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1.前言
利用新型干法窑协同处理城市垃圾是近年来被广泛探索的资源化利用城市垃圾的一个新途径[1]，关于掺烧城市垃圾的水泥性能和二次污染问题需要进行深入研究。分析证明，在垃圾分拣站经过分拣处理后剩余的城市生活垃圾残渣，化学成分与粘土类似[2][3]，经过适当的处理之后，可以不经过复杂的垃圾焚烧炉或者资源化窑处理而直接替代部分粘土原料烧制水泥。而掺烧城市垃圾的水泥性能是否能够达到使用要求，以及城市垃圾中的重金属元素在配料煅烧制造水泥的过程中能否得到有效的固化，是水泥窑协同处理城市垃圾的关键问题[4][5]。
2.实验
2.1实验材料
本实验所采用的城市垃圾来自河南省许昌市垃圾分拣站垃圾分拣后的残渣，其化学成分如表1所示：
表1垃圾分拣残渣化学成分（%）
将垃圾分拣残渣干燥至恒重，在实验球磨机中磨至完全通过0.080mm方孔筛。
实验所用其它工业原料由水泥厂直接取得。将城市垃圾分拣残渣按照20%的掺量与其它原料配制成掺加样生料，与不掺城市垃圾残渣的空白样生料同时进行实验。生料按照尝试误差法配制，空白样和掺加样生料的三率值均为KH=0.90，SM=2.51，IM=1.55。
2.2实验方案
将混合好的生料加入适量的水搅拌均匀，称取70g在20MPa的轴向压力下压制成直径为36mm的试块，置于烘箱中在105～120℃下烘干。将SG-8-16坩埚升降电阻炉升温至800℃左右，将烘干后试块入炉，待炉内温度平衡约5min后开始升温，至设定煅烧温度，保温30min后出炉。熟料出炉后采用风扇加速冷却至室温。
将烧制后的熟料破碎后各取1000g加入5%的工业石膏后，在GJ-2密封式化验制样粉碎机中进行细碎，细料控制为0.080mm方孔筛筛余不超过4%。
用乙醇－乙二醇法测定1250℃、1300℃、1350℃、1400℃、1450℃下空白样和掺加样熟料的f-CaO含量。
利用4XCE金相显微镜对1350℃和1450℃下空白样和掺加样熟料试样的岩相结构进行观测分析。
按照JC/T853-1999和GB/T17671-1999的规定方法，取工厂P.I42.5硅酸盐水泥作为参比水泥与实验室1450℃下煅烧的空白样和掺加样水泥同时进行胶砂强度对比试验。
利用JSM-5610LV型扫描电子显微镜对工厂P.I42.5硅酸盐水泥和实验室制成掺加样水泥的28d水化产物显微结构进行SEM分析。
根据GB5086.3-1997的规定方法，对垃圾分拣残渣、实验水泥生料和实验水泥28d水化产物做微量重金属元素浸出实验。分别称取试样30g，加入浸取容器中，加入300ml去离子水，盖紧瓶盖后垂直固定于HY-4往复式水平振荡机上，在室温下振荡浸取8h，并静置16h后取下，通过过滤装置过滤后取其上清液，利用IRISAdvantageER/S等离子体原子发射光谱仪测定其重金属浓度。
3.结果与讨论
3.1熟料f-CaO测试
可以看出，掺烧城市垃圾分拣残渣的熟料f-CaO含量低于不掺烧垃圾分拣残渣的空白样熟料，掺加样的f-CaO含量在1350℃时即可降低到1.5%以下，掺烧城市垃圾对水泥生料的易烧性有一定的改善作用。
3.2熟料矿物岩相结构分析
空白样和掺加样在1450℃下实验室烧成熟料的岩相结构如图2所示：
图2实验熟料岩相图片（200×，1%硝酸酒精侵蚀）
由图看到，空白样和掺加样熟料的矿物岩相结构相似，主要由大量A矿、少量B矿和中间相组成。实验发现，掺加样熟料矿物中包裹体略多，矿物尺寸略小，可能与城市垃圾的掺入增加了体系的物相复杂程度有关，与上述易烧性改善的现象是一致的。
3.3水泥物理性能分析
参比水泥、空白样和掺加样水泥胶砂试体的3d、28d抗折和抗压强度如表2所示：
表2不同试样水泥的物理性能
可以看出，掺烧城市垃圾的水泥符合P.I42.5水泥的指标要求。掺烧垃圾后，初凝时间略有提前，3d强度有升高的趋势，而28d强度的差别并不明显。
3.4水泥水化产物SEM分析
参比水泥和掺加样水泥的28d水化产物显微结构如图3所示：
图3不同试样水泥水化产物SEM结构
由图可以看出，两种水泥的主要水化产物均为C-S-H凝胶、Ca(OH)2晶体和AFt晶体等。掺加样水泥各水化产物发育良好，结构比较致密，与参比水泥没有明显的区别。
3.5重金属元素浸出结果分析
城市垃圾分拣残渣、空白样和掺加样生料的重金属浸出结果如表3所示：
表3垃圾分拣残渣、空白样和掺加样生料的重金属浸出量（单位：mg/L）
空白样和掺加样水泥28d水化产物的重金属浸出量如表4所示：
表4 28d水化产物的重金属浸出量（单位：mg/L）
结果显示，城市垃圾分拣残余物中重金属浸出量均低于GB5085.3-1996规定的浸出液最高允许值。经过熟料烧结和水泥凝结硬化两步固化之后，水泥的28d水化产物的Cd、Co、Ni、Pb元素未检出，而As、Cr、Cu、Zn四种元素浸出量也大大减少，明显低于GB5085.3-1996规定的重金属元素允许浸出标准。
4.结论
(1)利用城市垃圾分拣残渣配料煅烧水泥，在一定程度上改善生料的易烧性，熟料矿物类型、水泥水化产物类型和水泥性能与普通的硅酸盐水泥相同。
(2)重金属含量浸出实验表明，实验室掺烧20%城市垃圾分拣残渣的水泥28d水化产物中Cd、Co、Ni、Pb元素未发现有检出，而As、Cr、Cu、Zn元素仍有少量浸出，浸出量分别为As：0.0092mg/L；Cr：0.0095mg/L；Cu：0.0080mg/L；Zn：0.0095mg/L。明显低于GB5085.3-1996规定的重金属元素允许浸出标准。
参考文献
[1]辛美静、杨学权，「利用水泥回转窑处理城市生活垃圾」，能源研究与利用，第一期，48-50页，2004。
[2]杨力远、杨俊、马军涛，「利用污水厂污泥配料煅烧水泥熟料研究」，武汉理工大学学报，第二十九卷第十一期，11-13页，2007。
[3]高长明，「利用水泥厂协同处置城市垃圾势在必行」，水泥工程，第二期，3-6页，2007。
[4]乔龄山，「水泥厂利用废弃物的有关问题(三)」，水泥，第十二期，1-8页，2002。
[5]杨力远、许艳丽、马军涛、马光义，「污泥配料煅烧水泥对重金属固化行为影响」，硅酸盐通报，第二十七卷第五期，1023-1027页，2008。
