生活垃圾焚燒爐底渣資源化應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀

黃沁園， 董慶廣 ，王 娟（.上海市金山區(qū)建筑管理所 0599；.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司 0003）

近年來，隨著人們生活水平的提高和國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，城市生活垃圾產(chǎn)生量大幅增加[1-2]。2014—2019 年全國城市生活垃圾清運(yùn)量快速增長，由 17 814.5 萬 t 增長至 23 487.2 萬 t。城市生活垃圾主要的處理方式還是填埋，隨著城市生活垃圾產(chǎn)生量的逐漸增長，其衛(wèi)生填埋和焚燒處理的量也在逐年增長，但是相比于衛(wèi)生填埋處理，焚燒處理量的增長更快。焚燒處理占兩者的比值由 2011 年的 20% 增長中2017 年的 40%。

另一方面，骨料是混凝土的重要組分之一，在材料組成中占比 80%～86%，隨著一系列更為嚴(yán)格的礦山開采管控措施陸續(xù)出臺，砂石市場供應(yīng)量減少，骨料供應(yīng)量下降使新型墻材的產(chǎn)量受到了制約；另一方面，供應(yīng)量減少推動天然骨料價(jià)格上漲，墻材生產(chǎn)成本顯著提高，影響企業(yè)正常發(fā)展，骨料成為建筑行業(yè)發(fā)展的瓶頸。

焚燒爐底渣主要是由熔渣（60%～62%）、陶瓷（10%～12%）、磚石（7%～9%）、金屬制品（4%～6%）和玻璃（2%～5%）構(gòu)成，還含有少量的塑料、紙張、木頭等有機(jī)物。在我國，焚燒爐底渣屬于一般廢棄物，焚燒爐底渣經(jīng)過除鐵、除鋁、破碎、篩分、水洗等一系列預(yù)處理工藝后，顆粒特點(diǎn)是粒徑偏大（0.60～4.75 mm），細(xì)粉含量較低（0.075 mm 以下顆粒 ＜ 5%），主要化學(xué)成分為 SiO2、Al2O3等，其成分特點(diǎn)有助于提高部分建筑材料的力學(xué)性能，使其在建材領(lǐng)域具有資源化利用潛力[3-5]。

2 生活垃圾焚燒爐底渣再生骨料質(zhì)量控制技術(shù)

2.1 生活垃圾焚燒爐底渣預(yù)處理技術(shù)

由生活垃圾焚燒或焚燒發(fā)電直接排出的爐底渣為原狀爐渣，原狀爐渣中含有大量金屬物質(zhì)，甚至含有重金屬，熔渣顆粒較粗大，由于生活垃圾中含有大量可溶性鹽類。原狀爐渣中的金屬用于建筑材料時(shí)，不僅會影響建筑材料的耐久性等工程性質(zhì)（金屬銹蝕導(dǎo)致膨脹開裂等），而且會浪費(fèi)可以回收利用的金屬資源。原狀爐渣顆粒較粗大可能是因?yàn)槠渲械哪嗤烈约捌渌恍┏煞中纬傻哪z結(jié)力的作用，但是這種作用力很小，在外力作用下極易分解。原狀爐渣中含有生活垃圾焚燒處理過程中遺留下來的可溶性鹽類，其對建筑材料性能也有不利影響。綜上所述，對于原狀爐渣，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過一定的預(yù)處理流程使其更加符合工程應(yīng)用的需求。目前文獻(xiàn)中爐底渣預(yù)處理工藝大致包括分選（磁選、跳汰等）、破碎、水洗等工藝[6-8]。典型的原狀爐底渣濕法預(yù)處理工藝見圖 1。已有經(jīng)驗(yàn)表明，焚燒爐底渣存在穩(wěn)定性問題，未經(jīng)合理的處理會發(fā)生膨脹爆裂問題，影響其資源化利用。因此在資源化利用前對焚燒爐底渣進(jìn)行預(yù)處理是保證有效利用焚燒爐底渣的重要措施。

圖1 焚燒爐底渣預(yù)處理工藝流程圖

2.2 生活垃圾焚燒爐底渣堿-骨料反應(yīng)抑制技術(shù)

堿-骨料反應(yīng)是指混凝土中的堿與具有堿活性的骨料間發(fā)生的膨脹性反應(yīng)。該反應(yīng)能夠引起混凝土體積膨脹進(jìn)而導(dǎo)致混凝土在其內(nèi)部應(yīng)力的作用下發(fā)生開裂。最終使混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能明顯下降。

爐底渣中含有玻璃等玻璃態(tài) SiO2等顆粒物，作為骨料用在水泥基材料中時(shí)會與水泥中的堿發(fā)生堿-骨料反應(yīng)并產(chǎn)生構(gòu)件的局部膨脹開裂現(xiàn)象，將爐底渣作為細(xì)骨料使用時(shí)試塊在養(yǎng)護(hù)過程中發(fā)生了膨脹開裂和凝膠析出等現(xiàn)象，均是典型的堿-骨料反應(yīng)的特征。

現(xiàn)有研究中針對生活垃圾焚燒爐底渣等再生骨料混凝土堿骨料反應(yīng)的過程和抑制措施中，建議在混凝土中摻入活性抑制材料。活性抑制材料主要為粉質(zhì)礦物摻和材料，在混凝土拌合物硬化過程中能夠產(chǎn)生堿的耗散過程，使孔溶液中的PH 值降低。目前活性抑制材料主要有兩類，第一類是無定形態(tài)的硅（鋁）酸或硅鋁酸鹽材料，如粉煤灰、硅灰等；第二類是具有強(qiáng)烈陽吸附和交換陽離子功能的礦物材料，如沸石、膨潤土等[9]。研究表明，在混凝土中摻入礦物質(zhì)粉體材料可以抑制堿-硅酸反應(yīng)膨脹，但是摻礦物質(zhì)粉體材料對堿-碳酸鹽反應(yīng)沒有很好的抑制效果。

3 生活垃圾焚燒爐渣資源化利用技術(shù)

3.1 生活垃圾焚燒爐底渣在水泥混凝土中的應(yīng)用

生活垃圾焚燒爐底渣在混凝土中的應(yīng)用得到較為充分的研究，Polettini[10]通過研究垃圾焚燒爐底渣-普通硅酸鹽水泥體系力學(xué)性能的變化以及材料中微量金屬的浸出特性，證實(shí)了垃圾焚燒爐底渣有一定的活性，可以作為水泥摻和料使用 Clavier Kyle 等人[11]研究了未水洗和水洗的焚燒爐底渣替代部分水泥，研究結(jié)果表明使用未水洗的爐底渣作為原料，會導(dǎo)致原料中硅酸三鈣的含量大幅下降。水洗爐底渣硅酸三鈣含量約為 45%，而未水洗爐底渣試樣的硅酸三鈣含量約為 35%；摻入爐底渣的熟料中鋁的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)熟料，這可能需要加入適當(dāng)?shù)氖鄟砑涌炷Y(jié)。Alderete 等人[12]分析了爐底渣代替硅酸鹽水泥在混凝土中的應(yīng)用價(jià)值；設(shè)計(jì)了一種性能良好的含有 20% 預(yù)處理焚燒爐底渣的混凝土配合比，在期齡 90 d 時(shí)，均比普通硅酸鹽水泥試塊有更高的強(qiáng)度。張世鵬等人[13]研究結(jié)果表明早期水泥水化與火山灰反應(yīng)活性的增強(qiáng)有關(guān)，摻入焚燒爐底渣可提高試塊的抗凍性，并利用掃描電鏡顯微鏡（SEM）揭示摻有焚燒爐底渣的混凝土漿體中孔隙結(jié)構(gòu)。由于焚燒爐底渣主要化學(xué)成分為SiO2、CaO 和 Al2O3等與水泥組分類似，因此焚燒爐底渣可以用作水泥摻和料。

目前焚燒爐底渣替代水泥的實(shí)驗(yàn)已被廣泛研究，部分研究結(jié)果表明焚燒爐底渣替代水泥的結(jié)果具備一定的可行性，但需要對焚燒爐底渣進(jìn)行預(yù)處理等質(zhì)量控制技術(shù)，以保證混凝土的質(zhì)量和安全性。

3.2生活垃圾焚燒爐底渣在新型墻體材料中的應(yīng)用

在國家墻體材料革新、建筑節(jié)能等一系列產(chǎn)業(yè)政策的推動下，我國墻材產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)品品種豐富，已經(jīng)形成了磚、砌塊、墻板三大系列、多品種的墻材產(chǎn)品體系。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國墻體材料年產(chǎn)量約 10 200 億標(biāo)準(zhǔn)磚，墻體材料制造業(yè)工業(yè)年總產(chǎn)值約 5 000 億元。磚類產(chǎn)品（包括燒結(jié)和非燒結(jié)制品）9 665.1 億標(biāo)準(zhǔn)磚，占總量的 88.4%；砌塊類（包括燒結(jié)和非燒結(jié)制品）約 1 045.5 億標(biāo)準(zhǔn)磚，占總量的 9.6%；墻板類產(chǎn)品約 224.32 億標(biāo)準(zhǔn)磚，占墻材總量的 2.1% 左右。新型墻材作為工業(yè)固體廢棄物的消納途徑早有基礎(chǔ)，既利用了廢棄物資源，同時(shí)降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

隨著新型墻材革新工作不斷推進(jìn)，墻體材料從之前的禁止限制粘土燒結(jié)磚生產(chǎn)和使用的矛盾，轉(zhuǎn)變成了如何快速的發(fā)展固廢綜合利用、生產(chǎn)工藝環(huán)保、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)、使用功能強(qiáng)、符合住宅產(chǎn)業(yè)化要求的新型墻體材料的矛盾。利用粉煤灰、長江疏浚淤砂、脫硫石膏、爐底渣、碎屑、建筑垃圾再生骨料等生產(chǎn)蒸壓加氣混凝土砌塊、石膏板、建筑用輕質(zhì)隔墻條板、混凝土砌塊磚等新型墻體材料已成發(fā)展趨勢，這些固體廢棄物成為了新型墻體材料的主要原材料。為工程建設(shè)提供有力支撐，同時(shí)有效保護(hù)耕地和粘土資源，循環(huán)利用固體廢棄物，保障城市安全運(yùn)營和健康發(fā)展。

針對生活垃圾焚燒爐底渣在新型墻體材料方面的應(yīng)用，研究人員做出了相關(guān)研究，并取得一定的成果。李陽等人[14]利用裝修垃圾再生骨料與焚燒爐底渣 2 種骨料，采用擠出成型工藝，研制建筑用輕質(zhì)隔墻條板。與使用爐底渣單一骨料相比，裝修垃圾再生骨料與爐底渣復(fù)合使用后，輕質(zhì)隔墻條板的面密度增大 7.8%,抗壓強(qiáng)度提高4.7%，軟化系數(shù)增大 10%，干燥收縮值保持不變，以上技術(shù)指標(biāo)均符合 GB/T 23451—2009《建筑用輕質(zhì)隔墻條板》標(biāo)準(zhǔn)要求。綜合考慮強(qiáng)度、耐久性和面密度因素，裝修垃圾再生骨料占全部骨料的體積比以 30% 為宜。 董恒瑞等人[15]以特殊處理的燃煤爐底渣和破碎加氣混凝土細(xì)料作為輕骨料制備強(qiáng)度等級 LC20、密度等級 1 400 輕質(zhì)預(yù)制混凝土，結(jié)果表明在一定的蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下,以粗爐渣作為輕粗骨料、細(xì)爐渣和加氣混凝土細(xì)料為輕細(xì)骨料，砂率 60%，細(xì)骨料中爐渣與加氣混凝土細(xì)料比例 1:1 時(shí)可制得比強(qiáng)度最佳、和易性較好的輕質(zhì)混凝土。Jayaram 等人[16]以維珍塑料和焚燒爐底渣作為原料制作新型磚，研究結(jié)果表明磚的吸水率呈下降趨勢；在抗壓強(qiáng)度方面，5% 的焚燒爐底渣和 5% 的焚燒爐底渣、2% 的純塑料的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)取得較好的結(jié)果。

3.3 生活垃圾焚燒爐渣在路基材料中的應(yīng)用

隨著道路材料生產(chǎn)企業(yè)的原材料成本不斷提高，大量企業(yè)將目光投向焚燒發(fā)電爐底渣在道路材料中的資源化利用，各地出現(xiàn)了利用焚燒發(fā)電爐底渣制備道路材料的嘗試。生活垃圾焚燒爐渣的物理化學(xué)性質(zhì)與工程特性與常見的輕質(zhì)天然骨料相似，經(jīng)篩分、磁選等預(yù)處理方式去除其中的黑色及有色金屬并獲得適宜的粒徑后，可與其它骨料相混合，用于鋪裝路面。

國內(nèi)目前對焚燒發(fā)電爐底渣預(yù)處理工藝進(jìn)行不斷改良和優(yōu)化，金屬除雜技術(shù)相對成熟，水洗穩(wěn)定化效果顯著，同時(shí)已開展了焚燒發(fā)電爐底渣用于路基基層的研究，對焚燒發(fā)電爐底渣的顆粒級配、微粉含量和堅(jiān)固性等指標(biāo)要求均取得了一定的研究成果，并開展了不同來源、不同摻量條件下焚燒爐渣再生集料對路基性能的影響研究 Dabo[17]對法國北部一條用生活垃圾焚燒爐渣填筑的道路進(jìn)行了長達(dá)十年的監(jiān)測，主要研究了析出物長期的化學(xué)組成變化，研究表明：含元素（Ca，Na、Cl、Al）和重金屬（Cu、Pb、Zn）的滲濾液PH 值在前 2 a 迅速下降，隨后速率減慢逐步達(dá)到最低值，這一現(xiàn)象與天然骨料道路相似。薛國強(qiáng)等[18]對不同配合比下的水泥爐渣碎石試樣進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果顯示提高細(xì)顆粒材料比例可以有效增加集料的最大干密度和最佳含水量，爐渣碎石路面在外荷載作用下，增加水泥爐渣基層厚度可以有效減小路基沉降。然而，由于目前生活垃圾焚燒爐底渣的原材料組分的差異性及復(fù)雜性，生活垃圾焚燒爐渣用于道路路基、墊層、底基層、基層及無筋混凝土制品集料的產(chǎn)品性能，缺乏應(yīng)用環(huán)節(jié)有針對性的、必要的、更加嚴(yán)格的技術(shù)要求，因此應(yīng)進(jìn)一步完善生活垃圾焚燒爐渣的材性改進(jìn)工藝與技術(shù)指標(biāo)要求。

4 結(jié) 語

垃圾焚燒爐底渣是生活垃圾焚燒后排放的廢棄物，成分復(fù)雜且可能存在重金屬、放射性等環(huán)境安全性問題，使用垃圾焚燒爐底渣固體廢棄物材料，需經(jīng)系統(tǒng)的研究論證，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn) GB/T 25176—2010《混凝土和砂漿用再生細(xì)骨料》、JGJ/T 240—2011）《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》等雖有一定的指導(dǎo)意義，但針對性不強(qiáng)，很難直接指導(dǎo)生活垃圾焚燒爐底渣在新型墻材等建筑材料中的應(yīng)用。導(dǎo)致其資源化利用進(jìn)程緩慢。

經(jīng)過對生活垃圾焚燒爐底渣的預(yù)處理等質(zhì)量控制技術(shù)，其替代常規(guī)骨料用于建筑材料中具備一定的可行性。焚燒爐底渣的資源化應(yīng)用，有利于緩解行業(yè)資源緊缺問題，實(shí)現(xiàn)廢棄物資源的循環(huán)利用，對于綠色建材產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義，對保護(hù)環(huán)境、發(fā)展綠色建材和減輕城市運(yùn)行壓力具有積極的推動作用。