生活垃圾焚烧飞灰处置技术与资源化利用途径综述

发布时间：2025-09-26 05:08

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摘要：焚烧是目前城市生活垃圾处理最主要的方式，但产生的飞灰含有过量的重金属、二噁英和氯盐等有毒有害成分，被认定为危险废物。主要论述飞灰的形成及来源、理化性质、污染特性和危害，总结飞灰固化/稳定化、水热处理、低温热处理、高温烧结、高温熔融以及等离子熔融等处置技术，并分析各类技术的优缺点和应用情况。同时，介绍飞灰用于制备水泥、陶粒、混凝土拌合料、玻璃、沸石和地聚合物等资源化利用途径，综述飞灰处置技术及资源化利用途径的现状和存在的问题，并展望了未来的发展方向。

关键词：生活垃圾焚烧飞灰；无害化处置；资源化利用

中图分类号：X799.3 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）09-0-05

Summary of Disposal Technology and Resource Utilization Approaches of Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash

SONG Jianhua， CHEN Liangguang， KE Shizhong， LIU Jianbo， LI Junjian

（Guangdong Guangye Investment Group Co.， Ltd.， Guangzhou 510030， China）

Abstract： Incineration is currently the most dominant method of municipal waste treatment， but the fly ash generated by the process contains excessive amounts of toxic and hazardous components such as heavy metals， dioxins and chlorine salts， and is recognized as hazardous waste. It mainly discusses the formation and source of fly ash， physical and chemical properties， pollution characteristics and hazards， summarizes the disposal technologies such as fly ash curing/stabilization， hydrothermal treatment， low-temperature thermal treatment， high-temperature sintering， high-temperature melting， and plasma melting， and analyzes the advantages and disadvantages of each type of technology and its application. At the same time， it introduces the resource utilization of fly ash for the preparation of cement， ceramic granules， concrete mix， glass， zeolite and geopolymer， summarizes the current situation and problems of fly ash disposal technology and resource utilization， and looks forward to the direction of future development.

Keywords： municipal waste incineration fly ash; harmless disposal; resource utilization

21世纪以来，随着经济的快速增长，中国城市化建设发展十分迅速，也导致城市生活垃圾急速增加。生活垃圾成分复杂，填埋和焚烧是目前国内最为主流的处理方式。根据《中国统计年鉴2023》，2022年，我国城市生活垃圾清运量为24 444.7万t，经无害化处理的总量为24 419.3万t，其中通过焚烧处理的总量为19 502.1万t，焚烧处理量占比约为80%。

焚烧已成为我国城市生活垃圾处理的主要途径，相比于填埋，焚烧减量化程度更高，能够节约土地资源，降低土壤污染。另外，焚烧产生的热量可进行蒸汽发电和供热，实现垃圾资源的高效利用。但是，焚烧带来了二次污染，其中焚烧产生的飞灰对于环境的危害尤为突出。飞灰是垃圾焚烧过程中产生的固体废物，其中含有重金属、二噁英和氯盐等有毒有害物质，《国家危险废物名录（2021年版）》明确将飞灰列为HW18类危险废物。因此，飞灰的收集、储运及处置环节可能会对环境和人类健康产生不良影响，须妥善处理。

目前，飞灰主要的处置方式是通过固化/稳定化后进行填埋，该方法简单高效、成本较低，但需要占用大量土地资源。据调查，目前全国垃圾填埋场已近乎饱和，且鉴于全国土地资源十分紧缺的现状，新建填埋场将十分艰难，急需找出能有效处理飞灰且节约土地资源的友好途径。因此，文章主要综述我国飞灰处置与资源化技术现状，并展望未来技术发展方向。

1 生活垃圾焚烧飞灰简介

1.1 生活垃圾焚烧飞灰的形成及其来源

飞灰为生活垃圾在焚烧过程中所产生的残留物，是焚烧烟气中的无机小颗粒经过余热利用系统和烟气净化系统，与添加的化学药剂及反应产物一起形成的灰类化合物，主要在脱酸塔和除尘器部分被截留收集[1]。

1.2 生活垃圾焚烧飞灰理化性质及污染特性

飞灰一般为灰白色的细粒粉末，呈球形、棒形等，飞灰成分复杂、含水率较低、孔隙率以及比表面积较大[2]。不同区域和不同炉型所产生的飞灰成分存在差异，但基本由硅、钙、铝和铁的氧化物，以及钠、钾氯盐组成[3]。另外，飞灰中存在超标的汞、铬、镉、铅及砷等重金属，还有极少量的二噁英等有机污染物[4]。

1.3 生活垃圾焚烧飞灰的危害

飞灰的危害主要与其存在的重金属、氯盐及二噁英有密切关系。飞灰现主要通过填埋进行处置，其中重金属具有较高的浸出毒性，易释放在环境中，污染附近的土壤和地下水，严重威胁到动植物健康。可溶性氯盐会随雨水进入土壤，造成土壤盐碱化。二噁英无色无味，在环境中可长时间留存，被人体吸入后极易积聚，产生中毒反应，危害人体健康。

2 生活垃圾焚烧飞灰处置技术现状

2.1 固化/稳定化-填埋

2.1.1 水泥固化-填埋

水泥固化主要是将飞灰和水泥混合，利用水化反应使飞灰中的重金属形成络合物或氢氧化物，降低重金属浸出性[5]。经水泥固化后的飞灰满足相关标准后进行填埋处理。该工艺较为成熟，操作简单，成本较低。但也存在以下问题：一是大量氯盐会使得水泥易结构疏松而破裂，可能导致重金属再次溶出；二是水泥固化过程并未去除二噁英，有二次释放的风险；三是水泥固化使飞灰体积增加，与减量化原则相违背，且固化后填埋需占用大量土地资源；四是水泥固化时水泥的掺入量较高，需要较长的养护时间，导致处置周期延长。

2.1.2 化学药剂稳定化-填埋

化学药剂稳定化技术是指向飞灰中加入化学药剂，使其与重金属离子反应，形成难溶的络合物或螯合物，阻隔飞灰中重金属的析出[6]。常用有机化学药剂有硫脲、有机磷酸盐和乙二胺四乙酸（Ethylene Diamine Tetraacetic Acid，EDTA）；无机药剂有铁酸盐、磷酸盐、硫化物和石膏。化学药剂对重金属稳定化具有一定选择性，难以通过一种药剂将飞灰中所有金属稳定化，因此通常需要多种药剂搭配使用。该方法与水泥固化法相比，避免飞灰的二次增容，但仍未能去除二噁英。

2.2 热处理法

2.2.1 水热处理

水热处理法是通过将飞灰置于碱性溶液，在一定温度和压力条件下进行水热合成反应，由于飞灰含有一定量的硅、铝元素，经反应后可形成结构稳定的硅铝酸盐矿物，该物质利用对重金属离子的交换、吸附、沉淀等作用将重金属固化在产物中。同时，利用水在亚临界条件下的强氧化作用，有效降解二噁英。水热处理过程一般需要外加适量的硅源、铝源，常用的硅铝调理剂有粉煤灰、膨润土、高岭土及硅藻土等，目前尝试利用城市污泥作为外加硅源和铝源[7]。水热处理可同时实现重金属固化和二噁英降解，反应产物中存在具有高附加值的沸石类物质。但是，其处理周期较长，设备要求较高，能源消耗较大，且水热反应会产生大量的重金属废水，增加处理时间和成本。

2.2.2 低温热处理

低温热处理是指在相对低温的条件下，降解脱除飞灰中的二噁英。飞灰在缺氧或无氧环境下，温度控制在300～600 ℃，通过低温热分解反应降解二噁英，脱除效率可达99%以上[8]。目前，该技术尚处于研究阶段，综合各研究结果来看，温度、时间及处理气氛均会影响二噁英降解效果，常用的温度区间在340～500 ℃，处理时间以1 h左右为宜，处理气氛以氮气和空气居多[9]。低温热处理可高效去除二噁英，但是未能固化稳定或去除重金属和氯盐。

2.2.3 高温烧结

高温烧结法是指在低于飞灰熔点温度下进行飞灰焙烧，将气孔从晶体中排除，使飞灰颗粒间黏性逐渐增大并发生聚结，最终形成致密坚硬的烧结体的技术[10]。烧结体因其孔隙率很低可有效固化重金属，同时在高温作用下，多数二噁英被降解。该技术能够实现飞灰减容、高效固化重金属和降解二噁英。但是，该方法投资成本高，运行过程需要消耗大量的能源，且易造成二次污染。

2.2.4 高温熔融处理

高温熔融是指在高于熔点温度下，飞灰由固态熔化变为液态，再经冷却后形成致密玻璃状固化体的过程[11]。在飞灰熔融过程中，二噁英发生热解气化和燃烧并得到降解；无机组分则熔融呈玻璃态，由于其结构密实，重金属被束缚固化难以浸出。飞灰经高温熔融处理后减容效果好、产物性能稳定、重金属浸出低、二噁英分解率高，并且玻璃体具有一定产品价值。但是，其需求严苛、能耗较大、处理成本较高，且熔融过程中，重金属易迁移并挥发导致二次污染。

2.2.5 等离子体熔融处理

等离子体熔融也是利用高温条件使飞灰发生熔融的技术方法。与高温熔融不同点是，等离子体熔融是利用等离子炬产生高温（1 500 ℃以上）等离子体处置飞灰，反应过程中二噁英被降解去除，重金属被固化在反应产物中，使其浸出率满足标准限制要求。等离子体熔融技术反应快速，处理效率高，占地面积小，管理成本低。但是，其能耗高，设备研发难度大，大量技术难点需突破。

3 生活垃圾焚烧飞灰资源化利用现状

3.1 制备水泥

飞灰富含CaO、SiO2、Al2O3及Fe2O3等物质，与水泥的成分十分相似，可作为生产水泥的原料之一。利用水泥窑处置飞灰并制备水泥，在高温煅烧条件下，二噁英实现分解去除，重金属被稳定固化在水泥熟料中。利用飞灰代替部分石灰石，不仅降低了分解石灰石所需的能量，还能够实现碳减排。但飞灰中氯含量很高，直接进入水泥生产过程会严重影响水泥的品质，也会损害设备。因此，飞灰进入水泥窑之前需进行水洗，去除其中大部分的氯。但是，即便经过预处理除氯，飞灰掺入比例也很低，制约了飞灰的大规模资源化利用。此外，该技术受限于水泥生产企业的地域分布。

3.2 制备陶粒

制备陶粒也是目前飞灰资源化利用的主流途径之一，制备方式分为烧结法和免烧法两种。烧结法是在飞灰中，加入黏土、页岩等胶结材料和水进行混合，经造粒变成球状，再通过烧结机或焙烧设备进行高温烧结煅烧制成陶粒。烧结陶粒密度较大，强度也较高，物理化学性质稳定，可应用于建材、保温材料、园艺和净水等领域。烧结时高温使二噁英被分解，重金属也被固定在产物中。

但高温烧结能耗较高，在实际工程应用中比较受限。因此，免烧法制陶粒逐渐成为关注的对象。免烧陶粒是在飞灰中先加入活性胶结材料与其他化学药剂进行充分混合，再利用成球机成球、养护箱养护最终所制成的[12]。与烧结法相比，免烧陶粒未进行高温焙烧，而是通过自身反应形成，具有制造成本低、制造简单及绿色环保等优点。但是，免烧陶粒需在前端去除二噁英，并保证产品中重金属浸出毒性满足标准要求，因此该工艺较为复杂，陶粒品质不稳定。

3.3 制备混凝土拌合料及混凝土砖

因飞灰化学组成与水泥组分十分相似，可替代部分水泥原料制备混凝土拌合料和混凝土砖。研究发现，飞灰掺入量低于30%，混凝土的各项性能指标均能满足相关标准要求，且重金属浸出浓度也低于标准限值；当飞灰掺入量再增加后，混凝土的抗压强度、抗冻性能明显下降，大量的氯化物引入会增加混凝土的腐蚀影响，缩小混凝土的使用范围。通过水洗预处理飞灰降低氯盐含量，可增加飞灰制备混凝土的掺入比例。此外，根据相关标准要求，飞灰作为原料生产非高温建筑材料前，应预先对二噁英进行降解处理。

3.4 制备微晶玻璃

微晶玻璃又称玻璃陶瓷、微晶陶瓷，是指某些特定的基础玻璃在一定温度下，进行晶化热处理而制成的多相复合材料。微晶玻璃兼具玻璃和陶瓷的特点，在热学、化学、生物学、光学以及电学等方面具有优异的综合性能，可作为建筑材料。研究发现，飞灰可以替代部分原料，在高温条件下制备出微晶玻璃，其浸出毒性符合相关标准要求，且抗压强度随着烧结温度的升高而升高[13]。飞灰可以与其他固体废物一同制备微晶玻璃，不仅降低了生产成本，还可实现多元固体废物协同资源化利用。

3.5 制备沸石材料

沸石是沸石族矿物的总称，是一种含水的微孔铝硅酸盐矿物。沸石具有独特的孔结构、高催化活性、热稳定性及耐酸性，主要用作吸附剂、干燥剂及催化剂，并在污水处理、土壤改良和废气治理等领域开发和应用，具有良好的发展前景。研究发现，将飞灰与碱性物质按照一定比例充分混合后，在一定温度和压力条件下进行水热反应，生成稳定的沸石材料。经水热固化反应后飞灰中重金属的浸出毒性显著降低，并且部分二噁英得到降解。飞灰中硅元素主要以石英形式存在，在水热反应中很难溶解，通常需要外加含硅的试剂来提高飞灰的沸石化程度。

3.6 制备地聚合物

地聚合物是由硅铝酸盐组成的一种三维立体网状结构的无机聚合物，无定形到半晶态，属于非金属材料，具有良好的机械性能和耐酸碱、耐高温和催化性能，广泛用于建筑材料、密封材料和耐高温材料等领域[14]。飞灰含大量硅铝酸盐，具有非晶态硅铝酸盐的特点，可与碱激发剂混合在一定条件下发生地聚合反应制备地聚合物。飞灰中重金属经地聚合反应被固化，浸出毒性低于标准限值，但该反应并未处置飞灰中的二噁英。

3.7 其他资源化途径

飞灰资源化技术的研究方向很多，如作为原料生产沥青混合料、保温材料、水淬玻璃体、陶瓷材料、土壤调理剂/污泥调节剂等。目前，飞灰以生产建材类产品为主要的资源化利用方向，很多技术已有实践案例，正在迈入工业化应用阶段。

4 未来发展方向

固化/稳定化是当前飞灰处置最主流的方式，基本实现了飞灰无害化处理，但后端填埋处置需占用大量土地且存在二次污染的环境风险。因此，飞灰资源化利用才是未来技术研究和行业发展的主要方向。目前，水泥窑协同处置飞灰制备水泥，以及其他飞灰资源化利用途径均有一定程度的工程应用，但受地域分布情况、投资与运营成本高和存在二次污染等问题的制约，飞灰资源化利用仍面临难以大规模推广应用的困境。因此，技术与经济可行、环境友好以及具有普适性的飞灰资源化利用技术仍需要进一步研究攻关。未来，飞灰资源化利用有以下发展方向。

一是飞灰水洗产生的高盐废水资源化利用技术。无论采用何种飞灰资源化技术，均需要水洗去除氯盐。尽管目前可通过蒸发浓缩、分质结晶和分离工艺将水洗废水中的钠盐和钾盐分离，形成工业盐产品，但其产品质量稳定性差、产品价值低、销路较窄，且成本较高。

二是中低温飞灰二噁英降解技术。高温飞灰资源化技术可同时实现飞灰资源化利用和降解去除二噁英，但其成本较高。非高温资源化技术则面临产品中二噁英含量无法满足相关要求的困境，中低温二噁英降解技术的突破和应用将有可能解决这些问题。

三是多种飞灰处置/资源化技术联用组合工艺。飞灰处理处置与资源化技术多种多样，但是每种技术都各有利弊，很难依靠单一技术实现飞灰的无害化与资源化利用。而将多种技术联用，能够优势互补，共同解决飞灰处置和资源化过程中存在的难题。

四是异位集中处置模式转向原位分散处置模式。目前，除了固化/稳定化处置方式在生活垃圾焚烧厂内完成，其他飞灰处置和资源化方式基本均需将飞灰转移到厂外集中处置场地进行操作。虽然集中处置能整合各种技术和资源，降低焚烧厂的投资成本，但是飞灰远距离运输成本高、风险大，各焚烧厂飞灰成分差异大，导致其处置成本较高，且受限于飞灰集中处置项目的分布情况。而在焚烧厂内建设飞灰处置和资源化利用项目，能够因地制宜和针对性地配置飞灰处置、资源化技术工艺，并能够与垃圾焚烧工艺流程进行协同，降低处置成本和环境风险；在焚烧厂内就可实现生活垃圾处置减量化、无害化和资源化，更符合飞灰处理行业未来发展的趋势。

五是提高飞灰资源化产品附加值，推进产品标准等技术指导性文件制定出台。尽管目前通过飞灰资源化途径获得的产品种类繁多，但附加值较高的产品较为稀缺，导致飞灰资源化成本回收困难，因此高附加值产品的技术研发和推广应用将是未来飞灰资源化发展的重要方向之一。此外，现有的飞灰资源化产品由于缺乏相关产品技术标准，产品质量难以保证，限制了其用途。因此，推进飞灰资源化产品相关技术指导性文件的制定出台，对于飞灰资源化技术的推广应用具有重要意义。

5 结论

飞灰处置与资源化利用是当前环保领域的重要研究课题，随着城市化进程的加快和垃圾焚烧技术的广泛应用，飞灰的产生量不断增加，其处置与资源化利用日益受到关注。目前，飞灰处置与资源化利用技术在当前已取得一定的进展，并在未来具有广阔的发展前景。通过技术创新、政策引导和市场需求的共同作用，飞灰处置与资源化利用技术将为我国环保事业和可持续发展做出更大贡献。

参考文献

1 王营.垃圾焚烧飞灰资源化利用的工艺研究[D].天津：河北工业大学，2022：22-25.

2 章骅，于思源，邵立明，等.烟气净化工艺和焚烧炉类型对生活垃圾焚烧飞灰性质的影响[J].环境科学，2018（1）：467-476.

3 谢长军，侯永江，马丽娟，等.垃圾焚烧飞灰无害化及资源化处理研究进展[J].应用化工，2023（6）：1896-1901.

4 马斌斌，杨琥，王宇峰.城市生活垃圾焚烧飞灰资源化处置技术及产品概述[J].环境化学，2023（8）：2669-2687.

5 吴昊，刘宏博，田书磊，等.城市生活垃圾焚烧飞灰利用处置现状及环境管理[J].环境工程技术学报，2021（5）：1034-1040.

6 MA W，CHEN D，PAN M，et al. Performance of chemical chelating agent stabilization and cement solidification on heavy metals in MSWI fly ash：a comparative study[J].Journal of Environmental Management，2019（1）：169-177.

7 CHEN Z， YU G， WANG Y， et al. Research on synergistically hydrothermal treatment of municipal solid waste incineration fly ash and sewage sludge[J]. Waste Management，2019，100：182-190.

8 张伟.生活垃圾焚烧飞灰处理技术与资源化利用探析[J].皮革制作与环保科技，2023（17）：99-101.

9 陈宋璇，王云，王昊.垃圾焚烧飞灰无害化处置产业现状及技术进展[J].中国有色冶金，2022（6）：71-80.

10 倪海凤，旦增，周鹏，等.国内城市生活垃圾焚烧飞灰研究现状及进展[J].再生资源与循环经济，2021（3）：24-30.

11 竹涛，种旭阳，王若男，等.生活垃圾焚烧飞灰处理技术研究进展[J].洁净煤技术，2022

（7）：189-201.

12 刘威.城市生活垃圾焚烧飞灰资源化研究[D].常州：常州大学，2022：15-18.

13 李志川，杨一博，马蒸钊，等.利用生活垃圾焚烧飞灰制备全废物基微晶玻璃[J].环境工程学报，2022（6）：1925-1932.

14 孔德勇，王凡，刘喜，等.生活垃圾焚烧飞灰地聚合物固化及资源化应用研究进展[J].环境保护科学，2022（6）：24-29.

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