生活垃圾焚烧炉渣集料环保特性分析及研究

材料；而炉渣中重金属浸出含量较低，满足国家相应标准要求，对环境影响较小，环保性能较好。

关键词：炉渣；理化性质；重金属含量；环保特性

中图分类号：X705

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）20009704

1引言

随着我国城市化进程的加快，城市数量和规模不断扩大，城市垃圾也随之增加。由于生活垃圾成分的复杂性、差异性及有限的利用性[1]，给生活垃圾处理带来了很大的困难。目前城市生活垃圾的处理方式主要有卫生填埋、堆肥和焚烧，其中焚烧可以达到减量、回收能量、减少污染等效果，是许多国家和地区城市生活垃圾处理的首选方案[2]。垃圾经焚烧后产生飞灰和底渣，已有大量研究表明，垃圾焚烧飞灰中含有大量重金属和二噁应等有毒物质，在特定条件下会渗滤出来，造成环境污染[3～6]，而对于垃圾焚烧后炉渣相关污染情况及环保性能方面研究较少且绝大多数研究局限于炉渣作为集料或建材利用的相关工程性质[7～9]，对炉渣中重金属的来源、分布规律、浸出液的特性等方面在环保特性方面的影响研究尚少。笔者通过室内试验对炉渣集料进行了理化性质分析，并研究了炉渣集料的浸出液特性，及其对环境的影响；同时对炉渣用于道路基层后的炉渣混合料的环保性能进行了相关观测及研究。

2炉渣集料的理化特性

试验原材料来自南京江北新区某垃圾焚烧发电厂，该焚烧发电厂年产生约10万t左右的焚烧炉渣，从炉渣表面形态来看，炉渣呈灰色、略潮，主要由铁质金属、陶瓷、玻璃以及类似于砂石的成分组成，杂质含量多，其中铁、铝等金属物质约占炉渣总量的15%～20%；陶瓷、玻璃等制品约占炉渣总量的10%～15%；剩余部分为炉渣集料，约占炉渣总量的65%～75%，级配不均匀。为使炉渣集料能够运用于道路基层中，遂对其进行了相关加工处理，通过筛分、磁选、破碎、淘汰等处理方法，去除炉渣中的金属、陶瓷、玻璃等杂质，再经过滚筒筛筛分得到0～4.75 mm炉渣集料。

2.1炉渣集料的物理特性

通过对取回的炉渣颗粒进行筛分试验，得出其级配范围，如图1所示，可以看出炉渣集料粒径基本处于0.074～5 mm，其中60%是砂子大小（0.074～2 mm），11.8%是粉煤大小的颗粒（0.002～0.074 mm）。而0.075 mm通过率为11.8%，满足规范中XG3（0～5）细集料的要求。同时，对炉渣集料进行了相关物理性能试验，试验结果如表1所示。与常规的石灰岩细集料相比，炉渣细集料的表观相对密度较小，吸水率较大。而从其塑性指数和含杂量来看，能够符合用于水泥稳定类细集料的要求，因此，从炉渣集料的物理性质来看，其具有用作道路基层材料使用的特性。

图1炉渣集料的级配曲线

表1炉渣集料的物理特性

表观相对密度/（g/cm3）毛体积相对密度/（g/cm3）吸水率/%

2.5682.04110.1亚甲蓝/（g/kg）

塑性指数含铁量/%轻飘物/%120.80.057.0

为了解炉渣集料的微观特性，采用扫描电镜法来观察分析炉渣的微观形态，从图2中炉渣放大500倍的形态可以看出炉渣类似于海绵状，表面粗糙，呈不规则角状且含有大量孔隙，孔隙直径也较大，表明炉渣的吸水性较大；再将炉渣集料放大至5000倍，可以看出炉渣晶体成型良好，主要为针状、棒状和粒状晶体，发育不均匀，可见炉渣集料在经外力碾压后，能够具备一定的密实性和稳定性。

图2扫描电镜下的炉渣形态

2.2炉渣集料的化学性质

为了解炉渣的矿物组成成分，通过扫描电镜（SEM）和光电子能谱（EDS）相结合的方式对炉渣的化学元素组成进行分析，再采用X射线衍射仪（XRD）法研究炉渣集料的矿相组成。将炉渣集料制样，粉碎至100目，通过SEM法选取试样进行元素检测，测定炉渣的元素组成，测试部位及测得元素如图3所示。

图3炉渣（EDS）能谱图

从炉渣试样EDS能谱图中可知，炉渣内含有的元素有C、O、Si、Ca、Cr、Cd、Al、Zn、Pb等，其中主要元素为C、O、Ca，次要元素为Si，少量或者微量元素为Cr、Cd、Al、Zn、Pb等，可见这些留置的元素均属于不易挥发的元素。再采用X射线衍射仪（XRD）法研究炉渣集料的矿相组成及含量，如表2所示，XRD谱图如图4所示。从中可以看出炉渣主要由SiO2、CaAl2SiO2O8、CaCO3、CaSO4和3Al2O3·2SiO2组成，其中，CaCO3、SiO2在炉渣中含量较高。而CaCO3、SiO2的存在使得炉渣材料具有一定的水硬性，对水泥稳定碎石的强度有潜在的提升作用，且炉渣的化学性质也比较稳定，耐久性较好，具备道路基层材料使用的相关特性。

表2炉渣试样矿物成分分析结果

序号123456

矿物成分CaCO3SiO2CaAl2SiO2O83Al2O3·2SiO2CaSO4未知物相总 计

含量29.58%26.93%10.13%5.65%8.99%18.73%100.00%

圖4炉渣试样的XRD谱图

张雪，等：生活垃圾焚烧炉渣集料环保特性分析及研究

环境与安全

3炉渣集料浸出液特性研究

垃圾中重金属在燃烧过程中将发生迁移和转化，其将经历挥发态化合物的蒸发、化学反应、颗粒的夹带和扬析、金属蒸汽的冷凝等过程，最终将以不同的比例分布于垃圾焚烧后的各类物质中，如焚烧炉渣、飞灰和烟气。其中，不易于挥发的重金属将留置在炉渣中。为了解炉渣中存在的重金属及其含量，同时对炉渣集料的环保特性进行评价，此次对炉渣集料的浸出液进行了相应的测定。

3.1试样制备

将炉渣制备成3 mm以下颗粒试样，经烘干测得含水率。根据样品的含水率，按照固液比为1∶10（kg/L）的比例计算所需浸提剂的体积，加入浸提剂，盖紧瓶盖。调节水平振荡装置频率为110±10次/min，振幅为40 mm，在室温下振荡8 h后取下提取瓶，静置16 h。在振荡过程中有气体产生时应定时在通风橱中打开提取瓶，释放过度的压力；在压力过滤装置上装好0.45 μm微孔滤膜，过滤并收集浸出液保存，进行浸出液中重金属含量检测。

3.2浸出液浓度测定

采用微波消解法，对浸出液进行消解。消解结束后，用少量试验用水将微波消解罐中全部内容转移至100 mL聚四氟乙烯坩埚中，在电板上以180℃加热消解1 h，取下坩埚稍冷。转移至25 mL容量瓶中，用适量硝酸溶液淋洗坩埚，将淋洗液全部转移至25 mL容量瓶中，用硝酸溶液定容至标线，混匀，待测。固体废物浸出液经过酸消解后，进入等离子体发射光谱仪的雾化器中被雾化，由氩载气代入等离子体火炬中，目标元素在等离子体火炬中被气化、电离、激发并辐射出特征谱线。特征光谱的强度与试验中待测元素的含量在一定范围内呈正比，测试结果如表3所示。

表3炉渣集料重金属浸出含量分析

测定元素检测结果/（mg/L）控制要求/（mg/L）

Zn 0.168 ≤100

Cd0.005 ≤0.15

Ni0.027 ≤0.5

Cr0.957 ≤4.5

Pb0.006 ≤0.25

Cu 0.079 ≤40

3.3试验结果分析

从检测结果来看，炉渣中含有的重金属有Cr、Zn、Cd、Ni、Pb、Cu，其中Cr、Zn的含量相对其他重金属含量较高，图5为各重金属及其化合物的熔沸点，其虚线表示垃圾焚烧时的温度在850～1200 ℃之间，从图中可以看出，Cr的金属单质熔沸点和金属氧化物熔点均较高，因此不易流失，从而导致炉渣中Cr的含量较高。因此可以把炉渣中重金属按其挥发程度分为三类，第一类为易于挥发的，如Cd；第二类为中等挥发性的，如Zn、Pb；第三类为难于挥发的，如Cu、Cr、Ni，其大量存在于炉渣中。另一方面，从各类重金属含量来看，重金属浸出值均小于国标控制要求。因此炉渣集料对环境造成影响较小，满足国家环保的要求，同时，如若在垃圾焚烧时提高焚烧温度和焚烧时间，炉渣中重金属的含量还将会降低。

图5各重金属及其化合物的熔沸点

4炉渣混合料浸出特性研究

从炉渣的物理性质可以看出，炉渣可以作为集料使用；从其化学性质来，其具有一定水硬性，而且材料较为稳定，耐久性较好。因此将炉渣运用到道路基层中，按照一定配比掺入水稳材料中，具有一定可行性和适用性，但是从环保方面来看，炉渣中含有重金属，对环境存在一定的影响。虽然已对炉渣集料的浸出液进行了相关研究，但是并未对炉渣掺入水稳后，与相关物质掺杂反应后的环保性能及长期浸出情况进行观测。经相关研究表明炉渣掺入20%～30%时，其路用性能和经济效益最佳。本次取炉渣掺量为30%，水泥掺量4.5%制备炉渣混合料试件。将制备好的炉渣混合料试件采用水平震荡法进行浸出液收集，在弱酸性的条件下浸泡试件，提取试件第1d、3d、5d、7d、9d、14d的浸出液，采用微波消解法处理浸出液后，再进行重金属含量测定，检测如图6所示，从图中可以看出，Zn元素的含量较高，前9 d浸出值呈现波动状态，在第9 d时达到峰值，之后浸出量急剧降低；而其他重金属元素也呈现先增长后趋于平缓的趋势，同时在一个星期后的浸出量趋于稳定，且各重金属浸出液浓度均未超过国标限值。另一方面，也可以看出炉渣混合料重金属的浸出液浓度从长期稳定性来看，浸出液的浓度是维持不变或有所降低的，因此，炉渣混合料对环境造成影响较小，可以用作道路基层材料使用。

图6各重金属浸出量随时间的变化

2017年10月绿色科技第20期

5结论

通过对炉渣的理化性质进行室内试验分析，并对炉渣中重金属含量进行测定，同时将炉渣用于道路基层材料后的重金属浸出液环保特性对进行了相关研究，得出以下结论。

（1）生活垃圾焚烧炉渣从其底渣中可以看出，其主要由铁质金属、陶瓷、玻璃以及类似于砂石的成分组成，杂质含量多，其中炉渣集料约占炉渣总量的65%～75%，级配不均匀。

（2）从炉渣集料的物理性质可以看出，其满足作为集料的相关性能要求，通过扫描电镜法对炉渣进行观测，炉渣类似于海绵状，炉渣表面很粗糙，呈不规则角状且含有大量孔隙，孔隙直径也较大，吸水性较大；同时炉渣晶体主要为针状、棒状和粒状晶体，发育不均匀，可见炉渣集料在经外力碾压后，能够具备一定的密实型和稳定性，满足道路材料的使用特性。

（3）从炉渣的化学组成成分得知，其主要由SiO2、CaAl2SiO2O8、CaCO3、CaSO4和3Al2O3·2SiO2组成，具有一定的水硬性，对水泥稳定碎石的强度有潜在的提升作用，且炉渣的化学性质比较稳定，耐久性较好，满足道路材料的使用特性。

（4）爐渣中重金属主要为Cr、Zn，主要由于其熔点较高，不易挥发，导致其留置于炉渣中，经相关研究表明提高垃圾焚烧温度或延长停留时间，均有利于垃圾中重金属的挥发。同时，通过对炉渣浸出液和炉渣水稳浸出液的测定可知，各重金属含量均满足国家标准，对环境影响较小，可以在道路基层使用。

参考文献：

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Analysis and Study on Environmental Protection Characteristics of Slag Aggregate From Solid Waste

Zhang Xue1， He Wenzheng2

（1. Nanjing Taierda Transportation Technology Industry Co.， Ltd.， Nanjing， Jiangsu， 210008， China；

2. Jiangsu Sinoroad Engineering Research Institute Co.， LTD， Nanjing， Jiangsu， 210000， China）

Abstract： To study environmental characteristic of slag aggregate from solid waste， the paper did a lot of research on physical properties， chemical properties and leaching solution properties of slag aggregate. The result showed that the slag aggregate can meet the performance requirements of XG3 （0～5） fine aggregate in the specification and it has certain hydraulic and good chemical stability. It has certain compactness and stability after rolling， so it can be used as subgrade filler. The content of heavy metal leaching in the slag was low， which satisfied the corresponding requirements. Meanwhile， it has little impact on environment has good environmental performance.

Key words： slag； physical and chemical properties；content of heavy metal； environmental characteristic