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(kù)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(guó)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(guó)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(guó)《生活垃圾填埋場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)，否則須進(jìn)入危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)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(jí)配碎石或級(jí)配礫石等)的級(jí)配要求。級(jí)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(duì)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(jí)公路和一級(jí)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(huì)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(guó)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(duì)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(duì)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(guó)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(guó)、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(chǎng)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(jí)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(duì)強(qiáng)度有一定的促進(jìn)作用。

美國(guó)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(cè)試結(jié)果表明，石油瀝青鋪面在一年內(nèi)不會(huì)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(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。

美國(guó)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(kù)， 經(jīng)30個(gè)月的測(cè)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(kù)內(nèi)的空氣質(zhì)量與周圍大氣相同，并且工程測(cè)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(jí)公路及二級(jí)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(jí)公路以上公路底基層集料。另外大顆粒組成可能會(huì)破毀施工設(shè)備，對(duì)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(huì)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(huì)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(duì)環(huán)境有一定的潛在影響，資源化應(yīng)用過程中應(yīng)對(duì)爐渣及其產(chǎn)品進(jìn)行嚴(yán)格的環(huán)保檢測(cè)，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(chǎng)、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(chǎng)覆蓋材料

填埋場(chǎng)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(yíng)養(yǎng)層、排水層、阻隔層和基礎(chǔ)層。其中基礎(chǔ)層對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)的日臨時(shí)覆蓋材料可以起到一定的阻止填埋場(chǎng)臭氣溢出作用正在逐漸地被采用。

3 結(jié)論

（1）近幾年我國(guó)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(chǎng)進(jìn)行填埋處置，這將顯著增加城市周邊填埋庫(kù)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(jí)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(chǎng)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(duì)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(guó)是一個(gè)自然資源緊缺的國(guó)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(kù)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(guó)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(guó)爐渣特性的資源化應(yīng)用技術(shù)對(duì)于建立節(jié)約型社會(huì)、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)有著非常重要的社會(huì)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(guó)環(huán)境科學(xué)，2003，23（4）：396–398．