垃圾焚燒爐渣的資源化利用分析

＊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)中國統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)[1]，2020年我國的城市生活垃圾清運(yùn)量已超過2.35億噸，比2004年增長約51.61%，生活垃圾無害化處理量也將近2.35億噸，無害化處理率接近100%。目前常用的城市垃圾無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。《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》中提出“到2025年底，全國城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒處理能力達(dá)到80萬噸/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，其比例在2019年首次超過50%，成為垃圾無害化的主要處理方式（如圖1）。近年，我國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 近十年我國垃圾焚燒無害化處理現(xiàn)狀[1]

根據(jù)《2020上海綠化市容統(tǒng)計年鑒》，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)1.86萬噸/天。根據(jù)相關(guān)規(guī)劃和項目實際運(yùn)營數(shù)據(jù)測算，按照目前生活垃圾焚燒爐渣產(chǎn)量占焚燒量的20%～25%計，可得出上海市日產(chǎn)爐渣量達(dá)4500噸。

本課題實驗爐渣來自上海市兩個典型焚燒爐渣廠的生活垃圾焚燒爐渣（A及B），經(jīng)過分選、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)

對上海兩個典型爐渣廠（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)成分測試

對典型爐渣化學(xué)成分的測試結(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實現(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廠相比無明顯差別。因此，爐渣的主要礦物為α-石英、方解石、鈣長石，其他的礦物峰不顯著，含量較少。各礦物衍射峰均比較尖銳，說明結(jié)晶程度較高，且石英、鈣長石、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，無放射性危害，對環(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、無害化技術(shù)需重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。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，替代天然骨料比例不宜超過50%，替代率過高會延緩水泥水化反應(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)國家大量推廣。在荷蘭工業(yè)協(xié)會的一項“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-含量高的問題。目前，我國焚燒爐渣處置方法主要是：①經(jīng)過脫氯處理后進(jìn)入水泥窯協(xié)同處置；②經(jīng)過固化處理后填埋[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)的開發(fā)研究顯得尤為重要。這是焚燒爐渣一個重要的資源化利用方向，但是也存在一定的問題，爐渣資源化取代水泥，可能會降低基建材料混凝土的機(jī)械強(qiáng)度，其強(qiáng)化時間相應(yīng)延長，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期使用和安全性。

(2)路基、堤壩填料

經(jīng)處理過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，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在環(huán)境中浸出，不能直接作為建筑材料，需要對其進(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)要考慮到對土壤和地下水和周圍環(huán)境動植物的影響，可能發(fā)生污染物質(zhì)滲漏等問題，在實際工程中的應(yīng)用較少，需要進(jìn)一步的實驗理論研究。

(3)填埋場覆蓋材料

焚燒爐渣用于填埋場覆蓋材料，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，不需進(jìn)行篩分、破碎等前處理，工藝上簡單易行[14]。但是填埋場滲濾液中溶解的鹽類濃度較高，所以將焚燒爐渣用作覆蓋材料時要注意滲濾液中鹽類濃度含量及變化，防止對環(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%爐渣的瀝青并沒有增加經(jīng)濟(jì)效益，但其經(jīng)濟(jì)效益將隨瀝青、石料價格的增長而逐漸顯著。有研究表明，瀝青中爐渣用于粘結(jié)層或基層時摻入率不宜超過20%，用于表層時不宜超過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也有一定的限制，比如丹麥對用于鋪路的爐渣，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物質(zhì)是玻璃和陶瓷的生產(chǎn)原料，故經(jīng)過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)過程中通過控制高溫溫度條件，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

本文以上海城市垃圾焚燒廠典型爐渣為研究對象，分析測試了爐渣的理化特性，通過文獻(xiàn)調(diào)研對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)用中所面臨的問題及解決方法。通過對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，對環(huán)境的影響也較小?？山?jīng)過水洗脫氯等預(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展多種資源化綜合利用。該工作對發(fā)展資源化利用技術(shù)，助力我國建立資源節(jié)約型社會具有參考意義。