垃圾焚烧飞灰特性及资源化利用研究进展

摘要：生活垃圾焚烧飞灰含有重金属等有毒物质属于危险废物，且其产生量约为垃圾焚烧量的3%~5%，因此焚烧飞灰的资源化妥善处置利用成为亟待解决的问题。本文针对垃圾焚烧飞灰的组成特性进行归纳总结，同时综述了生活垃圾焚烧飞灰在道路工程中资源化利用的现状。

0 引言

城市生活垃圾焚烧法具有最大限度的减量化、无害化、资源化等优势，在我国城市中的应用日益递增，并逐渐成为优先推荐的生活垃圾处理方式，同时由于垃圾焚烧技术兴起所带来的焚烧残留物的分量也逐渐增大，焚烧后产生的灰渣约占原生垃圾质量的20%~30 %[1]。而垃圾焚烧的残留物根据在垃圾焚烧系统中收集的位置不同分为底灰与飞灰，其中底灰主要是垃圾经焚烧之后在炉床上收集到的残留物；飞灰主要是在垃圾焚烧炉中烟气净化系统中收集到的细颗粒粉末物质，约占垃圾焚烧残留物总量的10%~20%，同时焚烧飞灰中含有可浸出重金属以及二噁英类等难以自然降解的有毒物质，属于危险废物。因此，焚烧飞灰的资源化妥善处置利用成为亟待解决的问题。

1 生活垃圾焚烧飞灰特性研究

城市生活垃圾焚烧飞灰是在烟气净化装置收集的细颗粒物质，一般呈灰色或深灰色，飞灰颗粒分布较均匀，粒径小于300μm，主要范围在54μm-74μm之间。焚烧飞灰的表面粗糙，且多以不规则颗粒物形态存在，有球形状、针状、片状以及一些不规则凝聚状，同时飞灰凝聚力较大，大颗粒上吸附了粒径更小的颗粒物，大小颗粒物附着结合较为紧密，堆积成团，颗粒性并不明显[2]。

科研人员利用XRF和XRD分析检测飞灰的主要化学成分，结果表明，飞灰主要由CaO、MgO、SiO2、Fe2O3和Al2O3等重金属氧化物组成，属于SiO2-Al2O3-金属氧化物体系。为进一步分析飞灰中的元素成分，研究人员通过研究均发现，飞灰的主要组成元素为Si、Ca、Al、Mg，此外还含有少量Zn、 Pb、Cu、Cr、Ni 等重金属元素。而飞灰中各重金属含量差异很大，其中Zn、Pb、Cu、Cr 和 Cd等含量较高。同时研究发现对于不同重金属的主要化学形态相差较大，焚烧飞灰中的Cr、Ni、Zn、Mn相对比较稳定，其他元素如Cd、Cu和Pb的不稳定态所占比例很高，尤其是Cd，其不稳定态占了绝大多数。

2 生活垃圾焚烧飞灰资源化利用

垃圾焚烧飞灰的主要组成成分是CaO、MgO、SiO2、Fe2O3和Al2O3等重金属氧化物组成，属于SiO2-Al2O3-金属氧化物体系，且飞灰年产量可观，具有资源化利用的巨大潜能。目前，很多国外学者研究飞灰资源化利用的可行性。

2.1 焚烧飞灰在水泥中的应用

起初科研人员将焚烧飞灰掺入水泥浆和砂浆中进行实验研究，研究表明焚烧飞灰增加了砂浆凝结时间，在水泥砂浆中掺入飞灰（相对于水泥质量而言，最高可达15％），可在7、28和90天后提高其强度。超过15％，焚烧飞灰会导致强度略有下降，这可能部分是由于水泥浆和焚烧飞灰之间的粘结力弱。

随后科研人员将重心转移至水泥混凝土，起初研究人员对进行水洗处理后的飞灰掺入水泥混凝土，并从硬化混凝土的抗压强度、耐久性、浸出毒性评价水洗飞灰制备混凝土的效果，结果表明添加水洗灰制备的混凝土不会导致混凝土强度的下降，同时混凝土的重金属浸出毒性满足环境安全要求。而一些学者通过研究飞灰替代混凝土中部分传统的骨料，结果发现飞灰的加入对轻骨料混凝土的强度影响不大，同时浸出试验结果比危险废物鉴别标准（GB/T5083.3-2007）和填埋标准（GB16889-2008）中的有害成分的浓度限值低得多。为确定飞灰添加量对水泥抗压强度的影响，有学者通过研究发现，当飞灰的添加量不超过10%时，水泥凝固后的抗压强度不会有明显改变。但飞灰的添加量增加到10%~15%时，水泥的初凝、终凝时间有很大的变化。为比较飞灰在不同类型水泥下的效果，科研人员利用飞灰替代硫铝酸盐水泥的部分原料，结果表明水泥原料中飞灰的添加比例最大可达30%，且水泥水化反应形成的固化体所有重金属元素的浸出毒性都低于浸出标准的限定值。

2.2 焚烧飞灰在沥青中的应用状况

近年来对飞灰替代矿粉生产沥青混合料的研究成为飞灰资源化处置研究的重点。将飞灰替代部分AC-20混凝土中的细集料，结果表明掺量为15％的飞灰可用于沥青道路表面层，且掺量20%的飞灰可用于沥青道路下面层，满足沥青混合料路用性能的相关要求，同时随着飞灰掺量的增加，沥青混合料中最佳沥青含量显著增加。

在沥青可实现飞灰较好固化的基础上，科研人员将表面处理过的飞灰与填料和偶联剂结合形成复合飞灰改性剂（CFAM）掺入沥青混合料中，研究水分损伤的状况。结果表明，CFAM沥青混合料在冻融过程中具有较高的间接抗拉强度和抗拉强度比，具有良好的水分敏感性。此外，经过特殊的湿损伤处理后，CFAM改性沥青混合料具有更好的刚度模量、抗永久变形能力和疲劳寿命。结果表明，CFAM能有效提高沥青混合料的水分敏感性。为确定飞灰掺量，乔建刚等

[3]为探索生活垃圾焚烧飞灰作为填料对沥青混合料路用性能的影响，将焚烧飞灰水洗预处理后测试技术指标，并以与AC-20C型沥青混合料进行配合比设计，通过改变飞灰添加量，研究不同飞灰掺量下沥青混合料的高温性能、低温性能和抗水损害性能，并分析其影响原因。结果表明：飞灰的筛分、密度、亲水系数和塑性指数等指标满足沥青混合料用填料技术要求，且飞灰作为填料具有颗粒小、比表面积大、碱性强等优点。飞灰的添加提高了沥青混合料高温稳定性和水稳定性，降低了低温抗裂性。当飞灰掺量为2.5%时，沥青混合料仍保有良好的高温，低温和水稳定性，能满足交通道路的使用要求，而达3.0%时，飞灰沥青混合料的低温破坏应变已不能满足规范要求。

结语

（1）垃圾焚烧飞灰主要由CaO、MgO、SiO2、Fe2O3和Al2O3等重金属氧化物组成，属于SiO2-Al2O3-金属氧化物体系，同时还含有少量Zn、Pb、Cu、Cr、Ni 等重金属元素。而飞灰中Zn、Pb、Cu、Cr 和 Cd等含量较高。

（2）掺入低于15%垃圾焚烧飞灰的水泥砂浆，可提高强度；对于水泥混凝土，当飞灰的添加量不超过10%时，水泥凝固后的抗压强度不会有明显改变。但飞灰的添加量增加到10%~15%时，水泥的初凝、终凝时间有很大的变化。

（3）焚烧飞灰的添加可提高沥青混合料高温稳定性和水稳定性，降低了低温抗裂性。当飞灰掺量为2.5%时，沥青混合料仍保有良好的高温、低温和水稳定性，能满足交通道路的使用要求。