碳酸化城市生活垃圾焚烧飞灰清洗中相互冲突目标的协调：脱氯、钙保留与重金属稳定化

《Environmental Research》：Reconciling competing objectives in carbonated MSWI fly ash washing: Dechlorination, calcium retention, and heavy metal stabilization

　　• 硫酸氢铵可将钙（Ca）损失降低至8.87%，重金属（HM）浸出量低于限值。• 联合球磨与超声处理可将可溶性氯降至0.72%–0.81%。• CO?鼓泡进一步提高了氯的去除率，同时降低了钙的损失。• 耦合工艺可实现深度除氯、高钙保留以及重金属的固化稳定。• 研究结果为平衡飞灰纯化与钙保留提供了有益见解。## 引言人口增长和经济发展加速了城市化进程，导致城市固体废物（MSW）产生量持续增加（Tsai等，2020）。2024年，中国城市固体废物收集量达到约2.6亿吨，全国卫生处理率接近100%（Wu等，2026）。与此同时，通过焚烧处理（MSWI）的废物比例从2008年的15.44%显著上升至2024年的84.63%，表明焚烧已成为中国城市固体废物的主要处理途径。在中国，垃圾焚烧飞灰的年产量已超过1000万吨，该残余物约占原始废物质量的3%–5%（Lu等，2024）。由于其含有高浓度的可溶性氯化物、重金属（HMs）、二噁英及其他污染物，垃圾焚烧飞灰被归类为危险废物（Zhao等，2025）。传统上，中国飞灰主要通过固化/稳定化处理后进行填埋（Li等，2024）。然而，填埋消耗大量土地资源，且仍存在重金属长期浸出和迁移的风险（Chen等，2026a）。因此，将飞灰处置从传统填埋转向高附加值资源化利用已成为必然趋势。中国垃圾焚烧飞灰通常含有33.79%–54.57%的CaO，是一种典型的高钙固体废弃物（Lan等，2022；Wang和Fan，2020）。这些丰富的含钙相是制备地聚合物和水泥外加剂等附加值材料的关键活性组分（Jiang等，2025；Su等，2024）。然而，高含量的可溶性氯化盐严重制约了其资源化利用，因为氯离子会腐蚀钢筋并损害水泥基产品的长期耐久性（Lu等，2025；Muhammad等，2024）。根据中国国家标准规定，除高温水泥熟料生产外，用于建材应用的预处理飞灰的可溶性氯化物含量必须低于2%。此外，垃圾焚烧飞灰含有各种具有较高迁移性和污染潜力的重金属，其浸出浓度也必须满足严格的监管限值（Zhang等，2025c）。因此，如何在符合可溶性氯和重金属浸出限值要求的同时，尽可能保留可回收的含钙组分，仍是飞灰资源化利用面临的关键挑战。常规水洗是飞灰除氯的常见且成熟的预处理方法（Hossain等，2026）。然而，其实际应用受到脱氯与钙保留之间固有权衡的制约。活性含钙相（如Ca(OH)?和CaClOH）在水洗过程中容易被溶解，导致大量钙损失，降低了水洗残渣的资源回收价值（Lv等，2022）。此外，仅凭水洗可能无法充分降低残余重金属的环境风险，因为其浸出行为强烈受溶液pH值和化学形态的控制（Qin等，2023）。因此，加速碳化被提出作为一种有前景的策略来解决这些问题（Chen等，2024a）。在碳化过程中，碱性含钙相与CO?反应生成稳定的CaCO?，从而将钙固定在固相中（Li等，2026）。碳化还可通过降低pH值、分解方沸石以及形成颗粒表面微裂纹来促进氯的释放（Teymouri和Atadero，2024）。此外，它还可通过碳酸盐/氢氧化物沉淀和物理包裹来固定重金属（Zha等，2019）。然而，过度碳化可能在颗粒表面生成致密的碳酸盐包覆层，包裹残余氯化盐并阻碍其进一步扩散至液相。因此，仅靠碳化可能无法在保持高钙保留的同时持续实现广泛的除氯。研究者已探索了各种物理和化学强化策略来提高垃圾焚烧飞灰的水洗性能。机械活化（如球磨）可破坏颗粒团聚体并暴露包裹的氯化盐，从而促进其在水洗过程中被去除（Li等，2010；Liu等，2025）。超声处理也被用于通过空化及其相关的机械和热效应增强固液传质（Chen等，2025b；Hussain等，2025；Zhang等，2020）。此外，在水洗过程中引入CO?可促进除氯并促进溶解的Ca2?以CaCO?的形式再沉淀，但其效果受水洗条件的影响（Wang等，2025）。尽管取得了这些进展，以往的研究主要关注提高除氯效率，而对钙保留和重金属迁移性的伴随影响关注较少。因此，在强化水洗碳化垃圾焚烧飞灰过程中，除氯、钙保留和重金属固化稳定之间的权衡关系尚未得到充分认识。本工作评估了耦合预处理策略在碳化垃圾焚烧飞灰水洗过程中如何调控脱氯、钙保留和重金属固化稳定之间的平衡。球磨和超声处理作为物理强化步骤相结合，并在化学水洗过程中引入CO?鼓泡以促进脱氯同时减少钙损失。选择柠檬酸（CA）、硫酸氢铵（AB）和乙二胺四乙酸（EDTA）作为洗涤试剂。通过对水洗残渣的综合表征，从除氯、钙保留和重金属迁移性角度评价了耦合工艺。这些发现为设计集成水洗系统以提高垃圾焚烧飞灰的资源回收潜力提供了见解。## 章节片段### 原材料原始飞灰（RFA）于2025年从山东省某垃圾焚烧厂收集，该厂配备典型的炉排焚烧炉。样品取自单条焚烧线的布袋除尘器。为保持样品均匀性和代表性的一致性，我们采用了先前工作中使用的采样方法（Li等，2019）。共收集80.0 kg飞灰，每次2.0 kg，连续5个工作日每天采集8次。收集的飞灰### 对可溶性氯化物含量的影响图1a展示了分别使用CA、AB和EDTA对球磨RFA、LFA和HFA进行水洗后残渣的可溶性氯含量。对于RFA，将球磨时间从30分钟延长至60分钟后，使用CA时，可溶性氯含量从1.76%降至1.52%；使用AB时，从1.88%降至1.54%；使用EDTA时，从1.80%降至1.70%。在60分钟时，使用三种试剂水洗的LFA残渣的可溶性氯含量分别降至1.16%、1.24%和1.32%，而HFA残渣的进一步降至### 结论评估了碳化、球磨、超声和CO?鼓泡的耦合效应对水洗过程中除氯、钙保留和重金属固化稳定的影响。HFA总体上表现出比LFA更低的残余氯含量和钙损失率。碳化将活性含钙相转化为相对稳定的CaCO?，从而在水洗前建立钙保留并促进后续的除氯。60分钟的球磨增强了除氯效果，降低了可溶性氯含量### CRediT作者贡献声明**Ying Zhu：** 监督、调查。**Yingjie Sun：** 原创撰写、构思。**Xue Li：** 可视化、调查。**Weihua Li：** 原创撰写、方法学、资金获取、构思。**Tao Zhou：** 原创撰写、构思。**Rongxing Bian：** 验证、调查。**Xuyang He：** 原创撰写、方法学、形式分析、构思。**Dingyuan Zhang：** 调查、形式分析、构思。**Jincheng Wang：** 形式### 利益冲突声明作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。### 数据可用性数据可根据要求提供。### 利益冲突声明? 作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。### 致谢本工作得到国家自然科学基金（批准号：52370139；52670187）的支持。感谢"青岛市科技惠民示范专项"（批准号：24-1-8-cspz-10-nsh）和水污染控制与绿色资源循环利用国家重点实验室（NO. PCRRF26035）的支持。