生活垃圾焚燒爐底渣資源化應用技術現狀

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

近年來，隨著人們生活水平的提高和國民經濟的快速增長，城市生活垃圾產生量大幅增加[1-2]。2014—2019 年全國城市生活垃圾清運量快速增長，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生量的逐漸增長，其衛生填埋和焚燒處理的量也在逐年增長，但是相比于衛生填埋處理，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%，隨著一系列更為嚴格的礦山開采管控措施陸續出臺，砂石市場供應量減少，骨料供應量下降使新型墻材的產量受到了制約；另一方面，供應量減少推動天然骨料價格上漲，墻材生產成本顯著提高，影響企業正常發展，骨料成為建筑行業發展的瓶頸。

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%）構成，還含有少量的塑料、紙張、木頭等有機物。在我國，焚燒爐底渣屬于一般廢棄物，焚燒爐底渣經過除鐵、除鋁、破碎、篩分、水洗等一系列預處理工藝后，顆粒特點是粒徑偏大（0.60～4.75 mm），細粉含量較低（0.075 mm 以下顆粒 ＜ 5%），主要化學成分為 SiO2、Al2O3等，其成分特點有助于提高部分建筑材料的力學性能，使其在建材領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量控制技術

2.1 生活垃圾焚燒爐底渣預處理技術

由生活垃圾焚燒或焚燒發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，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，不僅會影響建筑材料的耐久性等工程性質（金屬銹蝕導致膨脹開裂等），而且會浪費可以回收利用的金屬資源。原狀爐渣顆粒較粗大可能是因為其中的泥土以及其他一些成分形成的膠結力的作用，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，應當經過一定的預處理流程使其更加符合工程應用的需求。目前文獻中爐底渣預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處理工藝見圖 1。已有經驗表明，焚燒爐底渣存在穩定性問題，未經合理的處理會發生膨脹爆裂問題，影響其資源化利用。因此在資源化利用前對焚燒爐底渣進行預處理是保證有效利用焚燒爐底渣的重要措施。

圖1 焚燒爐底渣預處理工藝流程圖

2.2 生活垃圾焚燒爐底渣堿-骨料反應抑制技術

堿-骨料反應是指混凝土中的堿與具有堿活性的骨料間發生的膨脹性反應。該反應能夠引起混凝土體積膨脹進而導致混凝土在其內部應力的作用下發生開裂。最終使混凝土的抗壓強度、抗折強度、彈性模量等力學性能明顯下降。

爐底渣中含有玻璃等玻璃態 SiO2等顆粒物，作為骨料用在水泥基材料中時會與水泥中的堿發生堿-骨料反應并產生構件的局部膨脹開裂現象，將爐底渣作為細骨料使用時試塊在養護過程中發生了膨脹開裂和凝膠析出等現象，均是典型的堿-骨料反應的特征。

現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礦物摻和材料，在混凝土拌合物硬化過程中能夠產生堿的耗散過程，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粉體材料可以抑制堿-硅酸反應膨脹，但是摻礦物質粉體材料對堿-碳酸鹽反應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

3.1 生活垃圾焚燒爐底渣在水泥混凝土中的應用

生活垃圾焚燒爐底渣在混凝土中的應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性能的變化以及材料中微量金屬的浸出特性，證實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，研究結果表明使用未水洗的爐底渣作為原料，會導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遠高于基準熟料，這可能需要加入適當的石膏來加快凝結。Alderete 等人[12]分析了爐底渣代替硅酸鹽水泥在混凝土中的應用價值；設計了一種性能良好的含有 20% 預處理焚燒爐底渣的混凝土配合比，在期齡 90 d 時，均比普通硅酸鹽水泥試塊有更高的強度。張世鵬等人[13]研究結果表明早期水泥水化與火山灰反應活性的增強有關，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構。由于焚燒爐底渣主要化學成分為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驗已被廣泛研究，部分研究結果表明焚燒爐底渣替代水泥的結果具備一定的可行性，但需要對焚燒爐底渣進行預處理等質量控制技術，以保證混凝土的質量和安全性。

3.2生活垃圾焚燒爐底渣在新型墻體材料中的應用

在國家墻體材料革新、建筑節能等一系列產業政策的推動下，我國墻材產業發展迅速，產品品種豐富，已經形成了磚、砌塊、墻板三大系列、多品種的墻材產品體系。 據不完全統計，全國墻體材料年產量約 10 200 億標準磚，墻體材料制造業工業年總產值約 5 000 億元。磚類產品（包括燒結和非燒結制品）9 665.1 億標準磚，占總量的 88.4%；砌塊類（包括燒結和非燒結制品）約 1 045.5 億標準磚，占總量的 9.6%；墻板類產品約 224.32 億標準磚，占墻材總量的 2.1% 左右。新型墻材作為工業固體廢棄物的消納途徑早有基礎，既利用了廢棄物資源，同時降低產品生產成本。

隨著新型墻材革新工作不斷推進，墻體材料從之前的禁止限制粘土燒結磚生產和使用的矛盾，轉變成了如何快速的發展固廢綜合利用、生產工藝環保、產品質量優、使用功能強、符合住宅產業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蒸壓加氣混凝土砌塊、石膏板、建筑用輕質隔墻條板、混凝土砌塊磚等新型墻體材料已成發展趨勢，這些固體廢棄物成為了新型墻體材料的主要原材料。為工程建設提供有力支撐，同時有效保護耕地和粘土資源，循環利用固體廢棄物，保障城市安全運營和健康發展。

針對生活垃圾焚燒爐底渣在新型墻體材料方面的應用，研究人員做出了相關研究，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合使用后，輕質隔墻條板的面密度增大 7.8%,抗壓強度提高4.7%，軟化系數增大 10%，干燥收縮值保持不變，以上技術指標均符合 GB/T 23451—2009《建筑用輕質隔墻條板》標準要求。綜合考慮強度、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料作為輕骨料制備強度等級 LC20、密度等級 1 400 輕質預制混凝土，結果表明在一定的蒸壓養護條件下,以粗爐渣作為輕粗骨料、細爐渣和加氣混凝土細料為輕細骨料，砂率 60%，細骨料中爐渣與加氣混凝土細料比例 1:1 時可制得比強度最佳、和易性較好的輕質混凝土。Jayaram 等人[16]以維珍塑料和焚燒爐底渣作為原料制作新型磚，研究結果表明磚的吸水率呈下降趨勢；在抗壓強度方面，5% 的焚燒爐底渣和 5% 的焚燒爐底渣、2% 的純塑料的抗壓強度試驗取得較好的結果。

3.3 生活垃圾焚燒爐渣在路基材料中的應用

隨著道路材料生產企業的原材料成本不斷提高，大量企業將目光投向焚燒發電爐底渣在道路材料中的資源化利用，各地出現了利用焚燒發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性質與工程特性與常見的輕質天然骨料相似，經篩分、磁選等預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。

國內目前對焚燒發電爐底渣預處理工藝進行不斷改良和優化，金屬除雜技術相對成熟，水洗穩定化效果顯著，同時已開展了焚燒發電爐底渣用于路基基層的研究，對焚燒發電爐底渣的顆粒級配、微粉含量和堅固性等指標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行了長達十年的監測，主要研究了析出物長期的化學組成變化，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到最低值，這一現象與天然骨料道路相似。薛國強等[18]對不同配合比下的水泥爐渣碎石試樣進行了無側限抗壓強度試驗，結果顯示提高細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品性能，缺乏應用環節有針對性的、必要的、更加嚴格的技術要求，因此應進一步完善生活垃圾焚燒爐渣的材性改進工藝與技術指標要求。

4 結 語

垃圾焚燒爐底渣是生活垃圾焚燒后排放的廢棄物，成分復雜且可能存在重金屬、放射性等環境安全性問題，使用垃圾焚燒爐底渣固體廢棄物材料，需經系統的研究論證，現有標準 GB/T 25176—2010《混凝土和砂漿用再生細骨料》、JGJ/T 240—2011）《再生骨料應用技術規程》等雖有一定的指導意義，但針對性不強，很難直接指導生活垃圾焚燒爐底渣在新型墻材等建筑材料中的應用。導致其資源化利用進程緩慢。

經過對生活垃圾焚燒爐底渣的預處理等質量控制技術，其替代常規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用，有利于緩解行業資源緊缺問題，實現廢棄物資源的循環利用，對于綠色建材產業發展具有重要的指導意義，對保護環境、發展綠色建材和減輕城市運行壓力具有積極的推動作用。