「垃圾分類，從我做起」。一句通俗易懂的宣傳語，搭配上魔性的背景音樂，在垃圾桶旁無限循環播放，每扔一次垃圾都是一次精神「洗禮」。社區的叔叔、阿姨齊上陣，作為「桶前值守」志願者，不厭其煩地給大家講解分類方法。
也許你也曾困惑：為什麼我們要大力宣傳垃圾分類？在這裡，我們將從垃圾處置的最後環節垃圾焚燒飛灰（簡稱飛灰）處置，淺談一下垃圾分類的重要性。
生活垃圾焚燒發電
2020年，我國生活垃圾清運量達2.35億噸，「國內最大垃圾填埋場將被填滿」曾登上微博熱搜，引發人們對生活垃圾填埋及其他處置方法的廣泛討論。如果任由生活垃圾在城市近郊填埋，「垃圾圍城」將不再是科幻電影《機器人總動員》中的虛構場景，而會成為現實生活中大多數城市面臨的棘手問題。
圖1 機器人總動員劇照（圖片來自網絡）
為了突破「垃圾圍城」困局，歐美日韓等發達國家以及中國等發展中國家大力發展生活垃圾焚燒發電技術。通過焚燒的方式大規模消減垃圾體量，並將垃圾中的能量轉化為電能。2020年，我國生活垃圾焚燒比例為45%，共有1202台焚燒爐在商業運行，每天可以燒掉58萬噸垃圾。以一個三口之家為例，人均每天產生1千克垃圾，全家1年可以產生1噸多垃圾，而1噸垃圾焚燒將產生300千瓦時的電力，足夠家庭2-3個月的電力需求。
生活垃圾焚燒發電須遵循國家標準《GB 18485-2014 生活垃圾焚燒污染控制標準》，焚燒過程中入爐廢物條件、運行參數、污染物排放均有嚴格的要求。現代化的垃圾焚燒發電廠已經實現了垃圾處置各個環節的封閉式，廠區內及附近清潔無異味。此外，滲濾液經過生化發酵後可以提取沼氣，殘液則返回爐膛高溫處理。
圖2 生活垃圾焚燒發電廠示意圖（圖片來自網絡）
垃圾焚燒飛灰毒性
既然有這麼好處置技術，是不是就可以垃圾「無憂」了呢？當然不是。焚燒發電仍然不能完美解決垃圾處置「最後一公里」問題，即飛灰安全處置。垃圾燃燒及下游煙氣淨化必然產生一定量的飛灰。例如，主流的爐排爐垃圾焚燒技術飛灰產生比例約為入爐垃圾量的3~5%。根據國家標準《危險廢物鑑別標準浸出毒性鑑別》（GB5085.3-2007）的規定，由於其浸出毒性超標，飛灰被列入《國家危險廢物名錄（2021年版）》，類別為HW18。因此，世界各國對於飛灰處置均有明確且嚴格的規定。由於垃圾處理量的急劇增加，預計「十四五」末期我國飛灰年產量將產生千萬噸級規模。飛灰的處置成為建設綠水青山亟待解決的痛點問題。
飛灰，中位粒徑18.6μm，比麵粉還要細，顏色呈灰白色，有刺鼻性氣味，主要組成是氯化羥基鈣、硫酸鈣、氫氧化鈣、碳酸鈣、氯化鈉及氯化鉀等。從主要成分來看，好像完全沒必要「談灰色變」。實際上，飛灰中富集了大量的無機和有機有毒物質：有毒重金屬類就有鋅、銅、鎳、鎘、鉻、鉛、汞等，其中，重金屬鎘是二十世紀十大環境污染事件之一日本富山骨痛病的罪魁禍首；非金屬有毒元素還有砷，古裝電視劇中經常出現的「砒霜」即是砷的氧化物；此外，飛灰表面還附着有二噁英類劇毒有機物，其毒性比砒霜還強900倍，二噁英類物質難以通過生物降解，能夠長期存在於自然界中，甚至可能隨生物鏈富集到人類體內，造成人類器官慢性中毒甚至致癌突變。以二噁英為主要成分之一的「橙劑」曾在越南戰爭期間被美軍大量使用，造成幾百萬越南兒童畸形或身患癌症等疾病。
圖3 飛灰及局部放大1000倍照片
垃圾焚燒飛灰處置技術
因此，對飛灰這種危險廢棄物，處置方法務必萬分謹慎小心。目前，國際成熟商業化的處置技術主要有螯合穩定化-水泥固化、水泥窯協同處置。另外，還有其他正在開發的技術，如等離子體熔融技術等。
螯合穩定化-水泥固化技術是利用有機螯合劑構造「牢籠」限制灰中有害元素的遷移，而水泥則是在「牢籠」外再加一層「圍牆」。處置後的飛灰滿足《生活垃圾填埋場污染控制標準》，可以進入生活垃圾填埋場分區填埋。該技術優點是操作簡單、投資低及處置費用低。目前，全國大約90%飛灰採取該技術處置。然而，該技術並未真正實現垃圾飛灰無害化，隨着時間推移，雨水、風的不斷侵襲，未來有害物質析出風險依然存在。另外，處置仍需要占據「餘額」嚴重不足的填埋場空間，不符合未來飛灰資源化處置的願景。
圖4 飛灰螯合穩定化-水泥固化工藝流程示意圖（圖片來自網絡）
水泥窯協同處置技術則是利用水泥生產系統的高溫環境，實現飛灰中有害元素及二噁英類有機物的解毒。由於水泥生產工藝對生料中氯及鹼金屬有嚴格要求，而鹼金屬氯鹽卻又是飛灰主要成分之一，為此飛灰入窯前需要經過多級水洗進行脫鹽處理。水洗液則通過蒸髮結晶獲得氯化鈉及氯化鉀。窯內物料溫度、煙氣停留時間、氣體擾動和過量空氣係數滿足國際通用「3T+1E」原則，有害元素與礦物質在1400℃以上高溫實現固化，二噁英類有機物徹底分解，鈣基礦物質則蛻變成水泥產品。
然而，該技術有明顯的地域局限性，例如深圳、上海等地並沒有水泥生產線；同時，入爐生料中氯不得高於0.04%；而且水洗飛灰摻混比例通常不得高於4%，摻得過多將影響水泥品質及生產穩定性。此外，水洗液中鹽類蒸髮結晶能耗高，結晶鹽處理技術仍不成熟。
圖5 水泥窯協同處置飛灰工藝流程示意圖
目前，國內外研發團隊致力於徹底解決飛灰處置的技術難題，其中，等離子體熔融處置是研究熱點之一。該技術利用等離子體炬產生高溫等離子實現飛灰高溫熔融，該過程中二噁英類有機物徹底分解，有害元素高溫玻璃化，玻璃化熔渣浸出毒性低，飛灰減容量達到75%。可以說，等離子體熔融技術可以實現飛灰減量化、無害化和資源化。然而，該技術存在電力消耗過高、電極使用壽命短、耐熱材料腐蝕脫落等問題，導致設備投資及運行成本極其高昂。國內相關研究還處於半工業化試驗研究階段。
圖6 飛灰等離子體熔融處置工藝流程示意圖（圖片來自網絡）
基於國際通用的「3T+1E」原則，中國科學院工程熱物理研究所開發了飛灰流化熔融處置技術。該技術可以實現飛灰與助熔劑的高溫熔融，形成熔融玻璃化熔渣，直接將飛灰中的有害元素「封印」在玻璃體內，熔渣中有害物質浸出毒性測試極低；二噁英類有機物則徹底高溫分解，煙氣中二噁英類有機物濃度遠低於國家標準。該技術簡化了飛灰預處理過程，省去了水洗及造粒工序；同時，熔融處置關鍵能耗問題得到有效控制。該技術有望解決垃圾焚燒飛灰處置難題。
生活垃圾分類的重要性
無論飛灰處置技術如何先進，必然耗費大量能源及人力成本，同時還存在一定的環境風險。因此，面對日益龐大的飛灰產量，我們需要從源頭上減量、降毒，做好生活垃圾分類。
生活垃圾分類的基本原則是可回收物與不可回收物分開；可燃物與不可燃物分開；干垃圾與濕垃圾分開；有毒有害物質與一般物質分開。以北京為例，生活垃圾主要分為四類，即可回收垃圾、廚餘垃圾、其他垃圾和有害垃圾。
圖7 生活垃圾分類宣傳海報（圖片來自網絡）
不同類型垃圾處置方法迥異。其中，可回收垃圾則是盡最大可能分類回收利用，變廢為寶，節約資源；廚餘垃圾中含有大量有機物，水分含量高，一般採取衛生填埋和生化處理，利用微生物降解，可以轉化為有機肥料利用；有害垃圾處置則需要特別慎重，一般由專業資質公司集中處置；而其他垃圾具有一定熱值，可採用焚燒方式處置，充分利用可燃物的能量發電。
可見，從源頭上開展生活垃圾分類後，其他垃圾與另外三類垃圾分開，將大幅度減少焚燒處理量，飛灰量也將同步顯著降低。這樣我們既從源頭回收了資源，又一定程度上避免了飛灰處置的大量資源消耗。
因此，呼籲大家從源頭上開展生活垃圾分類，讓每一種垃圾都有自己最適合的「歸宿」，儘可能地回收利用垃圾中的可用物質，減少垃圾焚燒處理量，最大限度降低飛灰處理難度及成本。讓我們和技術人員一起努力，為祖國的綠水青山事業努力，守護好你我珍惜的藍天白雲、鳥語花香以及孩子們的歡笑聲。
來源：中國科學院工程熱物理研究所
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