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随着经济的发展和城市化进程的加快，生活垃圾产生量不断攀升。以京津冀地区为例，生活垃圾清运量由2015年的1 666.9×104 t增至2020年的1 890.3×104 t[1]。垃圾焚烧发电是生活垃圾“减量化、无害化、资源化”的主要方式，占比已达61%[1]。然而垃圾焚烧产生的飞灰 (以下简称“飞灰”) 属于危险废物，填埋处置前需进行固化稳定化处理。但研究表明，飞灰中氯含量通常在5%~10%，部分地区高达20%以上[2]，螯合剂无法对飞灰中的氯盐进行固化，且高浓度氯盐会破坏固化体强度，增加飞灰Pb、Zn等重金属浸出造成的环境风险[3]。随着飞灰产量增加，其处理方式由依赖稳定化填埋向资源化发展，如高温熔融玻璃化、烧结制混凝土/砖/陶粒，以及水泥窑协同处置。其中，水泥窑协同处置技术已达到工业化应用水平，2018年被生态环境部列入《国家先进污染防治技术目录 (固体废物处理处置领域) 》[4]飞灰推荐技术，而其他处理技术仍处于发展阶段，尚缺乏标准引导，在实际应用中占比较低。但飞灰中的氯盐也会影响水泥窑性能[5]，导致场地氯化物浓度升高[6]，同时影响水泥质量[7]，制约协同处置技术规模化应用。
水洗提盐 (fly ash washing dechlorination, FWD) 技术是利用氯盐的高溶解度对其进行提取，将飞灰中的氯含量降低至1%以下[8-9]，是水泥窑协同处置飞灰的主要脱氯方式。目前，针对飞灰水洗处理的研究主要包括2个方面。一是水洗脱氯及提盐工艺条件优化，如通过调节固液比和水洗次数，提高氯离子洗脱率[10]，再采用电渗析法等对水洗液进行浓缩，提高蒸发结晶盐纯度[11]。二是迁移转化机制研究，如常威等[12]研究水洗过程氯元素和重金属浸出特性，并采用Visual MINTEQ模拟分析水洗液中重金属的存在形态，通过机理分析确定水洗最佳条件。上述研究采用“自下而上”的研究方式，从微观机理层面提高水洗盐资源化效果。但目前对于水洗盐产生量的宏观预测分析较少，无法从“自上而下”的角度为资源化利用提供决策支撑。
为厘清水洗盐产生情况，强化无害化管理，提高资源化利用率，本研究以京津冀地区为例，通过构建改进的灰色马尔科夫预测模型和产废系数法，预测2021至2030年飞灰产生量；选择飞灰水泥窑协同处置比例、厨余垃圾分拣率、塑料分拣率3个参数，对飞灰资源化和生活垃圾分类的高、中、低3个水平进行组合情景分析，预测水洗盐产生量，分析协同处置和生活垃圾分类对水洗盐产生的影响；基于京津冀地区水洗盐产生量预测结果，从循环经济和“无废”理念角度分析水洗盐资源化发展前景。
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本研究采用改进的灰色马尔科夫模型对生活垃圾产生量进行预测，利用产废系数法测算飞灰产生量。灰色马尔科夫模型[13]经常运用在预测分析中，其核心是将传统的灰色预测模型与马尔科夫模型相结合，对波动性较大的数据序列具有较高的兼容性，进而较为准确地预测未来变化趋势。为了提高预测精度，模型在原始数据上通过一次加权平滑处理消除异常数据的影响，建立改进的无偏灰色模型来进行拟合和预测。最后，采用新陈代谢法来逐年修正和追加数据，进一步优化模型并进行预测修正，以得出更准确的预测结果。在测算京津冀地区生活垃圾产生量的基础上，通过历年生活垃圾焚烧比例进一步计算生活垃圾焚烧量。
飞灰产生量计算如式(1)所示。
式中：Qfly为飞灰产生量，104 t；Qmsw为生活垃圾焚烧量，104 t；Ffly为飞灰产生系数，4% (炉排炉飞灰产生系数) 。
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水洗盐是飞灰处理过程的次生产物，为了从全过程统筹考虑飞灰与其衍生水洗盐管理，本研究根据影响水洗盐产生量的外部因素 (飞灰资源化需求，图1中各列；以协同处置比表征) 和内部因素 (生活垃圾分类发展，图1中各行；以厨余、塑料分拣率表征)，定义了低、中、高3种发展情景。基于这3种参数的3种发展水平，建立9种组合情景，以全面的表征2021—2030年水洗盐产生情况。不同情景设置如图1所示。
水泥窑协同处置比是影响飞灰水洗量的主要参数，随着飞灰资源化需求不断上升，协同处置比例将逐步提高，为保证水泥生产安全，水洗预处理规模将相应扩大，产生大量水洗盐。原生垃圾中厨余垃圾和塑料垃圾分别是飞灰中主要的无机氯源和有机氯源，也是影响飞灰中可溶性氯盐含量的主要参数。生活垃圾分类的实施将提高厨余分拣率和塑料回收率，降低焚烧飞灰产生量和氯释放量，减少水洗盐产生量。本研究根据政府发布的相关规划、发展政策文件，设定各参数在低、中、高3种发展情景下取值，具体说明见表1。
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飞灰中的氯盐主要由垃圾焚烧过程中产生的氯盐以及HCl等酸性物质与烟气净化系统中碱性物质反应产生。因此，本研究基于生活垃圾焚烧过程氯离子迁移转化规律，建立飞灰中氯含量核算方法，进而估算水洗盐产生量。
生活垃圾中含氯组分可分为无机氯和有机氯，其中厨余垃圾为无机氯主要贡献组分，塑料垃圾为有机氯主要贡献组分。飞灰含氯量计算如式(2)所示。
式中：QCl-fly为飞灰含氯量，104 t；QCl-fd、QCl-p、QCl-other分别为厨余、塑料和其他垃圾焚烧过程释放的氯，104 t；95%为转移至飞灰中的氯的比例[14]。
根据情景设置，当厨余垃圾和塑料垃圾分拣率发生变化时，进入焚烧设施的厨余垃圾和塑料垃圾总量均发生改变，故不同组分转移至飞灰中的氯计算如式(3)所示。
式中：QCl-n代表QCl-fd、QCl-p、QCl-other；ai是基准情景下生活垃圾中厨余、塑料、其他垃圾占比[15]，%，i=1, 2, 3；xj是厨余、塑料垃圾在基准、低、中、高情景下分拣率，%，j=0, 1, 2, 3；ωi是厨余、塑料、其他垃圾中氯含量，%，i=1, 2, 3。
飞灰中可溶性氯盐主要为NaCl、KCl和CaCl2，难溶性氯盐主要为CaClOH、Friedel盐和Ca6( CO3)2( OH)7Cl[16]，本研究通过Lu Peng等[14]、Zhufenfen等[16]、马文超等[17]研究测定的飞灰中不同氯盐含量，建立飞灰水洗盐产生量核算方法如式(4)和式(5)所示。
式中：QCl为飞灰Cl洗出量，104 t；α为水泥窑协同处置比，%；90%为飞灰中可溶性盐洗出率[18]。
式中：Qsalt为水洗盐产生量，104 t；m为水洗盐中不同盐类占比，%；xMCl为不同盐类中Cl原子的摩尔质量与该盐类的摩尔质量之比，MCl/MMCl，M为Na+、K+、Ca2+ (水洗盐主要组成，占比为10、40、50% [19]) 。
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本研究在京津冀地区城市生活垃圾组分、水泥窑协同处置比及水洗工艺影响因素研究的基础上，收集并整合了2000—2020年相关指标数据，其中，生活垃圾清运量数据来自中华人民共和国住房和城乡建设部发布的《2002—2020年城市建设统计年鉴》[1]，生活垃圾组成、水洗脱盐率等来自相关学术论文，水泥窑协同处置比例来自于河北省危险废物处理处置情况实地调研和政府相关报告。2000-2020年生活垃圾清运量及焚烧量如图2所示。
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通过灰色马尔科夫模型和产废系数法，预测2021—2030年京津冀地区生活垃圾清运量、生活垃圾焚烧量和飞灰产生量，结果如图3所示。其中焚烧比根据《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》[20]及各省、市发布的生活垃圾焚烧发电中长期规划中所提出的总体目标，设定2025年垃圾焚烧处理能力占比达到65%，2030年实现原生垃圾“零填埋”，焚烧能力占比达100%。假设2021—2025年和2026—2030年期间焚烧比线性增长。结果显示，至2025年底，京津冀地区垃圾焚烧量将达到1 427.2×104 t，飞灰产生量57.1×104 t；至2030年底，垃圾焚烧量和飞灰产量将分别达到2 473.2×104和98.9×104 t。尽管生活垃圾焚烧较直接填埋已实现明显的减量化，但飞灰作为危险废物处置仍需占用大量空间，合理规划飞灰水泥窑协同处置与飞灰水洗盐处置，是实现飞灰资源化和全过程管理的关键。
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1) 情景分析。根据1.2中的情景设置估算2000—2020年水洗盐产生情况，并预测2021—2030年飞灰资源化需求与垃圾分拣程度提升的影响下水洗盐产生情况，所得结果如图4所示。当生活垃圾分拣程度不变、飞灰资源化需求上升时，协同处置比对水洗盐产生量有显著影响。以S1~S3为例，至2030年，与低协同处置比 (S1) 相比，中等协同处置比 (S2) 和高协同处置比 (S3) 水洗盐产生量分别提高了3.3×104 t (33.3%) 和6.6×104 t (66.7%) 。3种情景下水洗盐2030年预测产生量分别达到9.9×104、13.2×104、16.5×104 t，较2020年提高203.0%、304.0%、404.9%。水泥窑协同处置危险废物发展趋势表明，随着飞灰资源化需求的提高，水泥窑协同处置飞灰的比例将进一步提高，因此必须考虑水洗预处理产生的水洗盐激增产生的环境风险。
与之相反，生活垃圾分拣程度的提升将减少水洗盐产生量。以S1、S4、S7为例，与低分拣程度 (S1) 相比，提升厨余垃圾和塑料垃圾分拣率至中等程度 (S4) 和最高程度 (S7) ，减少焚烧垃圾过程氯元素的释放，在协同处置比不变的条件下，至2030年水洗盐产生量将分别减少0.3×104 t (3.5%) 和0.7×104 t (7.0%) 。厨余垃圾和塑料垃圾分拣率主要受垃圾分类及禁塑令等政策影响，由于厨余和塑料垃圾对飞灰中氯的贡献率超过50%，2种垃圾的分拣率提升可以使飞灰产生量和水洗盐产生量同时降低，对于飞灰协同处置和水洗盐处理均产生有利影响。
根据政府相关规划，飞灰资源化与生活垃圾分类将同步发展 (S5) ，至2030年时飞灰协同处置与生活垃圾分类均达到规划要求时，预测水洗盐产生量为12.7×104 t，高于未达到规划预期 (S1) 时水洗盐产量28.7%，低于超额完成规划任务(S9)时水洗盐产生量17.0%，较2020年水洗盐产生量提高142.0%。结果表明，短期内垃圾分拣程度提高对水洗盐产生量的减少程度有限。此外，垃圾分拣系统的改进需要时间和资源的投入，以及公众的配合和教育，因此不足以抵消飞灰资源化程度提升造成的水洗盐产生量的大幅增加。由此可见，水洗盐处理将成为制约水泥窑协同处置飞灰因素之一，除严格执行垃圾分类和禁塑令、完善飞灰资源化途径外，水洗盐处理问题还需要通过资源化解决。
2) 敏感性和不确定性分析。以S9为例，使用XLSTAT2019软件中的蒙特卡洛模拟 (104) 进行敏感性分析和不确定性分析，定量评估生活垃圾焚烧量、协同处置比、厨余分拣率和塑料分拣率4个参数对水洗盐产生量的影响程度。结果显示 (图5(a)) ，生活垃圾焚烧量对水洗盐产生量影响最显著，其次是协同处置比。塑料分拣率的影响程度略大于厨余分拣率，主要是由于预测情景中塑料垃圾分拣率变化幅度更大，因此对水洗盐产量影响更明显。生活垃圾焚烧量并未作为参数纳入情景分析中，是由于生活垃圾焚烧量受清运量、焚烧比例、厨余和塑料垃圾分拣率共同影响。蒙特卡洛模拟所得水洗盐产生量分布情况如图5(b)所示，分析显示水洗盐产生量的95%置信区间为20.79~21.09×104 t，即S9情景最可能的水洗盐产生量范围。敏感性分析显示，加强垃圾分类，减少高氯垃圾焚烧处理从内部因素角度对水洗盐产生量影响较低，但从飞灰产生量这一外部因素考虑，对降低水洗盐产生量的影响不容忽视。
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随着水洗盐产量的增长，其管理和资源化需求也将日益增加。水洗盐脱除钙离子等杂质后主要以氯化钠和氯化钾为主，资源属性较强[21]。其中，氯化钠是氯碱化工常用的原料，可生产烧碱和盐酸，而氯化钾是农用钾肥的重要原料，资源化战略地位更加显著[22]。图6(a)所示为S5情景 (规划发展情景) 下水洗盐各组分产生量，其中氯化钾年产生量预测为1.3×104~5.1×104 t。钾肥供应对于保障国内粮食安全至关重要，而氯化钾作为使用量最大的钾肥，占钾肥总消费量的90%以上。但我国氯化钾资源自给率却仅在40%左右，对外依存度高，且主要分布于西部地区[23]，巨大的需求缺口使其经济价值和战略地位逐步提升。根据SONG等[24]对中国2020—2030年钾肥使用量的预测以及国内氯化钾产能统计，估算每年的自给需求缺口为75.4×104~187.0×104 t。2010—2018年京津冀地区化肥施用量研究结果表明，京津冀地区化肥施用量高于全国平均水平，其中钾盐年均施用量为29.2×104 t[25]。通过水洗盐资源化的方式，京津冀地区每年获取的氯化钾可以达到全国总需求量的1.3%~2.8% (图6(b)) ，可以弥补4.5%~17.5%的区域自给率缺失。随着“十四五”时期“无废城市”建设的推进，多地已将水泥窑协同处置作为飞灰资源化的重要方式，河北省也建成省内首个9×104 t·a−1垃圾焚烧飞灰资源化处置项目，因此，在循环经济背景下，水洗盐资源化制备氯化钾对于缓解我国钾盐资源紧张的局面具备重大意义。
高浓盐水“钾钠分离”主要采用MVR蒸发器或多效蒸发器通过热法分盐[24]。不同含盐量的飞灰水洗液会冲击蒸发结晶的工艺控制，并影响设备的蒸发量和耗电量，需要对蒸发结晶进水进行水质的稳定调节[26-28]。受生活垃圾组成影响，不同地区飞灰含盐量差别较大，对分盐工艺各环节的稳定运行带来较大影响，使运行能耗和成本提高。随着飞灰资源化需求的不断提高，水洗技术市场化发展需要优先解决连续运行稳定性问题，如提高原生垃圾分拣效率，减少飞灰的产生量和氯含量，同时降低焚烧过程重金属和氯盐协同挥发率，降低水洗盐重金属脱除难度，提高进水水质；推进低温蒸发技术和蒸发结晶分离技术研发，强化分离设施对进水影响的稳定性，提高水洗盐分离纯度，降低分离能耗。
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1) 通过预测得到，2021-2030年京津冀地区飞灰产生量为49.1×104~98.9×104 t，飞灰处置需求巨大。
2) 截至2030年，根据情景分析预测水洗盐产生量为9.2×104~16.5×104 t；达到“十四五”时期飞灰水泥窑协同处置及生活垃圾分类相关要求的情景下，水洗盐产生量为12.7×104 t，较低水平情景提高28.7%；协同处置比是影响水洗盐产量的主要因素，严格执行垃圾分类政策和禁塑令要求不能完全解决协同处置比提高导致的水洗盐增长问题。
3) 水洗盐资源化技术具备推广潜力，制备副产钾盐可以作为氯化钾资源的重要补充；但是高浓盐水分离技术的市场化发展需解决其连续运行稳定性问题，推动低温蒸发技术与蒸发结晶分离技术的研发，强化分离设施对进水影响的稳定性，可能是有效的解决途径。
生活垃圾焚烧飞灰水洗盐产生量预测及其对资源可持续利用的影响分析
Prediction and implications of washing salt generation from municipal solid waste incineration fly ash for sustainable resource utilization
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摘要: 针对水泥窑协同处置飞灰水洗预处理过程中水洗盐产生量不清，资源化利用潜力不明晰的问题，采用情景分析方法预测水洗盐产生量，评估其资源利用潜力。首先采用改进的灰色马尔科夫模型和产废系数法预测2021-2030年京津冀地区飞灰产生量；然后选择水泥窑协同处置比、厨余垃圾分拣率和塑料垃圾分拣率3个参数，利用组合情景预测协同处置和生活垃圾分类对水洗盐产生的影响。结果显示，到2030年，水洗盐产生量为9.2×104~16.5×104 t；在实现“十四五”时期飞灰资源化和生活垃圾分类发展要求的情景下，水洗盐产生量为12.7×104 t，比低发展水平情景提高28.7%。提高垃圾分拣率，推进高效、低耗能分盐技术发展，可以降低水洗盐处理压力并提高氯化钾自给率，支持水洗盐资源可持续利用。
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关键词:
- 飞灰水洗盐 /
- 改进的灰色马尔科夫模型 /
- 生活垃圾分类 /
- 水洗盐资源化
Abstract: To address the problem of the unclear amount and potential of resource utilization of washing salt produced in washing pretreatment of fly ash in cement kiln collaborative disposal, a scenario analysis method is used to predict the amount of washing salt and assess its potential for resource utilization. Firstly, the improved grey Markov model and waste production coefficient method are used to predict fly ash production in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 2021 to 2030; then, 3 parameters are selected: cement kiln collaborative disposal ratio, kitchen waste sorting rate, and plastic waste sorting rate, and the combination scenario analysis is used to analyze the impact of combined disposal and municipal solid waste sorting on washing salt production. The results show that by 2030, the amount of washing salt will be 9.2×104~16.5×104 t; under the scenario of achieving the development requirements of fly ash utilization and municipal solid waste sorting in the “14th Five-Year Plan” period, the amount of washing salt will be 12.7×104 t, which is 28.7% higher than that of low development level scenario. Improving the waste sorting rate, and promoting the development of efficient and low-energy consumption salt separation technology, can reduce the pressure of washing salt treatment and increase the self-sufficiency rate of potassium chloride, supporting the sustainable utilization of washing salt resources. -
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图 1 情景设定 (柱状图代表参数水平的变化)
Figure 1. Scenario settings (The bar chart represents the change in parameter level)
图 3 2021—2030年京津冀地区生活垃圾焚烧量、灰产生量预测
Figure 3. Prediction of MSW collection, MSW incineration, and MSW incineration fly ash generation in Beijing-Tianjin-Hebei region from 2021—2030
表 1 飞灰水洗盐产生情景及因素设定
Table 1. Scenarios and factors for the prediction of fly ash washing salt
情景 协同处置比/% 厨余垃圾
分拣率/%塑料
分拣率/%基准 20.67 20 26.7 低 30 25 30 中 40 30 35 高 50 35 40 注：基准情景为2020年实际情况，京津冀地区飞灰水泥窑协同处置比与厨余、塑料垃圾分拣率基于调研和政府报告。低水平情景未达到政府相关规划，设定到2030年协同处置比达30%，厨余和塑料垃圾分拣率分别达25%和30%。中水平情景基于“十四五”时期及2030年相关规划，到2030年，协同处置比根据水泥窑协同处置危险废物发展趋势设置为40%，厨余垃圾分拣率参考深圳市规定设置为30%，塑料垃圾分拣率参考OECD《全球塑料展望：到2060年的政策情景》及北京市“十四五”生活垃圾回收率要求，设置为35%。高水平情景为超额完成政府相关规划，设定到2030年，协同处置比设置为50%，厨余垃圾分拣率和塑料垃圾分拣率为35%和40%。 
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