垃圾焚燒法是垃圾處理的一種有效方式，也是垃圾能源化利用的主要方式之一。在城市廢物排放日益增加的情況下，垃圾焚燒技術以其良好的減容效果和能源回收率，逐漸成為垃圾減量化和資源化技術的發展方向，并越來越受重視 。垃圾焚燒產生的飛灰(以下簡稱飛灰)含有能被水浸出的Cd、Pb、Zn和Cr等重金屬，屬于國家規定的危險廢物，因此必須進行固化／穩定化處理。現有的飛灰固化／穩定化方法主要有水泥固化、化學藥劑處理、熔融固化、瀝青固化、塑性材料固化以及酸溶劑提取重金屬等 。除水泥固化外，其他幾種固化方法由于技術和經濟的原因，很少應用于生活垃圾焚燒飛灰的處理。如果固化前采用有效方法提高飛灰的活性，使最后的固化體具有足夠的強度，則可在一定的場合進行利用，避免填埋，提高了飛灰的利用率。
堿膠凝材料除了具有普通硅酸鹽水泥的優良特性外，更重要的是它利用了更多的工業廢渣，原料豐富，減少了環境污染。筆者根據燃料灰渣在兩個溫度區域(中溫活性區和高溫活性區)產生活性的特點_3]，主要在中溫活性區(600～950℃)對飛灰進行了熱活化處理，以期在此活性區域內尋找到對飛灰最佳的熱活化溫度，探求其作為堿膠凝材料混合材的可能性，同時考察了飛灰重金屬的浸出情況。
1 試驗材料及方法
1．1 原材料
飛灰取自鹽城市垃圾焚燒廠，礦渣為南京9424廠的水淬粒化高爐礦渣，采用ADVANT’XP型X射線熒光光譜儀(XRF)分析其化學組成(以質量分數計)，結果見表l。采用DX-IO00型x射線衍射(xRD)儀分析飛灰的礦物組成(見圖1)，結合化學成分分析數據，可知飛灰中主要礦物是伊利石和a一石英。NaOH為市售分析純，鈉水玻璃為工業級原料，顏色為半透明，其性能參數見表2。采用Thermo Trace DSQ氣質聯用儀測定飛灰二嗯英，其質量濃度為23 ng／g。
1．2 材料的處理
采用0500 mm一0500 mm 的試驗磨，將礦渣磨細后至0．080 mm方孔篩，篩余小于3％。將飛灰置于SXF8—10型可編程高溫爐中，在4個溫度點(700、800、900、1 000℃)進行熱活化預處理，保溫3 h，自然冷卻至室溫，然后用ND2—2L型球磨機碾磨，控制其細度與礦渣細度相同。在鈉水玻璃中加入片狀NaOH，調整其模數至1．20，作為激發劑。
1．3 試驗方法
分別在礦渣中摻入不同比例的原樣飛灰和熱活化預處理飛灰，將鈉水玻璃以6 (質量分數)摻量加入，水灰比(水與(礦渣+ 飛灰)的質量比)為0．27，使用NJ一160A型凈漿攪拌機，制成2 cm×2cm×2 cm 的試塊，標準養護3、7、28 d后測試其無側壓抗壓強度，并依據《固體廢物浸出毒性浸出方法翻轉法》(GB 5086．1—1997)，采用PE Optima43OODV型等離子體發射光譜儀測定重金屬的浸出濃度，然后取其內部碎片在60℃下烘干，用無水酒精終止水化，供FEI QUANT200掃描電子顯微鏡(SEM)分析檢測。
2 結果與討論
2．1 試塊成型情況及分析未經熱活化預處理的飛灰作為堿膠凝材料混合材時，在最初成型的幾個小時內就會產生膨脹，且飛灰摻量越多膨脹越明顯，在不使用水玻璃作激發劑的情況下膨脹同樣存在。摻加了30％(質量分數，下同)原飛灰的試塊，成型30 min后膨脹率達到10．9% ，成型1 d脫模時膨脹率達到15．7% ，對固化體力學性能的發展產生了不利影響。圖2是純礦渣試塊與摻加了30 %原飛灰的試塊在成型1 d脫模后的形狀對比，加入30% 飛灰的試塊產生了肉眼可見的明顯膨脹。膨脹問題的產生有3個可能的原因 ]：(1)A1在堿性環境下反應產生H ；(2)反應生成鈣礬石；(3)MgO 或游離CaO 生成氫氧化物。其中游離CaO的水化緩慢，3 d后只有少量的Ca(OH) 形成l_5]，MgO的水化和鈣礬石的形成速度更加緩慢，在常溫下要幾個月甚至幾年才完全水化 ]，而Al在堿性環境下反應引起的膨脹在最初的24 h內就可以被觀察到 』。將膨脹試塊破碎取其斷面放在SEM 下觀察，可以發現大小不等的光滑孔洞，直徑從幾十微米到幾百微米不等(見圖3)。根據時間以及觀察到的孔洞可以確定，本試驗中產生的膨脹是由Al在堿性環境中反應產生的H。形成的。Al引起的體積膨脹有別于MgO、游離CaO等的水化引起的膨脹，后者是在膠凝材料基本固化后才發生反應產生膨脹，對固化體前期抗壓強度影響較小，但會導致后期抗壓強度的下降甚至固化體開裂，是緩慢而長期的。Al引起的膨脹從成型一開始就會產生，幾小時內便可以完成，對整個養護期間的抗壓強度發展均會造成不利影響。在不使用鈉水玻璃作激發劑的情況下膨脹依境所致。對飛灰進行熱活化預處理則較好地解決了此問題。依然存在，這可能是由于飛灰本身遇水即形成堿性環。
2．2 不同配比對無側壓抗壓強度的影響
表3列出了用原樣飛灰和熱活化預處理飛灰在不同的礦渣／飛灰配比下制成的試塊在不同的標準養護時間下無側壓抗壓強度情況。
表3 不同配比的礦渣／飛灰試塊的無側壓抗壓強度Table 3 The compressive strength of slag／MSWIfly ash test blocks
表 3表明，原樣飛灰制得的試塊無側壓抗壓強度低，加入30％原樣飛灰的試塊標準養護28 d無側壓抗壓強度只有12．4 MPa，且成型1 d后脫模時膨脹現象明顯；加入50 原樣飛灰的試塊，脫模時表面松軟，標準養護后已無法檢測其無側壓抗壓強度。飛灰經熱活化預處理后制得的試塊無側壓抗壓強度有明顯提高，其中經800、 900℃熱活化預處理的飛灰無側壓抗壓強度明顯優于700、1 000℃活化后飛灰的無側壓抗壓強度。脫模時發現，3 ～6 試樣組試塊的成型面有微小膨脹，這可能是由煅燒后飛灰中殘留的A1引起，7～ 10 試樣組的試塊則具有良好的安定性。此外，二嗯英在850℃下分解率達到99．99％的停留時間為1．7 Sl_8]，因此3 h高溫預處理對二嗯英有良好的去除效果，選擇最佳熱活化溫度為900℃。圖4給出了飛灰經不同溫度熱活化后的XRD譜圖。與原樣飛灰相比，熱活化后飛灰的XRD衍射峰發生了顯著變化，從700℃開始出現了高溫鈉長石的衍射峰(晶面間距d一0．318 nm)，而且其強度隨著溫度升高不斷增強，同時a一石英的衍射峰( 一0．334 nm)和伊利石的衍射峰( 一0．332 nm)強度不斷下降，說明a一石英和伊利石的結構已開始遭到破壞，并在溫度升高的過程中逐步形成了新的晶體態物質。在原有晶體結構遭到破壞、新的晶體結構形成的整個過程中，伊利石逐步失去結構水，直至晶格最終被破壞變為無定形的非晶物質，使熱活化飛灰活性獲得提高，此時溫度為800～900℃。另外，在熱活化過程中還形成了少量的鋁酸鈣類物質。在1 000℃時，重結晶物質大量出現，飛灰中無定形的非晶質減少，活性又逐步降低，與抗壓強度試驗結果相符。整個熱活化過程中形成的鋁酸鈣類物質水化迅速，硬化也很快，其無側壓抗壓強度在成型3 d內就可以表現出來，因此早期無側壓抗壓強度高，試塊后期無側壓抗壓強度增長緩慢是由于飛灰體系中鈣含量低造成的。從原有晶形被破壞直至新結晶大量出現，最優的中溫熱活化溫度段應為800～900℃。這與文獻E3]的結果相似
2．3 重金屬浸出毒性的研究
對飛灰／礦渣所成試塊的浸出毒性分析可以反映其重金屬溶出效果，是檢驗飛灰是否可用于堿膠凝材料混合材的重要指標。試驗選擇7 ～1O 試樣組的試塊進行研究，將標準養護28 d的固化體磨細后，依據GB 5086．1—1997測定重金屬的浸出濃度，并將其與飛灰樣品的浸出濃度對比，結果見表4。
從表4可見，純飛灰浸出液中Pb的濃度超過了《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》(GB 5085．3-2007)浸出液中危害成分濃度限值；經固化處理后，隨著飛灰摻量的增加，其固化體重金屬的浸出濃度也相應增加，但Pb、Cu、Cr、Zn 和Cd的浸出濃度均遠低于GB 5085．3—2()(]7，符合環境保護要求。其原理在于，水化過程中水化產物的物理包容、化學吸附效應可將重金屬包裹于C—S～H 凝膠中，高堿性環境下重金屬離子在固化體的微孔隙中發生復分解沉淀以及同晶置換反應，這些作用均有效抑制了重金屬的浸出。因此，將熱活化預處理后的飛灰作為堿膠凝材料混合材是安全的。
3 結 論
(1)飛灰原樣活性差，摻于礦渣中制成的試塊發生明顯膨脹且無側壓抗壓強度低。膨脹原因是由飛灰所含的A1引起的，飛灰熱活化預處理后可以較好地解決膨脹問題。
(2)對飛灰在中溫活性區進行熱活化預處理時，800～900 C是原有晶體被破壞、新的晶體重新生成的過渡階段，非晶物質較多，活性提高明顯；在1 000 C時新的晶體物質已經基本形成，活性降低。綜合考慮最佳熱活化條件為溫度900℃ 、保溫3 h。
(3)飛灰中的重金屬在堿膠凝材料中穩定良好，不會對環境造成二次污染。有望將其開發成堿膠凝材料混合材加以利用。
參考文獻
朱永安．城市生活垃圾處理方法評述及綜合處理方法的設想[J]．環境工程，1997，1 5(1)：52-55．
賀杏華，侯浩波，張大捷．水泥對垃圾焚燒飛灰的固化處理實驗研究[J]．環境污染與防治，2006，28(6)：425—428．
關建適．煤炭灰渣的活性[J]．硅酸鹽學報，1980，8(4)：425 429．PECQUEUR G，CRIGNON C，QUENEE B．Behaviour of ee—ment—treated MSWI bottom ash[J]．Waste Management，2001，21(3)：229 233
牟善彬．高游離氧化鈣水泥的顯微結構與膨脹機理研究EJ]．武漢理工大學學報，2001，23(11)：27-29．任明方．關于水泥安定性有關問題的思考[J]．江蘇建材，2003
(2)：15-20．
AUBERT J E，HUSSON B，VAQUIER A．metallic aluminum inMSW I fly ash!quantification and influence on the properties of ce—ment—based products[JJ．Waste Management，2004，24(6)：589—
[8] 黃愛軍，田洪海．城市生活垃圾焚燒處理初探[J]．環境科學研究，2000，1 3(3)：27—30．
