＊顧雍 任心愿 許碧君 孫賢波*

（1.上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司 上海 200237 2.華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 上海 200237）

1.垃圾處置現(xiàn)狀

人口的快速增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的加快使城市垃圾產(chǎn)生量大幅度增加。根據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)[1]，2020年我國(guó)的城市生活垃圾清運(yùn)量已超過(guò)2.35億噸，比2004年增長(zhǎng)約51.61%，生活垃圾無(wú)害化處理量也將近2.35億噸，無(wú)害化處理率接近100%。目前常用的城市垃圾無(wú)害化處理方法主要包括衛(wèi)生填埋和焚燒，衛(wèi)生填埋具有技術(shù)成熟，處理費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，是目前我國(guó)城市垃圾最常用的處理方式之一，但其需要占用大量寶貴的土地面積，且產(chǎn)生的垃圾滲濾液可能造成地下水污染。

焚燒處理周期較短，可以使垃圾體積減小65%～70%，重量減少85%～90%[2]，并可利用產(chǎn)生的熱能發(fā)電，因此具有較好的資源化、減量化、無(wú)害化處理效果。在土地資源稀缺的今天，焚燒比堆肥和填埋更有優(yōu)勢(shì)?！丁笆奈濉背擎?zhèn)生活垃圾分類(lèi)和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》中提出“到2025年底，全國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒處理能力達(dá)到80萬(wàn)噸/日左右，城市生活垃圾焚燒處理能力占比65%”。近十年焚燒處置方式的總量和比例一直保持增長(zhǎng)，其比例在2019年首次超過(guò)50%，成為垃圾無(wú)害化的主要處理方式（如圖1）。近年，我國(guó)生活垃圾的處置方式已逐步從污染嚴(yán)重、選址困難的衛(wèi)生填埋向焚燒轉(zhuǎn)移。

圖1 近十年我國(guó)垃圾焚燒無(wú)害化處理現(xiàn)狀[1]

根據(jù)《2020上海綠化市容統(tǒng)計(jì)年鑒》，2020年底上海市已建成12座生活垃圾焚燒設(shè)施，其末端處理量達(dá)1.86萬(wàn)噸/天。根據(jù)相關(guān)規(guī)劃和項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)測(cè)算，按照目前生活垃圾焚燒爐渣產(chǎn)量占焚燒量的20%～25%計(jì)，可得出上海市日產(chǎn)爐渣量達(dá)4500噸。

本課題實(shí)驗(yàn)爐渣來(lái)自上海市兩個(gè)典型焚燒爐渣廠的生活垃圾焚燒爐渣（A及B），經(jīng)過(guò)分選、破碎和水洗等處理環(huán)節(jié)前后的爐渣各一批，分析垃圾焚燒爐渣的物理化學(xué)性質(zhì)，測(cè)試其可溶性鹽含量，研究不同可溶鹽含量混合料的性能，從而為垃圾焚燒爐渣的資源化利用提供參考。

2.垃圾焚燒爐渣性能分析

(1)物理化學(xué)指標(biāo)

對(duì)上海兩個(gè)典型爐渣廠（A及B）產(chǎn)生爐渣的物理化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，得到破碎分選前（進(jìn)料渣）和破碎分選后（成品渣）爐渣的物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示。

由表1可知，兩個(gè)廠的爐渣均符合《生活垃圾焚燒爐渣集料》（GB/T 25032-2010）中細(xì)集料含水率小于18%要求，但不滿足上海市工程建設(shè)規(guī)范《生活垃圾焚燒爐渣集料路用技術(shù)規(guī)程》小于等于10%要求；熱灼減率符合上海市工程建設(shè)規(guī)范《生活垃圾焚燒爐渣集料路用技術(shù)規(guī)程》要求。與天然骨料相比，焚燒爐渣質(zhì)輕，吸水能力強(qiáng)，并且由于水冷過(guò)程，爐渣含水率較高；這些物理化學(xué)特性表明它符合骨料、砂石等方面的要求，可以作為建筑材料資源化利用。

表1 爐渣的含水率、熱灼減率、堆積密度、吸水率

(2)化學(xué)成分測(cè)試

對(duì)典型爐渣化學(xué)成分的測(cè)試結(jié)果如表2所示。從表中看出，焚燒爐渣主要由堿金屬和堿土金屬構(gòu)成，含有少量富集的金屬，主要組成為CaO、SiO2、Fe2O3、MgO和Al2O3等，是一種非均質(zhì)混合物。其中所含的重金屬和氯鹽含量較高，它們是建材資源化利用的主要障礙。

表2 上海典型爐渣的主要化學(xué)成分

爐渣廠A的爐渣中的Cl-濃度在破碎分選前后分別為1.798%和1.915%，爐渣廠B的爐渣中的Cl-濃度在破碎分選前后分別為1.526%和1.078%。根據(jù)國(guó)標(biāo)《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB50164-2011）的相關(guān)規(guī)定，鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土用砂的氯離子含量分別不應(yīng)大于0.06%和0.02%，混凝土拌合物中水溶性氯離子最大含量如表3所示，鋼筋混凝土不應(yīng)大于0.30%，預(yù)應(yīng)力混凝土不應(yīng)大于0.06%，素混凝土不應(yīng)大于1%。因此，典型爐渣中的Cl-均超過(guò)了用作混凝土原料的標(biāo)準(zhǔn)，將爐渣進(jìn)行資源化應(yīng)用需將其進(jìn)行脫Cl-處理。氯化物（除氯化銀）在水中具有較大溶解度且能夠快速溶解，因此針對(duì)爐渣的水洗脫氯是常用的預(yù)處理方法。有研究將垃圾焚燒爐渣以8:1的液固比混合水洗10min后實(shí)現(xiàn)了91%的脫氯效率[3]。用清水進(jìn)一步洗脫可獲得更好的除氯效果，但需要消耗更多水資源，因此工程應(yīng)用中可采用逆流水洗來(lái)實(shí)現(xiàn)清洗達(dá)標(biāo)和節(jié)約水量的目的。

表3 混凝土拌合物中水溶性氯離子最大含量（水泥用量的質(zhì)量百分比，%）[4]

(3)微觀分析

通過(guò)XRD分析了爐渣廠A及爐渣廠B在破碎分選前后的礦物組成如圖2。A廠進(jìn)料渣主要由氫氧化鈣，二氧化硅，碳酸鈣，硫酸鈣，氧化鈣，還有鈣和鐵的復(fù)合氧化物組成。相較于A廠，B廠進(jìn)料渣少了氫氧化鈣，多了少量鈣礬石。且B廠中二氧化硅的含量明顯高于A廠，A廠中鈣和鐵的復(fù)合氧化物還有碳酸鈣的含量明顯高于B廠，其他含量無(wú)明顯差別。而A廠成品渣主要由二氧化硅，碳酸鈣，硫酸鈣，氧化鈣，還有鈣和鐵的復(fù)合氧化物組成。相較于A廠，B廠進(jìn)料渣多了鈣礬石。且B廠中組分含量與A廠相比無(wú)明顯差別。因此，爐渣的主要礦物為α-石英、方解石、鈣長(zhǎng)石，其他的礦物峰不顯著，含量較少。各礦物衍射峰均比較尖銳，說(shuō)明結(jié)晶程度較高，且石英、鈣長(zhǎng)石、方解石這些礦物的水化活性都不高，據(jù)此初步判斷爐渣的活性不高。

圖2 典型爐渣的XRD數(shù)據(jù)圖

基于對(duì)上海垃圾焚燒爐渣的產(chǎn)量、組分及結(jié)構(gòu)的分析可知，垃圾焚燒爐渣理化性質(zhì)和工程特性具有一定的骨料性質(zhì)，由于其重金屬含量、含鹽量和浸出濃度均較低，無(wú)放射性危害，對(duì)環(huán)境的影響也較小，而且有機(jī)物含量較低，強(qiáng)度高，所以爐渣的物理和化學(xué)性質(zhì)整體符合用作生產(chǎn)建筑及道路基材等資源化應(yīng)用途徑的原料標(biāo)準(zhǔn)，典型爐渣中的Cl-均超過(guò)了用作混凝土原料的標(biāo)準(zhǔn)，如將爐渣作為混凝土原料進(jìn)行資源化應(yīng)用則需將其進(jìn)行水洗脫Cl-處理。

3.垃圾焚燒爐渣資源化研究

焚燒產(chǎn)生的巨量爐渣需找到合適的消納方式。在處理處置過(guò)程中，如果方法不當(dāng)，也有可能產(chǎn)生進(jìn)一步的危害，如何安全高效地處理生活垃圾焚燒爐渣，研究爐渣資源化利用可行性，尋找環(huán)境要求和經(jīng)濟(jì)成本之間的最佳平衡點(diǎn)，已成為推廣生活垃圾減量化、資源化、無(wú)害化技術(shù)需重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。目前，生活垃圾焚燒爐渣的資源化利用途徑主要包括生產(chǎn)水泥、制備免燒磚、制成路基路堤建筑材料、作為代替骨料鋪裝石油瀝青路面等建材行業(yè)和道路工程等，具有較廣的市場(chǎng)前景。

(1)水泥建筑材料

爐渣作為一種輕質(zhì)、多孔的材料，它具有工程中使用的天然骨料的性質(zhì)，用于道路建設(shè)可有效利用廢棄資源，減少填埋壓力。垃圾焚燒爐渣與天然骨料相比，密度較小、孔隙率高、吸水性強(qiáng)[5]；垃圾焚燒爐渣用作膠凝材料時(shí)可以減緩水泥硬化，按一定比例摻入可以提高爐渣的膠凝活性，在水泥中摻入少量可以有效提高水泥漿體強(qiáng)度；焚燒爐渣用于混凝土中時(shí)，替代天然骨料比例不宜超過(guò)50%，替代率過(guò)高會(huì)延緩水泥水化反應(yīng)發(fā)生，降低混凝土整體的抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)[6]。

國(guó)外有研究[7]表明，爐渣經(jīng)處理后可部分取代水泥用于基建材。目前爐渣的基建材料應(yīng)用已在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家大量推廣。在荷蘭工業(yè)協(xié)會(huì)的一項(xiàng)“綠色協(xié)議”中，要求將環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的生活垃圾焚燒爐渣用于路基層、混凝土水泥或建筑中；歐盟要求成員國(guó)應(yīng)將垃圾焚燒爐渣視為潛在的輔助建筑材料[8]，以改善城市生活垃圾回收體系，降低全球溫室氣體的排放量；丹麥每年生活垃圾焚燒爐渣的70%～90%用于路堤、路基或填海材料。

然而，爐渣的建材應(yīng)用面臨Cl-含量高的問(wèn)題。目前，我國(guó)焚燒爐渣處置方法主要是：①經(jīng)過(guò)脫氯處理后進(jìn)入水泥窯協(xié)同處置；②經(jīng)過(guò)固化處理后填埋[9]。爐渣中含有的硅酸鹽和硅鋁酸鹽等物質(zhì)，經(jīng)過(guò)處理可以作為建筑材料使用。脫氯處理是不可缺少的一部分，通常的水洗脫氯可以去除大部分氯，但是爐渣中仍有少部分難溶性氯的存在。Zhu等人[8]研究表明，該難溶性氯鹽主要是Friedel’s鹽（[Ca2Al(OH)6]Cl·2H2O），深度處置爐渣中的氯，可以提高建筑行業(yè)中水泥窯的處置能力，因此深度脫氯技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究顯得尤為重要。這是焚燒爐渣一個(gè)重要的資源化利用方向，但是也存在一定的問(wèn)題，爐渣資源化取代水泥，可能會(huì)降低基建材料混凝土的機(jī)械強(qiáng)度，其強(qiáng)化時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，故要合理地添加爐渣才可以有效提高其資源化水平[10]；也要注意有害垃圾的單獨(dú)處置，以保證水泥窯本身的長(zhǎng)期使用和安全性。

(2)路基、堤壩填料

經(jīng)處理過(guò)的生活垃圾焚燒爐渣可以用于道路工程，以替代路基中的黏土、基層中的石屑、碎石和表層中的細(xì)骨料。同時(shí)，生活垃圾焚燒爐渣的應(yīng)用還可以降低堆渣成本，具有間接的經(jīng)濟(jì)效益[11]。但相關(guān)研究表明[12]，爐渣中較高濃度的氯鹽和重金屬會(huì)在環(huán)境中浸出，不能直接作為建筑材料，需要對(duì)其進(jìn)行水洗，再將部分水洗后的爐渣摻入砂子作為路基材料，不但滿足相應(yīng)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)降低了處置成本。

此外，爐渣資源化也可用于堤壩建設(shè)。根據(jù)Yoon等人[13]的研究，向混凝土中摻入15%的爐渣建造堤壩，其耐久性更好；但用于堤壩建設(shè)要考慮到對(duì)土壤和地下水和周?chē)h(huán)境動(dòng)植物的影響，可能發(fā)生污染物質(zhì)滲漏等問(wèn)題，在實(shí)際工程中的應(yīng)用較少，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)理論研究。

(3)填埋場(chǎng)覆蓋材料

焚燒爐渣用于填埋場(chǎng)覆蓋材料，可以有效防止雨水、滲濾液的滲漏和垃圾發(fā)酵氣體的逸散，在環(huán)境健康層面上值得發(fā)展。爐渣作為填埋覆蓋材料時(shí)，不需進(jìn)行篩分、破碎等前處理，工藝上簡(jiǎn)單易行[14]。但是填埋場(chǎng)滲濾液中溶解的鹽類(lèi)濃度較高，所以將焚燒爐渣用作覆蓋材料時(shí)要注意滲濾液中鹽類(lèi)濃度含量及變化，防止對(duì)環(huán)境造成危害。

(4)石油瀝青骨料

焚燒爐渣中篩分出的合適粒徑可以作為石油瀝青細(xì)骨料鋪路。相比于傳統(tǒng)瀝青混合料，表面摻入10%爐渣的瀝青并沒(méi)有增加經(jīng)濟(jì)效益，但其經(jīng)濟(jì)效益將隨瀝青、石料價(jià)格的增長(zhǎng)而逐漸顯著。有研究表明，瀝青中爐渣用于粘結(jié)層或基層時(shí)摻入率不宜超過(guò)20%，用于表層時(shí)不宜超過(guò)15%[12]。嚴(yán)建華等人[15]研究表明，在爐渣和瀝青混合物中添加某種硫化物，可以生成重金屬硫化物，減少重金屬的浸出量。美國(guó)將爐渣分別用于道路粘結(jié)層、耐磨層或表層和基層，完成含混合爐渣的瀝青道路鋪筑工程，結(jié)果表現(xiàn)良好[16]。但爐渣作為鋪路材料時(shí)也有一定的限制，比如丹麥對(duì)用于鋪路的爐渣，要求利用地距離飲用水源不得小于20m并高于最高地下水位[12]。

(5)玻璃和陶瓷

爐渣中含有的硅酸鹽類(lèi)物質(zhì)是玻璃和陶瓷的生產(chǎn)原料，故經(jīng)過(guò)熔融玻璃化的焚燒爐渣可用作玻璃和陶瓷，不僅可以節(jié)約利用原材料，而且生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)控制高溫溫度條件，可以使二噁英等有機(jī)污染物去除，是近些年新興的一種工藝。比如，Marruzzo[17]利用爐渣制作人造沸石作為離子交換劑制純凈水，都在爐渣的再利用領(lǐng)域有一定的發(fā)展前景。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文以上海城市垃圾焚燒廠典型爐渣為研究對(duì)象，分析測(cè)試了爐渣的理化特性，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研對(duì)爐渣的多種資源化應(yīng)用方法進(jìn)行了綜述，并總結(jié)了應(yīng)用中所面臨的問(wèn)題及解決方法。通過(guò)對(duì)垃圾焚燒爐渣的理化性質(zhì)和工程特性分析也顯示，垃圾焚燒爐渣具有一定的骨料性質(zhì)，且其重金屬含量、含鹽量和浸出濃度均較低，有機(jī)物含量較低，強(qiáng)度高，對(duì)環(huán)境的影響也較小?？山?jīng)過(guò)水洗脫氯等預(yù)處理后用于水泥建筑材料、石油瀝青骨料等用途。因此，可將垃圾焚燒爐渣作為建筑材料原料開(kāi)展多種資源化綜合利用。該工作對(duì)發(fā)展資源化利用技術(shù)，助力我國(guó)建立資源節(jié)約型社會(huì)具有參考意義。