城市固体废物焚烧飞灰中重金属的浸出特性及固化/ 资源化利用技术研究

引言

近年来，随着我国城市固体废物产生量的持续增加，垃圾焚烧发电作为主流处理方式被广泛应用。与传统填埋相比，焚烧具有减量效率高、能源回收价值大和占地面积小的优势，但在焚烧过程中产生的飞灰却成为制约焚烧技术可持续发展的关键问题。飞灰中往往含有Pb、Cd、Cr、Zn、Cu、Ni 等多种重金属，这些元素不仅浓度较高，而且部分以易溶或弱结合形态存在，极易在自然环境中发生迁移和释放，从而对土壤、水体和大气造成二次污染。我国相关法规已将焚烧飞灰列为危险废物，其处理和处置必须严格遵循“无害化、减量化、资源化”的原则。在多种技术中，固化 / 稳定化处理能够有效降低重金属的浸出风险，而资源化利用则为实现飞灰的循环再生提供了新思路和现实路径。本文旨在通过分析飞灰中重金属的浸出特性，总结固化 / 稳定化与资源化利用的研究进展，进一步探索未来发展方向，为城市固废的绿色管理提供理论支持与实践借鉴。

一、焚烧飞灰中重金属的浸出特性

1.1 重金属的主要种类与赋存形态

焚烧飞灰中重金属种类繁多，其中以 Pb、Cd、Zn、Cu 和 Cr 为最具代表性的污染元素。不同金属在飞灰中的存在形态差异较大，一般可分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态。其中可交换态和碳酸盐结合态重金属最易溶解，在酸性或弱碱性条件下易发生迁移，因而对环境风险最大。而残渣态和部分有机结合态金属则较为稳定，不易发生浸出。飞灰中重金属的赋存形态不仅取决于焚烧温度和燃料组成，还受到烟气净化系统的工艺条件影响。例如，在高温下 Cd 和 Pb 易挥发并富集在飞灰中，而 Cu、Cr等则部分固留在底渣或灰渣颗粒中。研究还表明，飞灰中金属形态往往呈现出复杂的多样性，不同形态之间可能随环境条件变化而发生转化，例如氧化还原作用和酸碱度改变会促进金属由稳定态向活性态的迁移，这种转化进一步增加了重金属潜在的生态风险。因而，对飞灰重金属赋存特性的深入分析，不仅有助于判断其环境行为，还为制定合理的处理和资源化利用技术提供理论依据。

1.2 重金属浸出的影响因素

飞灰中重金属的浸出行为受多种因素制约。首先是 pH 值的影响，酸性条件下金属离子更易被溶解，尤其是 Pb 和 Cd 的浸出浓度会显著升高。其次，飞灰中的氯盐和硫酸盐含量对重金属的释放有重要作用，这些盐类在溶液中会增强重金属的溶解度。再者，温度、液固比以及反应时间也会影响金属离子的释放速率。研究表明，在动态淋溶条件下，部分重金属会发生二次溶解和再沉淀，从而形成复杂的迁移规律。此外，飞灰中二噁英和有机物的存在也可能与重金属形成络合物，改变其浸出特性。因此，重金属的浸出是一个受多重因素共同作用的动态过程，必须结合飞灰理化特征进行系统评估。进一步的研究还发现，飞灰颗粒的比表面积和孔隙结构会显著影响金属离子的释放速率，细颗粒更易与外界环境发生作用；同时外部环境中碳酸盐和氯化物离子也可能对浸出结果产生协同或竞争效应，使得重金属在不同情境下表现出差异化的溶出规律。

二、飞灰的固化/ 稳定化处理技术

2.1 水泥基固化技术

水泥固化是目前应用最广泛的飞灰处理方法之一，其基本原理是利用水泥的水化反应生成的氢氧化钙、硅酸钙凝胶和铝酸钙水化物等产物，将重金属固定在固体骨架中，从而降低其浸出性。该方法具有工艺成熟、成本低和适用性强的优势，能够显著降低 Pb、Cd 等重金属的浸出浓度。然而，飞灰中的氯离子和硫酸根离子可能会与水泥水化产物发生反应，导致固化体结构疏松，影响长期稳定性。因此，水泥基固化常需辅以矿物掺合料如粉煤灰、矿渣或硅灰，以改善固化性能并提高长期耐久性。

2.2 化学药剂稳定化技术

化学稳定化是通过添加石灰、磷酸盐、硫化物或螯合剂等药剂，使重金属转化为难溶沉淀或络合物，降低其生物有效性。石灰可提高体系 pH 值，从而促进金属氢氧化物沉淀的形成；磷酸盐能够与 Pb、Cd 生成稳定的磷酸盐矿物；而硫化物则可与 Cu、Zn 等形成难溶硫化物。近年来，一些有机螯合剂如 EDTA、DTPA 也被用于飞灰中金属的固定，效果良好。但需注意，部分螯合剂可能存在环境持久性问题，带来新的风险，因此如何选择绿色高效的稳定剂成为研究重点。

2.3 热处理与玻璃化技术

热处理包括高温熔融、烧结和玻璃化等方法，其原理是通过高温作用将重金属固定在惰性矿物晶格或玻璃态结构中，达到彻底稳定化的效果。熔融处理能够实现飞灰的减量化和无害化，但能耗高、设备投资大。玻璃化工艺则通过形成致密的玻璃网络结构，将金属牢固封闭，浸出率极低，是一种长期稳定性优良的处理方式。部分研究还将飞灰与其他工业固废（如高炉渣、粉煤灰）共同熔融，不仅提高了处理效率，还实现了资源的协同利用。

三、飞灰的资源化利用途径

飞灰处理的终极目标不仅是无害化，更应向资源化方向发展。首先，经过固化 / 稳定化处理后的飞灰可作为水泥、混凝土或砖材的掺合料，替代部分天然原料，减少对矿产资源的消耗。其次，通过酸浸或电化学方法，可从飞灰中回收 Zn、Cu 等有价金属，实现“变废为宝”。此外，飞灰还可与其他固体废弃物协同利用，如制备玻璃陶瓷、沥青填料或土壤改良剂。但需注意，在资源化利用过程中必须严格控制二次污染风险，确保材料的环境安全性和产品性能的可靠性。未来，应加强飞灰资源化产品的标准制定和市场推广，推动产业化应用。

四、结论

城市固体废物焚烧飞灰因含有多种重金属元素而具有潜在环境风险，其浸出特性受 pH、盐类、温度等多种因素影响。固化 / 稳定化处理是当前主要的无害化路径，水泥基固化、化学药剂稳定化及热处理技术均表现出良好效果；资源化利用则为飞灰的可持续管理提供了新思路，如建材利用和金属回收。未来应加强飞灰中重金属迁移机理的基础研究，探索绿色高效的稳定剂与协同利用工艺，并完善相关政策和标准体系，以推动飞灰处理向安全化、资源化和产业化方向发展。

参考文献：

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