城市生活垃圾焚烧固体残余物的处理研究

李　萍

摘 要：城市生活垃圾焚烧飞灰会对周围环境产生危害，必须进行无害化处理，而如何处理这些不断增长的焚烧固体残余物便成为横亘在人们面前的一个难题，本文主要介绍一种水泥固化处理法。

关键词：城市生活垃圾 焚烧 固体残余物 水泥固化处理

城市生活垃圾焚烧所产生的固体残余物中含有较高含量的重金属、无机盐类和其它有机化合物。它们未经处理便直接填埋时，其中的上述污染物会析出从而污染环境。例如：对人类而言，砷、镍以及它们的化合物等具有致癌性。六价铬会引起细胞突变，吸入1~2gHgCl2是致命的。植物从城市生活垃圾焚烧灰中吸收重金属，而过量的重金属通过植物的吸收进入食物链对人体健康产生危害。此外，更为严重的是某些种类的城市生活垃圾焚烧固体残余物的浸出毒性实验也表明它们具有一定的潜在毒性。因此，必须对城市生活垃圾焚烧所产生的固体残余物进行处理，本文中试采用水泥固化处理法。

一、实验过程

（1）实验材料

水泥固化实验中所使用的水泥为32.5复合硅酸盐水泥（掺矿渣），即P·C·32.5。实验所使用的砂子为水泥强度试验用标准砂。

（2）实验设备

制作净浆实验时所采用的水泥净浆搅拌机为双转双速水泥净浆搅拌机，并采用与之配套的双转双速水泥净浆搅拌机电脑程序控制器；制作砂浆实验时所使用的水泥胶砂搅拌机采用与之配套的水泥胶砂搅拌机程控器。

制成的水泥净浆和砂浆在水泥砼标准养护室中养护，养护室的控制温度和相对湿度采用温湿度显示控制仪控制。在本试验中，温度控制在25℃（25.5～24.2℃），相对湿度控制在95％。之所以将相对湿度定为95%，是因为养护时较高的相对湿度有利于水泥固化产物的水合作用，从而避免浸出现象的发生。

测定固化产物（净浆和砂浆）的抗压强度采用万能材料试验机，其最大负荷为10t，100kN材料试验机，分为三档：A：0~20kN；A＋B：0~50kN；A＋B＋C：0~100kN。

（3）实验步骤

净浆试验中制作净浆的模子尺寸为2×2×2mm。实验中水与固体（包括水泥和焚烧固体残余物）之比为0.3。所做的试验有：不加入残余物，即原始控制实验；加入的残余物代替部分水泥所需做的实验，其中包括有残留物占10%的固体、残留物占20%的固体、残留物占30%的固体、残留物占50%的固体和残留物占80%的固体，编号分别为a1～a5，b1~b5等依次类推。

砂浆试验中制作砂浆的模子尺寸为2×2×2mm。水与水泥之比为0.5。所做的实验有：不加入残余物，即原始控制实验；加入的残余物代替部分砂子所需做的实验，其中包括残余物占5%的水泥、残余物占10%的水泥、残余物占15%的水泥、残余物占25%的水泥和残余物占40％的水泥，编号分别为b-1~b-5，c-1~c-5和d-1~d-5，a和e最后一个实验未做，因此编号分别为a-1~a-4和e-1~e-4。

按照上述比例，将残余物、水泥、水和砂子（净浆实验中未加）在净浆搅拌机（或砂浆搅拌机）充分混合，得到的泥浆按标准压实，放入模子中，并进行机械振动。然后模子的上表面用钢片刮平。为防止水分散失，在20～25℃和90％湿度的饱和空气中用聚乙烯膜盖住并存放一天。成型后的模子在湿房间里（20±1℃）存放24小时，然后再脱模。脱模后的样品存放在水泥砼标准养护室中进行养护，后测量上述两种固化产物的3、7、28、91天强度，并对其中的某些固化样品进行浸出毒性的实验。

二、结果与分析

城市生活垃圾焚烧固体残余物的固化和资源化利用必须满足工程性质要求和环境标准方面的规定。由于抗压强度和浸出毒性是上述要求中的两个典型特征，为此，需要对残余物固化产物进行强度分析和浸出毒性分析。

在制作净浆的实验过程中，随着城市生活垃圾焚烧固体残余物加入量的增加，固化产物得延迟作用（起始及最终硬化时间的延迟）会变得更明显，尤其是焚烧炉A的飞灰和底灰。Mangialardi等人也认为随着城市生活垃圾焚烧飞灰和水泥混合物中加入飞灰的含量的增加，固化产物的延迟现象（起始及最终硬化时间的延迟）会变得更明显。当焚烧炉A的飞灰的加入量超过40%和焚烧炉A的底灰的加入量超过70％时，样品在24小时后脱模时都没有固化，因此焚烧炉A的飞灰的两个样品（b4和b5）和底灰的一个样品（c5）未能进行下面的实验分析。通过分析，产生上述现象的原因是由于它们含有的较高含量的硫酸盐、氯化物、碱金属（如K2O）和重金属等，因而当加入的残余物的量较高时，使得残余物和水泥混合物的硬化时间大大延迟，以至于根本无法脱模。

1、 抗压强度

（1）净浆

随着城市生活垃圾焚烧固体残余物的添加量的增加，残余物与水泥所形成的净浆的抗压强度一直下降。所有用残余物和水泥制成的净浆的抗压强度都低于控制样品的抗压强度，且随着残余物的添加量的增加，这一下降幅度更加明显。因此影响残余物制成的净浆的抗压强度的主要参数是残余物的添加量。

残余物与水泥形成的净浆的抗压强度在28天后增长明显，甚至到91天时才增长较快，这表明残余物的净浆的早期抗压强度的形成缓慢。因此加入残余物的火山质反应一般一个星期后才开始，而在这之前，残余物的行为就象中性物质那样。

将城市生活垃圾焚烧固体残余物加入水泥中制作净浆的实验主要是考察残余物的水泥特性，以及它们能否代替部分水泥而应用于建筑行业中。有研究表明，残余物的水泥特性随三种主要氧化物（Al2O3、Fe2O3、SiO2）的减少而增强。而且，随总Si、Al和Fe的氧化物的含量的增加，净浆的抗压强度下降。

由于加入了城市生活垃圾焚烧固体残余物，致使其所制成的固化产物的Si含量的有所增加，便降低C-S-H（钙硅水化物）的C/S（C为CaO，S为SiO2）摩尔比。而低C/S摩尔比的C-S-H比高C/S比的C-S-H能保留更多的用于恶性扩展的碱金属。相应的，C-S-H保留的碱金属的量越多，留下来用于恶性扩展的碱金属的量越少，因此也就降低了固化产物中的碱金属量。从而，使得加入了残余物的固化产物能更好地控制恶性碱金属与粘结料间的反应。

（2）砂浆

可以得到与净浆所观察到相类似的结论，即残余物所制成的砂浆的强度在28天以后才表现明显，这同样可以用残余物制成的砂浆的早期抗压强度的形成缓慢来解释。

在残余物制成的砂浆中，可以明显看出残余物的添加量并不是最主要的影响砂浆强度的因素。在我们研究所加入的添加量的范围内，一般都存在一个相对较大值，如焚烧炉A的飞灰和焚烧炉B的飞灰为15%，焚烧炉A的炉排灰则为5%，焚烧炉A的底灰和焚烧炉B的底灰为10%。相比较而言，飞灰制成的砂浆的抗压强度比炉排灰和底灰制成的砂浆的抗压强度要低。

2、浸出特性

当城市生活垃圾焚烧固体残余物被水泥固化后，固化产物中人们所关心的某些组分可能会通过浸出而进入土壤和水体，这是一个十分重要的环境问题。因此，为获得有关固化城市生活垃圾焚烧固体残余物中污染物的化学特性和它们的潜在环境危害，我们对某些焚烧固体残余物固化产物的浸出特性进行了研究。

垃圾焚烧底灰和炉排灰的浸出毒性较低，而且能够达到直接填埋的目标。水泥固化垃圾飞灰的固化产物（净浆和砂浆）的浸出毒性很低，浸出液中大多数重金属的含量都远远低于国家标准，这说明水泥固化能很好地固定重金属。在固化过程中，水泥网格通过物理密封（固化产物较低的渗透性）和化学稳定（水泥固相中溶液的高碱性使得重金属转变为不可溶的化合物）而固定重金属。同时，由于固化产物中的重金属的浸出被认为是与pH值相关和受金属氢氧化物溶解控制的过程。而在pH值为8～9时（浸出实验过程中浸出液的pH值），很难溶解固化产物中以氢氧化物和碳酸盐形式存在的重金属。

随着城市生活垃圾焚烧飞灰加入量的增加，固化产物的浸出毒性也有所增加。这是因为残余物会降低水泥固化产物的碱性和酸缓冲能力，从而增加了固化产物中重金属的浸出特性。

三、结论

本文对城市生活垃圾焚烧固体残余物的处理试采用了水泥固化处理的方法，通过对固化产物（净浆和砂浆）的抗压强度和浸出毒性的分析，将残余物代替水泥的做法基本上是不可行的，而在一定范围内用某些残余物（如焚烧炉A的炉排灰和底灰以及焚烧炉B的飞灰和底灰）代替部分砂子是可能的。城市生活垃圾焚烧底灰和炉排灰之所以能代替部分砂子，主要是因为其物理和工程性质与天然砂子相似，并且焚烧灰渣容易进行粒径分配，易制成商业化应用的产品，因此使之成为一种适宜的建筑填料。◆

参考文献：

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作者单位：宁波甬诚建设检测研究有限公司