城市生活垃圾焚燒渣工程特性試驗研究

摘要：焚燒法減量效果顯著，已成為生活垃圾的主要處理方法，然而城市生活垃圾焚燒會產(chǎn)生大量底渣，底渣如何處置利用是當(dāng)前一個重要且亟待解決的難題。以武漢地區(qū)底渣為例，借助微觀觀測技術(shù)和室內(nèi)測試試驗，較為全面地分析武漢底渣的物理、化學(xué)及工程特性，與不同地區(qū)底渣特性進行對比，并進一步探討武漢底渣在道路工程中作為路基填料、垃圾填埋場中用作防滲層的可行性。結(jié)果表明，底渣顆粒形狀各異，表面光滑且有細小孔洞，是一種塑性較低、比重較高的級配不良砂性粗粒土；底渣重金屬元素浸出濃度均未超過國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定限值；底渣的擊實性與中細砂相似，有一定的壓縮性，但其固結(jié)特性不明顯；底渣的滲透系數(shù)略大于細砂，經(jīng)摻和膨潤土后可考慮用作垃圾填埋場防滲材料；底渣內(nèi)摩擦角接近中細砂取值，同時還具有一定的黏聚力；在承載變形能力上，底渣的CBR測定值較高，滿足路基工程材料對承載力的要求。

關(guān)鍵詞：城市生活垃圾；焚燒底渣；微觀形貌；工程特性；浸出特性

中圖分類號：X799.3" " "文獻標(biāo)志碼：A" " "文章編號：2096-6717（2024）04-0120-09

Experimental study on engineering characteristics of incineration bottom ash of municipal solid waste

GUO Xiaojing1， LI Lei2， HE Xiao2， PU Hefu2

（1. Beijing Jingwei Environmental Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100020， P. R. China； 2. School of Civil and Hydraulic Engineering， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， P. R. China）

Abstract： Incineration method has remarkable reduction effect and has become the main treatment method for municipal solid waste. However， incineration would produce a large amount of slag， for reuse of municipal solid waste incineration bottom ash， this paper investigated the bottom ash from a Wuhan incineration plant， and comprehensively analyzed the physical， chemical and engineering characteristics of the bottom ash by experiments and testing. Then the characteristics of bottom ash in different areas were summarized and compared with the present study. Furthermore， the feasibility of using the bottom ash as subgrade material in road engineering was discussed. The results show that， the bottom ash particles are various and randomly arranged， and the surface is smooth and distributed with obvious fine pores. The bottom ash is classified as a poorly graded coarse-grained sandy soil with low plasticity and high specific gravity. The leaching concentration of heavy metals from this bottom ash does not exceed the threshold value specified in the relevant national standards. The compaction characteristics of this bottom ash are similar with those of sand or gravel， it has relatively low compressibility， and its consolidation characteristics are not obvious. The permeability coefficient of the bottom ash is slightly greater than that of fine sand， and it can be considered as a landfill impermeable layer after being mixed with bentonite. The internal friction angle of bottom ash is close to that of gravel and has certain cohesion. In terms of the bearing capacity， the relatively high CBR" reveals that the bearing capacity of this bottom ash meets the requirement of subgrade materials in road engineering.

Keywords： municipal solid waste； incineration bottom ash； micromorphology； engineering characteristics； leaching characteristics

隨著中國城鎮(zhèn)化進程的推進，城市生活垃圾的年產(chǎn)量持續(xù)維持高位，巨量的垃圾給城市管理帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。由于焚燒法的減量效果顯著，現(xiàn)已成為中國處理生活垃圾的主要手段。然而，垃圾焚燒會產(chǎn)生大量的底渣，約占生活垃圾焚燒灰渣總量的80%[1-2]。因此，如何處理底渣，實現(xiàn)資源化利用成為當(dāng)前學(xué)者們關(guān)注的熱點。

一些學(xué)者從底渣的顆粒級配、擊實特性及強度特性等角度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)底渣作為道路材料具有良好的抗變形能力[3-6]，拌和黏土可以改善底渣級配，進一步強化混合土的抗剪強度[7-8]。也有一些學(xué)者[9-12]研究了底渣重金屬浸出毒性特征，得出底渣作為道路材料無重金屬污染的結(jié)論。另外，Le等[13]通過三軸壓縮試驗分析出底渣的力學(xué)特性與密實砂土相似。Izquierdo等[14]研究了底渣的擊實和浸出特性，結(jié)果表明，重型擊實試驗所測最佳含水率和最大干密度滿足道路骨料替代物的規(guī)定要求，底渣不僅具有高透水性，而且滿足當(dāng)?shù)亟龆拘詷?biāo)準(zhǔn)。這些研究結(jié)果表明，底渣具有資源化利用的潛力。然而，各地區(qū)的垃圾在組分及焚燒技術(shù)上存在差異，使得底渣的化學(xué)組成、工程性質(zhì)不盡相同[15]。因此，在考察底渣資源化利用時，應(yīng)考慮地域差異帶來的影響。

針對武漢地區(qū)城市生活垃圾焚燒底渣工程特性系統(tǒng)性報道的匱乏，筆者較為全面地測試了武漢地區(qū)底渣的物理特性、化學(xué)特性及工程特性，探討底渣在工程上的應(yīng)用場景，為實現(xiàn)其資源化利用提供相關(guān)技術(shù)參數(shù)的支撐。具體包括：采用掃描電子顯微鏡（SEM）分析底渣微觀形貌，通過篩分試驗與基礎(chǔ)物理參量標(biāo)定試驗來完成底渣土體分類；采用波長色散型X射線熒光光譜儀（WD-XRF）和X射線衍射（XRD）分析技術(shù)測定底渣化學(xué)和礦物組成；采用室內(nèi)浸出毒性試驗分析底渣浸出特性及對環(huán)境的影響；以《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）作為參考，通過室內(nèi)土工試驗獲得重要工程特性力學(xué)參數(shù)值，為底渣作為路基材料、防滲材料的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 物理特性分析

1.1 微觀形貌

通過SEM可以觀察到底渣的微觀尺寸、形狀、內(nèi)部微結(jié)構(gòu)和空隙分布，如圖1所示。從圖1可以看出，在放大250倍時，底渣顆粒呈無規(guī)律分布，其形狀不規(guī)則，顆粒間無明顯黏結(jié)和咬合。在放大500倍時，底渣單顆粒表面呈現(xiàn)出形狀各異、分布不均的細小孔洞，該特征可能是因為垃圾在高溫煅煉過程中空氣未排盡。在放大1 000倍時，可以看到單顆粒部分表面光滑且無角狀突起，這是底渣顆粒間發(fā)生摩擦所致。在放大10 000倍時，可觀察到單顆粒內(nèi)部多附著團聚或顆粒狀晶體。

1.2 顆粒級配

通過篩分試驗測得底渣的顆粒級配曲線，并與其他現(xiàn)有研究成果進行對比，如圖2所示。根據(jù)圖2可進一步計算出不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc分別為15和0.42，根據(jù)Cugt;5、Ccgt;1及粒徑小于2 mm的顆粒含量占比約為55%，可知試驗底渣分類為級配不良砂性粗粒土。

從圖2可以看出，底渣粒徑小于2 mm的部分與中砂[16]的級配曲線基本重合，粒徑小于0.5 mm的部分與中細砂[17]的級配曲線基本重合，只有粒徑小于0.1 mm的極少部分底渣與細砂[18]的級配曲線重合。因此，粒徑小于2 mm和粒徑小于0.5 mm的這部分底渣可考慮分別作為中砂、中細砂骨料替代材料。而粒徑大于2 mm的底渣可采取一定的預(yù)處理措施強化級配分布，如水洗、機械研磨及摻和骨料等。Izquierdo等[14]對西班牙底渣進行了顆粒級配分析，其曲線與本文曲線很接近，與Xie等[5]所得曲線也較為接近。同時，試驗底渣粒徑分布在文獻[15]描述的范圍內(nèi)?？偟膩碚f，不同地區(qū)的底渣級配區(qū)間分布情況相似，但由于部分粒徑組含量存在差異，故篩分曲線也存在一定的不同。

1.3 液限和塑限

通過室內(nèi)試驗測出底渣的塑限wP、液限wL及液性指數(shù)IL，見表1。根據(jù)結(jié)果可判斷底渣為硬塑狀態(tài)，可塑性較差。另外，表1還匯總了美國底渣[19]及相關(guān)國家規(guī)范要求值?？梢钥闯?，相較于美國底渣，試驗底渣IL值偏小；顯然，wP（22.9%）不能滿足中國公路路基水泥穩(wěn)定土的規(guī)范要求，使用前需采取一定的預(yù)處理；但滿足公路路基級配礫石施工規(guī)范要求，可考慮作為公路路基級配礫石的替代材料。同時，根據(jù)中國公路路基施工規(guī)范的填料要求，底渣的wP、wL均滿足作為路基填料的條件。

1.4 顆粒比重

通過比重瓶法測得底渣顆粒比重Gs=2.71，在文獻[15]報道的范圍（1.2～2.8）內(nèi)，并與其他土體及相關(guān)底渣研究值進行比較，結(jié)果如圖3所示。試驗底渣顆粒比重與粉土（2.70～2.71）和粉質(zhì)黏土（2.71～2.74）接近，略大于砂土（2.65～2.69）。Zekkos等[19]測定出底渣飛灰混合渣的顆粒比重范圍為2.1～2.6，Siddique[23]和Pandeline等[24]測得的比重范圍分別為2.4～2.6和1.7～1.8，均小于本試驗結(jié)果，這可能主要與底渣包含的雜質(zhì)（玻璃碎片、金屬顆粒）有關(guān)。

2 化學(xué)特性分析

2.1 WD-XRF測試分析

采用WD-XRF對底渣進行測試，并將結(jié)果與其他地區(qū)底渣進行比較，見表2。由表2可見，底渣主要化學(xué)元素有：Si、Ca、Al、Fe、P、S、Mg、Na和Cl，其中Si含量為36.24%，Si、Ca、Al、Fe 四種元素之和占總含量的80%，這與Dou等[25]研究并統(tǒng)計的亞洲底渣、Xie等[5]研究的天津底渣、荷蘭底渣及西班牙底渣[26-27]中4種元素占比結(jié)果相近。這主要是因為在高溫焚燒過程中，這幾種元素均極難揮發(fā)，因而富集于底渣中。另外，試驗底渣中的SO3、P2O5和有機質(zhì)的含量分別為2.34%、3.69%和2.04%，而Na、Mg等堿金屬元素的含量均低于2%，且Na元素含量遠低于亞洲底渣的平均含量，此現(xiàn)象可能與底渣組分的差異性相關(guān)。

2.2 XRD測試分析

采用XRD分析底渣的晶相，得到底渣衍射圖譜，如圖4所示。由圖4可知，試驗底渣的物相組成主要有SiO2、CaSO4、CaCO3、Fe2O3、Al2Si2O5（OH）4及Ca3Si2O7，所含的主要化學(xué)元素為Si、Ca、Al、Fe，與WD-XRF測試結(jié)果相符。與文獻[28-29]對比可知，SiO2、CaSO4、CaCO3是廣泛存在于底渣中的3種基本晶相。

2.3 浸出毒性試驗

試驗底渣浸提液的提取操作流程依照《固體廢物 浸出毒性浸出方法 醋酸緩沖溶液法》（HJ/T 300—2007）進行，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定浸提液中重金屬元素的濃度，見表3?？梢钥闯?，8種重金屬元素的濃度由低到高依次為：Cdlt;Aslt;Balt;Pblt;Crlt;Nilt;Cult;Zn。根據(jù)《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》（GB 5085.3—2007）和《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 36600—2018）可知，底渣重金屬毒性浸出濃度均未超標(biāo)。

另外，還可以看出，8種重金屬均未超標(biāo)，也未超過澳大利亞固體廢棄物作填料標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境背景值[30]。表3還給出了與其他地區(qū)底渣浸出濃度值的比較結(jié)果，可以看出，澳門地區(qū)Pb濃度超過TCLP和危廢鑒別標(biāo)準(zhǔn)限值，天津地區(qū)Pb濃度是武漢地區(qū)的2倍，但武漢地區(qū)Zn和Cu濃度遠大于天津和澳門。同時，與亞洲地區(qū)相比，除了Ba元素外，試驗底渣中其余7種重金屬元素濃度均遠低于其區(qū)間下限，其中Pb濃度更是不到下限值的百分之一。這可能與各地區(qū)在垃圾組分、垃圾分類標(biāo)準(zhǔn)及垃圾焚燒技術(shù)上的差異有關(guān)。

3 工程特性分析

3.1 擊實性

通過重型擊實試驗測得干密度與含水率關(guān)系曲線，如圖5所示。可以看出，底渣最佳含水率wopt=10.6%，最大干密度ρd，max=2.00 g/cm3。

圖5還給出了與其他現(xiàn)有成果的比較。由圖5可見，試驗底渣ρd，max大于砂礫且小于礫石，最佳含水率wopt小于砂礫且大于礫石，其擊實曲線的變化情況與中細砂[17]類似。Izquierdo等[14]測定的西班牙底渣ρd，max=1.79 g/cm3，小于試驗底渣，而wopt大于試驗底渣，Hu等[31]測得的底渣擊實性與試驗底渣也不相同。擊實參數(shù)的差異性可能與底渣顆粒級配和含水率的不均勻分布相關(guān)。

3.2 壓縮性

通過固結(jié)試驗得到底渣孔隙比與豎向壓力關(guān)系曲線，如圖6所示，計算得到壓縮系數(shù)a1-2=0.19 MPa-1，壓縮指數(shù)Cc=0.06，卸載階段回彈指數(shù)在0.007左右。在較低應(yīng)力（小于400 kPa）下，壓縮指數(shù)范圍為0.01～0.08，而再加載階段進行到400～800 kPa時壓縮指數(shù)最大，為0.12。此外，根據(jù)時間平方根法計算出試驗底渣的固結(jié)系數(shù)Cv為0.24 m2/s。

表4為幾種底渣壓縮參數(shù)研究結(jié)果的對比。從表4中可見，徐謙等[8]測得的壓縮模量Es 1-2大于本試驗結(jié)果，但兩者均小于20 MPa，故可判定底渣為中等壓縮性土體。

張建銘[33]分別對0.90和0.95這兩個壓實系數(shù)下的底渣進行了研究，從表4中可以看出，試驗底渣的壓縮參數(shù)與其在壓實系數(shù)為0.90時基本相同。進一步比較兩者的固結(jié)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，試驗底渣的固結(jié)系數(shù)在加載階段更大，但在再加載階段與之接近。這可能是底渣的固結(jié)特性不明顯造成的，也說明了試驗底渣在道路工程應(yīng)用中基本能夠滿足荷載作用下路基填料的要求。

3.3 滲透性

通過變水頭滲透試驗，得到武漢底渣滲透系數(shù)為3.2×10-3 cm/s，與Muhunthan等[16]測得的美國底渣及相對密實度為55%的細砂[18]結(jié)果接近（見表5），與圖1中粗顆粒形態(tài)及圖2中的粒徑分布吻合。

根據(jù)文獻報道[15]，摻入少量的低滲透性材料（例如高嶺土、膨潤土等）可將底渣的滲透系數(shù)降低至10-7數(shù)量級，從而作為垃圾填埋場防滲材料。在18%含水率下，對試驗底渣摻和10%鈉化鈣基膨潤土、過篩的試驗底渣（即去除1 mm以上粒徑的粗粒）摻和10%鈉化鈣基膨潤土的混合料進行標(biāo)準(zhǔn)擊實，測得的滲透系數(shù)分別為1.2×10-6、8.1×10-8 cm/s，后者低于1×10-7 cm/s，由此可見，去除粗顆粒并摻和少量膨潤土的試驗底渣可作為滲材料。

3.4 抗剪強度

采用ZJ型應(yīng)變控制直剪儀，對底渣進行剪切試驗。圖7給出了不同垂直壓力荷載下底渣水平位移與剪應(yīng)力的關(guān)系曲線。由圖7可見，在不同垂直壓力作用下，剪應(yīng)力-水平位移曲線的變化情況相似，可分為3個階段：1）當(dāng)水平位移較小時，隨著水平位移的增加，剪應(yīng)力增大；2）當(dāng)剪應(yīng)力增至峰值時，試樣發(fā)生破壞，剪應(yīng)力逐漸減??；3）當(dāng)剪應(yīng)力減小到某一值后，呈現(xiàn)一定的殘余應(yīng)力，剪應(yīng)力不再隨水平位移的增大而發(fā)生明顯變化。

剪切強度和正應(yīng)力的關(guān)系曲線如圖8所示，計算得到底渣內(nèi)摩擦角φ=31.8°，黏聚力c=41.2 kPa。與其他相關(guān)底渣研究結(jié)果進行比較，見表6。由表6可見，Weng等[12]、Muhunthan等[16]和Lin等[34]通過直剪試驗測得底渣內(nèi)摩擦角取值范圍為20.8°～52.7°，本文結(jié)果與上述范圍一致。Xie等[5]、Le等[13]、Zekkos等[19]及Becquart等[35]經(jīng)三軸試驗得到的底渣內(nèi)摩擦角均不小于36.9°?？梢?，相比直剪試驗，采用三軸剪切試驗獲得的底渣強度參數(shù)更大。范廣等[36]通過大型直剪試驗所測強度參數(shù)結(jié)果大于本研究，而徐謙等[8]通過快剪試驗測得的強度參數(shù)又偏小，這可能與試樣的尺寸效應(yīng)及圍壓等影響因素有關(guān)。

另外，從表6中還可以看出，底渣不僅具有與中細砂、細砂近似的內(nèi)摩擦角，還存在一定的黏聚力，其強度特性并不與砂性土完全相同，產(chǎn)生差異的主要原因在于底渣的密實度和含水率分布。

3.5 CBR測定

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020），測得底渣CBR取值范圍為70%～172%。圖9為不同擊實次數(shù)下底渣的貫入量與單位壓力的關(guān)系曲線。由圖9可知，當(dāng)貫入量相同時，底渣的單位壓力隨擊實次數(shù)的增加而逐漸增大。因此，在實際工程應(yīng)用中，可通過調(diào)整底渣的密實度而改變其CBR值。

圖10給出了不同擊實次數(shù)下底渣CBR與含水率的關(guān)系曲線?？梢?，CBR隨含水率的增大先增大后減小。在最佳含水率w=10.9%處，CBR取值最大，與擊實試驗相差0.3%，這可能與含水率不均勻分布有關(guān)。另外，當(dāng)擊實次數(shù)從30擊升到98擊時，CBR最大取值從120%增至172%。

根據(jù)文獻[37-38]，試驗底渣作為路基填料的CBR滿足規(guī)范要求。圖11為試驗底渣與其他研究結(jié)果的比較。由圖11可知，Lynn等[15]所測底渣CBR取值范圍為50%～150%，包含文獻[13-14，31，35]所測得的CBR值，且與試驗底渣CBR取值區(qū)間接近。Forteza等[27]測得西班牙底渣在不同擊實功作用下的CBR取值范圍為20%～100%，小于本研究結(jié)果，但滿足相應(yīng)地區(qū)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，產(chǎn)生差異可能與底渣存放周期及外部環(huán)境等因素有關(guān)。

4 結(jié)論

通過一系列室內(nèi)試驗和微觀測試，對武漢地區(qū)城市生活垃圾焚燒底渣的物理、化學(xué)及工程特性進行了較全面的分析，并與大量其他研究結(jié)果進行了比較，主要結(jié)論如下：

1）微觀測試結(jié)果表明，試驗底渣顆粒呈不規(guī)則形狀，表面光滑且分布有細小孔洞，顆粒間無明顯黏結(jié)和咬合；分類為級配不良砂性粗粒土，經(jīng)強化級配分布，可考慮作為砂骨料替代材料；自然狀態(tài)下為硬塑態(tài)，滿足路基填料對塑、液限要求；比重為2.71，與粉土比重接近。

2）底渣主要化學(xué)組成元素為Si、Ca、Al和Fe，4種元素含量總占比超過80%，主要礦物成分為SiO2、CaSO4等；室內(nèi)浸出毒性試驗測得重金屬濃度均未超過中國和美國相應(yīng)危險廢物鑒定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值，相較其他地區(qū)，鉛離子濃度偏小，不會對環(huán)境造成明顯危害。

3）試驗底渣最佳含水率為10.6%，最大干密度為2 g/cm3，擊實特性接近中細砂；壓縮指數(shù)Cc=0.06，壓縮模量Es 1-2=9.46 MPa，屬于中等壓縮性土體；滲透系數(shù)為3.2×10-3 cm/s，與細砂相似，當(dāng)摻入少量膨潤土等低滲透黏土后可用作垃圾填埋場防滲材料；內(nèi)摩擦角φ=31.8°，黏聚力c=41.2 kPa；CBR取值范圍為70%～172%，滿足中國公路地基承載力要求，在實際工程項目中可通過調(diào)整擊實含水率或壓實度提高CBR值。

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（編輯" 胡英奎）

收稿日期：2023?01?03

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2019YFC1806003）

作者簡介：郭曉靜（1984- ），女，主要從事固體廢物處理與處置，E-mail：gtyguoxiaojing@126.com。

通信作者：蒲訶夫（通信作者），男，博士，教授，E-mail：puh@hust.edu.cn。

Received： 2023?01?03

Foundation item： The National Key R amp; D Program of China （No. 2019YFC1806003）

Author brief： GUO Xiaojing （1984- ）， main research interests： solid waste treatment and disposal， E-mail： gtyguoxiaojing@126.com.

corresponding author：PU Hefu （corresponding author）， PhD， professor， E-mail： puh@hust.edu.cn.