城市固体废弃物焚烧底灰中重金属浸出行为的多方法评估及其环境风险研究

本研究针对城市固体废弃物焚烧底灰(MSWI-bottom ash)中重金属(Zn/Cu/Pb/Cd/Cr/Ni/Co/Mn/Fe)的环境迁移风险，通过改进的Tessier连续提取法(TSE)结合X射线荧光光谱(XRF)和王水提取(AR)等多方法联用，系统分析了12种粒度组分中重金属的赋存形态与浸出特性。发现重金属主要富集在F III-V组分，Cd在F I-III占比超80%，水浸液中Cu(2 mg/kg)和Cr存在迁移风险，为底灰资源化利用提供了关键环境安全数据。

　　

随着城市化进程加速，城市固体废弃物的处理成为全球性难题。焚烧技术虽能大幅减容，但产生的底灰(MSWI-bottom ash)含有多种重金属，其环境迁移风险制约着资源化利用。目前欧洲约500座焚烧厂年产底灰占原废弃物质量的25%，波兰等国家仅允许其作为路基材料使用。问题的核心在于：底灰中重金属究竟以何种形态存在？不同粒度组分对环境的影响有何差异？这些问题的解答将直接影响废弃物管理政策的制定。

波兰研究人员团队通过多学科方法开展了系统性研究。采集粒径<4 mm的底灰样品，干筛分为12个粒度组分(A-L)。采用改进的五步Tessier连续提取法(TSE)作为金标准，结合X射线荧光光谱(XRF)测定总含量、王水提取(AR)评估半总量、水浸提模拟自然条件，并利用原子吸收光谱(AAS)和BET比表面积分析等技术，全面解析了重金属的分布规律。

3.1 底灰化学组成特征
XRF分析显示底灰主要含CaO(14.8-47.6%)、SiO₂(14.0-40.9%)和Fe₂O₃(1.70-4.22%)，CaO/SiO₂比达1.52。粒度组分呈现明显梯度变化：粗颗粒(A组)硅含量46.26%，细颗粒(L组)钙含量60.65%。发现含铅铜锌的复杂矿物如Pb₄Cu₄O₄Cl₈·5H₂O等，这些化合物在水中溶解度低。

3.2 粒度组分水浸特性
所有组分浸出液pH>10.5，电导率(1.011-6.711 mS/cm)与Na/K/Ca含量高度相关(R2>0.97)。重金属浸出量极低，仅Cu(2.949 mg/kg)和Cr(4.5265 mg/kg)在<0.063 mm组分超出阈值，但都远低于欧盟危险废物标准。BET比表面积与Cu(R2=0.87)、Cr(R2=0.92)浸出量呈正相关，表明其存在于更易迁移的形态。

3.3 重金属分布规律
TSE显示重金属主要存在于F III(氧化物结合态)和F V(残渣态)，占比70-90%。例外的是Cd在细颗粒中F I-III占比超80%，Zn在<0.025 mm组分中F II达60%。XRF与AR数据相关性差(仅Cu的R2=0.84)，反映王水难以溶解硅酸盐包裹的重金属。1-1.6 mm组分出现Cu异常高值(2020 mg/kg)，推测含金属铜碎片。

这项研究揭示了底灰环境行为的三大关键机制：首先，碱性条件(pH 10.5-11.5)和矿物包裹使大多数重金属难以迁移；其次，粒度效应显著，细颗粒(<0.25 mm)中Cd和Zn的生物有效性升高；第三，传统AR提取会低估总含量，XRF-TSE联用才能准确评估风险。研究为底灰在建材等领域的应用提供了科学依据，特别是建议对细颗粒组分进行稳定化处理。数据表明按照欧盟废物目录19 01 12，该底灰可归类为非危险废物，但需警惕长期使用中pH降低导致的金属活化风险。

这项工作的创新性在于建立了粒度-形态-活性的关联模型，证实环境风险主要来自特定粒度区间的有限几种金属。研究团队提出的多方法联用策略，为废弃物资源化提供了可靠的风险评估框架，对推动循环经济发展具有重要意义。未来研究可聚焦于长期风化条件下重金属的转化机制，以及稳定化处理对不同形态金属的固定效果。