道路用爐渣集料的穩定化處理研究

張春良，周 通，劉永國，薛永超

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

0 引言

城市生活垃圾焚燒處理，具備占地面積少、衛生條件好、減量化程度高的優點，已成為城市生活垃圾的主流處理方法之一[1]。然而焚燒處理后產生的爐渣顆粒給生態環境帶來了巨大的壓力，據統計，2020年我國垃圾焚燒廠日產爐渣約 4.0×104t(按20%計算)[2]。拓展爐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。

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環境存在不利影響，因此研究者對其在道路工程領域的應用展開了探索。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，其力學強度有限，且爐渣中的重金屬會隨時間增長而發生浸出反應[4-6]，進而降低爐渣的力學性能。因此現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用有限，利用率也不高。

為改善爐渣顆粒的集料性能，促進其在道路工程中的應用，設計了一種爐渣穩定化處理方法，通過將爐渣與污泥一同聯合穩定化處理，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程，以提高爐渣顆粒的力學性能，縮小爐渣顆粒性能的波動范圍，促進爐渣的資源化利用。

1 聯合穩定化處理機理

對爐渣進行預處理可以有效增強其力學性能并提高其內部金屬鹽的化學穩定性，主要方法包括風化處理、固化處理與高溫熱處理等[7]。自然風化處理由于具有前期投資少、后期運行成本低、產物性能優良的優勢，發展潛力較好。碳酸化是自然風化處理過程中極為關鍵的一步，通過改變物質的礦物學特征，使物質穩定化。風化處理主要通過爐渣中的Ca(OH)2、金屬鹽等堿性物質與空氣中CO2緩慢的碳酸化反應生成CaCO3等沉淀，以改善爐渣的多孔結構，提高其集料性能。

基于爐渣風化處理的碳酸化過程，可利用污泥中微生物新陳代謝產生的CO2加快爐渣的碳酸化進程，構建爐渣與污泥的聯合穩定化處理體系，其主要反應機理如下所示：

(2)爐渣中鈣鹽(以Ca(OH)2為主)的碳酸化反應過程將消耗大量的OH-離子，反應產物為碳酸鈣CaCO3，使得聯合穩定系統的整體pH值下降。

(3)爐渣碳酸化所生成的CaCO3，在外部壓力與環境因素耦合作用下將轉變為方解石晶體，其結構強度更大，力學性能有較大的提升。

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

(5)部分重金屬元素(Pb、Cu、Zn等)也會發生碳酸化反應，所生成的碳酸鹽溶解度更小，進一步促進重金屬元素的析出。

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(6)發生碳酸化反應和未發生碳酸化反應的重金屬元素在聯合穩定化過程中，都將被碳酸化生成的方解石(碳酸鈣CaCO3)充分包裹，形成性質穩定的復合結構。

2 材料與方法

2.1 爐渣與污泥的基本性質

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域使其自然風干，最后篩掉較大的未燃物及雜質，試驗用污泥的含水率為45%～60%。試驗用爐渣和污泥樣品的基本性質如表1所示。

表1 試驗用爐渣與污泥的基本性質

2.2 爐渣與污泥聯合穩定化處理

聯合穩定化處理方法主要通過圖1所示的聯合穩定化反應池來實現。反應池尺寸為0.9m×0.9m×0.1m，由四塊PVC板拼合而成，柱體中央設有直徑10cm的鐵絲網導管，側面設置有橫向并列三根直徑20mm的輔助導氣管，導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。反應池下部為濾網和集液池，用以接收向下滲出的液體。

圖1 聯合穩定化反應池

設置五個試驗組進行爐渣與污泥的聯合穩定化研究，試驗組中爐渣與污泥的質量比例分別為10∶0(只含有爐渣)、9∶1、8∶2、7∶3和6∶4，分別均勻填入5個反應池中。各試驗組內混合物的基本性質如表2所示。

表2 各試驗組內混合物的基本性質

試驗周期設為24周，單周期時間設為7天。每周期末，在穩定化反應池上選三個點取樣并混合均勻。將取樣烘干后研磨至150目，再進行相關試驗。

2.3 試驗方法

將取得的樣品研磨，按比例加入蒸餾水，樣品與蒸餾水質量比為5∶1。試驗溫度設定為25℃，震蕩混合時間設為30min，震蕩混合后用酸度計檢測混合物的pH值。

將各反應池內取得的爐渣和污泥混合物在440℃下灼燒，通過計算灼燒前后物質的質量損失比例，得到混合物的有機質含量。由于爐渣內部存在部分礦物組分易與水結合生成不穩定的水化物，在高溫灼燒時分解成為氣體逸出。此外為研究不同爐渣與污泥比例對穩定化處理的影響，采用了干基比作為控制因素，這導致不同穩定體系爐渣的摻加量是不同的，難以簡單對比。因此采用1號空白組作為標準，假設各聯合穩定體系的水化反應相同，通過式(1)換算所摻加污泥的有機質占比，再通過式(2)反推聯合穩定體系的穩定化進程。

(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代表摻有污泥的聯合穩定體系混合物中溶解性碳的含量。

通過檢測爐渣和污泥聯合穩定化處理體系的pH值、有機質的含量與DOC的含量，判斷爐渣碳酸化進程的快慢，探究不同爐渣與污泥干基比對聯合穩定化處理體系效率的影響。

按照規范[8]對聯合穩定化處理前后的爐渣進行性能試驗，將其與天然玄武巖集料進行對比，評價聯合穩定化處理的效果。

3 爐渣與污泥聯合化穩定處理成效

3.1 pH值檢測結果

5組混合物在不同穩定周期下的pH值檢測結果見圖2所示。

圖2 不同比例混合物在不同穩定周期的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。經過風化堆放處理，隨著時間增長，各組試樣的整體pH值均存在下降趨勢。1號穩定體系由于只含有爐渣，經過24個周期的風化反應后，其pH值仍大于10；對于摻有污泥的穩定體系，經過24個周期的風化反應后，其pH值均明顯小于10。對比四種不同干基比混合物的穩定化pH值，可知當爐渣與污泥干基比例為8∶2、7∶3與6∶4時，聯合穩定體系pH值的降低效果最好，爐渣具有較快的碳酸化進程。同時綜合穩定化處理效率，當爐渣與污泥干基比為8∶2和7∶3時，聯合穩定化處理法的費效比最好。

3.2 有機碳含量檢測結果

爐渣和污泥聯合穩定化處理體系的有機物與DOC含量檢測匯總結果如圖3和圖4所示。

圖3 各聯合穩定化處理體系中有機質的含量變化

圖4 各聯合穩定化處理體系中DOC的含量變化

由圖3可知，不同干基比聯合穩定體系的有機質含量隨時間的增長而減小，其中2號、3號、4號和5號聯合穩定體系的有機質初始含量分別為46.5%、45.3%、43.8%和43.1%，經24個周期的聯合穩定化處理，分別下降至33.7%、26.2%、24.4%和21.7%，其有機物降解率分別為27.53%、42.16%、44.29%與49.65%。說明經過聯合穩定化處理，污泥中的有機質得到了充分的消耗。

由圖4可知，不同干基比的聯合穩定化處理體系中DOC的含量整體呈下降趨勢，其中3號、4號和5號反應體系的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，各聯合穩定化處理體系中的有機物逐漸被微生物利用分解，體系的碳酸化反應進行正常。

由試驗結果可知，聯合穩定化處理法可促進爐渣的碳酸化反應，有效地將爐渣與污泥穩定化。綜合穩定化處理試驗結果，可知當爐渣與污泥的干基比為8∶2和7∶3時，聯合穩定化處理法的費效比最高。

3.3 穩定化處理后的爐渣性能研究

天然玄武巖集料具備優良的力學性能，被廣泛應用于瀝青混合料中，選用天然玄武巖集料與穩定化處理后的爐渣進行性能對比，以評價穩定化處理的效果，如表3所示。

表3 穩定化處理前后爐渣顆粒與玄武巖集料的基本性能指標

由表3可知，未經穩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。經穩定化處理后，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，該類金屬鹽會隨著時間的增長而逐漸析出，這將增加爐渣顆粒的孔隙數，進而降低其結構強度。經穩定化處理的爐渣，其pH值明顯下降，最高降幅可達到21.9%，說明穩定化處理減少了爐渣中金屬鹽的含量，有利于爐渣結構強度的提高。壓碎值是道路工程集料重要的力學指標，過高的壓碎值易導致混合料出現坑槽、早期開裂等病害。穩定化處理前后，壓碎值的最大降幅可達54.3%，說明三種粒徑爐渣顆粒的力學性能得到明顯增強，有利于爐渣顆粒在瀝青混合料中的應用。

4 結論

為增強城市生活垃圾焚燒爐渣的力學性能，提高爐渣的資源化利用率，踐行可持續發展理念，基于爐渣在風化處理過程中的碳酸化反應，設計了一種將焚燒爐渣與污泥聯合穩定化的處理方法，主要結論如下：

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

(2)將爐渣與污泥混合堆置進行風化處理，可明顯加快爐渣的碳酸化過程。爐渣通過碳酸化可生成CaCO3以增強結構力學性能，提高其耐久性。當爐渣與污泥的干基比為8∶2或7∶3時，穩定化處理效果最好，且效率較高。

(3)較穩定化處理前，穩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%，其致密性與結構強度得到了明顯改善，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用效果。