城市生活垃圾焚燒爐渣作為土木工程材料的資源化應(yīng)用探討

范宇杰 陳 萍 馬文欣 丁志農(nóng) 蔣瑩玉 王小健

（1．浙江理工大學(xué)，杭州 310018；2．蘇州市航道管理處，蘇州 215000）

隨著城市的發(fā)展，城市生活垃圾清運(yùn)量的增加與填埋庫容緊缺之間的矛盾愈發(fā)突出，而焚燒處理因其減量化顯著越來越受到重視。近年來我國東南部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)許多城市已經(jīng)興建了或正在興建大型生活垃圾焚燒廠，焚燒處理已占生活垃圾總處置量的14%，年產(chǎn)灰渣450~650 萬噸。城市生活垃圾焚燒灰渣（MWC）包括焚燒爐中排出的爐渣和煙氣凈化系統(tǒng)中收集的飛灰，其中爐渣約占垃圾總重量的20%~30%，飛灰約占0.5%。目前發(fā)達(dá)國家生活垃圾焚燒爐渣的處理處置主要采用衛(wèi)生填埋和資源化利用，我國《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB16889-2008）規(guī)定爐渣可以直接進(jìn)入衛(wèi)生填埋場填埋處置；而飛灰須經(jīng)特別處理將二噁英等污染物含量控制在安全范圍內(nèi)方可進(jìn)入生活垃圾衛(wèi)生填埋場，否則須進(jìn)入危險(xiǎn)廢物填埋場處理處置。

隨著生活垃圾產(chǎn)量及焚燒比例的增加，爐渣產(chǎn)量將日益增加，因此探索焚燒爐渣的資源化利用途徑具有重要意義。

1 垃圾焚燒爐渣理化性質(zhì)及工程特性分析

一般而言，垃圾焚燒原狀爐渣呈黑褐色，風(fēng)干后為灰色，其物理組成主要有熔渣、黑色及有色金屬、陶瓷及玻璃碎片和其它一些不可燃物質(zhì)及未燃有機(jī)物（如圖1所示）。除去其中的大宗物質(zhì)后，與砂礫石渣土相似（如圖2 所示），主要物理組分質(zhì)地堅(jiān)硬，作為集料使用時(shí)具有一定的強(qiáng)度。

圖1 垃圾焚燒底灰

圖2 除去大尺寸物質(zhì)的垃圾焚燒底灰

爐渣顆粒因其物理組成不同形狀變化很大，但爐渣的粒徑分布比較均勻，顆粒主要集中在2mm~50mm 范圍內(nèi)（約占60.8%~76.8%），而小于0.074mm 的顆粒含量在0.06%~1.36%，基本符合道路建材(骨料、級配碎石或級配礫石等)的級配要求。級配良好反應(yīng)了爐渣作為骨架材料穩(wěn)定性比較好， 易壓實(shí)到較高承載力的狀態(tài)；而小于0.074mm的顆粒少說明爐渣含泥量較低，因此爐渣作為道路工程用集料對其進(jìn)行資源化利用是可行的。

堅(jiān)固性是反映爐渣工程性能的重要指標(biāo)。一般要求，用于水泥混凝土、高級公路和一級公路中的瀝青面層中，集料在5次循環(huán)浸泡和烘干后質(zhì)量損失必須在12%以下。據(jù)研究資料爐渣在5次浸泡和烘干循環(huán)后質(zhì)量損失為4.32%，故爐渣堅(jiān)固性滿足作為公路面層和基層填料的使用要求。

有機(jī)質(zhì)會影響集料的工程性質(zhì)，降低集料本身及經(jīng)無機(jī)結(jié)合料(水泥、石灰或二灰)穩(wěn)定后所得到的穩(wěn)定土強(qiáng)度，因而集料中有機(jī)質(zhì)含量不宜過高。據(jù)調(diào)查我國焚燒爐渣中可燃物的含量較低（5mm以上顆粒中的可燃物含量在0.06%~1.34%），能夠滿足石灰穩(wěn)定土集料有機(jī)質(zhì)的含量要求(不超過30%)、二灰穩(wěn)定土的集料有機(jī)質(zhì)的含量要求(不超過10%)和水泥穩(wěn)定土集料中的有機(jī)質(zhì)含量要求(不超過2%)。對上海市浦東新區(qū)垃圾焚燒發(fā)電廠爐渣物理組成調(diào)查得知其有機(jī)質(zhì)含量為0.42%，爐渣的灼減率（LOI）為2.73%，均表明其有機(jī)質(zhì)含量較低，能夠滿足作為公路基層集料的應(yīng)用要求。

爐渣的化學(xué)組成元素主要是Si、Al、Ca、Na、Fe、C、K、Mg 和O，礦物成分主要是SiO2、CaAl2Si2O8、Al2SiO5及 少 量 的CaCO3、CaO 和ZnMn2O4等。爐渣中含有一定的重金屬，如Cd、Hg、Pb、Cu 和Zn等，但重金屬浸出濃度遠(yuǎn)低于危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)值，屬于一般固體廢物，故重金屬污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較小。爐渣的溶解鹽量一般小于1%，因此處理處置時(shí)因溶解鹽污染地下水的可能性較小，其中硫酸鹽的含量約0.06%~0.10%（以SO3計(jì)），能夠滿足道路中各種穩(wěn)定土中對硫酸鹽含量的要求。爐渣的酸中和能力約為4meq/g，pH緩沖能力大，能有效抑制重金屬的浸出。另外焚燒爐渣中的二噁英含量約為0.015~0.3ng TEQ/g，遠(yuǎn)低于許多國家的土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值（1.0 或1.5ng TEQ/g）。還有研究發(fā)現(xiàn)爐渣不存在放射性風(fēng)險(xiǎn)，綜上所述，從環(huán)境安全的角度爐渣的資源化利用是可行的。

2 爐渣資源化利用途徑探討

爐渣的理化性質(zhì)及工程特性表明爐渣具有骨料性質(zhì)。同時(shí)，爐渣的重金屬含量、浸出毒性和溶解鹽含量均較低，沒有放射性危害，因此資源化利用的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較小。而且爐渣殘余有機(jī)物含量較少，堅(jiān)固性較好，作為土木工程材料進(jìn)行資源化利用具有可行性。在美國、歐洲和日本，爐渣（或是混合灰渣）己經(jīng)有幾十年的應(yīng)用歷史，尤其在歐洲，爐渣資源化利用的比例較高，總體比例在50%以上，其中作為道路工程的集料和填埋場的覆蓋材料是目前爐渣資源化利用最主要的方式。

2.1 瀝青混凝土或水泥混凝土的替代骨料

爐渣的物理組成、級配、堅(jiān)固性等均符合瀝青混凝土和水泥混凝土替代骨料的要求。另外有研究發(fā)現(xiàn)，垃圾焚燒爐渣中含有一定量的活性SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分，具備一定的火山灰活性，故將爐渣用作水泥混凝土骨料對強(qiáng)度有一定的促進(jìn)作用。

美國聯(lián)邦公路管理局在休斯敦、華盛頓和費(fèi)城等地，至少完成了6項(xiàng)含混合爐渣的瀝青道路鋪筑示范工程，爐渣被分別用于道路粘結(jié)層、耐磨層或表層和基層。示范工程的測試結(jié)果表明，石油瀝青鋪面在一年內(nèi)不會發(fā)生開裂現(xiàn)象，并且只要處置得當(dāng)，爐渣瀝青利用并不會對環(huán)境造成危害。

美國Stony Brook大學(xué)海洋科學(xué)研究中心用穩(wěn)定后焚燒爐渣制成的水泥磚建成2 座人工暗礁，歷經(jīng)6年沒有發(fā)現(xiàn)有機(jī)或無機(jī)的有毒有害成分滲出到周圍環(huán)境；用爐渣空心磚建造船庫， 經(jīng)30個(gè)月的測定結(jié)果表明：爐渣中的污染物能被有效地截留于水泥基質(zhì)中，船庫內(nèi)的空氣質(zhì)量與周圍大氣相同，并且工程測試表明爐渣磚與標(biāo)準(zhǔn)混凝土磚的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)。

但與傳統(tǒng)的砂石相比，爐渣作為集料仍有其欠缺之處，應(yīng)用時(shí)需注意：

其一原狀爐渣由于含有大粒徑磚塊、石頭和金屬，使得其只能用作二級公路及二級以下公路的底基層集料，只有去除這些大顆粒后，爐渣才能用作基層和二級公路以上公路底基層集料。另外大顆粒組成可能會破毀施工設(shè)備，對施工的危害較大，應(yīng)該盡可能地除去。

其二由于水淬降溫排渣作用，原狀爐渣的含水率高達(dá)12.0%~18.9%，爐渣含水率會直接影響到集料壓實(shí)程度、密度、強(qiáng)度和抗變形能力。含水率過高，還會出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，且不便于運(yùn)輸，也難以形成高強(qiáng)度。在應(yīng)用時(shí)，必須根據(jù)應(yīng)用途徑作進(jìn)一步分析確定是否需要通過風(fēng)干降低爐渣的含水率。

其三是由于爐渣中含有一定的重金屬等污染物，對環(huán)境有一定的潛在影響，資源化應(yīng)用過程中應(yīng)對爐渣及其產(chǎn)品進(jìn)行嚴(yán)格的環(huán)保檢測，另外工程應(yīng)用時(shí)可以考慮加入適量的水泥、石灰等膠凝材料進(jìn)行穩(wěn)定化處理，以降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 路基、路堤等的建筑填料

由于天然砂石骨料的缺乏，爐渣用作停車場、道路等的建筑填土材料，成為歐洲目前灰渣資源化利用的重要途徑之一。由于爐渣的穩(wěn)定性好，其物理和工程性質(zhì)與輕質(zhì)的天然骨料相似，并且容易進(jìn)行粒徑分配，易加工成商業(yè)化產(chǎn)品，因此成為一種適宜的建筑填料。歐洲多年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，爐渣作為建筑填料的資源化利用方式是可行的，在環(huán)境協(xié)調(diào)性和材料的使用性能方面均符合要求。

2.3 填埋場覆蓋材料

填埋場的覆蓋層由5個(gè)部分組成， 由上層到下層分別是植被層、營養(yǎng)層、排水層、阻隔層和基礎(chǔ)層。其中基礎(chǔ)層對整個(gè)覆蓋系統(tǒng)起著支撐、穩(wěn)定的作用，其材料為土壤、砂礫， 甚至可以為一些堅(jiān)固的垃圾， 如建筑垃圾等。

爐渣若用作填埋場覆蓋材料，可不必進(jìn)行篩選、磁選、粒徑分配等預(yù)處理工藝。由于填埋場自身存在有利的衛(wèi)生條件（具備環(huán)境保護(hù)設(shè)施如防滲層及滲濾液回收系統(tǒng)等），能夠很好地控制爐渣中的重金屬或水溶性鹽分的浸出對人類健康和環(huán)境的不利影響。另外，焚燒爐渣作為垃圾填埋場的日臨時(shí)覆蓋材料可以起到一定的阻止填埋場臭氣溢出作用正在逐漸地被采用。

3 結(jié)論

（1）近幾年我國東部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)大力發(fā)展生活垃圾焚燒處理，焚燒灰渣的產(chǎn)量顯著增加，目前這些灰渣主要進(jìn)入填埋場進(jìn)行填埋處置，這將顯著增加城市周邊填埋庫容的壓力，因此爐渣的資源化利用有很大的必要性。

（2）爐渣的理化性質(zhì)和工程特性分析結(jié)果表明：爐渣的物理組成及級配滿足作為集料的使用要求；有機(jī)物含量較少，堅(jiān)固性較好，適合作為混凝土集料、填土材料及垃圾填埋場覆蓋材料進(jìn)行資源化利用。爐渣的重金屬含量、浸出毒性、溶解鹽含量及二噁英類物質(zhì)對環(huán)境的影響較小，并且爐渣沒有放射性危害，資源化利用具有環(huán)境安全性。

（3）我國是一個(gè)自然資源緊缺的國家，天然建材原料缺乏，將爐渣就地資源化利用，不僅能夠節(jié)省填埋庫容，減少運(yùn)輸費(fèi)用和運(yùn)輸造成的環(huán)境污染問題，還能夠節(jié)約資源并創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益。從我國的環(huán)境法律法規(guī)上來說，爐渣不屬于危險(xiǎn)廢物，鼓勵(lì)發(fā)展資源化利用技術(shù)。因此，探索適合我國爐渣特性的資源化應(yīng)用技術(shù)對于建立節(jié)約型社會、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)有著非常重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義。

［1］趙由才，宋立杰．垃圾焚燒廠焚燒底灰的處理研究［J］．環(huán)境污染與防治，2003，25（2）：95–97．

［2］石愛娟，何品晶等．城市生活垃圾焚燒爐渣工程性質(zhì)研究［J］．環(huán)境工程，2004，22（1）： 49–50．

［3］何品晶，宋立群等．垃圾焚燒爐渣的性質(zhì)及其利用前景［J］．中國環(huán)境科學(xué)，2003，23（4）：396–398．