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刘建国:焚烧飞灰处理,拷问环境伦理

时间:2017-09-13 09:41

作者:刘建国

编者按:目前,水泥窑协同处置废弃物项目热度日益高涨,越来越多的水泥企业计划或者已经上马协同处置项目,作者在文中详细阐述了水泥窑协同处置飞灰的优势和问题所在,故转发该文供水泥企业参考。

引言

近年来,我国生活垃圾焚烧得到快速发展。截止2015年底,全国已建成生活垃圾焚烧厂219座,日处理能力达到21.6万吨,占我国城市生活垃圾无害化处理总量的比例已经超过32%,预计在2020年内将超过50%,这意味着焚烧将代替填埋,成为我国城市生活垃圾处理的主导技术。

生活垃圾焚烧是一个剧烈的高温热化学反应过程,其环境影响和环境风险主要来自于高温焚烧产生的烟气,社会和民众最为关切的也是焚烧烟气,因而烟气净化是垃圾焚烧系统配置和运营管理的重点和焦点所在。在一定程度上,生活垃圾焚烧技术发展进步的过程就是烟气净化水平不断提高的过程。随着烟气净化水平的不断提高,排放到大气中的烟气越来越清洁,而净化系统截留捕集的细颗粒物—生活垃圾焚烧飞灰(以下简称飞灰)变得越来越“肮脏”。因富集了毒性较强的重金属和二噁英类污染物,飞灰在世界各国均属于需要重点控制的危险废物

我国生活垃圾焚烧取得了快速发展和长足进步,但飞灰的处理远不如人意,成为生活垃圾焚烧全过程污染控制和风险管理中最为薄弱的环节。由于缺乏可靠的统计数据,历年来我国飞灰真实的无害化处理率不得而知,但估计远低于预期。近期媒体上频频报道的飞灰无序堆放、不规范处理及利用的案例也充分说明了这一点。2014年7月1日,我国新的《生活垃圾焚烧污染控制标准》正式施行,烟气净化标准进一步向国际先进水平看齐,控制生活垃圾焚烧“最后一公里”污染的重点应该转向飞灰处理,否则将为我国固体废物环境管理埋下一颗“定时炸弹”。

2016年8月1日起施行的《国家危险废物名录》将焚烧飞灰进入生活垃圾填埋场处置以及进入水泥窑协同处理的过程纳入豁免清单管理。但是,我国飞灰处理的技术路线尚不明确,政府、行业、企业和专家对飞灰处理的不同技术还存在较大争议。

本文将在对我国生活垃圾焚烧飞灰性质及现有处理技术进行综合分析的基础上,以改善环境质量为根本目标,以控制环境风险、遵循环境伦理为基本原则,提出我国生活垃圾焚烧飞灰处理的适用技术路线。

一、我国生活垃圾焚烧飞灰基本性质

准确全面地认识我国生活垃圾焚烧飞灰的基本性质是处理技术路线选择的基础。我国生活垃圾焚烧飞灰的基本性质是:

(1)产生量巨大。我国生活垃圾焚烧有机械炉排焚烧炉和流化床焚烧炉两种主流炉型,目前二者的处理能力分别约占我国生活垃圾焚烧总处理能力的2/3和1/3。机械炉排焚烧炉飞灰产生量较小,约为入炉垃圾量的3~5%;流化床焚烧炉飞灰产生量较大,约为入炉垃圾量的10~15%。据此估算,2014年我国生活垃圾焚烧飞灰产生量约400万吨,其中机械炉排焚烧炉飞灰约150万吨,流化床焚烧炉飞灰约250万吨。根据环保部发布的官方统计数据,2014年我国各类危险废物产生总量仅为3634万吨,可见飞灰在我国危险废物管理中的重要性。

(2)富集重金属和二噁英。生活垃圾中焚烧中大部分重金属和二噁英被烟气净化系统截留而富集于飞灰中,因而飞灰是环境中重金属和二噁英的重要“汇”,是明确列入我国《国家危险废物名录》的危险废物,适用于机械炉排焚烧炉飞灰,同样适用于流化床焚烧炉飞灰,不需要再做进一步的鉴别来确定其属性。这一属性必须明确坚持,否则将带来生活垃圾焚烧环境监管和市场竞争中的混乱。

(3)挥发性元素含量高。生活垃圾焚烧飞灰的性质随垃圾组分、季节、焚烧条件、烟气净化水平等的变化而产生较大波动,但飞灰的主要化学组分为钙、硅和铝,接近普通硅酸盐水泥,存在作为建筑材料进行资源化利用的一定物质基础。但是,飞灰中氯、硫、钾、钠等挥发性元素含量较高,对其处理和利用影响较大。特别是由于含氯塑料和食盐含量较高的厨余垃圾入炉焚烧,导致我国飞灰的氯元素含量显著高于发达国家,大大增加了飞灰处理与利用的难度。

二、我国生活垃圾焚烧飞灰处理技术路线分析

危险废物管理实质上是风险管理,目的在于将污染物的环境风险控制在可接受范围内。环境风险控制主要有两条途径,一是源头破坏去除污染物,即削减污染源强;二是降低污染物迁移性,即切断暴露途径。飞灰的风险主要来自于其中富集的重金属和二噁英。二噁英虽然毒性较强,但在飞灰中含量甚微,且水溶性极低,控制其迁移相对容易。重金属在飞灰中含量较高,且遇水易溶出释放,是环境风险控制的重中之重。

基于飞灰的基本性质及风险控制的主要途径,目前世界上飞灰处理主要有土地(包括地质)处置和建材化利用两条技术路线。土地处置技术成熟,流程较短,可有效切断污染物的暴露途径,从而实现环境风险最小化的目标,因而一直是飞灰处理的主流技术路线,得到广泛认可和应用。建材化利用机理尚不明晰,技术尚不成熟,流程较为复杂,污染物暴露途径增多,整体而言不利于实现环境风险最小化的目标,在世界上仅有零星应用。生活垃圾焚烧飞灰采用何种处理方式,取决于各国的自然社会经济条件和法规标准要求。具体而言,土地处置包括固化稳定化后填埋处置和深部矿井贮存,建材化利用包括水泥窑协同处置、烧结和熔融。

固化稳定化后进入危险废物安全填埋场处置是最为稳妥的处置方式。但是由于飞灰产生量巨大,即使将我国已建成的危险废物安全填埋场的所有库容都用来处置新增飞灰,不到一年就将全部填满。同时,安全填埋场投资成本较高,以每吨飞灰的入场费用1500元计,折合到每吨生活垃圾的处理成本,机械炉排焚烧炉增加约60元,流化床焚烧炉增加约180元。考虑到填埋前必不可少的固化稳定化操作,安全填埋处置的成本还要更高。目前我国生活垃圾焚烧处理正常(而不是低价!)中标价格一般为每吨垃圾60~80元,仅仅支付飞灰填埋处置成本都不够。由此可见,不管是在能力上,还是在经济上,飞灰固化稳定化后进入危险废物安全填埋场处置的道路都是行不通的。_ueditor_page_break_tag_

考虑到了上述情况,我国2008年修订颁布的《生活垃圾卫生填埋污染控制标准》规定,飞灰经预处理满足一定的入场要求后,可以进入卫生填埋场的独立单元填埋处置。与飞灰进入安全填埋场的入场要求相比较,进入卫生填埋场的入场要求增加了含水率、二噁英的含量限值,对重金属的要求也更为苛刻,如铅、镉、镍、砷的浸出浓度限值降低了数倍到数十倍不等。几年来的实践表明,部分重金属(如铅)难以稳定达到入场标准,且重金属固定主要依赖有机或无机螯合剂,长期固定效果存在一定的不确定性。另外,在现实条件下,飞灰中的二噁英含量不可能频繁地取样检测,也给标准执行和环境监管带来了较大困难。尽管如此,这一规定仍然为飞灰的规范处理提供了更加可行的选择,只要管理得当,完全可以有效控制飞灰的环境风险。

深部矿井贮存是将飞灰置于容器中,长期贮存于采矿后形成的与生物圈隔离的深部矿井空间,要求地质上长期稳定,不存在地下水,具有多层不透水的隔离屏障,深度在地表400米以下,首选受纳矿井为岩盐矿,被认为是最为安全的高毒性难处理固态危险废物处置方式。该技术主要流行于环保要求极为严格的德国,德国政府于2002年专门出台了《废物地下充填条例》,来规范和推动该技术的发展与应用。德国的飞灰主要采用深部矿井贮存方式处置。我国尚无此方面的系统研究与实践经验。

由于飞灰土地处置存在的上述实际困难,建材化利用特别是水泥窑协同处置在我国受到了广泛关注,甚至被当做“救命稻草”。水泥窑协同处置飞灰的确具有较大优势,如可替代部分原料、处理量较大、处理较为彻底、二噁英可完全焚毁去除等。我国于2013年发布了《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》和《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》,为水泥窑协同处置飞灰提供了规范化管理的依据,同时北京等地的实践也为水泥窑协同处置飞灰积累了一定的经验。但是,从环境风险控制角度来看,水泥窑协同处置飞灰并非最佳可行方案,甚至存在“致命缺陷”:

(1)飞灰氯、硫、钾、钠等挥发性元素含量较高,进入水泥窑之前必须进行水洗预处理以去除挥发性元素,特别是要去除氯(要求含量小于<0.04%),这样必然会产生氯盐浓度很高的水洗废水,目前还没有运行稳定、效果良好、经济可行的处理方法。

(2)飞灰特别是炉排炉焚烧飞灰中铅、镉、汞等毒性较强的重金属含量一般较水泥生料高2~3个数量级,水洗预处理过程中通常会添加沉淀药剂让重金属尽可能多地存留于固体中。进行粗略物料衡算,即使飞灰仅以1%的掺加比进入水泥窑协同处置,也将使水泥中重金属的含量增加1~10倍以上。

(3)水泥煅烧过程中铅、镉、汞等毒性较强的重金属绝大部分挥发进入烟气,烟气中绝大部分的铅和镉及50%左右的汞被捕集进入窑灰,但是水泥窑窑灰并不按照废物管理,而是返回窑内再次煅烧或直接与水泥熟料混合,成为水泥产品的一部分,这样实质上是将重金属分散稀释到了水泥产品中,增大了其缓慢向环境释放的风险,同时还增加了汞向大气环境的额外排放。

(4)水泥制品在环境中均有一定寿命,服役期满后均会成为建筑废物,目前协同处置飞灰带入的大量重金属无疑将成为未来建筑废物处理和利用的沉重负担。

飞灰经水洗预处理后,与粘土等混合造粒成型,然后进入烧结窑高温烧结,可生产建筑轻骨料,具有与水泥窑协同处置相似的优势,同时也不可避免地也具有与水泥窑协同处置相似的缺陷。但是,由于烧结烟气产生量相对较少,若在烧结过程中“有意”将重金属驱赶至烟气中,再加以回收或处理,则可避免重金属的转移或稀释。熔融是在较烧结更高的温度下将飞灰熔化,然后凝固为玻璃体,重金属大部分挥发至烟气中后被捕集,少部分被固定在玻璃体矿物结构中,但存在的问题是工艺设备复杂,能耗大,成本高,仅在日本有一定应用。

三、思考与展望

生活垃圾焚烧本质上是将分散在环境中的污染物集中起来加以焚毁去除和分离浓缩的过程,而飞灰则是毒性污染物分离浓缩的终端产物。飞灰中的毒性物质越多,意味着释放到环境中的毒性物质越少。从这个意义上来讲,我们不需要为飞灰中富集了大量毒性物质而感到害怕,反而应该感到高兴。

对烟气污染物排放符合标准的生活垃圾焚烧厂而言,只要飞灰得到了妥善处置,其污染控制的目标即可最终达到;也只有飞灰得到了妥善处置,其污染控制的目标才算最终达到。判断飞灰是否得到妥善处置,最主要的是评估其环境风险是否得到有效控制。控制我国生活垃圾焚烧飞灰的环境风险,必须要警惕“敷衍了事”的最终处置,更要防止“短期功利”的资源化利用。以更为广泛的视野和更为长远的眼光加以审视,要符合环境伦理的基本要求。

生活垃圾焚烧飞灰特性复杂,危害严重,其处理技术路线必须全局统筹、系统设计,慎重选择,控制风险,在确保无害化的前提下再考虑资源综合利用。一些技术看似可实现飞灰的资源化利用,实则“压下葫芦起了瓢”,在复杂的工艺过程中又产生了新的难以控制的废水、废气及固体废物,将生活垃圾处理过程中历经多重环节、付出很大代价才富集到相对稳定的少量固体残渣中的毒性污染物重新释放到水、大气和土壤等环境介质中,形成了“逆向污染控制”。更为隐蔽的是,作为特征污染物的重金属不可能被消灭,甚至也未被有效固定,而是被高度“稀释”后分散在更易暴露于人群的产品中,使产品中的重金属含量数倍地增加,从而将当代人产生的飞灰处理问题扩大化地“转移”至下一代,成为下一代必须面临的废物处理问题。

生活垃圾焚烧飞灰的首要危害物质是重金属,飞灰处理的主要目标在于控制重金属的环境风险,因而符合环境伦理的飞灰资源化利用工艺必须同步实现重金属的分离回收,否则就会模糊焦点,本末倒置。飞灰烧结或熔融具备一定的分离回收重金属的潜力,是飞灰资源化利用方面有一定可能的发展方向。尽管水泥窑在处理多种工业固体废物和危险废物方面具有无可比拟的巨大优势,但是由于飞灰的特殊性质,水泥窑协同处置飞灰属于权宜之计,不宜提倡推广。

固化稳定化后因地制宜地进行规范的填埋处置可有效切断重金属和二噁英的暴露途径,从而实现环境风险最小化的目标,是我国生活垃圾焚烧飞灰处理的现实选择。现阶段应在系统全面的技术评估及标准实施效果后评估的基础上,对相关标准进行必要的修订,并研究建设飞灰专用填埋场的可行性。_ueditor_page_break_tag_

同时,德国利用深部岩盐矿井处理飞灰的方式也给我们带来很大启发。我国地下岩盐资源丰富,分布范围较广,苏北、苏南、安徽、山东、湖北、四川、云南、陕西等地均有大型盐矿分布,特别是陕西省榆林市探明的特大型岩盐矿床可开采上万年,分布面积广,埋藏深,厚度大,具备建设危险废物地下贮存库的地质条件。我国应借鉴德国的成功经验,积极开展相关研究和示范,逐步推广应用岩盐矿井贮存技术,为我国生活垃圾焚烧飞灰乃至其它高毒性难处理危险废物提供一条成本低廉、安全可靠的处理途径。

综上,以改善环境质量为根本目标,以控制环境风险、遵循环境伦理为基本原则,我国生活垃圾焚烧飞灰处理的可行技术路线包括(按照优先度排序):(1)固化稳定化后进行规范的填埋处置;(2)深部岩盐矿井地下贮存;(3)同步重金属分离回收的建材化利用。

(作者:刘建国,清华大学环境学院教授,博士生导师,固体废物处理与环境安全教育部重点实验室副主任。)