垃圾焚烧飞灰稳定化处理中重金属浸出毒性抑制的纳米零价铁耦合效应

键词：垃圾焚烧飞灰；重金属；浸出毒性；纳米零价铁；耦合效应；稳定化处理

一、引言

随着城市生活垃圾焚烧处理量的不断增加，垃圾焚烧飞灰（MunicipalSolid Waste Incineration Fly Ash，MSWIFA）的产生量也日益庞大 。垃圾焚烧飞灰是垃圾焚烧过程中，烟气净化系统收集到的细颗粒物质，其含有大量重金属（如铅、镉、铬、汞等）和二噁英等有害物质 。若未经妥善处理直接排放或填埋，重金属会在雨水淋溶等作用下浸出，污染土壤、地表水和地下水，对生态环境和人体健康构成严重威胁 。因此，实现垃圾焚烧飞灰的安全处置，有效抑制重金属浸出毒性，成为当前环境保护领域的重要研究课题。

纳米零价铁（nanoscale zero - valent iron，nZVI）作为一种新型功能材料，具有比表面积大、反应活性高、还原性强等特点，在环境污染修复领域展现出巨大潜力 。将 nZVI 应用于垃圾焚烧飞灰稳定化处理，通过其与飞灰中重金属及其他成分的耦合作用，可有效抑制重金属的浸出。研究nZVI 在垃圾焚烧飞灰稳定化处理中对重金属浸出毒性的抑制效应，对于推动垃圾焚烧飞灰的无害化、资源化利用具有重要意义。

二、垃圾焚烧飞灰的危害与处理现状

（一）垃圾焚烧飞灰的危害

垃圾焚烧飞灰中的重金属具有毒性大、迁移性强、难降解等特点 。例如，铅会损害人体神经系统、血液系统和肾脏；镉可导致肾脏功能损害和骨骼病变；汞对神经系统和免疫系统有严重危害 。当飞灰中的重金属浸出进入环境后，会通过食物链富集，最终危害人体健康。此外，飞灰中的二噁英等有机污染物也具有高毒性和持久性，进一步加剧了环境风险。

（二）现有处理方法及局限性

目前，垃圾焚烧飞灰的处理方法主要包括固化 / 稳定化、化学淋洗、高温处理等 。固化 / 稳定化是最常用的方法，通过添加固化剂（如水泥、石灰等）将飞灰中的重金属固定在固化体中，但该方法会增加飞灰的体积，且长期稳定性有待验证；化学淋洗虽然能有效去除飞灰中的重金属，但会产生大量二次污染废水；高温处理可使重金属挥发或固定在玻璃体中，但能耗高、成本大，且存在二噁英二次生成的风险 。这些传统方法在处理效果、成本或环境友好性方面存在一定局限性，亟需开发更高效、环保的处理技术。

三、纳米零价铁抑制重金属浸出毒性的耦合效应机制

（一）物理吸附作用

nZVI 具有巨大的比表面积和丰富的孔隙结构，能够通过物理吸附作用将飞灰中的重金属离子吸附在其表面 。其表面的活性位点与重金属离子之间存在范德华力、静电引力等相互作用，使重金属离子富集在 nZVI 表面，从而降低重金属在飞灰中的迁移性，减少浸出 。

（二）化学反应作用

nZVI 具有强还原性，可与飞灰中的重金属离子发生氧化还原反应，将高价态的重金属离子还原为低价态或零价态 。例如，nZVI 可将 Cr (VI) 还原为 Cr (III)，降低其毒性；将 Hg (II) 还原为 Hg (0)，使其形成挥发性汞或固定在飞灰中 。此外，nZVI 在反应过程中会生成铁的氧化物和氢氧化物（如 Fe₃O₄ 、FeOOH 等），这些产物也能通过表面络合、离子交换等作用进一步固定重金属 。

（三）协同催化作用

nZVI 与飞灰中的其他成分（如矿物、有机质等）存在协同催化效应 。飞灰中的某些矿物成分可作为催化剂，促进 nZVI 与重金属的反应；而nZVI 的存在也可改变飞灰中其他成分的化学性质，增强对重金属的固定能力 。例如，飞灰中的铁氧化物可与 nZVI 形成原电池，加速电子传递，提高重金属的还原效率；有机质可与 nZVI 结合，改善其分散性，同时通过

络合作用稳定重金属 。

四、影响纳米零价铁耦合效应的因素

（一）nZVI 粒径

nZVI 的粒径越小，比表面积越大，表面活性位点越多，与重金属的接触机会增加，耦合效应越强 。但粒径过小会导致 nZVI 团聚，降低其分散性和反应活性 。研究表明，当 nZVI 粒径在 20-50nm 时，对飞灰中重金属的浸出毒性抑制效果最佳 。

（二）nZVI 投加量

随着 nZVI 投加量的增加，其与重金属的反应位点增多，重金属的去除率和固定率提高 。然而，当投加量超过一定值后，继续增加投加量对抑制效果的提升作用不明显，且会增加处理成本 。因此，需要根据飞灰中重金属的含量和种类，优化 nZVI 的投加量。

（三）反应时间

在反应初期，nZVI 与重金属的反应速率较快，重金属浸出毒性迅速降低 。随着反应的进行，nZVI 表面活性位点逐渐被消耗，反应速率减慢 。达到一定反应时间后，反应趋于平衡，继续延长反应时间对抑制效果的改善作用有限 。通常，反应时间控制在 2 - 4 小时较为适宜 。

（四）环境条件

溶液的 pH 值、氧化还原电位（ORP）、温度等环境条件对 nZVI 的耦合效应有显著影响 。酸性条件有利于 nZVI 的溶解和重金属的还原，但会增加铁的消耗；碱性条件下，nZVI 表面易形成氢氧化物沉淀，影响其反应活性 。合适的 ORP 和温度有助于提高 nZVI 与重金属的反应速率和稳定性 。

五、纳米零价铁耦合效应的应用案例

在某垃圾焚烧厂的飞灰处理项目中，采用 nZVI 耦合处理技术对飞灰进行稳定化处理 。根据飞灰中重金属的含量，确定 nZVI 投加量为飞灰质量的 3% ，反应时间为 3 小时，在中性 pH 条件下进行处理 。处理后，飞灰中铅、镉、铬等重金属的浸出浓度均低于《生活垃圾填埋场污染控制标准》规定的限值，浸出毒性显著降低 。经后续填埋处置，未出现重金属污染地下水和土壤的情况，验证了 nZVI 耦合处理技术在垃圾焚烧飞灰稳定化处理中的有效性 。

六、结论与展望

纳米零价铁在垃圾焚烧飞灰稳定化处理中对重金属浸出毒性的抑制具有显著的耦合效应，通过物理吸附、化学反应和协同催化等多种作用机制，可有效降低重金属的迁移性和毒性 。nZVI 粒径、投加量、反应时间和环境条件等因素会影响耦合效应的发挥，合理控制这些因素能够提高处理效果。未来，需要进一步优化 nZVI 的制备工艺，降低成本；研究 nZVI 的改性方法，提高其分散性和反应活性；加强 nZVI 耦合处理技术与其他处理方法的联合应用研究，实现垃圾焚烧飞灰的高效、安全处置，为环境保护和可持续发展提供有力支持。

参考文献

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