生活垃圾焚燒爐渣研究進展

李康建,趙曜,余愛華

(南京林業大學 土木工程學院,江蘇 南京 210037)

爐渣作為生活垃圾經高溫焚燒后產生的主要副產物之一,其產生量約占原垃圾總質量的20%～30%[1]?！吨袊y計年鑒2021》顯示我國爐渣產量突破2 900萬t,江蘇省爐渣產量達330萬t,隨著生活垃圾產生量和焚燒比例的不斷增長,爐渣產量勢必保持較快增長態勢。為有效解決爐渣處置難題,國內外學者對爐渣成分進行了廣泛深入的研究發現爐渣中有害物質含量低,可以作為一般固體廢棄物處理[2]。我國于2014年發布《生活垃圾焚燒污染控制標準》(GB 18485—2014)[3],規定“焚燒爐渣按一般固體廢棄物處理”,為我國爐渣資源化利用技術的研發明確了方向。

當前在道路工程中,將預處理后的爐渣制成爐渣集料或爐渣填料,以一定比例替代相應天然集料/填料用于水泥混凝土、瀝青混合料、路基填筑以及地基處理,通過控制摻量、級配等手段使摻用爐渣集料/填料后的混合材料進而實現替代天然集料的效果。本文參考了近年來國內外關于爐渣資源化應用的相關文獻,從爐渣基本性質及其影響因素為出發點,總結探討爐渣集料/填料資源化應用的影響,提出現階段爐渣集料資源化發展所面臨的技術難題,以及亟需解決的科學問題,為爐渣資源化利用研究與應用提供一定參考。

1 生活垃圾焚燒爐渣

1.1 爐渣的來源

據國家統計局發布的2010～2020年全國垃圾清運量數據(見圖1),2010～2015年,全國生活垃圾總清運量增速緩慢,年均增長率僅為4.2%,此后增長速度加快,年均增速保持在6.6%,并且仍保持上漲趨勢。當前清運的生活垃圾中,主要是可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾和其他垃圾等四類[4-5],主要通過堆肥、填埋以及焚燒3種方式進行處理[6]。堆肥是把垃圾中的有機成分分離出來后進行發酵,進一步加工制成肥料,適合處理廚余垃圾[7]。填埋又分為簡單填埋和衛生填埋兩種技術,可處理各種垃圾,但占地面積大,可能發生二次污染,且無法實現對可回收垃圾的有效回收[8]。焚燒是通過高溫熱處理技術將垃圾處理成殘渣或熔融固體,不僅垃圾減容減量效果顯著(減容90%左右,減量70%～80%[9])、無害化程度高、設施占地小,而且焚燒產生的熱量可用于發電或供暖[10]。

圖1 我國城鎮生活垃圾清運量和生活垃圾焚燒量統計數據Fig.1 Statistical data of garbage removal volume and garbage incineration volume

生活垃圾在焚燒處理過程中經高溫焚燒氧化、分解和鈍化而形成的爐渣,呈黑褐色,吸水率高(平均值為9.7%[11]),且伴有較濃烈的刺鼻氣味。新鮮爐渣的理化性質不穩定,須經過適當預處理后方能進行資源化利用。

1.2 爐渣的預處理方式

對爐渣進行預處理可以顯著增強其力學性能及對所含重金屬的固化能力[12]。當前爐渣預處理方法以風化處理、高溫熔融等方式為主[13]。經預處理后的爐渣,呈灰色(接近水泥顏色),部分結塊,刺鼻氣味消失,進一步磁選、破碎、篩分后可制成滿足規格要求的爐渣集料[14]。

風化處理是將爐渣與外界空氣直接接觸,借助空氣中的二氧化碳與爐渣中的堿性物質發生碳化反應生成對應的沉淀,降低爐渣的pH,增強爐渣的集料性能[15]。從經濟效益來看,風化處理投資少,運營管理簡單,具有極大的發展潛力。

高溫熔融是將爐渣置于700～1 500 ℃的溫度區間內對其進行高溫處理,使各部分難以處理的玻璃、未燃盡有機物及部分金屬重新熔合,形成材質較為穩定、成分更為接近的熔渣,從而提高爐渣的利用率,降低重金屬的浸出風險。但其處理成本過高,在處理過程中,材料玻璃化釋放大量的有害氣體也將帶來一系列問題。

1.3 爐渣的主要成分

物理組成方面,爐渣是由熔渣、陶瓷、玻璃、碎石、金屬制品、有機物及其他未熔融物質組成的混合物。其中,熔渣是原垃圾中的陶瓷、玻璃、金屬制品等成分在高溫焚燒過程中破碎后,在熔融狀態下形成的混合物,是爐渣中的主要成分,約占爐渣總質量的70%以上[16-18],受原垃圾來源和組成的影響,不同地區、不同時期的爐渣,其物理組成具有一定差異,導致爐渣的某些性能表現出顯著的變異性,因此爐渣屬典型的非均質性材料[19]。因此,與天然集料的使用原則一樣,每批次爐渣在資源化利用前均應進行實驗檢測。

化學組成方面,爐渣中的主要組成元素為Ca、Si、Al等,且多以氧化物的形式存在,如CaO、SiO2、Al2O3等,這幾種氧化物的含量之和在70%以上[20];此外,還含有微量Pb、Cr、Zn、Cu等重金屬元素。礦物組成方面,爐渣中的主要礦物包括石英砂(SiO2)和方解石(CaCO3)[21]。從化學成分的的角度來看,爐渣的主要元素與礦物組成與道路工程常用天然集料非常接近,表明爐渣集料具備替代天然集料的潛力。

2 爐渣集料的研究現狀

2.1 爐渣集料的微觀形貌與結構

爐渣顆粒的微觀形貌與結構決定了爐渣的工程性質,也在一定程度上決定了爐渣以哪種具體方式應用于道路工程,是制定本地爐渣資源化利用方案的重要指標之一。見圖2所示國內外學者利用掃描電鏡(SEM)觀察爐渣顆粒發現,產于世界各地的爐渣顆粒,其微觀形貌差異不大,均為多孔構造的不規則外形,表面粗糙多孔,內部也有大量孔隙,同時不均勻分布球狀、針狀、片狀、棍狀等多種不規則晶體[22-24]。不同產地、不同熟化時間和熟化條件下的爐渣顆粒,其表面和內部分布的晶體類型和含量差異顯著,例如爐渣在熟化過程,見圖3(c)和3(d),爐渣顆粒表面的晶體含量逐漸增多,晶體尺寸逐漸增大,在一定程度上可增強爐渣的宏觀力學性能。(注:(a)和(b),(c)和(d),(e)、(f)、(g)和(h)為3批不同爐渣。)

圖2 爐渣電鏡掃描圖Fig.2 SEM scan of MSWI-BA

2.2 爐渣集料浸出毒性

爐渣的浸出毒性評價是衡量其浸出液是否會對環境造成危害的一個重要標準。國內外研究表明,爐渣中含有一定量Pb、Cr、Zn、Cu等重金屬,且具體含量與爐渣的產地和日期關系密切,因而本地爐渣在進行資源化利用前需考慮浸出液中的重金屬濃度以及重金屬可能形成的可溶性鹽對周圍土壤和地下水造成的影響。目前各國學者主要采用本國或國際標準方法研究爐渣的毒性浸出水平[28-31],具體見表1。

表1 不同國家浸出毒性評價方法及主要參數Table 1 Leaching toxicity evaluation methods and main parameters in different countries

研究表明[32-34],爐渣作為集料不經過任何預處理,會對周邊土壤、地表水和地下水造成污染。通過風干對爐渣進行預處理,可以加快爐渣集料的水化和碳化反應,從而產生大量碳酸鈣,降低爐渣的堿性和重金屬的浸出水平,降低重金屬的遷移,提高環境安全性。

同時,研究發現爐渣中重金屬和可溶性鹽的浸出濃度與實驗條件(初始pH值、液固比、浸取時間等)直接相關。普遍認為實驗所用浸取液的初始pH值和液固比是影響毒性浸出水平的最主要的兩個因素。由于爐渣含有較高濃度的堿性物質,具有很強的酸緩沖能力,王琳娜[35]用硝酸調節后的pH為1,3,5的去離子水為浸取液發現,三種不同酸堿度的浸取液均促進了Pb、Cu、Zn等重金屬的浸出,當pH=1時,Pb、Cu、Zn的浸出濃度超出《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中V類地表水濃度限值,pH為3、5時與蒸餾水浸出濃度相差不大,表明了初始pH值對爐渣中重金屬和可溶性鹽的浸出濃度存在一定的影響。此外也有學者發現液固比和浸出時間對重金屬的浸出具有很大的影響,研究表明[36-37]爐渣中多種元素的浸出濃度隨液固比和浸出時間的變化規律發現爐渣中重金屬的浸出濃度隨液固比和浸出時間先增大之后趨于穩定。由溶解平衡原理可知,重金屬的浸出濃度增大的原因均是固相和液相沒有達到溶解平衡,促使重金屬從固相轉移到液相,當達到溶解平衡或者重金屬全部浸出,重金屬的浸出濃度將會趨于穩定,總體上還是隨著液固比和浸出時間的增大而增大的。

2.3 爐渣集料的工程性質

爐渣經風干、磁選、破碎、篩分等預處理后可制成爐渣集料[38]。為使爐渣集料獲得更穩定的工程性質,可機械或手工剔除爐渣集料中的陶瓷、玻璃等雜質。表2列舉了近年來國內外學者研究所使用的爐渣集料粒徑與主要技術指標測定結果。由表中數據可知,粒徑范圍在0～9.5 mm的爐渣集料的使用頻率最高[39-40]。較之道路工程中常用的玄武巖集料,相同粒徑爐渣集料的表觀密度較低、吸水率和壓碎值較高?？傮w上,各粒徑爐渣集料的表觀密度相對穩定,而含水率和壓碎值與粒徑的相關性顯著:爐渣集料粒徑越大,含水率降低,而壓碎值增大。研究人員通過三軸固接排水實驗結果發現[41-43],爐渣集料的強度與含水率密切相關,隨著含水率的增加,爐渣集料強度呈現先增加后減小的趨勢,且最大強度對應的含水率為最佳含水率,此時爐渣集料具有最良好的粘聚力和抗剪強度。因此道路工程中選用爐渣集料時須嚴格控制其含水率以滿足道路設計要求。

表2 爐渣集料與玄武巖集料主要技術指標對比Table 2 Comparison of main performance in MSWI and basalt

3 結語

綜上,爐渣作為生活垃圾焚燒過程的主要副產物之一,憑借其足以媲美天然石料的工程特性,在道路工程材料與固廢資源化領域受到高度關注,并且已逐漸發展成為一種新興的綠色建筑材料。盡管爐渣在道路工程中具有良好的前景,但是由于其作為集料在推廣使用中仍存在明顯問題:(1)爐渣相較于傳統集料有著較長的熟化時間,容易導致集料堆積;(2)爐渣集料與傳統集料相比,多孔結構導致集料顆粒本身的力學性能較差,僅可替代部分傳統集料使用;(3)爐渣集料性能變異性大且含有少量重金屬元素。爐渣作為道路工程的集料,為提高其利用率,應解決其熟化時間長、性能較差的特點。