随着城市人口增长、社会经济发展和人民生活水平的提高，城市生活垃圾 产量也在快速增加。垃圾焚烧处理具有占地面积小，减量化、无害化和资源化 效果好等优点，在我国许多城市的固体废物管理中正占据着越来越重要的地位。 焚烧处理垃圾的减量效果(体积减量84％～96％，质量减量70％～82％)显著，但 是生活垃圾中的主要污染物——重金属，却在焚烧过程中得到浓缩，在经过一 系列的物理化学反应后，会以原来的或经改变后的化学形态，从垃圾中迁移至 炉渣或飞灰，形成焚烧过程的二次污染物。 因此，本文依托上海市已建成的两座现代化大型城市生活垃圾焚烧发电厂， 通过对其贮坑垃圾物理组成与重金属性质、沥滤液、炉渣和飞灰的重金属污染 特性长达1年时间的同步定期监测和物流分析，采用多种统计学方法，研究了焚 烧垃圾重金属源特征及其在焚烧过程中的迁移规律；通过多种浸出测试方法实 验和Visual MINTEQ模型模拟，研究了焚烧灰渣重金属化学形态、外界浸出条件 (振荡方式、液固比、浸取剂Cl-浓度、温度、浸出时间、浸出液pH)和浸出过 程的溶解/沉淀、氧化还原、吸附等平衡反应对重金属浸出迁移特性的影响及其 浸出机理，评估焚烧灰渣的浸出风险；并在对灰渣重金属浸出过程深入研究的 基础上，采用3种广泛应用的标准浸出方法，以原状飞灰和老化飞灰为对象，讨 论了标准浸出测试方法鉴别垃圾焚烧飞灰这种强碱性废物的适用性。 研究主要结论如下。 1.源自不同区域的上海两焚烧厂生活垃圾重金属均值和浓度分布无显著差 异。统计分析结果表明，除部分组分含有其特征性重金属(如部分玻璃中含高 浓度As、部分塑料和玻璃组分中含高浓度Pb)外，大部分重金属在焚烧垃圾各 组分中分布均匀，说明重金属在垃圾收集、运输和贮存过程中得到了混合和重 新分配。 混合收集垃圾中的厨余组分含量大，重金属浓度较高，是焚烧垃圾中重金 属的主要来源；其次为玻璃和塑料组分；厨余组分的重金属浓度远高于食品背 景值或是源分类收集厨余的相应浓度。对受不同程度交叉污染的易腐有机垃圾 的重金属浓度分析结果表明，在垃圾混合收集、运输和贮存过程中，厨余受到 了高重金属含量的细颗粒(可能来自尘土、城市表土和大气降尘，以及金属和 渣石等的碎屑)沾污，使其所有的重金属含量均显著升高，且与细颗粒的量呈 正比。 比较焚烧厂混合收集垃圾和居民区垃圾的重金属浓度可发现，居民区垃圾 对焚烧垃圾重金属含量贡献较小，说明尚有其它未知来源的垃圾对焚烧垃圾重 金属有重要贡献。如果能有效地控制生活垃圾物流，则可望有效降低焚烧垃圾 中的重金属浓度，从而明显降低焚烧过程重金属的二次污染。 2.根据上海两座城市生活垃圾焚烧发电厂的物流监测分析结果，焚烧厂每 焚烧1t垃圾(以进厂垃圾计)，产生约210kg水冷炉渣和16～27kg飞灰(均以 湿基计)。 焚烧过程中，生活垃圾中的Hg和Cd(易挥发元素)基本通过挥发/冷凝/ 吸附过程进入飞灰，因此其在飞灰中的浓度与飞灰粒径分布呈反比，且浓度远 高于炉渣(分别为40倍和10倍)；Cr、Cu和Ni的挥发性较小，主要通过烟气 夹带的方式进入飞灰，并在各粒径飞灰上均匀分布，与炉渣中相应的浓度也基 本相似；Pb和Zn通过烟气夹带和挥发两种方式进入飞灰，在飞灰中的浓度高于 (2～4倍)炉渣；飞灰中的As比较特殊，主要来自挥发迁移，但因玻璃组分中 As的挥发机会较小，因此生活垃圾中As迁移至飞灰的比例很低。 虽然焚烧飞灰比炉渣富集了更高浓度的重金属，但因炉渣占了焚烧灰渣质 量的85％～93％，因此，生活垃圾中大部分重金属：80％以上的As、Cr、Cu和 Ni，74％～94％的Zn和46％～79％的Pb，仍主要留在炉渣中；易挥发重金属Cd 和Hg，则主要迁移至飞灰中，在飞灰中的分配率分别达47％～73％和60％～100％。 4.城市生活垃圾焚烧飞灰Pb和Hg的国标浸出浓度均超过我国危险废物浸 出毒性鉴别标准限值(超标率分别为100％和＞80％)，飞灰属于危险废物；而炉 渣中的重金属浸出浓度较低，始终远低于标准限值，为一般固体废物；焚烧飞 灰和炉渣的重金属浸出浓度与其总量均无显著的相关性，而主要受重金属的化 学形态控制；不同的浸出液pH下，焚烧灰渣重金属浸出的控制固体不同；液固 比和浸出液pH是影响重金属浸出的主要因素，前者决定了灰渣的可浸出浓度， 而后者则通过改变重金属在浸出体系中的化学形态，进而影响重金属的浸出浓 度；灰渣浸出主要是受溶解/沉淀平衡以及吸附反应控制，氧化还原反应作用的 影响不明显；HFO和非晶形(氢)氧化铝在酸性至中性pH条件下可吸附Cd、 Cr和Ni从而影响其浸出；但在碱性条件下，吸附作用较弱，转而由溶解/沉淀 平衡控制重金属浸出；Cu、Pb和Zn的浸出主要由溶解/沉淀平衡决定，吸附作 用对其影响不大。 5.采用不同的标准浸出测试方法鉴别相同的原状和老化飞灰样品，可得到 不同甚至截然相反的鉴别结果。pH相关浸出测试、PLS分析和Visual MINTEQ 模型模拟的结果表明，不同的标准浸出测试方法和老化过程对飞灰重金属浸出 浓度均有影响，因为浸取剂酸性程度和飞灰的碳酸盐化程度均会影响飞灰浸出 液的pH，从而改变重金属的化学形态，影响了重金属的浸出浓度。老化前后飞 灰的pH相关浸出特性始终没有改变，因此，当被标准浸出方法鉴别为“无害” 的老化飞灰处于酸性环境时，飞灰中重金属就会有被重新浸出的风险。虽然老 化飞灰处在酸性环境条件下的长期稳定性没有保障，但因其酸中和能力仍然很 强，通常情况下不易达到重金属大量浸出的浸出液pH范围，因此通过适度加水 湿润飞灰使其老化，作为有效的临时性稳定手段，可控制飞灰在运输和短期贮 存过程中的污染风险。 6.采用单一浸出条件(固定液固比、浸取剂类型和浓度等)的标准浸出测 试方法鉴别飞灰这种强碱性废物时，只能得到该特定浸出条件下的浸出结果， 而不能判断飞灰的长期浸出风险和评估其可能造成的危害，也不能预测飞灰贮 存、处理处置等过程中发生老化反应后的重金属浸出毒性变化。本文的研究表 明，飞灰老化过程中的浸出毒性变化可通过飞灰的pH相关浸出测试结果得到很 好地预测。通过pH相关浸出测试来判断飞灰的浸出风险和危害，是一种有效而 又简便的方法，可作为标准浸出测试方法的替代或强有力的辅助手段，弥补标 准浸出测试方法的缺陷。 关键词：城市生活垃圾焚烧；飞灰；炉渣；重金属；源特征；迁移；浸出；Visual MINTEQ 模型模拟