律能反映出垃圾焚烧场在运营中存在的问题，为城市垃圾焚烧场重金属污染及其控制提供基础数据（万晓等，2005；李建新等，2004；金晶等，2007）。由于我国区域经济发展不平衡，一些落后城市垃圾分类和垃圾焚烧处理技术还不足，使得不同地区垃圾中重金属分布不同；同时，由于我国源头垃圾收集做不到有效分类，使得重金属的来源复杂，浓度呈现多样性，了解垃圾焚烧过程中重金属来源及其分布和迁移规律，有助于实现本地区的垃圾焚烧的无害化处理（万晓等，2005；李建新等，2003；李建新等，2004）。对此，笔者通过采集遵义市3个垃圾焚烧场渗滤液、飞灰和炉渣等样品分析其重金属的分布和迁移规律，以期为实现生活垃圾焚烧无害化处理提供基础数据。唐贵才等：贵州城市生活垃圾焚烧过程中重金属分布和迁移特征6871研究材料与方法1.1垃圾焚烧场概况本研究中的遵义市3个垃圾场通过“建设-经营-转让”模式运营，垃圾来源基本一致，垃圾场一的设计规模为1000t·d-1，安装3台225t·d-1的炉排炉垃圾焚烧锅炉和1台12MW的汽轮发电机组，垃圾贮坑采用鹅卵石过滤渗滤液中的杂质，尾气处理采用干法烟气处理+活性炭吸附+布袋除尘系统，烟囱高度50m，日常实际运行情况为满负荷运行；垃圾场二的设计规模为1250t·d-1，安装5台250t·d-1的炉排炉垃圾焚烧锅炉和1台12MW的汽轮发电机组，垃圾贮坑采用格栅过滤渗滤液中的杂质，尾气采用半干法烟气处理+活性炭吸附+布袋除尘系统进行处理，烟囱高度50m，日常实际运行情况为满负荷运行；垃圾场三的设计规模为750t·d-1，安装3台250t·d-1的炉排炉垃圾焚烧锅炉和1台12MW的汽轮发电机组，垃圾贮坑采用鹅卵石过滤渗滤液中的杂质，尾气处理采用干法烟气处理+活性炭吸附+布袋除尘系统，烟囱高度75m，日常实际运行情况为满负荷运行。3个垃圾场的烟气处理设施均为炉内选择性非催化还原脱硝、石灰半干法除酸、活性炭喷射和布袋除尘器，采用马丁逆向往复炉排燃烧方式，主燃室燃烧温度600~800℃，二燃室焚烧温度达1000~1100℃，炉排灰取自炉排落灰斗，飞灰取自布袋除尘器下，底灰取自于炉渣的排出口。1.2实验样品采集按照《城市生活垃圾采样和物理分析方法》（CJ/T313─2009）的规范要求采集3个垃圾场进场垃圾样品，2014年每季度采集1次，共分析4次，每次取样5个重复，分析其组成成分，玻璃、砖瓦、电池等不列入实验范围。按照《地表水和污水监测技术规范》（HJ/T91─2002）规范要求采集3个垃圾场垃圾渗滤液样品，2014年每季度采集1次，共分析4次，每次取样5个重复。按照《飞灰和炉渣样品的采集》（DL/T567.3-95）规范要求采集3个垃圾场炉渣，收集点分别在布袋除尘器的集尘斗出口和底渣出渣口处，2014年每季度采集1次，共分析4次，每次取样5个重复。1.3实验样品预处理在实验前，去除底灰和炉排灰中明显可见的大块未燃烧的布和塑料袋以及不可燃的金属制品和建筑材料等，再在干燥箱中于55℃下干燥24h，将干燥后的灰渣进行研磨（飞灰除外），筛下物进行研磨，使其过100目，样品封存待测，充分混匀后取样10g供样品测定，样品消解时，称取0.10g样品放入50mL聚四氟乙烯坩埚中，超纯水润湿后加入5.0mL硝酸（质量分数50%），置于电热板上180~200℃加热回流3~4h后开盖蒸至近干，加入1.0mL硝酸（质量分数50%）微热浸提，超纯水定容到50mL，取约5mL溶液进行分析测试，同时制备分析空白溶液，用于ICP-MS测定。14仪器和试剂仪器：电感耦合等离子体-原子发射光谱仪（HK-2000型ICP-AES，USA）；微波消解仪（美国CEM公司）；消解罐；聚四氟乙烯坩埚；恒温电热板；亚沸蒸馏器（BerghofBSB-939-IR，German）；电子天平（German，精确至0.01g）；100mL容量瓶；玻璃漏斗；定量滤纸。试剂：去离子水；浓硝酸（1.42g·mL-1，优级纯）；超纯水仪（Milli-Q，France）；硝酸（经亚沸蒸馏器二次蒸馏酸）；氢氟酸（超纯，上海试剂一场）；高氯酸（优级纯，天津东方化工试剂场）。1.5样品检测灰成分分析采用X射线荧光光谱仪（XRF，USA），所采用的激发条件为Rh靶，激发电流50mA，激发电压50kV，室温控制25℃，湿度控制60%。重金属成分采用电感耦合等离子体-原子发射光谱仪（HK-2000型ICP-AES，USA）（Hg除外），Cr、Cu、Cd、Pb、Zn和Ni用HF-HClO4-HNO3进行消解，Hg用HNO3-H2SO4-H2O2进行消解，然后用冷原子荧光测汞仪进行分析（李润东等，2004；施惠生等，2004）。实验过程中，每批次均进行空白、平行和标样对照实验，严格控制仪器加标回收率在95%~99%之间。烟气中的Cd和Pb采用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定；Hg采用《固定污染源废气汞的测定冷原子吸收分光光度法（暂行）》（HJ543─2009）测定（李润东等，2004；施惠生等，2004）。1.6浸出实验与分析按照《固体废物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》（HJ/T300─2007）方法进行实验，固液比为1∶5取固体残余物样品与蒸馏水（pH为5.2~6.1）于恒温振荡器（THZ-82，China）中搅拌混合，振荡器频率为150次/min，振荡8h，静置16h，以0.45μm滤膜过滤取滤液（即浸出液），采用ICP-AES对Cr、Cu、Cd、Pb、Zn和Ni含量进行分析，冷原子荧光测汞仪测量Hg含量，ICP-AES的精确度在2%以下，回收率在95%以上，测定偏差控制在5%以内，重金属质量分数的计算公式（施惠生等，2004；张厚坚等，2013）：(M)ρ×=×vwnm（1）688生态环境学报第25卷第4期（2016年4月）式中，w为重金属的质量浓度（干基），mg·kg-1；M为所测定的某种重金属；ρ为ICP-AES测定预处理样品得到的重金属质量浓度，mg·L-1；n为ICP-AES测定时预处理样品的稀释倍数；m为样品质量，kg；v为定容体积，L。2结果与讨论2.1生活垃圾渗滤液中重金属含量垃圾在入炉焚烧前，需在贮存池中停留5d以上以提高入炉垃圾的热值和品质，保证炉膛温度。在贮存过程中，由于微生物的发酵及重力挤压作用，3个垃圾场垃圾分别有13.2%、11.7%和15.7%的水分被排出成为渗滤液（依据全年生产报表计算）。渗滤液中各重金属含量见表1。由表1可知，渗滤液中含量较高的重金属为Zn、Ni、Cu和Pb；各重金属含量基本表现为垃圾场二垃圾场一垃圾场三，垃圾中各组分重金属含量表现出较为相似的趋势，依次表现为ZnCuNiPbCrCdHg，局部有所波动，Hg在3个垃圾场渗滤液中均未被检测出。为了提高垃圾热值，垃圾入场需要发酵5~7d，垃圾贮存是垃圾焚烧处理过程中不可或缺的环节，其对垃圾焚烧重金属的分配有着重大影响。虽然在垃圾渗滤液的排放标准中对重金属的含量没有限制，但是由于重金属的富集特性，将会对渗滤液处理工艺造成较大的损害，因此应采取措施控制进入垃圾渗滤液中的重金属。2.2生活垃圾底渣和飞灰中重金属含量3个垃圾场的焚烧炉炉膛温度均控制在950℃左右，在高温和炉排的搅动作用下，垃圾中一些重金属及其化合物将随着烟气进入余热回收系统，其余部分进入底渣。在余热回收系统中，由于烟气温度降低，气流速度减缓，一些较大颗粒沉积在管道中，部分重金属开始冷凝形成烟道灰。其余重金属将随烟气进入烟气处理系统，在烟气处理系统中，在活性炭吸附装置和布袋除尘器的截留作用下，烟气中的重金属大部分将被截留在飞灰中。底渣和飞灰中重金属含量见表2