生活垃圾焚烧飞灰资源化利用研究*

黄俊宾，陈 芳

(1 深圳能源集团股份有限公司，广东 深圳 518000；
2 四川久远环保安全咨询有限公司，四川 绵阳 621000)

近年来，随着居民生活品质水平的不断提升、城市化率不断提高、各个产业的高速发展，城市生活垃圾的产量也在逐年增加。生活垃圾焚烧发电具有减量化明显、占用土地资源少及可实现能源化的优势，已逐渐成为我国生活垃圾处置的主流方式[1-2]。采用焚烧法处理城市生活垃圾时，垃圾中的重金属在焚烧过程中难以被完全去除，大量的重金属在高温条件下挥发进入到烟气，最终冷凝后在飞灰中富集[3-5]。飞灰作为危险废物，同时也是一种有用的资源。根据垃圾焚烧飞灰基本特性的研究，其与水泥生产原料成分接近。在传统水泥生产过程中，生产水泥需要耗费大量的石灰石和能量，同时产生与水泥等量的CO2。将飞灰替代部分石灰石不仅可以节省资源减少CO2排放，同时在水泥煅烧还可以降解飞灰中二噁英等有毒有害物质。由于飞灰中的 Cl-含量较多，对水泥的品质会产生一定的影响，要确保水泥的性能和环保满足要求，还需要对飞灰进行一定的预处理。飞灰中的有害物质被溶固在水泥熟料矿物中，是一种潜在的生产水泥的原材料[6-9]。因此垃圾焚烧飞灰作为一种有效的、可替代的水泥生产原料是可行的。

1.1 实验材料

(1)水泥

采用的水泥为重庆海螺水泥公司生产的普通硅酸盐P·O 42.5水泥。

(2)飞灰

采用来自深圳市能源环保有限公司垃圾焚烧飞灰经过水洗预处理的水洗灰。其化学成分见表1。

表1 水洗垃圾焚烧飞灰的化学成分

(3)标准砂

选用来自厦门艾思欧标准砂有限公司生产的ISO标准砂。

1.2 实验方法

本试验按照GB/T17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法)规定，按照水泥:标准砂=1:3，水灰比=0.5的胶砂配合比制备40 mm×40 mm×160 mm的标准水泥胶砂试件，其中垃圾焚烧飞灰按照一定比例替代水泥掺入，然后放入标准养护室养护3 d、7 d、28 d，分别测定其抗压强度，抗折强度和浸出毒性。

(1)抗折强度试验

抗折强度Rf以牛顿每平方毫米(MPa)表示，按照下式进行计算：

式中:Ff——折断时施加于棱柱体中部的荷载,N

L——支撑圆柱之间的距离,mm

b——棱柱体正方形截面的边长,mm

(2)抗压强度试验

抗压强度RC以牛顿每平方毫米(MPa)为单位，按照下式进行计算：

式中:FC——破坏时的最大荷载,N

A——受压部分面积,40 mm×40 mm=1600 mm2

(3)浸出毒性试验

将28 d龄期的40 mm×40 mm×160 mm的棱柱形水泥胶砂试件敲碎，然后按照HJ/T 299-2007(固体废物浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法)对试件进行浸出毒性测试。

1.3 实验方案

(1)水泥胶砂配合比设计

根据GB/T17671-1999(水泥胶砂强度检验方法(ISO法))，设计水泥胶砂基准组配比为水泥450 g，标准砂1350 g，水225 g。其中水泥选取P·O42.5普通硅酸盐水泥是因为目前P·O42.5水泥用途较为广泛，对于探索飞灰资源化利用实用性有着较大的意义，实验组用水洗预处理垃圾焚烧飞灰按照质量百分数取代水泥用量掺入，具体水泥胶砂配比见表2。

表2 水泥胶砂配比

2.1 生活垃圾焚烧飞灰水泥胶砂抗折强度影响分析

图1是预处理垃圾焚烧飞灰水泥胶砂飞灰掺入对水泥胶砂抗折强度的影响。从图1中可以看出随着预处理垃圾焚烧飞灰的掺入，相比于基准组，所有对照组的水泥胶砂抗折强度都有所下降，这是因为随着水泥熟料的减少，掺飞灰水泥的胶凝性能降低，胶砂中水化产物也相应的减少。相同掺量下抗折强度随着养护时间增长其增长速率降低，但在相同养护时间下，不同掺量的预处理飞灰对抗压强度的影响不完全相同。当养护时间为3d时，所有掺预处理飞灰的水泥胶砂试样相比于基准组试样都明显偏低，这是因为预处理飞灰对复合凝胶体系早期活性不足，随着飞灰掺量的增加，水泥胶砂的抗折强度先下降，再上升最后再下降。当飞灰掺量达到12.5%时，其抗折强度相比于其他掺量都要高，达到同期基准组强度的86.8%。随着龄期的延长，预处理飞灰的火山灰效应逐渐明显，当养护时间为7d和28d时，预处理垃圾焚烧飞灰的掺量达到10%时，试件的抗折强度高于其他掺量试件的抗折强度，并且达到基准组强度的93.9%。

表3 水泥胶砂抗折强度

图1 不同飞灰掺量胶砂抗折强度

2.2 生活垃圾焚烧飞灰水泥胶砂抗压强度影响分析

表4 水泥胶砂抗压强度

图2是预处理垃圾焚烧飞灰水泥胶砂飞灰掺入对水泥胶砂抗压强度的影响。从图中可以看出随着预处理垃圾焚烧飞灰的掺入，相比于基准组，所有对照组的水泥胶砂抗压强度都有所下降，这可能使因为水化过程中生成氯铝酸钙膨胀物导致水泥胶砂被破坏。当养护时间为3 d时，所有掺预处理飞灰的水泥胶砂试样的抗压强度变化不大。当养护时间为7 d和28 d时，预处理垃圾焚烧飞灰的掺量为10%，其抗压强度相比于其他掺量的飞灰都高，并且达到了普通硅酸盐P·O 42.5水泥水泥胶砂抗压强度大于42.5 MPa的要求。

图2 不同飞灰掺量胶砂抗压强度结果

2.3 生活垃圾焚烧飞灰水泥胶砂浸出毒性分析

对掺入垃圾焚烧水洗预处理飞灰所形成的水泥胶砂试件进行浸出毒性检测，可以分析其重金属溶出效果，这是检验飞灰能否作为替代水泥熟料作为混合材的重要指标。试验选择A15试样对其进行浸出毒性检测，从表5可以看出，当水泥胶砂中水洗预处理飞灰掺量达到15%时，重金属Pb、Cr、Zn的浸出毒性显著下降，达到了对飞灰无害化处理的要求，这是因为水化反应生成的水化产物C-S-H凝胶可以将重金属固化包裹在内，对重金属的浸出起到了抑制作用。所以垃圾焚烧飞灰在经过水洗预处理后作为水泥熟料的替代物是符合环境保护的要求的。

表5 水泥胶砂中重金属的浸出浓度

2.4 飞灰及其资源化产物放射性核素分析

对飞灰和飞灰制备的水泥胶砂进行放射性核素测试。结果见表6。

表6 飞灰及其资源化产物放射性核素

由表6可以得出，飞灰的放射性核素值达到《GB 6566-2010 建筑材料放射性核素限量》中内照射指数以及外照射指数的限值，其资源化产物由于飞灰掺量较少，放射性核素较低，未能达到设备的检出限，因此飞灰的资源化产物是符合建筑材料放射性核素限量以及环境保护的要求的。

(1)通过对水洗预处理垃圾飞灰水泥胶砂的力学性能分析得到：当水泥胶砂中掺入水洗预处理垃圾飞灰时，其抗压抗折强度均低于基准组。当养护时间达到28 d时，掺量为10%的水洗预处理垃圾飞灰水泥胶砂试件抗压抗折强度最好，且达到普通硅酸盐P·O 42.5水泥胶砂强度国家标准要求；

(2)通过资源化途径的产物进行浸出毒性分析结果表明，水洗飞灰用于水泥胶砂，生产的制品浸出毒性都达到国家标准，并且远低于浸出限值，符合环境安全要求；

(3)垃圾焚烧飞灰掺杂制备水泥的放射性核素值低于内照射指数以及外照射指数的限值，是符合建筑材料放射性核素限量以及环境保护的要求的。