据统计，2022年我国生活垃圾清运量达24 444.7万t，生活垃圾焚烧厂有648座，无害化处理能力为1 109 435 t/d，全年无害化处理量为24 419.3万t，无害化处理率高达99.9%，其中焚烧无害化年处理量为19 502.1万t，焚烧产生的飞灰约为975.1万t[1]。

生活垃圾焚烧（Municipal Solid Waste Incineration,MSWI）飞灰是指生活垃圾焚烧后由烟气净化系统捕捉到的灰尘废弃物。由于重金属和二噁英等污染成分的存在，MSWI飞灰已经被列入《国家危险废物名录》（2021年版）[2]，其主要成分包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等。

2018年12月29日，国务院办公厅印发了《国务院办公厅关于印发“无废城市”建设试点工作方案的通知》（国办发[2018]128号），随后相关部门公布了全国“无废城市”建设试点名单，并印发了《“无废城市”建设试点实施方案编制指南》《“无废城市”建设指标体系（试行）》。作为典型超大城市，2023年2月，上海市人民政府办公厅印发了《上海市“无废城市”建设工作方案》（沪府办发[2023]2号），提出对MSWI飞灰等无机类危险废物进行多途径利用处置，并指出到2025年，力争将生活垃圾焚烧二次污染物填埋率控制在2%以下。因此，亟需开展MSWI飞灰资源化利用相关探索。

近几年，我国江苏、浙江、广东、重庆等地的环保企业围绕低温热解+三级逆流漂洗的工艺技术路线先行先试，开展了相关的飞灰资源化利用示范工程建设，项目飞灰处置规模介于30～150 t/d之间，该技术路线对于飞灰的脱氯解毒效果显著，取得了一定的进展。同时，该技术路线对于水泥窑设施落地难、填埋场地受限的城市具有一定的借鉴意义。低温热解+三级逆流漂洗工艺主要是通过低温绝氧热解和三级逆流漂洗实现飞灰中二噁英的解毒以及重金属和氯盐的洗脱，使其满足HJ 1134—2020《生活垃圾焚烧飞灰污染控制技术规范（试行）》要求，即脱氯解毒飞灰的可溶性氯质量分数≤1%、残留二噁英总量≤50 ng TEQ/kg、重金属的浸出质量浓度低于GB 8978—2002《污水综合排放标准》中规定的最高允许排放质量浓度限值。然而，脱氯解毒飞灰的资源化利用是限制该技术路线推广的主要瓶颈，亟需开展资源化利用路径的探索和解析。

基于此，笔者开展脱氯解毒飞灰的资源化利用分析，在分析其典型理化特性、总结其资源化主要限制因素的基础上，提出将脱氯解毒飞灰与矿渣粉按一定比例混合制备成矿物掺合料的资源化潜在路径，并从供需匹配、技术可行、经济效益、工艺简捷和设备可行等方面分析该路径的可行性以及在地基处理、道路基层和干粉砂浆应用场景中的应用潜力。

1、研究背景

1.1 MSWI飞灰的产量与处置现状

上海市现有15座垃圾焚烧设施，焚烧能力为28 000 t/d，飞灰年产量约20万t。根据上海市《关于进一步加强本市生活垃圾焚烧飞灰环境管理的通知》，自2016年12月1日起，除崇明区以外的MSWI飞灰在经过厂内预处理且质检合格后，均被安全地填埋于老港综合填埋场的飞灰填埋库区。

1.2 相关政策

2012年12月，《关于加强本市生活垃圾焚烧飞灰环境管理的指导意见》（沪环保防[2012]501号）提出扩建嘉定区危险废物填埋场、启用老港综合填埋场飞灰填埋库区、新建崇明区生活垃圾填埋场危险废物填埋库区，以满足上海市焚烧飞灰安全处置需要。2016年7月，《关于进一步加强本市生活垃圾焚烧飞灰环境管理的通知》（沪环保防[2016]271号）要求上海市所有焚烧项目产生的飞灰均执行GB18598—2001《危险废物填埋污染控制标准》，须经厂内稳定化预处理后再进行填埋。2021年12月，《上海市“十四五”危险废物监管和利用处置能力建设规划》（沪环土[2021]258号）明确提出填埋仍是中短期的主要处置方式，但在“无废城市”长期战略要求下，须继续推动次生灰渣协同处置或高温熔融等多途径的扩展以提高总体处置能力。2023年2月，《上海市“无废城市”建设工作方案》（沪府办发[2023]2号）提出到2030年，上海市全市固废资源化利用充分，实现固废近零填埋。

综上所述，上海市MSWI飞灰处置政策的演变见图1。

图1 上海市MSWI飞灰处置政策的演变

2、MSWI飞灰特性与资源化限制因素分析

2.1 MSWI飞灰特性

采用炉排炉飞灰，将其特性与水泥原材料进行对比。水泥原材料主要包括石灰石、页岩、铜渣、石英砂和粉煤灰，其主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO[3]。金宜英等[4]通过研究发现，MSWI飞灰具有作为水泥原材料替代品的潜力，替代比例为1%～3%。该结论为MSWI飞灰的资源化利用提供了科学依据。MSWI飞灰与水泥原材料的主要化学组成见表1。

表1 MSWI飞灰与水泥原材料的主要化学组成[5-14]

2.2 MSWI飞灰资源化限制因素分析

2.2.1 重金属

MSWI飞灰中的重金属元素主要有Cd、Pb、Zn、Cu和Ni[14]。针对飞灰目前较为成熟的资源化利用技术，可以采用协同水泥窑技术对其进行处理，将水泥固化14 d后，采用TCLP浸出程序对水泥固化体进行浸出试验[12]。灰飞固化物浸出试验结果见表2。

表2 飞灰固化物浸出试验结果[9-18]

由表2可知，飞灰中Pb、Cd和Zn的浸出质量浓度均不满足GB/T 14848—2017《地下水质量标准》中的要求，但Pb、Cd、Ni、Cu和Zn的浸出质量浓度均低于GB 5085.3—2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》限值要求。

此外，在对MSWI飞灰进行资源化处理的技术中，还可以采取其他处理方法来确保重金属的浸出质量浓度满足特定应用场景的规定限值，如多级水洗、酸洗等。因此，重金属的浸出质量浓度不会对MSWI飞灰的资源化过程造成根本性的影响。

2.2.2 氯盐

郑钰等[6]通过研究发现，MSWI飞灰中氯盐的质量分数为24.1%～29.1%，限制了MSWI飞灰在大众建材领域中的资源化处理，如高氯飞灰进入窑内会导致设备出现结皮堵塞现象，一旦情况严重，将会对水泥煅烧系统的正常运行造成影响。此外，水泥熟料中的高氯盐会腐蚀混凝土中的钢筋，从而对建筑物的结构强度产生负面影响[15]。在MSWI飞灰作为水泥掺合料的资源化利用领域中，MSWI飞灰中过多的氯盐混入水泥浆中会产生浓缩结晶型腐蚀、隆胀型腐蚀和溶出型腐蚀[16]。根据GB/T 50046—2018《工业建筑防腐蚀设计标准》，氯盐对钢筋混凝土、预应力混凝土、水泥砂浆、素混凝土和烧结砖砌体的腐蚀性很强，因此在对MSWI飞灰进行资源化利用时需要对氯盐进行预处理，如经过三级逆流漂洗后MSWI飞灰基本能够实现脱氯，从而减轻氯盐对其资源化利用的影响[17]。

2.2.3 二噁英

MSWI飞灰中二噁英的平均含量在0.6～2.05 ng/g之间[18]。在资源化利用的过程中，可以采用高温热处理的方式彻底分解MSWI飞灰中的二噁英[19]。如果不对二噁英进行预处理，直接将MSWI飞灰加入一些建材中进行资源化利用，会对施工人员的身体健康产生危害。因此，必须采取更加严格的处理措施来防止二噁英对人体健康的影响[20-22]。

3、国内外MSWI飞灰处置分析

3.1 国内MSWI飞灰资源化利用技术

目前，国内MSWI飞灰资源化利用的主流工艺包括水洗+水泥窑、高温熔融、低温热解+三级逆流漂洗和高温烧结陶粒等。

3.2 国外MSWI飞灰资源化利用技术

国外MSWI飞灰资源化利用技术种类较多，但由于不同国家的自身特点等影响因素存在差异，所以各种资源化利用技术在各国的发展程度也不相同。典型国家MSWI飞灰资源化利用技术推广程度分布见表3。

由表3可知，建材应用是各国最广泛采用的MSWI飞灰资源化方式。其中，日本、荷兰、芬兰、美国和加拿大关于协同水泥窑生产水泥和矿物掺合料的资源化利用技术均已成熟。热拌沥青技术在日本和美国主要是针对混合灰和底灰，但是考虑到MSWI飞灰具有吸油性且目前沥青用量巨大，故该资源化利用技术经济效益不理想。烧结砖的资源化利用技术还处于试验阶段，主要集中在丹麦。轻骨料的资源化利用技术在日本、荷兰、丹麦和芬兰已十分成熟，而美国仍处于试验阶段。MSWI飞灰在农业中的资源化应用相对较少，主要是制作土壤改良剂且仍处于试验阶段，主要国家有丹麦、芬兰和加拿大，整体推广程度不高。其他应用如污泥调节剂和沸石均处于试验阶段。因此，各国关于MSWI飞灰在建材、农业和其他领域中的资源化利用技术的推广程度和应用水平还存在一定差异，且在资源化利用方面的侧重点有所不同，但建材领域是目前各国MSWI飞灰资源化应用的主要研究方向。

表3 典型国家MSWI飞灰资源化利用技术推广程度分布表[23-36]

3.3 MSWI飞灰在建材领域中的应用（见图2)

图2 建材领域中MSWI飞灰资源化利用技术成熟度柱状图

由图2可知，有6个国家关于MSWI飞灰协同水泥窑生产水泥和制备矿物掺合料的技术已经成熟，且有国家正在对这2种技术进行试验。分析该技术成熟的原因是MSWI飞灰的主要化学成分与水泥原材料相似，将MSWI飞灰用作矿物掺合料制备混凝土和沥青混合料可以降低生产成本并减少对自然资源的依赖。研究结果表明，MSWI飞灰在建材领域中的资源化应用已取得了显著进展，且应用范围在不断扩大。

成熟度最高的协同水泥窑生产水泥和矿物掺合料2种资源化利用技术均有良好的应用前景，但由于上海市缺乏水泥窑设施，如果将MSWI飞灰送往周边城市进行处理，运输过程中的环境保护和经济效益又将是一大难题。因此，上海市MSWI飞灰经过脱氧解毒预处理后，制备矿物掺合料可以作为有效的资源化利用方向。

4、MSWI飞灰资源化分析

4.1 MSWI飞灰制备矿物掺合料的可行性分析

将脱氯解毒飞灰与矿渣粉按一定比例混合，制备水泥或混凝土的矿物掺合料。制备的矿物掺合料可以在特定场景中替代部分水泥，从而减少对原材料的依赖、降低成本，还能改善水泥的某些性能指标。该方案是基于对国内外MSWI飞灰资源化利用技术的分析和推广情况提出的，属于大众建材资源化领域。为了更详细地阐述该资源化方案的可行性，从供需匹配、技术可行、经济效益、工艺简捷和设备可行等方面进行综合分析。

4.1.1 供需匹配

经调研发现，我国每年产生的MSWI飞灰约为975.1万t，矿物掺合料的年用量约为6亿～8亿t，显著高于MSWI飞灰年产量。通过脱氯解毒飞灰与矿渣粉等活性掺合料的复配，可以实现脱氯解毒飞灰的有效利用。

4.1.2 技术可行

MSWI飞灰的主要化学成分属于CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3体系，与常用的高炉矿渣、粉煤灰等辅助性胶凝材料非常接近[37]。将MSWI飞灰预处理后与矿渣粉混合制备矿物掺合料在国内已有研究，如：李晶晶等[38]将经过处理的MSWI飞灰、工业废渣中的矿渣、天然矿粉和粉煤灰进行一定比例的复配，制成矿物掺合料，并等量取代部分水泥，然后通过水泥胶砂试验发现，水泥胶砂和混凝土具有较好的物理力学性能。

4.1.3 经济效益

综合考虑脱氯解毒飞灰的组分特点和产品性能，将脱氯解毒飞灰与S95矿粉按1∶9的质量比混合后制成矿物掺合料，并测算其经济效益。S95矿粉、P·O42.5硅酸盐水泥和生石灰市场价格分别为150、422.5、349元/t。将脱氯解毒飞灰分别替代S95矿粉用于低值利用场景和替代水泥或生石灰用于高值利用场景，并按同等材料售价的50%～70%测算得到脱氯解毒飞灰的应用售价范围为75～300元/t，可以抵消MSWI飞灰预处理部分成本，具有一定的经济性。

4.1.4 工艺简捷和设备可行

该资源化方案施工工艺有2种：第1种是将矿渣和MSWI飞灰分别进行磨粉，再将二者倒入均化罐中进行拌和；第2种是直接将MSWI飞灰添加到矿渣粉磨机中，边磨粉边拌和。考虑工艺的简捷性，采用第2种工艺，采用的设备是普通矿渣粉磨机。经调查发现，第2种工艺的效果远优于第1种工艺。该工艺不仅工序简单、节约能源，还可以提高MSWI飞灰和矿渣粉的拌和程度，且采用的设备也是可行的。

4.2 应用场景分析

4.2.1 地基处理

目前将MSWI飞灰与矿渣粉制备的矿物掺合料用作地基处理已经成为MSWI飞灰资源化利用的有效途径之一。Shi等[39]将MSWI飞灰作为建筑地基填料，通过研究发现其使用性能、与环境协调性均符合要求。滕冲[40]通过研究发现，将MSWI飞灰添加到水泥中，满足软土地基的承载力要求。

Liang等[41]在水泥稳定土中添加PFA等化学试剂，并按照HJ/T 299—2007《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》对破碎后的水泥稳定土进行了浸出试验，发现重金属的浸出质量浓度远低于GB 5085.3—2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》中的限值。

综上所述，将制备的矿物掺合料运用于地基处理中是可行的，但需要添加其他化学试剂以对重金属的浸出质量浓度进行限制。

4.2.2 道路基层

Show等[42]通过试验发现，将用MSWI飞灰制备的矿物掺合料应用于道路基层中，路面结构整体承载能力和强度依然处于较高水平且能长期维持。因此，用矿物掺合料替代道路基层材料中的部分骨料，并用于道路工程建设，可以获得良好的长期使用效果。

针对该场景中矿物掺合料的重金属浸出问题，王宁[43]采用水平振荡法测定出铅的浸出质量浓度为4.8μg/L(90 d），低于GB/T 5750.6—2006《生活饮用水标准检验方法金属指标》中的限值，满足规范要求。

综上所述，将含有MSWI飞灰的矿物掺合料用于道路路基中的可行性非常高，该技术的成功推广能够很好地实现MSWI飞灰的资源化和减量化，具有良好的应用前景。

4.2.3 干粉砂浆

干粉砂浆是一种预制砂浆，是干粉状的建筑材料，通常由水泥、石灰、砂子和其他添加剂混合而成。孙文州[44]通过研究发现，MSWI飞灰可以替代砂浆中高达20%的水泥，并且不会影响制得混凝土的质量，砂浆的180 d抗压强度为42.4 MPa（约为参考砂浆的71%），足以用于基本的市政建设。

然而，含有MSWI飞灰的矿物掺合料在该场景中的运用还存在许多问题，如：虽然矿物掺合料在水泥和混凝土中重金属的浸出质量浓度都能够达标，但是砂浆中的沙土较多，对MSWI飞灰中的重金属固定效果远小于水泥和混凝土，所以砂浆中铅的浸出质量浓度严重超标[45]，且目前没有较好的解决措施。因此，含有MSWI飞灰的矿物掺合料在干粉砂浆中的应用是未来研究的重点。

5、结论

1）在水泥窑设施落地受限的城市，可采用脱氯解毒飞灰与矿渣粉按一定比例复配制备复合矿物掺合料的方式进行MSWI飞灰资源化利用，该利用方式在供需匹配、技术可行、经济效益、工艺简捷和设备可行等方面具备可操作性。

针对复合矿物掺合料在地基处理、道路基层和干粉砂浆场景中的应用，提出了存在的问题及相应的解决措施。上述成果可为采用低温热解+三级逆流漂洗技术路线的飞灰产物的资源化路径选择提供参考。

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基金资助:上海市国资委能级提升项目(2021011);上海城投(集团)有限公司2023年科技创新计划项目(CTKY-ZDZX-2023-002);

文章来源:俞伟伟,黄晓雨,邱坤,等.生活垃圾焚烧飞灰制备矿物掺合料利用前景展望[J].市政技术,2024,42(11):179-185+201.