城市生活垃圾焚烧炉渣作为土木工程材料的资源化应用探讨

范宇杰 陈 萍 马文欣 丁志农 蒋莹玉 王小健

（1．浙江理工大学，杭州 310018；2．苏州市航道管理处，苏州 215000）

随着城市的发展，城市生活垃圾清运量的增加与填埋库容紧缺之间的矛盾愈发突出，而焚烧处理因其减量化显著越来越受到重视。近年来我国东南部沿海经济发达地区许多城市已经兴建了或正在兴建大型生活垃圾焚烧厂，焚烧处理已占生活垃圾总处置量的14%，年产灰渣450~650 万吨。城市生活垃圾焚烧灰渣（MWC）包括焚烧炉中排出的炉渣和烟气净化系统中收集的飞灰，其中炉渣约占垃圾总重量的20%~30%，飞灰约占0.5%。目前发达国家生活垃圾焚烧炉渣的处理处置主要采用卫生填埋和资源化利用，我国《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889-2008）规定炉渣可以直接进入卫生填埋场填埋处置；而飞灰须经特别处理将二噁英等污染物含量控制在安全范围内方可进入生活垃圾卫生填埋场，否则须进入危险废物填埋场处理处置。

随着生活垃圾产量及焚烧比例的增加，炉渣产量将日益增加，因此探索焚烧炉渣的资源化利用途径具有重要意义。

1 垃圾焚烧炉渣理化性质及工程特性分析

一般而言，垃圾焚烧原状炉渣呈黑褐色，风干后为灰色，其物理组成主要有熔渣、黑色及有色金属、陶瓷及玻璃碎片和其它一些不可燃物质及未燃有机物（如图1所示）。除去其中的大宗物质后，与砂砾石渣土相似（如图2 所示），主要物理组分质地坚硬，作为集料使用时具有一定的强度。

图1 垃圾焚烧底灰

图2 除去大尺寸物质的垃圾焚烧底灰

炉渣颗粒因其物理组成不同形状变化很大，但炉渣的粒径分布比较均匀，颗粒主要集中在2mm~50mm 范围内（约占60.8%~76.8%），而小于0.074mm 的颗粒含量在0.06%~1.36%，基本符合道路建材(骨料、级配碎石或级配砾石等)的级配要求。级配良好反应了炉渣作为骨架材料稳定性比较好， 易压实到较高承载力的状态；而小于0.074mm的颗粒少说明炉渣含泥量较低，因此炉渣作为道路工程用集料对其进行资源化利用是可行的。

坚固性是反映炉渣工程性能的重要指标。一般要求，用于水泥混凝土、高级公路和一级公路中的沥青面层中，集料在5次循环浸泡和烘干后质量损失必须在12%以下。据研究资料炉渣在5次浸泡和烘干循环后质量损失为4.32%，故炉渣坚固性满足作为公路面层和基层填料的使用要求。

有机质会影响集料的工程性质，降低集料本身及经无机结合料(水泥、石灰或二灰)稳定后所得到的稳定土强度，因而集料中有机质含量不宜过高。据调查我国焚烧炉渣中可燃物的含量较低（5mm以上颗粒中的可燃物含量在0.06%~1.34%），能够满足石灰稳定土集料有机质的含量要求(不超过30%)、二灰稳定土的集料有机质的含量要求(不超过10%)和水泥稳定土集料中的有机质含量要求(不超过2%)。对上海市浦东新区垃圾焚烧发电厂炉渣物理组成调查得知其有机质含量为0.42%，炉渣的灼减率（LOI）为2.73%，均表明其有机质含量较低，能够满足作为公路基层集料的应用要求。

炉渣的化学组成元素主要是Si、Al、Ca、Na、Fe、C、K、Mg 和O，矿物成分主要是SiO2、CaAl2Si2O8、Al2SiO5及 少 量 的CaCO3、CaO 和ZnMn2O4等。炉渣中含有一定的重金属，如Cd、Hg、Pb、Cu 和Zn等，但重金属浸出浓度远低于危险废物鉴别标准值，属于一般固体废物，故重金属污染的环境风险较小。炉渣的溶解盐量一般小于1%，因此处理处置时因溶解盐污染地下水的可能性较小，其中硫酸盐的含量约0.06%~0.10%（以SO3计），能够满足道路中各种稳定土中对硫酸盐含量的要求。炉渣的酸中和能力约为4meq/g，pH缓冲能力大，能有效抑制重金属的浸出。另外焚烧炉渣中的二噁英含量约为0.015~0.3ng TEQ/g，远低于许多国家的土壤质量标准限值（1.0 或1.5ng TEQ/g）。还有研究发现炉渣不存在放射性风险，综上所述，从环境安全的角度炉渣的资源化利用是可行的。

2 炉渣资源化利用途径探讨

炉渣的理化性质及工程特性表明炉渣具有骨料性质。同时，炉渣的重金属含量、浸出毒性和溶解盐含量均较低，没有放射性危害，因此资源化利用的环境风险较小。而且炉渣残余有机物含量较少，坚固性较好，作为土木工程材料进行资源化利用具有可行性。在美国、欧洲和日本，炉渣（或是混合灰渣）己经有几十年的应用历史，尤其在欧洲，炉渣资源化利用的比例较高，总体比例在50%以上，其中作为道路工程的集料和填埋场的覆盖材料是目前炉渣资源化利用最主要的方式。

2.1 沥青混凝土或水泥混凝土的替代骨料

炉渣的物理组成、级配、坚固性等均符合沥青混凝土和水泥混凝土替代骨料的要求。另外有研究发现，垃圾焚烧炉渣中含有一定量的活性SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分，具备一定的火山灰活性，故将炉渣用作水泥混凝土骨料对强度有一定的促进作用。

美国联邦公路管理局在休斯敦、华盛顿和费城等地，至少完成了6项含混合炉渣的沥青道路铺筑示范工程，炉渣被分别用于道路粘结层、耐磨层或表层和基层。示范工程的测试结果表明，石油沥青铺面在一年内不会发生开裂现象，并且只要处置得当，炉渣沥青利用并不会对环境造成危害。

美国Stony Brook大学海洋科学研究中心用稳定后焚烧炉渣制成的水泥砖建成2 座人工暗礁，历经6年没有发现有机或无机的有毒有害成分渗出到周围环境；用炉渣空心砖建造船库， 经30个月的测定结果表明：炉渣中的污染物能被有效地截留于水泥基质中，船库内的空气质量与周围大气相同，并且工程测试表明炉渣砖与标准混凝土砖的抗压强度相当。

但与传统的砂石相比，炉渣作为集料仍有其欠缺之处，应用时需注意：

其一原状炉渣由于含有大粒径砖块、石头和金属，使得其只能用作二级公路及二级以下公路的底基层集料，只有去除这些大颗粒后，炉渣才能用作基层和二级公路以上公路底基层集料。另外大颗粒组成可能会破毁施工设备，对施工的危害较大，应该尽可能地除去。

其二由于水淬降温排渣作用，原状炉渣的含水率高达12.0%~18.9%，炉渣含水率会直接影响到集料压实程度、密度、强度和抗变形能力。含水率过高，还会出现渗水现象，且不便于运输，也难以形成高强度。在应用时，必须根据应用途径作进一步分析确定是否需要通过风干降低炉渣的含水率。

其三是由于炉渣中含有一定的重金属等污染物，对环境有一定的潜在影响，资源化应用过程中应对炉渣及其产品进行严格的环保检测，另外工程应用时可以考虑加入适量的水泥、石灰等胶凝材料进行稳定化处理，以降低环境风险。

2.2 路基、路堤等的建筑填料

由于天然砂石骨料的缺乏，炉渣用作停车场、道路等的建筑填土材料，成为欧洲目前灰渣资源化利用的重要途径之一。由于炉渣的稳定性好，其物理和工程性质与轻质的天然骨料相似，并且容易进行粒径分配，易加工成商业化产品，因此成为一种适宜的建筑填料。欧洲多年的工程实践经验表明，炉渣作为建筑填料的资源化利用方式是可行的，在环境协调性和材料的使用性能方面均符合要求。

2.3 填埋场覆盖材料

填埋场的覆盖层由5个部分组成， 由上层到下层分别是植被层、营养层、排水层、阻隔层和基础层。其中基础层对整个覆盖系统起着支撑、稳定的作用，其材料为土壤、砂砾， 甚至可以为一些坚固的垃圾， 如建筑垃圾等。

炉渣若用作填埋场覆盖材料，可不必进行筛选、磁选、粒径分配等预处理工艺。由于填埋场自身存在有利的卫生条件（具备环境保护设施如防渗层及渗滤液回收系统等），能够很好地控制炉渣中的重金属或水溶性盐分的浸出对人类健康和环境的不利影响。另外，焚烧炉渣作为垃圾填埋场的日临时覆盖材料可以起到一定的阻止填埋场臭气溢出作用正在逐渐地被采用。

3 结论

（1）近几年我国东部沿海经济发达地区大力发展生活垃圾焚烧处理，焚烧灰渣的产量显著增加，目前这些灰渣主要进入填埋场进行填埋处置，这将显著增加城市周边填埋库容的压力，因此炉渣的资源化利用有很大的必要性。

（2）炉渣的理化性质和工程特性分析结果表明：炉渣的物理组成及级配满足作为集料的使用要求；有机物含量较少，坚固性较好，适合作为混凝土集料、填土材料及垃圾填埋场覆盖材料进行资源化利用。炉渣的重金属含量、浸出毒性、溶解盐含量及二噁英类物质对环境的影响较小，并且炉渣没有放射性危害，资源化利用具有环境安全性。

（3）我国是一个自然资源紧缺的国家，天然建材原料缺乏，将炉渣就地资源化利用，不仅能够节省填埋库容，减少运输费用和运输造成的环境污染问题，还能够节约资源并创造一定的经济效益。从我国的环境法律法规上来说，炉渣不属于危险废物，鼓励发展资源化利用技术。因此，探索适合我国炉渣特性的资源化应用技术对于建立节约型社会、发展循环经济有着非常重要的社会意义和经济意义。

［1］赵由才，宋立杰．垃圾焚烧厂焚烧底灰的处理研究［J］．环境污染与防治，2003，25（2）：95–97．

［2］石爱娟，何品晶等．城市生活垃圾焚烧炉渣工程性质研究［J］．环境工程，2004，22（1）： 49–50．

［3］何品晶，宋立群等．垃圾焚烧炉渣的性质及其利用前景［J］．中国环境科学，2003，23（4）：396–398．