道路用爐渣集料的穩(wěn)定化處理研究

張春良，周 通，劉永國(guó)，薛永超

(1.華邦建投集團(tuán)股份有限公司 廣州市 510000；2.東南大學(xué) 南京市 210000)

0 引言

城市生活垃圾焚燒處理，具備占地面積少、衛(wèi)生條件好、減量化程度高的優(yōu)點(diǎn)，已成為城市生活垃圾的主流處理方法之一[1]。然而焚燒處理后產(chǎn)生的爐渣顆粒給生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的壓力，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年我國(guó)垃圾焚燒廠日產(chǎn)爐渣約 4.0×104t(按20%計(jì)算)[2]。拓展?fàn)t渣的資源化利用途徑，提高其資源化利用率已成為研究者的共識(shí)。

由于爐渣與道路工程中的天然集料存在一定的相似性[3]，且天然集料的開采對(duì)環(huán)境存在不利影響，因此研究者對(duì)其在道路工程領(lǐng)域的應(yīng)用展開了探索。然而由于新制爐渣中的鈣離子主要以氫氧化物的形式存在，其力學(xué)強(qiáng)度有限，且爐渣中的重金屬會(huì)隨時(shí)間增長(zhǎng)而發(fā)生浸出反應(yīng)[4-6]，進(jìn)而降低爐渣的力學(xué)性能。因此現(xiàn)階段爐渣與天然集料相比存在一定差距，爐渣瀝青混合料的性能要低于一般瀝青混合料，其在道路工程中的應(yīng)用有限，利用率也不高。

為改善爐渣顆粒的集料性能，促進(jìn)其在道路工程中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種爐渣穩(wěn)定化處理方法，通過將爐渣與污泥一同聯(lián)合穩(wěn)定化處理，利用污泥中豐富的微生物加速爐渣顆粒中金屬鹽的析出與鈣離子的碳酸化進(jìn)程，以提高爐渣顆粒的力學(xué)性能，縮小爐渣顆粒性能的波動(dòng)范圍，促進(jìn)爐渣的資源化利用。

1 聯(lián)合穩(wěn)定化處理機(jī)理

對(duì)爐渣進(jìn)行預(yù)處理可以有效增強(qiáng)其力學(xué)性能并提高其內(nèi)部金屬鹽的化學(xué)穩(wěn)定性，主要方法包括風(fēng)化處理、固化處理與高溫?zé)崽幚淼萚7]。自然風(fēng)化處理由于具有前期投資少、后期運(yùn)行成本低、產(chǎn)物性能優(yōu)良的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展?jié)摿^好。碳酸化是自然風(fēng)化處理過程中極為關(guān)鍵的一步，通過改變物質(zhì)的礦物學(xué)特征，使物質(zhì)穩(wěn)定化。風(fēng)化處理主要通過爐渣中的Ca(OH)2、金屬鹽等堿性物質(zhì)與空氣中CO2緩慢的碳酸化反應(yīng)生成CaCO3等沉淀，以改善爐渣的多孔結(jié)構(gòu)，提高其集料性能。

基于爐渣風(fēng)化處理的碳酸化過程，可利用污泥中微生物新陳代謝產(chǎn)生的CO2加快爐渣的碳酸化進(jìn)程，構(gòu)建爐渣與污泥的聯(lián)合穩(wěn)定化處理體系，其主要反應(yīng)機(jī)理如下所示：

(2)爐渣中鈣鹽(以Ca(OH)2為主)的碳酸化反應(yīng)過程將消耗大量的OH-離子，反應(yīng)產(chǎn)物為碳酸鈣CaCO3，使得聯(lián)合穩(wěn)定系統(tǒng)的整體pH值下降。

(3)爐渣碳酸化所生成的CaCO3，在外部壓力與環(huán)境因素耦合作用下將轉(zhuǎn)變?yōu)榉浇馐w，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更大，力學(xué)性能有較大的提升。

(4)聯(lián)合穩(wěn)定系統(tǒng)pH值的降低，將使重金屬鹽類在爐渣材料中的溶解度下降，促進(jìn)其析出。

(5)部分重金屬元素(Pb、Cu、Zn等)也會(huì)發(fā)生碳酸化反應(yīng)，所生成的碳酸鹽溶解度更小，進(jìn)一步促進(jìn)重金屬元素的析出。

我知道，直到今天，人們?nèi)匀粚?duì)一輛獨(dú)具獵裝風(fēng)格的雙門四座四驅(qū)法拉利存在不小的爭(zhēng)議，而且GTC4Lusso在評(píng)論界和市場(chǎng)中也確實(shí)不像阿斯頓·馬丁DB11、賓利歐陸GT那樣收獲肯定和贊美。但我能理解，至少在躍馬家族的SUV車型問世之前，GTC4Lusso，仍然是在任何路況下最擅長(zhǎng)駕駛舒適性的法拉利。無(wú)論是日常通勤還是長(zhǎng)途旅行，高速公路還是蜿蜒山路，獨(dú)自出行還是與好友結(jié)伴出游，GTC4Lusso均能勝任，甚至后排腿部空間和實(shí)用性遠(yuǎn)勝于同級(jí)的超豪華2+2 GT跑車。

(6)發(fā)生碳酸化反應(yīng)和未發(fā)生碳酸化反應(yīng)的重金屬元素在聯(lián)合穩(wěn)定化過程中，都將被碳酸化生成的方解石(碳酸鈣CaCO3)充分包裹，形成性質(zhì)穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

2 材料與方法

2.1 爐渣與污泥的基本性質(zhì)

研究所用的爐渣、污泥均取自雷州生活垃圾焚燒廠。每日從垃圾焚燒廠采集50kg爐渣和40kg脫水后的污泥，持續(xù)兩周，取回的爐渣樣品、污泥需分開均勻攪拌混合，再將兩者分別置于陰涼干燥的區(qū)域使其自然風(fēng)干，最后篩掉較大的未燃物及雜質(zhì)，試驗(yàn)用污泥的含水率為45%～60%。試驗(yàn)用爐渣和污泥樣品的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用爐渣與污泥的基本性質(zhì)

2.2 爐渣與污泥聯(lián)合穩(wěn)定化處理

聯(lián)合穩(wěn)定化處理方法主要通過圖1所示的聯(lián)合穩(wěn)定化反應(yīng)池來實(shí)現(xiàn)。反應(yīng)池尺寸為0.9m×0.9m×0.1m，由四塊PVC板拼合而成，柱體中央設(shè)有直徑10cm的鐵絲網(wǎng)導(dǎo)管，側(cè)面設(shè)置有橫向并列三根直徑20mm的輔助導(dǎo)氣管，導(dǎo)氣管上均勻排布直徑4mm的圓形小孔，各孔孔距為12mm，以提供空氣流通。反應(yīng)池下部為濾網(wǎng)和集液池，用以接收向下滲出的液體。

圖1 聯(lián)合穩(wěn)定化反應(yīng)池

設(shè)置五個(gè)試驗(yàn)組進(jìn)行爐渣與污泥的聯(lián)合穩(wěn)定化研究，試驗(yàn)組中爐渣與污泥的質(zhì)量比例分別為10∶0(只含有爐渣)、9∶1、8∶2、7∶3和6∶4，分別均勻填入5個(gè)反應(yīng)池中。各試驗(yàn)組內(nèi)混合物的基本性質(zhì)如表2所示。

表2 各試驗(yàn)組內(nèi)混合物的基本性質(zhì)

試驗(yàn)周期設(shè)為24周，單周期時(shí)間設(shè)為7天。每周期末，在穩(wěn)定化反應(yīng)池上選三個(gè)點(diǎn)取樣并混合均勻。將取樣烘干后研磨至150目，再進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)方法

將取得的樣品研磨，按比例加入蒸餾水，樣品與蒸餾水質(zhì)量比為5∶1。試驗(yàn)溫度設(shè)定為25℃，震蕩混合時(shí)間設(shè)為30min，震蕩混合后用酸度計(jì)檢測(cè)混合物的pH值。

將各反應(yīng)池內(nèi)取得的爐渣和污泥混合物在440℃下灼燒，通過計(jì)算灼燒前后物質(zhì)的質(zhì)量損失比例，得到混合物的有機(jī)質(zhì)含量。由于爐渣內(nèi)部存在部分礦物組分易與水結(jié)合生成不穩(wěn)定的水化物，在高溫灼燒時(shí)分解成為氣體逸出。此外為研究不同爐渣與污泥比例對(duì)穩(wěn)定化處理的影響，采用了干基比作為控制因素，這導(dǎo)致不同穩(wěn)定體系爐渣的摻加量是不同的，難以簡(jiǎn)單對(duì)比。因此采用1號(hào)空白組作為標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)各聯(lián)合穩(wěn)定體系的水化反應(yīng)相同，通過式(1)換算所摻加污泥的有機(jī)質(zhì)占比，再通過式(2)反推聯(lián)合穩(wěn)定體系的穩(wěn)定化進(jìn)程。

(1)

(2)

式中，DOC代表試樣中溶解性碳的含量；p1代表空白組樣品的溶解性碳的含量；p代表?yè)接形勰嗟穆?lián)合穩(wěn)定體系混合物中溶解性碳的含量。

通過檢測(cè)爐渣和污泥聯(lián)合穩(wěn)定化處理體系的pH值、有機(jī)質(zhì)的含量與DOC的含量，判斷爐渣碳酸化進(jìn)程的快慢，探究不同爐渣與污泥干基比對(duì)聯(lián)合穩(wěn)定化處理體系效率的影響。

按照規(guī)范[8]對(duì)聯(lián)合穩(wěn)定化處理前后的爐渣進(jìn)行性能試驗(yàn)，將其與天然玄武巖集料進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)聯(lián)合穩(wěn)定化處理的效果。

3 爐渣與污泥聯(lián)合化穩(wěn)定處理成效

3.1 pH值檢測(cè)結(jié)果

5組混合物在不同穩(wěn)定周期下的pH值檢測(cè)結(jié)果見圖2所示。

圖2 不同比例混合物在不同穩(wěn)定周期的pH變化

由圖2可知，加入不同比例的污泥后，混合物的初始pH值均存在明顯的下降。經(jīng)過風(fēng)化堆放處理，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，各組試樣的整體pH值均存在下降趨勢(shì)。1號(hào)穩(wěn)定體系由于只含有爐渣，經(jīng)過24個(gè)周期的風(fēng)化反應(yīng)后，其pH值仍大于10；對(duì)于摻有污泥的穩(wěn)定體系，經(jīng)過24個(gè)周期的風(fēng)化反應(yīng)后，其pH值均明顯小于10。對(duì)比四種不同干基比混合物的穩(wěn)定化pH值，可知當(dāng)爐渣與污泥干基比例為8∶2、7∶3與6∶4時(shí)，聯(lián)合穩(wěn)定體系pH值的降低效果最好，爐渣具有較快的碳酸化進(jìn)程。同時(shí)綜合穩(wěn)定化處理效率，當(dāng)爐渣與污泥干基比為8∶2和7∶3時(shí)，聯(lián)合穩(wěn)定化處理法的費(fèi)效比最好。

3.2 有機(jī)碳含量檢測(cè)結(jié)果

爐渣和污泥聯(lián)合穩(wěn)定化處理體系的有機(jī)物與DOC含量檢測(cè)匯總結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 各聯(lián)合穩(wěn)定化處理體系中有機(jī)質(zhì)的含量變化

圖4 各聯(lián)合穩(wěn)定化處理體系中DOC的含量變化

由圖3可知，不同干基比聯(lián)合穩(wěn)定體系的有機(jī)質(zhì)含量隨時(shí)間的增長(zhǎng)而減小，其中2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)聯(lián)合穩(wěn)定體系的有機(jī)質(zhì)初始含量分別為46.5%、45.3%、43.8%和43.1%，經(jīng)24個(gè)周期的聯(lián)合穩(wěn)定化處理，分別下降至33.7%、26.2%、24.4%和21.7%，其有機(jī)物降解率分別為27.53%、42.16%、44.29%與49.65%。說明經(jīng)過聯(lián)合穩(wěn)定化處理，污泥中的有機(jī)質(zhì)得到了充分的消耗。

由圖4可知，不同干基比的聯(lián)合穩(wěn)定化處理體系中DOC的含量整體呈下降趨勢(shì)，其中3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)反應(yīng)體系的DOC含量下降最為顯著，DOC值分別下降了9.5×103mg/kg、8.6×103mg/kg、8.2×103mg/kg和7.9×103mg/kg，降解率分別為46.02%、50.29%、48.43%和46.62%。由此可知，各聯(lián)合穩(wěn)定化處理體系中的有機(jī)物逐漸被微生物利用分解，體系的碳酸化反應(yīng)進(jìn)行正常。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，聯(lián)合穩(wěn)定化處理法可促進(jìn)爐渣的碳酸化反應(yīng)，有效地將爐渣與污泥穩(wěn)定化。綜合穩(wěn)定化處理試驗(yàn)結(jié)果，可知當(dāng)爐渣與污泥的干基比為8∶2和7∶3時(shí)，聯(lián)合穩(wěn)定化處理法的費(fèi)效比最高。

3.3 穩(wěn)定化處理后的爐渣性能研究

天然玄武巖集料具備優(yōu)良的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于瀝青混合料中，選用天然玄武巖集料與穩(wěn)定化處理后的爐渣進(jìn)行性能對(duì)比，以評(píng)價(jià)穩(wěn)定化處理的效果，如表3所示。

表3 穩(wěn)定化處理前后爐渣顆粒與玄武巖集料的基本性能指標(biāo)

由表3可知，未經(jīng)穩(wěn)定化處理爐渣的集料性能較天然玄武巖集料存在較大差距，而穩(wěn)定化處理后爐渣的集料性能則明顯趨近于天然玄武巖集料。經(jīng)穩(wěn)定化處理后，爐渣顆粒的吸水率最高降低了了60.7%，且顆粒的表觀密度與堆積密度亦得到了一定提高，這說明穩(wěn)定化處理有效降低了爐渣顆粒的開口孔隙，其致密性得到明顯改善。由于爐渣顆粒含有大量的金屬鹽，其pH值一般≥10，該類金屬鹽會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸析出，這將增加爐渣顆粒的孔隙數(shù)，進(jìn)而降低其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。經(jīng)穩(wěn)定化處理的爐渣，其pH值明顯下降，最高降幅可達(dá)到21.9%，說明穩(wěn)定化處理減少了爐渣中金屬鹽的含量，有利于爐渣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提高。壓碎值是道路工程集料重要的力學(xué)指標(biāo)，過高的壓碎值易導(dǎo)致混合料出現(xiàn)坑槽、早期開裂等病害。穩(wěn)定化處理前后，壓碎值的最大降幅可達(dá)54.3%，說明三種粒徑爐渣顆粒的力學(xué)性能得到明顯增強(qiáng)，有利于爐渣顆粒在瀝青混合料中的應(yīng)用。

4 結(jié)論

為增強(qiáng)城市生活垃圾焚燒爐渣的力學(xué)性能，提高爐渣的資源化利用率，踐行可持續(xù)發(fā)展理念，基于爐渣在風(fēng)化處理過程中的碳酸化反應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種將焚燒爐渣與污泥聯(lián)合穩(wěn)定化的處理方法，主要結(jié)論如下：

(1)基于爐渣的自然風(fēng)化處理的碳酸化反應(yīng)，提出一種通過碳酸化反應(yīng)降低爐渣的堿性，并同時(shí)增加爐渣內(nèi)碳酸鈣含量的穩(wěn)定化處理方法，拓展了爐渣顆粒的穩(wěn)定化處理方法和再利用途徑。

(2)將爐渣與污泥混合堆置進(jìn)行風(fēng)化處理，可明顯加快爐渣的碳酸化過程。爐渣通過碳酸化可生成CaCO3以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，提高其耐久性。當(dāng)爐渣與污泥的干基比為8∶2或7∶3時(shí)，穩(wěn)定化處理效果最好，且效率較高。

(3)較穩(wěn)定化處理前，穩(wěn)定化處理后爐渣顆粒的吸水率下降了60.7%，壓碎值降低了54.3%，其致密性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到了明顯改善，其整體性能趨近于玄武巖集料，可在瀝青混合料中取得更好應(yīng)用效果。