城市生活垃圾焚燒底灰在建筑材料中的資源化利用

綦懿 王萬里 范程程

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2101-5640-2899

摘? 要：我國城鎮化迅猛發展，生活垃圾排放量巨大，焚燒發電是城市生活垃圾未來的主要發展方向。焚燒生活垃圾所排放的底灰對人們生存的環境產生巨大壓力。本文綜述了目前國內外底灰在水泥、骨料、陶瓷、磚等建材領域資源化利用的主要方式，分析了各方法的優缺點，總結了底灰在建筑材料領域中的研究現狀，探討了未來底灰應用的關注點。

關鍵詞：生活垃圾焚燒? 底灰? 建筑材料? 資源化利用

中圖分類號：TQ 52 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）03（c）-0110-03

Resource Utilization of Municipal Solid Waste Incineration Bottom Ash in Building Materials

QI Yi1? WANG Wanli2? FAN Chengcheng2

（1.Dalian Teda Environmental Protection Co.， Ltd.， Dalian， Liaoning Province， 116000 China;2.Institute of Building Materials， Faculty of Infrastructure Engineering， Dalian University of Technology， Dalian， Liaoning Province， 116024 China）

Abstract： With the rapid development of urbanization in our country leading to a huge amount of domestic garbage， generating electricity through incineration is the main direction of municipal solid waste.The bottom ash discharged from the incineration of domestic waste has exerted tremendous pressure on the people's living environment. This article summarizes the main ways of resource utilization of bottom ash in cement， aggregate， ceramics， brick and other building materials at home and abroad， the advantages and disadvantages of each method are analyzed， the research status of bottom ash in the field of building materials is summarized， and the focus of future bottom ash application is discussed.

Key Words： MSWI; Bottom ash; Building materials; Resource utilization

城鄉一體化的發展隨著城鎮人口的逐步集中而不斷增快，中國人口日益增長，2019年末我國的總人口數量達到14億人。人們的生活質量提高以及不斷增加的城鎮人口，產生大量的生活垃圾，這無疑對人們生活的環境帶來重大的壓力，有效處理垃圾成為了與我們關系密切的事情。我國城市生活垃圾清運量逐年上升，2019年全國生活垃圾產生量約3.43億t，預計2020年垃圾產生量達3.6億t[1]。隨著我國人口結構的變化，可以預知未來幾年生活垃圾的增長將成為常態。焚燒處理生活垃圾是目前我國采用的主要方式。底灰是垃圾焚燒過程中產生的主要殘留物，占到80%～90%。面對龐大產量的底灰，如果不加利用直接丟棄于自然環境中，將給人類生活的大氣環境、土壤等造成嚴重的負擔。底灰屬于一般廢物，可直接填埋或者作為建材利用[2]。本文綜述了國內外生活垃圾焚燒底灰在建材領域的資源化利用現狀，為底灰的廢物利用提供方向。

1? 底灰特性

底灰的顏色從灰色到褐色、黑色不等，一般隨著含碳量的增加，顏色加深。顆粒形狀不規則，具有多孔性特點，密度約為1.2 kg/m3，含水率在5%～25%之間波動，這主要與出渣設備相關[3]。底灰的化學組成主要由Si、Ca、K、Na、Cl、Fe、Mg等元素成分組成，其呈典型的堿性特征，pH大概在10.5左右[4]，這與焚燒生活垃圾過程中加入的氫氧化鈣有關。

垃圾焚燒底灰作為建筑材料的可行性應該從以下兩個方面考量：一是產品的性能，二是應用的空間，即根據飛灰的物理化學特性，將其作為建材產品資源化利用后，它的性能是否能達標，是否存在市場競爭力。

2? 底灰的建材資源化利用途徑

2.1 水泥

水泥的主要化學成分是CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等氧化物，這與底灰的成分相似，可將底灰作為替代水泥的部分原料。Li[5]等篩選8組粒徑不同的底灰，發現隨著底灰粒徑的增大，底灰中CaO和氯化物的含量下降，與底灰中SiO2含量的變化相反。不同粒徑的底灰中Al2O3和Fe2O3含量相對穩定。在水泥窯中，底灰中可能引起嚴重腐蝕的氯化物均高于水泥生產原料和熟料質量允許限值，必須嚴格控制用作水泥生產替代材料的底灰用量，并進行適當處理，以減少氯化物引起的腐蝕。張濤[6]等研究了在混凝土中利用城市固體廢物焚燒爐渣在混凝土中的最佳替代率問題。結果表明爐渣替代率小于50%時， 混凝土的抗壓強度養護28d達到25MPa，過量的爐渣會使水泥水化發生延緩，導致混凝土的抗壓強度、彈性模量降低，因此，爐渣替代率不宜超出50%。垃圾焚燒底灰含有金屬鋁，在與水拌和過程中，易產生氫氣，使得在硬化的漿體中產生細小裂紋，陳楠[7]等采用加堿預處理底灰的方式，去除鋁等有害物質，能夠減少微孔結構生成，取代部分水泥，通過測試不同齡期的砂漿強度，得到預處理后的砂漿力學性能明顯提高。許峻寧[8]用底灰、硅灰和粉煤灰替代水泥，發現底灰的加入降低了水化產物生成量，延緩了膠凝材料的初凝和終凝時間。而硅灰的加入為底灰膠砂的前期強度提供了保障，加快了凝結速度，粉煤灰的水化時間較長，為底灰的后期強度發展提供保障，因此三者按一定比例混合使用，則能發揮各自的優點，從而改善膠凝材料的性能。底灰在取代部分水泥方面具有可行性，但是底灰的加入可能推遲水泥的硬化，砂漿的力學性能出現下降現象，底灰摻入量越大則強度下降幅度越大。同時，由于城市生活垃圾焚燒底灰中有金屬鋁、鋅等活性金屬殘留，會在水泥水化產生的堿性環境中反應生成氫氣和鈣礬石，會對砂漿的新拌性能和力學性能產生不利影響。以上都是底灰在資源化利用時需要著重考慮的因素。

2.2 骨料

許峻寧[8]發現底灰和天然細骨料的相似性較大，為了將底灰資源化利用，研究了底灰替代天然細骨料來制作再生水泥砂漿。當底灰替代率10%時，由于其潛在的火山灰活性和一定的填充性能，使得在該替代率下的水泥砂漿強度與基準砂漿強度相當;隨著替代率增加，力學強度下降，當替代率提高到30%時，力學強度大幅度下降到基準強度的80%左右，最終得出底灰替代天然細骨料的最佳替代率在10%～20%之間。Li[9]用底灰替代石英砂制備蒸壓加氣混凝土，底灰的加入傾向于降低密度、抗壓強度和熱導率，同時縮短了發泡時間，增加了發泡體積，形成氣體的量隨底灰粒徑的減小而減少。底灰雖物理性能與天然細骨料相似，但未經處理直接使用會導致制成的材料性能有所降低，且不同地區的底灰存在不同特性，可能產生的效果也不完全一致。

2.3 陶瓷和磚

底灰的特性符合用作骨料和礫石的許多技術要求，伍浩然[10]將用底灰替代部分原料制備陶瓷磚，研究陶瓷磚破壞強度、線膨脹率、吸水率隨底灰摻量的變化趨勢，結果表明破壞強度降低，但是線膨脹率和吸水率未有顯著變化，并且得出底灰摻入量20%時，可燒結出性能較好的陶瓷磚。常豪[11]等摻入60%的底灰與40%的粘土用于燒結磚原料，最終在燒結溫度1000～1050℃之間，制得質量合格的產品。劉學慧[12]以膨潤土、底灰、粉煤灰，加入少量玻璃粉作為助溶劑，最后制得燒結磚的抗折強度超過10MPa。面對陶瓷、磚的產量不斷增加，瓷土和粘土的需求日益增大，如果將底灰用來替代部分原料制作陶瓷、磚，這樣既節約資源，又可以廢物利用。

2.4 其他應用

為了進一步開發底灰的應用范圍，Liu[13]通過試驗評價了垃圾焚燒飛灰和底灰在泡沫玻璃陶瓷生產中的可行性。研究了原料組成、發泡溫度和發泡時間對泡沫玻璃陶瓷物理力學性能的影響。泡沫微晶玻璃在1150℃下用14%飛灰和74%底灰發泡30min，具有高孔隙度（76.03%）、低容重（0.67g/cm3）和高抗壓強度（10.56MPa）等優異的綜合性能。潘濤[14]等研究了生活垃圾焚燒底灰作為輔助膠凝材料制備墻體材料的可行性，當水洗底灰摻量低于20%時，墻體材料的力學性能滿足國家標準GB 175-2007。這說明，底灰用于建筑材料，可實現顯著的經濟和環境效益。

3? 結語

根據以上綜述證明，垃圾焚燒底灰進行資源化利用，具有一定的可行性，但是仍存在以下幾個問題：（1）底灰目前在建材領域資源化利用的途徑主要集中于水泥、骨料、陶瓷和磚等方面，利用空間受到了限制，應結合底灰物理和化學特性，多開發其他領域，使得其能夠廢物利用，達到資源化目的。（2）由于底灰特性受地域影響較大，因此應該針對不同地區的垃圾焚燒底灰進行全成分分析，以期掌握不同地區的底灰化學成分的分布特點，為之后的試驗研究作鋪墊。（3）目前對于底灰的利用都需要進行前預處理，增加了成本負擔，應從不同角度對底灰的活性進行激發，以求達到產品性能最佳，具有更廣闊的應用市場。

參考文獻

[1] 國家統計局. 中國統計年鑒2019[M]. 北京：中國統計出版社， 2019.

[2] BRAM VERBINNEN，PIETER BILLEN，JO VAN CANEGHEM，CARLO VANDECASTEELE. Recycling of MSWI Bottom Ash： A Review of Chemical Barriers， Engineering Applications and Treatment Technologies[J]. Waste and Biomass Valorization，2017，8（5）：1453-1466.

[3] 吳世杰，張海霞，趙嘉歡.城市生活垃圾焚燒底灰的特性及資源化利用途徑分析[J].環境衛生工程，2015，23（1）：11-13，16.

[4] 徐開東，王繼娜，陳娟玲，等.生活垃圾焚燒灰渣特性及環境安全風險評價[J].非金屬礦，2019，42（6）：? ? ? 90-93.

[5] LI Y，HAO L，CHEN X.Analysis of MSWI Bottom Ash Reused as Alternative Material for Cement Production - ScienceDirect[J].Procedia Environmental Sciences，2016（31）：549-553.

[6] 張濤，趙增增.城市生活垃圾焚燒爐渣在混凝土中的應用研究[J].環境污染與防治，2014，36（4）：65-69.

[7] 陳楠，許峻寧.基于堿處理技術的生活垃圾焚燒底灰部分取代水泥方案研究[J].江蘇科技信息， 2020，37（2）：37-41.

[8] 許峻寧.生活垃圾焚燒底灰對砂漿力學性能的影響及預處理研究[D].成都：成都理工大學，2019.

[9] LI X， LIU Z， LV Y， et? al. Utilization of municipal solid waste incineration bottom ash in? autoclaved aerated concrete[J].Construction and Building Materials，2018（178）：175-182.

[10] 伍浩然，劉倩妮，劉燕，等.生活垃圾焚燒底渣資源化制備陶瓷磚[J].陶瓷，2017（2）：23-28.

[11] 常豪，張嵐，趙江.焚燒生活垃圾的灰渣用于生產燒結磚原料的可行性研究——利用東莞市污泥和焚燒垃圾生產燒結磚技術研究報告之二[J].磚瓦，2009（7）：6-8.

[12] 劉學慧.城市生活垃圾焚燒底灰的性能研究及資源化利用[D].武漢：武漢理工大學，2011.

[13] LIU B ， YANG Q W， ZHANG S G.Integrated utilization of municipal solid waste incineration fly ash and bottom ash for preparation of foam glass-ceramics[J].Rare Metals，2019，38（10）：914-921.

[14] 潘濤，謝宇，王佳磊，等.生活垃圾焚燒底灰基墻體材料的活化膠凝性能[J].科學技術與工程， 2020，20（28）：11730-11734.