爐渣資源化利用的環(huán)境安全性研究進展與思考

李晶晶 趙曜

摘 要：隨著新型城鎮(zhèn)化朝著綠色、循環(huán)、低碳發(fā)展，城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒比例進一步增加，生活垃圾焚燒爐渣產(chǎn)量也會繼續(xù)保持增長勢頭。與此同時，實現(xiàn)爐渣的精準高效資源化利用，并確保其在使用期間的環(huán)境安全性，是一個值得深入探究的問題，這也勢必成為未來城市可持續(xù)發(fā)展面臨的重要問題。本文重點概述了爐渣集料作為多孔瀝青混合料的集料使用期間的重金屬和可溶鹽的浸出特性，對現(xiàn)階段研究中所存不足提出思考，認為系統(tǒng)開展透水爐渣瀝青路面在設(shè)計使用年限內(nèi)對環(huán)境影響的相關(guān)研究，對于下一步推進透水爐渣瀝青路面技術(shù)的實踐具有重要意義。

關(guān)鍵詞：生活垃圾焚燒爐渣; 環(huán)境安全性; 浸出特性; 多孔瀝青混合料

中圖分類號：X758? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）11-203-002

1.爐渣應(yīng)用于多孔瀝青混合料的重要意義

隨著我國城市化進程的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)生活垃圾產(chǎn)量逐年增長，垃圾填埋場地不足的問題成為困擾眾多城市發(fā)展的難題之一。具有顯著減量化優(yōu)勢的生活垃圾焚燒處理技術(shù)成為處理生活垃圾的首選方式。生活垃圾經(jīng)焚燒處理后，不僅體量大幅度減小（質(zhì)量可減至原垃圾的20%～30%），并且通過高溫焚燒過程還起到了除菌的效果。據(jù)2020年《中國統(tǒng)計年鑒》的相關(guān)數(shù)據(jù)，截至2019年底，我國采用焚燒處理的生活垃圾已占生活垃圾總處置量的50.3%，相應(yīng)地爐渣年產(chǎn)量已達2400～3000萬噸。隨著城鎮(zhèn)生活垃圾產(chǎn)量及焚燒比例的持續(xù)增長，爐渣產(chǎn)量增長的勢頭強勁。目前，我國研究人員針對垃圾焚燒爐渣資源化利用技術(shù)開展了大量研究，主要集中在爐渣的基本性質(zhì)，以及爐渣作為各類建筑材料使用的可行性。

爐渣中殘余有機物含量較少，堅固性較好，具備作為土木工程材料進行資源化利用的基本條件。同時，鑒于爐渣集料的強度相比天然集料有明顯不足的特點，將爐渣集料應(yīng)用于對強度要求不高的多孔瀝青混合料是一個很好的選擇^[1]。多孔瀝青混合料的空隙率一般在18%～25%之間，混合料內(nèi)部具有復(fù)雜的連通空隙網(wǎng)絡(luò)，透氣性與透水性好，在作為透水路面材料使用時，會與水頻繁接觸。因此，爐渣集料用作多孔瀝青混合料的集料使用時，同樣會面臨此問題。而且由于爐渣中含有一定量重金屬和可溶性鹽，這些物質(zhì)在使用期間是否存在浸出風(fēng)險？是否會對周圍環(huán)境造成影響？是研究多孔爐渣瀝青混合料技術(shù)必須考慮的一個重要問題。

2.爐渣集料的環(huán)境安全性

國外開展爐渣資源化利用的相關(guān)研究起步較早，并且歐洲多國和美國已形成系統(tǒng)成熟的爐渣資源化利用技術(shù)方案（或規(guī)范）。挪威、丹麥、芬蘭和瑞典等國的爐渣用于道路建設(shè)的比例普遍在80%以上;美國的爐渣實際利用率盡管只有10%左右，但相關(guān)研究成果豐碩，為推動爐渣資源化技術(shù)革新提供了理論支撐^[2，3]。我國自2000年左右開始相關(guān)研究，與發(fā)達國家在該領(lǐng)域內(nèi)的研究方向保持著相對一致，但在研究深度和方法上尚存一定差距。

2.1爐渣基本性質(zhì)

原狀爐渣呈黑褐色，自然風(fēng)干后為灰色，主要含熔渣、金屬、陶瓷和磚石碎片、玻璃、不可燃鹽分以及其他未燃盡有機物，除去大宗物質(zhì)后，其外觀、形狀與天然集料相似^[4]。

國內(nèi)外普遍采用X射線熒光光譜分析（X Ray Fluorescence，XRF）、X射線衍射分析（X-ray Diffraction Analysis，XRD）和掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）等技術(shù)手段研究了不同產(chǎn)地、不同時期和不同粒徑的爐渣的元素組成、礦物組成、微觀形貌及細觀結(jié)構(gòu)等特征，發(fā)現(xiàn)爐渣的主要組成元素為Ca、Si和Al，約占爐渣總質(zhì)量的70%及以上，但各主要元素的相對含量與產(chǎn)地、日期和粒徑存在相關(guān)性;主要組成礦物為石英（SiO₂）和方解石（CaCO₃），與天然礦質(zhì)集料相近;同時，含一定量的毒性物質(zhì)，例如重金屬和可溶性鹽。含量最高的幾種重金屬為Zn、Cu、Cr和Pb，約占爐渣總質(zhì)量的0.7%～2.2%^[1，7];主要的可溶性鹽為Cl^-與SO₄^2-。盡管爐渣經(jīng)預(yù)處理后可得到與天然礦質(zhì)集料相近的工程性質(zhì)，但爐渣含有的重金屬與可溶性鹽無法通過常規(guī)方法去除，因此重金屬與可溶性鹽的浸出特性是近幾年研究爐渣資源化利用技術(shù)關(guān)注的重點問題。

2.2重金屬浸出特性

重金屬的特點是難以被生物降解，相反卻能通過食物鏈層層累積與傳遞，并最終影響人類健康。爐渣中重金屬的浸出受爐渣本身和環(huán)境（或試驗）條件影響顯著。首先，爐渣的粒徑與熟化時間與浸出液中重金屬濃度之間存在顯著相關(guān)性^[5，6]。一般爐渣粒徑越小、重金屬浸出濃度越高。其次，爐渣浸出液中重金屬濃度與浸出時間和重金屬類別有關(guān)^[1]。重金屬Cr、Cu的浸出濃度隨浸出時間的延長而有所增長，但Zn、Pb浸出濃度則隨浸出時間的延長而降低。第三，研究方法對爐渣重金屬的浸出水平有一定影響。標準試驗（HVEP法）中，爐渣粒徑對重金屬浸出濃度的影響明顯小于重金屬類別^[1];而模擬試驗中，爐渣重金屬的浸出水平是受多種因素的綜合影響。同時，研究所用的固液比也在一定程度上影響了重金屬的浸出水平。不同固液比條件下，重金屬浸出過程總體相似，但浸出濃度隨固液比的變化而有所不同^[7]。

盡管爐渣中的重金屬會在爐渣作為道路建材使用期間發(fā)生浸出，但從已有研究結(jié)果來看，即使在最惡劣的環(huán)境條件下，試驗期內(nèi)重金屬的浸出水平整體較穩(wěn)定;而且將爐渣用作多孔瀝青混合料的集料使用時，瀝青對爐渣的良好裹覆作用可有效降低重金屬浸出水平，使重金屬浸出濃度低于我國現(xiàn)行標準（GB5085）限值。不僅如此，多孔爐渣瀝青混合料使用不同粒徑、不同替代率的爐渣集料后，Cr、Cu等重金屬的浸出濃度均低于相應(yīng)粒徑爐渣集料。由此可知，道路建設(shè)中使用爐渣瀝青混合料，在道路使用壽命期內(nèi)對環(huán)境的負面影響非常小。但是道路使用過程中在溫度、水分及其耦合作用下，混合料的重金屬浸出特性是否會發(fā)生變化，發(fā)生怎樣的變化，目前尚無相關(guān)報道，相關(guān)研究亟需深入。

2.3可溶性鹽浸出特性

可溶性鹽的最大特點是具有較大的溶解度，在低礦化度的地表水和地下水的溶解作用下可產(chǎn)生強烈的溶蝕作用，影響土體或巖體穩(wěn)定。因此，爐渣中可溶性鹽的浸出特性也尤為引人關(guān)注。原生爐渣中的Cl^-、SO₄^2-的浸出濃度均超出我國Ⅴ類地表水污染物濃度限值，且Cl^-的浸出濃度在模擬連續(xù)降雨三年的時間內(nèi)始終高于Ⅴ類地表水限值^[8]。影響爐渣中可溶性鹽浸出水平的主要因素為固液比和pH值，這意味著爐渣用作道路路基填筑材料前須經(jīng)適當預(yù)處理，方可避免爐渣中的可溶性鹽離子釋放至道路周邊水系或土壤中，造成環(huán)境危害。然而當爐渣用作瀝青混合料的集料使用時，瀝青對爐渣表面孔隙的良好封堵，使得爐渣混合料浸出液中可溶性鹽的浸出水平顯著低于爐渣直接用作路基填料^[9]。此外，瀝青含量、浸水時間等對浸出液中Cl^-濃度均有一定影響。混合料瀝青用量越高、混合料浸出液中Cl^-濃度越低。而且從長期來看，爐渣瀝青混合料浸出液中Cl^-濃度遠低于爐渣集料浸出液中Cl^-濃度。此外，爐渣浸出液中的可溶性鹽濃度還與爐渣粒徑和熟化時間顯著相關(guān)^[5，6]。

綜上，研究人員已就爐渣基本性質(zhì)及爐渣集料用作（多孔）瀝青混合料的集料使用期間的環(huán)境安全性展開了較有意義的研究，且一致認為：（1）經(jīng)預(yù)處理的爐渣集料具有與天然集料相近的理化性質(zhì)和工程性質(zhì)，是較理想的道路建筑替代材料，適合用作混合料集料與路基填料;（2）瀝青混合料中的瀝青是爐渣的良好穩(wěn)定劑，能有效減少爐渣中重金屬及可溶性鹽的浸出水平，使用安全。

3.結(jié)語

隨著我國現(xiàn)階段垃圾分類的推廣實施，生活垃圾焚燒處理更加便捷高效。在可以預(yù)見的未來，爐渣產(chǎn)量會進一步增長。現(xiàn)階段，多孔爐渣瀝青混合料已得到業(yè)界的重點關(guān)注，但相關(guān)研究成果不多，特別對于溫度、降水及其耦合作用條件下，多孔爐渣瀝青混合料環(huán)境安全性的相關(guān)研究非常少，而厘清這一問題對于下一步推進多孔爐渣瀝青混合料技術(shù)的實踐化意義重大。因此，亟需揭示溫度和降水耦合作用對多孔爐渣瀝青混合料長、短期浸出特性的影響機制。

基金資助項目：住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計劃項目（2019-K-140），南京林業(yè)大學(xué)青年科技創(chuàng)新項目（CX2019031）

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作者簡介：李晶晶，1998年9月生，女，漢族，江蘇鎮(zhèn)江人，本科生，研究方向：城市固廢資源化利用技術(shù)。通訊作者簡介：趙曜，1986年3月生，女，漢族，四川綿陽人，副教授，博士，主要研究方向：環(huán)保功能型路面材料、城市固廢資源化利用技術(shù)、透水路面系統(tǒng)。