炉渣资源化利用的环境安全性研究进展与思考

摘 要：随着新型城镇化朝着绿色、循环、低碳发展，城镇生活垃圾焚烧比例进一步增加，生活垃圾焚烧炉渣产量也会继续保持增长势头。与此同时，实现炉渣的精准高效资源化利用，并确保其在使用期间的环境安全性，是一个值得深入探究的问题，这也势必成为未来城市可持续发展面临的重要问题。本文重点概述了炉渣集料作为多孔沥青混合料的集料使用期间的重金属和可溶盐的浸出特性，对现阶段研究中所存不足提出思考，认为系统开展透水炉渣沥青路面在设计使用年限内对环境影响的相关研究，对于下一步推进透水炉渣沥青路面技术的实践具有重要意义。

关键词：生活垃圾焚烧炉渣; 环境安全性; 浸出特性; 多孔沥青混合料

中图分类号：X758        文献标识码：A         文章编号：1006-3315（2021）11-203-002

1.炉渣应用于多孔沥青混合料的重要意义

随着我国城市化进程的不断发展，城镇生活垃圾产量逐年增长，垃圾填埋场地不足的问题成为困扰众多城市发展的难题之一。具有显著减量化优势的生活垃圾焚烧处理技术成为处理生活垃圾的首选方式。生活垃圾经焚烧处理后，不仅体量大幅度减小（质量可减至原垃圾的20%～30%），并且通过高温焚烧过程还起到了除菌的效果。据2020年《中国统计年鉴》的相关数据，截至2019年底，我国采用焚烧处理的生活垃圾已占生活垃圾总处置量的50.3%，相应地炉渣年产量已达2400～3000万吨。随着城镇生活垃圾产量及焚烧比例的持续增长，炉渣产量增长的势头强劲。目前，我国研究人员针对垃圾焚烧炉渣资源化利用技术开展了大量研究，主要集中在炉渣的基本性质，以及炉渣作为各类建筑材料使用的可行性。

炉渣中残余有机物含量较少，坚固性较好，具备作为土木工程材料进行资源化利用的基本条件。同时，鉴于炉渣集料的强度相比天然集料有明显不足的特点，将炉渣集料应用于对强度要求不高的多孔沥青混合料是一个很好的选择^[1]。多孔沥青混合料的空隙率一般在18%～25%之间，混合料内部具有复杂的连通空隙网络，透气性与透水性好，在作为透水路面材料使用时，会与水频繁接触。因此，炉渣集料用作多孔沥青混合料的集料使用时，同样会面临此问题。而且由于炉渣中含有一定量重金属和可溶性盐，这些物质在使用期间是否存在浸出风险？是否会对周围环境造成影响？是研究多孔炉渣沥青混合料技术必须考虑的一个重要问题。

2.炉渣集料的环境安全性

国外开展炉渣资源化利用的相关研究起步较早，并且欧洲多国和美国已形成系统成熟的炉渣资源化利用技术方案（或规范）。挪威、丹麦、芬兰和瑞典等国的炉渣用于道路建设的比例普遍在80%以上;美国的炉渣实际利用率尽管只有10%左右，但相关研究成果丰硕，为推动炉渣资源化技术革新提供了理论支撑^[2，3]。我国自2000年左右开始相关研究，与发达国家在该领域内的研究方向保持着相对一致，但在研究深度和方法上尚存一定差距。

2.1炉渣基本性质

原状炉渣呈黑褐色，自然风干后为灰色，主要含熔渣、金属、陶瓷和砖石碎片、玻璃、不可燃盐分以及其他未燃尽有机物，除去大宗物质后，其外观、形状与天然集料相似^[4]。

国内外普遍采用X射线荧光光谱分析（X Ray Fluorescence，XRF）、X射线衍射分析（X-ray Diffraction Analysis，XRD）和扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）等技术手段研究了不同产地、不同时期和不同粒径的炉渣的元素组成、矿物组成、微观形貌及细观结构等特征，发现炉渣的主要组成元素为Ca、Si和Al，约占炉渣总质量的70%及以上，但各主要元素的相对含量与产地、日期和粒径存在相关性;主要组成矿物为石英（SiO₂）和方解石（CaCO₃），与天然矿质集料相近;同时，含一定量的毒性物质，例如重金属和可溶性盐。含量最高的几种重金属为Zn、Cu、Cr和Pb，约占炉渣总质量的0.7%～2.2%^[1，7];主要的可溶性盐为Cl^-与SO₄^2-。尽管炉渣经预处理后可得到与天然矿质集料相近的工程性质，但炉渣含有的重金属与可溶性盐无法通过常规方法去除，因此重金属与可溶性盐的浸出特性是近几年研究炉渣资源化利用技术关注的重点问题。

2.2重金属浸出特性

重金属的特点是难以被生物降解，相反却能通过食物链层层累积与传递，并最终影响人类健康。炉渣中重金属的浸出受炉渣本身和环境（或试验）条件影响显著。首先，炉渣的粒径与熟化时间与浸出液中重金属浓度之间存在显著相关性^[5，6]。一般炉渣粒径越小、重金属浸出浓度越高。其次，炉渣浸出液中重金属浓度与浸出时间和重金属类别有关^[1]。重金属Cr、Cu的浸出浓度随浸出时间的延长而有所增长，但Zn、Pb浸出浓度则随浸出时间的延长而降低。第三，研究方法对炉渣重金属的浸出水平有一定影响。标准试验（HVEP法）中，炉渣粒径对重金属浸出浓度的影响明显小于重金属类别^[1];而模拟试验中，炉渣重金属的浸出水平是受多种因素的综合影响。同时，研究所用的固液比也在一定程度上影响了重金属的浸出水平。不同固液比条件下，重金属浸出过程总体相似，但浸出浓度随固液比的变化而有所不同^[7]。

尽管炉渣中的重金属会在炉渣作为道路建材使用期间发生浸出，但从已有研究结果来看，即使在最恶劣的环境条件下，试验期内重金属的浸出水平整体较稳定;而且将炉渣用作多孔沥青混合料的集料使用时，沥青对炉渣的良好裹覆作用可有效降低重金属浸出水平，使重金属浸出浓度低于我国现行标准（GB5085）限值。不仅如此，多孔炉渣沥青混合料使用不同粒径、不同替代率的炉渣集料后，Cr、Cu等重金属的浸出浓度均低于相应粒径炉渣集料。由此可知，道路建设中使用炉渣沥青混合料，在道路使用寿命期内对环境的负面影响非常小。但是道路使用过程中在温度、水分及其耦合作用下，混合料的重金属浸出特性是否会发生变化，发生怎样的变化，目前尚无相关报道，相关研究亟需深入。

2.3可溶性盐浸出特性

可溶性盐的最大特点是具有较大的溶解度，在低矿化度的地表水和地下水的溶解作用下可产生强烈的溶蚀作用，影响土体或岩体稳定。因此，炉渣中可溶性盐的浸出特性也尤为引人关注。原生炉渣中的Cl^-、SO₄^2-的浸出浓度均超出我国Ⅴ类地表水污染物浓度限值，且Cl^-的浸出浓度在模拟连续降雨三年的时间内始终高于Ⅴ类地表水限值^[8]。影响炉渣中可溶性盐浸出水平的主要因素为固液比和pH值，这意味着炉渣用作道路路基填筑材料前须经适当预处理，方可避免炉渣中的可溶性盐离子释放至道路周边水系或土壤中，造成环境危害。然而当炉渣用作沥青混合料的集料使用时，沥青对炉渣表面孔隙的良好封堵，使得炉渣混合料浸出液中可溶性盐的浸出水平显著低于炉渣直接用作路基填料^[9]。此外，沥青含量、浸水时间等对浸出液中Cl^-浓度均有一定影响。混合料沥青用量越高、混合料浸出液中Cl^-浓度越低。而且从长期来看，炉渣沥青混合料浸出液中Cl^-浓度远低于炉渣集料浸出液中Cl^-浓度。此外，炉渣浸出液中的可溶性盐浓度还与炉渣粒径和熟化时间显著相关^[5，6]。

综上，研究人员已就炉渣基本性质及炉渣集料用作（多孔）沥青混合料的集料使用期间的环境安全性展开了较有意义的研究，且一致认为：（1）经预处理的炉渣集料具有与天然集料相近的理化性质和工程性质，是较理想的道路建筑替代材料，适合用作混合料集料与路基填料;（2）沥青混合料中的沥青是炉渣的良好稳定剂，能有效减少炉渣中重金属及可溶性盐的浸出水平，使用安全。

3.结语

随着我国现阶段垃圾分类的推广实施，生活垃圾焚烧处理更加便捷高效。在可以预见的未来，炉渣产量会进一步增长。现阶段，多孔炉渣沥青混合料已得到业界的重点关注，但相关研究成果不多，特别对于温度、降水及其耦合作用条件下，多孔炉渣沥青混合料环境安全性的相关研究非常少，而厘清这一问题对于下一步推进多孔炉渣沥青混合料技术的实践化意义重大。因此，亟需揭示温度和降水耦合作用对多孔炉渣沥青混合料长、短期浸出特性的影响机制。

基金资助项目：住房和城乡建设部科技计划项目（2019-K-140），南京林业大学青年科技创新项目（CX2019031）

参考文献：

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[3] Chimenos JM， Segarra M， FernándezMA， et al. Characterization of the bottom ash in municipal solid waste incinerator[J]. Journal of Hazardous Materials， 1999，64（3）：211-222

[4]范宇杰，陈萍，马文欣，等.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[J]环境与可持续发展，2012，6：97-99

[5]刘栋.水泥稳定垃圾焚烧炉渣碎石混合料设计与性能研究[D]上海：同济大学，2016

[6]杨昆.生活垃圾焚烧炉渣在沥青混合料中的应用研究[D]上海：同济大学，2016

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[8]赵玲芹，胡艳军，朱永豪，等.生活垃圾焚烧炉渣回填利用过程中溶盐浸出规律[C]2020年全国有机固废处理与资源化利用高峰论坛，长沙，2020.11.10，15-23

[9]胡明君，李立寒，王琎晨，等.炉渣沥青混合料路用性能与浸出特性试验研究[J]建筑材料学报.2019，22（03）：480-486

作者简介：李晶晶，1998年9月生，女，汉族，江苏镇江人，本科生，研究方向：城市固废资源化利用技术。通讯作者简介：赵曜，1986年3月生，女，汉族，四川绵阳人，副教授，博士，主要研究方向：环保功能型路面材料、城市固废资源化利用技术、透水路面系统。