城市垃圾焚燒底灰資源化處置綜述

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焚燒作為一種新型城市固體垃圾處理技術，既能夠有效減少城市垃圾的體積和質量，還能夠在垃圾焚燒過程中產生電能，因此被世界各國廣泛采用。多年實踐表明，城市垃圾焚燒處理比垃圾填埋、生化和堆肥處理技術更加優越。垃圾焚燒后所產生的固體殘渣(主要是底灰)約占原始垃圾質量的25左右。隨著越來越多的垃圾采用焚燒處置，產生的大量固體殘渣有待于進一步處置。與原始垃圾相比，垃圾焚燒底灰(以下簡稱焚燒底灰)中有毒元素的含量比一般土壤高10～100倍]。我國對焚燒底灰的處理主要采用填埋法和轉化低端建筑材料，如路基填充材料、填埋場的覆蓋層等，而焚燒底灰填埋正面臨著土地空間緊張和污染環境的問題_3]。自20世紀7O年代，一些發達國家開始研究和推進焚燒底灰的無害化、資源化處理。在許多發達國家(如瑞士、德國、荷蘭等)，焚燒底灰中部分重金屬和有機物的含量已遠遠超過其控制標準，因而很多國家將焚燒底灰歸類為“危險固體廢物”，并頒布了嚴格的環境保護法律法規控制焚燒底灰的最終處理，嚴禁直接填埋處置。如何利用焚燒底灰內在資源特性，開展最優的資源利用途徑是各國固體廢棄物資源化、無害化管理的研究重點。目前，世界多國均在積極開展利用焚燒底灰替代天然建筑材料的技術研發和工業化生產工作，并已取得了較好的進展。在一些歐洲國家，如丹麥和荷蘭等，將粒徑小于2mm的焚燒底灰用作瀝青的細骨料或經處理后制備水泥的添加劑；將粒徑大于2mm的焚燒底灰經過不同的物理分離技術處理后制備高等級公路的路基層面和基層材料，或將焚燒底灰、水、水泥及其他骨料按一定比例混合制備輕質混凝土磚、空心磚等。工程測試表明，以焚燒底灰為骨料制備的磚類產品與標準混凝土磚的抗壓強度相當l_4；在美國，焚燒底灰被用作石油瀝青路面的骨料以及水泥或混凝土的替代骨料]。美國聯邦公路管理局已在休斯敦、華盛頓等地成功完成了6項以上含焚燒底灰的瀝青鋪裝示范工程，這些焚燒底灰被用于道路的粘結層、耐磨層或表層和基層_8]，經過適當處理的焚燒底灰較好地展示了作為高性能生態建筑材料的潛力。在我國，隨著大型城市垃圾焚燒產業的快速發展，底灰的再生利用技術和新型產品也逐漸研究開發。焚燒底灰轉化為建筑材料的可行性受其產生來源和自身特性影響，不同地區產生的焚燒底灰具有較大差別，這將導致焚燒底灰在資源利用過程中出現不同程度的工程質量或環境污染問題，從而影響焚燒底灰的資源化再生利用，也勢必降低焚燒底灰轉化為新型材料及更高級別再利用的潛在價值。筆者以我國較發達城市天津市的焚燒底灰為例，從不同粒徑范圍焚燒底灰顆粒的工程特性和環境特性著手，并結合天然建筑材料的標準分析方法，評價分析將焚燒底灰轉化為天然建筑材料的可行性，分析其應用過程中出現質量損傷的原因，并提出改善焚燒底灰工程性能的措施。

1實驗部分

1．1原材料

焚燒底灰樣品取自天津某城市生活垃圾焚燒發電廠。由于焚燒底灰物理成分的復雜多樣性，為確保樣品分析數據的可靠性和代表性，樣品的采集方法按照《工業固體廢物采樣制樣技術規范》和《固體廢棄物實驗分析評價手冊》中的標準方法執行。連續4d間斷采集500kg底灰樣品混合均勻，從樣品堆積體的不同點、不同深度處選取大約20個取樣點，共取100kg實驗用樣品，再次混合均勻后進行磁性分離清除焚燒底灰中大塊的黑色磁性金屬，將處理后的焚燒底灰樣品進行分析測試。

1．2分析與測試方法

焚燒底灰樣品化學元素分析：為對焚燒底灰粗、細顆粒分別進行化學特性分析，利用2、6mm標準篩將焚燒底灰進行分離，獲得O～2、2～6、>6mm3種粒徑范圍的顆粒；利用101型電熱恒溫干燥箱在105℃下干燥12h；采用X熒光光譜(XRF)分析儀對3種粒徑的焚燒底灰顆粒進行元素成分分析，每次分析的樣品質量為2～4g，且樣品顆粒需研磨至粒徑小于150p．m。焚燒底灰有機質分析：將Mg焚燒底灰樣品在5(質量分數)的稀鹽酸溶液中浸泡20min以上，過濾去水后先后在150、500。C的電熱恒溫干燥箱中放置5h，記錄2次干燥后的質量分別為M和M2，則焚燒底灰樣品的有機質的質量分數為(M一M2)／MX100。焚燒底灰及其再生材料的環境影響評價：根據《危險廢物浸出標準》(GB5086．1—1997)，采用旋轉式浸出法口1_測定焚燒底灰及其再生材料浸出液中重金屬的含量。將100g焚燒底灰樣品加入到裝有l000mL去離子水的白色標準塑料瓶中，在往復式水平振蕩器上連續振動，24h為一個浸出測試周期，將取得的浸出液樣品經離心分離取上清液，分析重金屬和氯的含量。參照《原子吸收光譜分析法通則》(GB／T15337-2008)，采用原子分光光度法測定浸出液中的重金屬元素和氯離子的含量…]。焚燒底灰顆粒粒徑級配分布：將焚燒底灰分別過28、20、16、10、6、4、2、1mm標準篩，分析焚燒底灰的粒徑分布規律。焚燒底灰顆粒的礦物特征：采用掃描式電子顯微鏡(SEM)測定不同粒徑焚燒底灰顆粒的礦物結構。砂當量、密度、吸水性：根據西班牙建筑材料測試技術標準(NLT111／1987，NLT108／1991)，測定焚燒底灰的砂當量、密度及吸水性。焚燒底灰再生建筑材料工程性能分析：將處理前后的焚燒底灰顆粒(其中粒徑小于2mm的焚燒底灰以天然砂子取代)與天然水泥、水按照2O：5：3(質量比)混合澆筑成0．3m×0．2m×0．2m的混凝土平板試件。試件成型方法參照《普通混凝土力學性能試驗方法》(GB／T50081-2002)。試件成型3d后，放入相對濕度大于7O、溫度25℃左右的標準養護室中進行養護。依據《混凝土強度檢驗評定標準}(GBJ1O7—87)，對養護后的試件進行抗壓強度測試，取試件3處強度的算術平均值作為試件強度值。檢查試件的裂縫情況，采用photo—Mi—crpgraph微觀成像儀、SEM、XRF分析裂縫及其兩側材料特性。利用天然礦石骨料制備大小相同的混凝土平板試件，對比其與焚燒底灰再生混凝土平板試件的工程性能。

2結果與討論

2．1焚燒底灰化學成分

焚燒底灰的化學成分對其理化特性及各種再生處理技術的適應性、處理費用和效果均有重要影響。XRF分析表明，焚燒底灰主要由Si、Ca、K、Na、C1、Fe、Mg等主要元素以及Pb、Cr、Zn、Cu、Ni、Mn、Cd等微量元素組成。表1給出了原始焚燒底灰和3種不同粒徑焚燒底灰的化學元素成分含量。從原始焚燒底灰的化學分析結果可以看出，質量分數超過1的主要元素包括A1、Si、Ca、Fe和K，而微量元素中Zn和Mn的含量較高，其余常見的重金屬元素如Cu、Pb、Cr、Ni等含量較低。同發達國家的焚燒底灰相比，我國焚燒底灰中主要元素含量相對較高，而微量重金屬元素含量相對較低，尤其Pb、Cu、Cr等元素在發達國家的焚燒底灰中含量是本研究所測的5～15倍[】。有研究表明，焚燒底灰中的重金屬趨向于富集在尺寸較小的底灰顆粒上，而本研究所測焚燒底灰中，僅Zn、Cu含量隨著底灰粒徑的增加而減少，其余重金屬元素并未證實這一規律。焚燒底灰中的有機質主要是由于垃圾不完全燃燒造成的，2～6nlm焚燒底灰顆粒中有機質質量分數最高，再生利用過程中需考慮其對再生建筑材料使用性能的影響。表1城市生活垃圾焚燒底灰的化學成分”Table1Chemicalcompositionofmunicipalsolidwasteincinerationbottomash注：百分數為質量分數。

2．2焚燒底灰浸出特性分析

筆者對3種不同粒徑的焚燒底灰樣品進行浸出特性分析，結果見表2。由表2可見，重金屬(如Cu和Zn)的最高浸出濃度出現在2～6mm的焚燒底灰樣品中，說明該尺寸的焚燒底灰顆粒具有一定程度的毒性浸出風險，但與《危險廢物鑒別技術規范》(HJ／T298-2007)中規定的金屬浸出濃度限值相比仍很低。為進一步考察焚燒底灰再生建筑材料是否具有環境風險，對2～6mm的焚燒底灰與普通水泥混合制備的0．3m×0．2m×0．213．混凝土平板試件進行毒性浸出測試，結果見表3。從浸出液分析結果可以看出，Cu和Zn的浸出濃度大大降低，這可能是由于水泥固化降低了重金屬的浸出速率。從HJ／T298—2OO7中對重金屬浸出濃度限值來看，以焚燒底灰為骨料制備的混凝土平板試件沒有環境污染風險。但不可忽視的是，隨著城市生活水平的提高，生活垃圾組分越來越復雜，將包含更多含有重金屬的垃圾組分，這些重金屬將隨著焚燒過程進入焚燒底灰中，因此未來仍需要跟蹤監測我國垃圾焚燒底灰的環境問題。另外，原始焚燒底灰及其制備的混凝土平板試件的浸出液都屬于高堿性，說明焚燒底灰具有較高的堿度，這會對再生建筑材料的工程性能產生一定影響。因此，焚燒底灰再利用前表2焚燒底灰浸出液pH及微量元素浸出濃度Table2pHvaluesandconcentrationsoftraceelementsfromincinerationbottomash表32"-6mm焚燒底灰及其混凝應采取有效措施降低其堿度，如采用長期風化或加速風化等手段。

2．3粒徑分布分析

焚燒底灰顆粒的尺寸分布是衡量其作為建筑材料應用潛力的關鍵因素之一。圖1比較了焚燒底灰顆粒與普通粗、細建筑骨料的粒徑級配分布，可以看出它們具有相似的粒徑分布規律，焚燒底灰顆粒的粒徑范圍包含了粗、細建筑骨料的粒徑范圍。

2．4密度和吸水性

表4給出了3種粒徑范圍焚燒底灰的平均密度和吸水率。普通建筑材料的平均密度為2650～2700kg／m。，焚燒底灰中粒徑大于6ITlm的粗顆粒的平均密度與普通建筑材料比較接近，而粒徑小于2mm的細顆粒相對屬于輕質材料。就顆粒的吸水率而言，普通建筑材料的吸水率小于3，焚燒底灰中粗顆粒的多孔性高、表面積較大，因此吸水性能相對較強，在工程應用中需更多考慮該參數。表4焚燒底灰的平均密度和吸水率Table4Densityandhydroscopicityofbottomash

2．5顆粒微觀形態

在相同的測試條件下，不同粒徑焚燒底灰的(a)2-6mmSEM圖見圖2。從圖2可以看出，焚燒底灰的礦物形態具有多孔性、無規則性等特點，主要是由于焚燒室不均勻的送風、不均勻的焚燒溫度以及垃圾在焚燒爐內不同的停留時間造成的。較高的多孑L性為有毒物質的浸出提供了活性空問，同時對焚燒底灰在應用過程中的吸附性和抗壓強度有一定影響，這在再生利用過程中應加以考慮。

2．6砂當量

根據NLT111／1987測試標準，焚燒底灰細顆粒(粒徑小于2mrn)的砂當量是25。中等程度的路基材料要求砂當量大于28，輕程度的路基材料要求砂當量大于23。由此可見，焚燒底灰中的細顆粒不能滿足中等程度的路基材料砂當量要求，但符合輕程度的路基材料砂當量要求。

2．7壓實性

原始焚燒底灰的壓實性測試結果見表5。多次測量的最大密度為1．46g／cm。，相應的修正濕度是131。根據NLT108／1991要求，普通建筑材料測試的最大密度至少為1．45g／cm。，因此焚燒底灰的壓實性測試結果和普通建筑材料的壓實性需求一致。表5壓實性測試結果Table5Resultsofcompaction

2．8焚燒底灰再生混凝土平板試件的特性

由于焚燒底灰中包含未燃盡有機質、玻璃碎片、廢舊金屬渣等雜質成分，導致其再生利用過程中，這些雜質易隨周圍環境特性發生質的轉化，使再生的建筑材料產生起泡、裂縫等損傷現象；同時，由于焚燒底灰屬于多孔材料，其抗壓強度較低，容易造成再生建筑材料裂斷等現象。對焚燒底灰再生混凝土平板試件進行損傷情況檢查，發現平板上出現幾條裂縫，采用photo-Micro—graph成像儀對裂縫處取橫截面拋光后進行測試，還發現了多條微小裂紋(見圖3)，利用SEM、XRF對裂縫處材料的成分進行分析(見圖4、圖5)，發現該裂縫處含有金屬Al和玻璃凝膠，玻璃凝膠成分分析見圖6，主要包含Si、Ca、Na、K。圖3混凝土平板試件內部微觀裂縫Fig．3Microscopiccrackinginconcretespecimen圖4裂縫處的金屬AIFig．4A1incrackofconcretespecimenbySEM圖5裂縫橫截面處的玻璃凝膠Fig．5Glassgelincrackofconcretespecimen由于生活垃圾中含有鋁制品包裝廢棄物，在高溫焚燒過程中Al表面氧化生成致密的氧化物而阻止了內部Al繼續氧化rl引。研究表明，65～200mm厚度的鋁箔包裝制品在850℃下焚燒后，85％左右的A1停留在底灰中，10左右進入到飛灰中¨1引。在堿性環境中，焚燒底灰再生材料包含的金屬Al發•46•圖6裂縫處XRF分析的玻璃凝膠成分Fig．6GlasscomponentsincrackofconcretespecimenbyXRF生如下反應：Al+OH一+H2O—AI(OH)3+H2十(1)AI(OH)。+OH～+HO一[Al(OH)]一(2)[Al(OH)]一一Al(OH)。+OH一(3)[Al(OH)]一+Ca+OH一一Ca。EAI(OH)](4)Al在堿性條件下生成Al(OH)。，兩性的Al(OH)。溶于水，且在pH>10的強堿性溶液中不能形成純化層，因此Al(OH)。與水放熱反應生成[AI(OH)]一；若環境pH降至9～10，[AI(OH)]一再次分解出Al(OH)。，當Al(OH)。低于溶度積時產生凝膠體沉淀；同時，根據化學方程式(4)，[-AI(OH)]一和Ca抖在堿性環境中產生新的沉淀物Ca。[-AI(OH)]，這些沉淀物是導致再生混凝土平板試件體積增加而產生裂縫的原因之一。通過進行裂縫橫截面處微觀掃描，發現了幾處玻璃凝膠。這是由于焚燒底灰顆粒中的玻璃成分在堿性環境中發生腐蝕性化學反應，產生了堿硅酸鹽凝膠(見式(5))。

3焚燒底灰工程性能改善對策初探

焚燒底灰中金屬、玻璃等雜質成分和其多孔性可以導致再生混凝土材料損傷。因而，有必要通過凈化處理技術去除焚燒底灰中的雜質成分，提高其抗壓強度等工程性能，以改善焚燒底灰再生材料的工程質量。取相同來源的焚燒底灰樣品約5Okg，進行不同物理分離技術實驗。對于焚燒底灰細顆粒中的有機質可通過逆流水洗篩分的方法去除；而細顆粒中的金屬Al由于顆粒粒徑小、可識別度低，利用物理方法難以高效分離出去，故使用低濃度的氫氧化鈉溶液進行浸泡處理，將處理后的焚燒底灰在空氣中自然風化以降低其弱堿性能；焚燒底灰粗顆粒中的有機質、金屬Al可以通過人工揀選(較粗顆粒)和渦流磁選去除；利用人工揀選去除焚燒底灰中直徑大于6mrn的玻璃殘渣顆粒，利用Opto-me—chanical光學機械分離2～6mii1焚燒底灰中玻璃殘渣；將立式葉輪機旋轉強化整形與風力除塵技術結合，使粗顆粒在高速旋轉過程中解體、撞擊、破碎而磨平表面，改善顆粒由于多孔性而影響強度的問題，增強顆粒堅固性和棱角效應，同時使輕質顆粒和未燃盡有機物被淘汰，而通過風力分級再次將細顆粒中有機物清除，并除去其中的極細塵粒。對凈化處理后的焚燒底灰再次進行篩分，并對不同粒徑底灰的物理特性進行分析，與原始焚燒底灰相應組分相比，焚燒底灰中的有機質、玻璃、金屬A1含量均明顯降低(見表6)。

4結論

(1)通過對焚燒底灰進行工程特性表征和環境風險評價，可以看出焚燒底灰具有再生轉化為建筑材料的潛在價值。然而焚燒底灰再生應用開發新材料過程中，應考慮焚燒底灰有機質含量高、顆粒多孔性、吸水率較高、壓實強度不能滿足高等級建筑材料性能要求等特殊性能。

(2)不同粒徑焚燒底灰的重金屬浸出濃度均低于HJ／T298—2OO7中規定的金屬浸出濃度限值，因而其再生利用不會對環境造成二次污染，并可節約填埋的土地資源，使焚燒底灰的出路問題得到實質性解決；還可以緩解建筑材料越來越大的需求量對天然資源造成的壓力。

(3)焚燒底灰中的玻璃碎片、金屬、有機質等雜質在堿性環境中通過化學反應產生新的物質，因此其再生的建筑材料容易產生起泡、裂縫等損傷現象。在焚燒底灰再生利用前，需針對焚燒底灰中粗細顆粒的特點，選用適合的處理方式進行凈化處理以去除底灰中的雜質，改善再生建筑材料的工程性能。

(4)通過凈化處理技術，焚燒底灰中有機質、玻璃及Al的含量明顯降低，焚燒底灰的多孔率降低了22，其制備的混凝土平板試件壓實強度顯著提高。