生活垃圾焚烧炉渣研究进展

李康建,赵曜,余爱华

(南京林业大学 土木工程学院,江苏 南京 210037)

炉渣作为生活垃圾经高温焚烧后产生的主要副产物之一,其产生量约占原垃圾总质量的20%～30%[1]。《中国统计年鉴2021》显示我国炉渣产量突破2 900万t,江苏省炉渣产量达330万t,随着生活垃圾产生量和焚烧比例的不断增长,炉渣产量势必保持较快增长态势。为有效解决炉渣处置难题,国内外学者对炉渣成分进行了广泛深入的研究发现炉渣中有害物质含量低,可以作为一般固体废弃物处理[2]。我国于2014年发布《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485—2014)[3],规定“焚烧炉渣按一般固体废弃物处理”,为我国炉渣资源化利用技术的研发明确了方向。

当前在道路工程中,将预处理后的炉渣制成炉渣集料或炉渣填料,以一定比例替代相应天然集料/填料用于水泥混凝土、沥青混合料、路基填筑以及地基处理,通过控制掺量、级配等手段使掺用炉渣集料/填料后的混合材料进而实现替代天然集料的效果。本文参考了近年来国内外关于炉渣资源化应用的相关文献,从炉渣基本性质及其影响因素为出发点,总结探讨炉渣集料/填料资源化应用的影响,提出现阶段炉渣集料资源化发展所面临的技术难题,以及亟需解决的科学问题,为炉渣资源化利用研究与应用提供一定参考。

1 生活垃圾焚烧炉渣

1.1 炉渣的来源

据国家统计局发布的2010～2020年全国垃圾清运量数据(见图1),2010～2015年,全国生活垃圾总清运量增速缓慢,年均增长率仅为4.2%,此后增长速度加快,年均增速保持在6.6%,并且仍保持上涨趋势。当前清运的生活垃圾中,主要是可回收垃圾、厨余垃圾、有害垃圾和其他垃圾等四类[4-5],主要通过堆肥、填埋以及焚烧3种方式进行处理[6]。堆肥是把垃圾中的有机成分分离出来后进行发酵,进一步加工制成肥料,适合处理厨余垃圾[7]。填埋又分为简单填埋和卫生填埋两种技术,可处理各种垃圾,但占地面积大,可能发生二次污染,且无法实现对可回收垃圾的有效回收[8]。焚烧是通过高温热处理技术将垃圾处理成残渣或熔融固体,不仅垃圾减容减量效果显著(减容90%左右,减量70%～80%[9])、无害化程度高、设施占地小,而且焚烧产生的热量可用于发电或供暖[10]。

图1 我国城镇生活垃圾清运量和生活垃圾焚烧量统计数据Fig.1 Statistical data of garbage removal volume and garbage incineration volume

生活垃圾在焚烧处理过程中经高温焚烧氧化、分解和钝化而形成的炉渣,呈黑褐色,吸水率高(平均值为9.7%[11]),且伴有较浓烈的刺鼻气味。新鲜炉渣的理化性质不稳定,须经过适当预处理后方能进行资源化利用。

1.2 炉渣的预处理方式

对炉渣进行预处理可以显著增强其力学性能及对所含重金属的固化能力[12]。当前炉渣预处理方法以风化处理、高温熔融等方式为主[13]。经预处理后的炉渣,呈灰色(接近水泥颜色),部分结块,刺鼻气味消失,进一步磁选、破碎、筛分后可制成满足规格要求的炉渣集料[14]。

风化处理是将炉渣与外界空气直接接触,借助空气中的二氧化碳与炉渣中的碱性物质发生碳化反应生成对应的沉淀,降低炉渣的pH,增强炉渣的集料性能[15]。从经济效益来看,风化处理投资少,运营管理简单,具有极大的发展潜力。

高温熔融是将炉渣置于700～1 500 ℃的温度区间内对其进行高温处理,使各部分难以处理的玻璃、未燃尽有机物及部分金属重新熔合,形成材质较为稳定、成分更为接近的熔渣,从而提高炉渣的利用率,降低重金属的浸出风险。但其处理成本过高,在处理过程中,材料玻璃化释放大量的有害气体也将带来一系列问题。

1.3 炉渣的主要成分

物理组成方面,炉渣是由熔渣、陶瓷、玻璃、碎石、金属制品、有机物及其他未熔融物质组成的混合物。其中,熔渣是原垃圾中的陶瓷、玻璃、金属制品等成分在高温焚烧过程中破碎后,在熔融状态下形成的混合物,是炉渣中的主要成分,约占炉渣总质量的70%以上[16-18],受原垃圾来源和组成的影响,不同地区、不同时期的炉渣,其物理组成具有一定差异,导致炉渣的某些性能表现出显著的变异性,因此炉渣属典型的非均质性材料[19]。因此,与天然集料的使用原则一样,每批次炉渣在资源化利用前均应进行实验检测。

化学组成方面,炉渣中的主要组成元素为Ca、Si、Al等,且多以氧化物的形式存在,如CaO、SiO2、Al2O3等,这几种氧化物的含量之和在70%以上[20];此外,还含有微量Pb、Cr、Zn、Cu等重金属元素。矿物组成方面,炉渣中的主要矿物包括石英砂(SiO2)和方解石(CaCO3)[21]。从化学成分的的角度来看,炉渣的主要元素与矿物组成与道路工程常用天然集料非常接近,表明炉渣集料具备替代天然集料的潜力。

2 炉渣集料的研究现状

2.1 炉渣集料的微观形貌与结构

炉渣颗粒的微观形貌与结构决定了炉渣的工程性质,也在一定程度上决定了炉渣以哪种具体方式应用于道路工程,是制定本地炉渣资源化利用方案的重要指标之一。见图2所示国内外学者利用扫描电镜(SEM)观察炉渣颗粒发现,产于世界各地的炉渣颗粒,其微观形貌差异不大,均为多孔构造的不规则外形,表面粗糙多孔,内部也有大量孔隙,同时不均匀分布球状、针状、片状、棍状等多种不规则晶体[22-24]。不同产地、不同熟化时间和熟化条件下的炉渣颗粒,其表面和内部分布的晶体类型和含量差异显著,例如炉渣在熟化过程,见图3(c)和3(d),炉渣颗粒表面的晶体含量逐渐增多,晶体尺寸逐渐增大,在一定程度上可增强炉渣的宏观力学性能。(注:(a)和(b),(c)和(d),(e)、(f)、(g)和(h)为3批不同炉渣。)

图2 炉渣电镜扫描图Fig.2 SEM scan of MSWI-BA

2.2 炉渣集料浸出毒性

炉渣的浸出毒性评价是衡量其浸出液是否会对环境造成危害的一个重要标准。国内外研究表明,炉渣中含有一定量Pb、Cr、Zn、Cu等重金属,且具体含量与炉渣的产地和日期关系密切,因而本地炉渣在进行资源化利用前需考虑浸出液中的重金属浓度以及重金属可能形成的可溶性盐对周围土壤和地下水造成的影响。目前各国学者主要采用本国或国际标准方法研究炉渣的毒性浸出水平[28-31],具体见表1。

表1 不同国家浸出毒性评价方法及主要参数Table 1 Leaching toxicity evaluation methods and main parameters in different countries

研究表明[32-34],炉渣作为集料不经过任何预处理,会对周边土壤、地表水和地下水造成污染。通过风干对炉渣进行预处理,可以加快炉渣集料的水化和碳化反应,从而产生大量碳酸钙,降低炉渣的碱性和重金属的浸出水平,降低重金属的迁移,提高环境安全性。

同时,研究发现炉渣中重金属和可溶性盐的浸出浓度与实验条件(初始pH值、液固比、浸取时间等)直接相关。普遍认为实验所用浸取液的初始pH值和液固比是影响毒性浸出水平的最主要的两个因素。由于炉渣含有较高浓度的碱性物质,具有很强的酸缓冲能力,王琳娜[35]用硝酸调节后的pH为1,3,5的去离子水为浸取液发现,三种不同酸碱度的浸取液均促进了Pb、Cu、Zn等重金属的浸出,当pH=1时,Pb、Cu、Zn的浸出浓度超出《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中V类地表水浓度限值,pH为3、5时与蒸馏水浸出浓度相差不大,表明了初始pH值对炉渣中重金属和可溶性盐的浸出浓度存在一定的影响。此外也有学者发现液固比和浸出时间对重金属的浸出具有很大的影响,研究表明[36-37]炉渣中多种元素的浸出浓度随液固比和浸出时间的变化规律发现炉渣中重金属的浸出浓度随液固比和浸出时间先增大之后趋于稳定。由溶解平衡原理可知,重金属的浸出浓度增大的原因均是固相和液相没有达到溶解平衡,促使重金属从固相转移到液相,当达到溶解平衡或者重金属全部浸出,重金属的浸出浓度将会趋于稳定,总体上还是随着液固比和浸出时间的增大而增大的。

2.3 炉渣集料的工程性质

炉渣经风干、磁选、破碎、筛分等预处理后可制成炉渣集料[38]。为使炉渣集料获得更稳定的工程性质,可机械或手工剔除炉渣集料中的陶瓷、玻璃等杂质。表2列举了近年来国内外学者研究所使用的炉渣集料粒径与主要技术指标测定结果。由表中数据可知,粒径范围在0～9.5 mm的炉渣集料的使用频率最高[39-40]。较之道路工程中常用的玄武岩集料,相同粒径炉渣集料的表观密度较低、吸水率和压碎值较高。总体上,各粒径炉渣集料的表观密度相对稳定,而含水率和压碎值与粒径的相关性显著:炉渣集料粒径越大,含水率降低,而压碎值增大。研究人员通过三轴固接排水实验结果发现[41-43],炉渣集料的强度与含水率密切相关,随着含水率的增加,炉渣集料强度呈现先增加后减小的趋势,且最大强度对应的含水率为最佳含水率,此时炉渣集料具有最良好的粘聚力和抗剪强度。因此道路工程中选用炉渣集料时须严格控制其含水率以满足道路设计要求。

表2 炉渣集料与玄武岩集料主要技术指标对比Table 2 Comparison of main performance in MSWI and basalt

3 结语

综上,炉渣作为生活垃圾焚烧过程的主要副产物之一,凭借其足以媲美天然石料的工程特性,在道路工程材料与固废资源化领域受到高度关注,并且已逐渐发展成为一种新兴的绿色建筑材料。尽管炉渣在道路工程中具有良好的前景,但是由于其作为集料在推广使用中仍存在明显问题:(1)炉渣相较于传统集料有着较长的熟化时间,容易导致集料堆积;(2)炉渣集料与传统集料相比,多孔结构导致集料颗粒本身的力学性能较差,仅可替代部分传统集料使用;(3)炉渣集料性能变异性大且含有少量重金属元素。炉渣作为道路工程的集料,为提高其利用率,应解决其熟化时间长、性能较差的特点。