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JOURNAL OF FOUNDATION RESEARCH - Environmental Engineering
基金会研究期刊 - 环境工程学报
2026年8月刊
JFR-EE受控访问
异常废物焚烧(AWI)飞灰中普遍存在的现实稳定性扰动(RSP)颗粒的影响分析及后处理策略优化:以Site-CN-19为例
Impact Analysis of Ubiquitous Reality-Stability Perturbing (RSP) Particles in Anomalous Waste Incineration (AWI) Fly Ash and Post-Treatment Strategy Optimization: A Case Study of Site-CN-19
EnchGoldenApple1,2,3, Day by Die2,3,*, All things are one1,3,chenhr3
1 Site-CN-19 环境工程与资源回收研究所,福建省,中华人民共和国
2 Site-CN-19 工程研发部国际合作中心,新南威尔士州,澳大利亚
3 Site-CN-19,福建省,中华人民共和国
* 通讯作者
**通讯作者联系方式:**2723730701@cn19.scipmail.com
摘要
异常废物焚烧飞灰在宏观性状上与传统城市固体废物焚烧飞灰相似,但同时承载了来源于焚烧原材料的弱现实扰动效应。在Site-CN-19运行实践中,飞灰暂存和处置环节普遍出现多种现实扰动现象,指向飞灰中普遍存在的现实稳定性扰动颗粒。本研究以锅炉冷端灰、脱酸残渣灰和袋式除尘器飞灰按质量加权混配制备的混合飞灰为对象,利用XRF、XRD、SEM-EDS、粒径分布及ICP-OES/ICP-MS表征其组分与微观形貌,并构建综合现实稳定扰动指数RSPI,由质量偏差、编号一致性、空间再分布和封存完整性四个子指标组成,用于RSP颗粒的工程化识别与量化。在此基础上,设计并比较中温热处理、轻度化学调控与钙相重构以及玻璃化熔融三条RSP活性降低路线,对各处理样品的RSPI进行多轮测试。结果表明,未处理的混合飞灰在质量偏差和编号一致性维度的指标值显著高于基线,说明仅按普通危险飞灰进行固化、封存或深空抛弃不足以消除RSP对处置链条可靠性的累积削弱。三类后处理策略均能降低RSPI,其中玻璃化熔融可在维持常规环境指标的同时使各维度子指数接近基线,但能耗和改造成本较高;中温热处理与钙相重构在能耗与工艺兼容性方面更具可行性,虽无法完全消除现实扰动活性,却可显著压缩偏差幅度,为长期安全可验证的AWI飞灰管理提供路径。
关键词:AWI飞灰;现实稳定性扰动颗粒;现实稳定扰动指数;Site‑CN‑19;飞灰后处理策略;AWI飞灰处置框架
Abstract
Anomalous waste incineration (AWI) fly ash exhibits macroscopic characteristics similar to those of conventional municipal solid waste incineration fly ash, while simultaneously carrying weak reality-perturbation effects originating from the incinerated feedstock. Operational observations at Site-CN-19 indicate that multiple forms of reality perturbation phenomena commonly occur during the temporary storage and disposal stages of fly ash, pointing to the widespread presence of reality-stability-perturbation (RSP) particles. In this study, mixed fly ash prepared via mass-weighted blending of boiler cold-end fly ash, semi-dry desulfurization fly ash, and bag filter fly ash was investigated, and comprehensive characterization of composition and microstructure was conducted using XRF, XRD, SEM-EDS, particle size distribution analysis, and ICP-OES/ICP-MS. A composite reality-stability perturbation index (RSPI) was further developed, consisting of four sub-indicators—mass deviation, labeling consistency, spatial redistribution, and containment integrity—enabling engineering-level identification and quantification of RSP particles. Based on this framework, three RSP activity attenuation pathways were designed and compared, namely medium-temperature thermal treatment, mild chemical conditioning coupled with calcium-phase reconstruction, and vitrification melting, and the RSPI of treated samples was evaluated through multiple testing cycles. Results show that untreated MF exhibits significantly elevated index values in mass deviation and labeling consistency relative to baseline levels, indicating that conventional stabilization, containment, or deep-space disposal strategies for hazardous fly ash are insufficient to eliminate the cumulative reliability degradation induced by RSP. All three post-treatment strategies reduce RSPI to varying extents; among them, vitrification melting enables all sub-indices to approach baseline levels while maintaining compliance with conventional environmental indicators, although it is associated with high energy consumption and retrofit costs, whereas medium-temperature thermal treatment and calcium-phase reconstruction demonstrate greater feasibility in terms of energy demand and process compatibility, and although these approaches cannot fully eliminate reality perturbation activity, they substantially reduce deviation magnitude, thereby providing a viable pathway for long-term, verifiable, and safe management of AWI fly ash.
Keywords:AWI fly ash; Reality‑Stability Perturbing particles; Reality‑Stability Perturbation Index; Site‑CN‑19; Fly ash post‑treatment strategies; AWI fly ash disposal framework
主要术语与缩写
| 缩写 | 英文全称 | 中文释义 |
|---|---|---|
| AWI | Anomalous Waste Incineration | 异常废物焚烧 |
| MSWI | Municipal Solid Waste Incineration | 城市固体废物焚烧 |
| RSP | Reality-Stability Perturbation | 现实稳定性扰动 |
| BCF | Boiler Cold-end Fly Ash | 锅炉冷端灰 |
| SDF | Semi-dry Desulfurization Fly Ash | 半干法脱酸残渣灰 |
| BFF | Bag Filter Fly Ash | 袋式除尘器飞灰 |
| MF | Mixed Fly Ash Sample | 以质量加权方式制备的混合飞灰 |
| SRA | Scranton Reality Anchor | 斯克兰顿现实稳定锚 |
| XRF | X-ray Fluorescence | X射线荧光光谱分析 |
| LOI | Loss on Ignition | 灼烧减量 |
| XRD | X-ray Diffraction | X射线衍射 |
| SEM-EDS | Scanning Electron Microscope - Energy Dispersive X-ray Spectroscopy | 扫描电子显微镜-能谱联用 |
| ICP-OES | Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry | 电感耦合等离子体发射光谱法 |
| ICP-MS | Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry | 电感耦合等离子体质谱法 |
| RSPI | Reality-Stability Perturbation Index | 现实稳定扰动指数 |
| SMF | Standard Mixed Fly Ash Sample | 标准混合飞灰 |
| MH-SMF | Medium-temperature Heat-Treated Standard Mixed Fly Ash | 中温热处理标准混合飞灰 |
| CC-SMF | Chemically Conditioned and Calcium-Phase-Reconstructed Standard Mixed Fly Ash | 化学调控与钙相重构标准混合飞灰 |
| V-SMF | Vitrified Standard Mixed Fly Ash | 标准混合飞灰玻璃化渣 |
仪器与表征方法
| 类别 | 仪器/设备 | 制造商 | 型号 | 主要参数 |
|---|---|---|---|---|
| 表征仪器 | XRD | Rigaku | SmartLab SE | X射线源为Cu-Kα辐射;扫描范围2θ=10°-80°;扫描速度2°·min-1;管电压40 kV,管电流50 mA |
| 表征仪器 | XRF | Rigaku | ZSX Primus III+ | 压片法;压片直径20 mm;元素扫描范围O-U |
| 表征仪器 | SEM | ZEISS | Sigma 300 | - |
| 表征仪器 | EDS | Oxford Instruments | X-MaxN 20 | SDD探测器;20 mm2有效面积;能量分辨率约127 eV(Mn-Kα) |
| 辅助设备 | SRA | Site-CN-19工程部 | SRA-CN19-M2 | 稳定半径3 m,目标基线100 Hm,输出等级II |
| 表征仪器 | 粒径分布 | Malvern | Mastersizer 2000 + Scirocco 2000 | 测量范围0.02-2000 μm;遮光率1.0%-1.5%;加权残差<2%;颗粒折射率RI=1.50 |
1 引言
1.1 AWI飞灰相关的背景
异常废物焚烧(AWI)在基金会体系内被普遍视为对低至中危异常物品进行集中处置的核心单元,其工艺线路在宏观上与常规垃圾焚烧设施相似:通过高温燃烧破坏有机载体,大幅减小体积,并将气态污染物通过烟气净化系统控制在许可范围内。但与传统市政生活垃圾焚烧不同,AWI炉的进料成分中包含受到异常影响的废弃收容器材、失效或报废的异常物品、实验残余以及基金会运作过程中产生的异常污染物载体。异常性质在高温下往往不遵守一般热解和氧化反应的规律,因此焚烧过程不能被视为对异常性质的简单抹除,而更像是异常性质从原始形态向高浓度残渣与飞灰相转移的过程(Li et al., 2016)。
在工程层面,AWI飞灰与传统飞灰的宏观特征高度相似(Hao & Nassar, 2023; Havel & Marrow, 2013)。传统城市固体废物焚烧(MSWI)飞灰通常呈细粒状或粉状,属于典型高钙-低硅铝危险废物。其主要由烟气脱酸过程残留的钙质吸收剂及其反应产物、SiO2-Al2O3-CaO体系的硅铝酸盐基质、可溶性氯盐和硫酸盐、未燃碳颗粒以及富集的重金属组成(Zhang et al. 2025)。飞灰中的可溶性盐分和重金属使其在常规危险废物管理体系中被归类为高风险固体,需要通过稳定化、固化、玻璃化等工艺降低浸出性和长期迁移风险后方可进行填埋或资源化利用。即便不考虑异常因素,飞灰本身就是焚烧系统中污染物的富集载体,是需要重点工程控制的对象。
然而,在AWI场景下,异常废物经焚烧后产生的烟气和残渣中往往残留一定程度的异常效应,这些效应不会在高温区完全消失,而是以微小颗粒或表面活性相的形式附着在飞灰颗粒上。AWI飞灰因此同时承载两类风险:常规环境工程意义上的重金属和盐离子,以及难以用传统理化指标完全描述的异常效应(Hao & Nassar, 2023; Fedorov et al., 2021),有关此类异常残余的工程定义详见1.2节。这类效应在短时间内可能仅表现为称量结果的轻微偏差、样品编号的偶发错乱或局部封存结构的缓慢变化,但在长期运行和批量处置中会不断削弱管理系统的可靠性,为后续的永久处置埋下隐患。
从设施运行角度看,AWI飞灰往往集中收集于锅炉冷端、脱酸装置和袋式除尘器等烟气净化单元。若仍按照传统飞灰处理思路,仅通过常规稳定化或固化后直接进入长期封存系统,或通过目前正在使用的深空发射方式进行永久隔离,则等于将尚未完全识别和处理的异常残余一并封装进难以监控和干预的末端处置路径之中。这种做法虽然不会在可预见的短期内形成严重灾难,但仍能在可预见的未来形成难以控制的工程和收容事故。在此背景下,将AWI飞灰作为一个同时承载常规污染物和异常残余的复合工程对象,对其中普遍存在的现实稳定性扰动颗粒进行识别、量化和专门化处理,就成为Site-CN-19乃至其他AWI设施长期安全运行的重要前提。
1.2 RSP颗粒的定义与研究必要性
在基金会技术语境下,RSP颗粒指的是一类附着或嵌入于固体残渣中的微细颗粒实体,其在常规理化和形貌表征中表现为普通飞灰组分,但在重复操作和长期处置过程中稳定地产生低强度、局部性的现实扰动效应(Havel et al., 2013)。与高危现实扭曲类异常不同,RSP颗粒本身不具备直接改写宏观物理定律或大尺度空间结构的能力,其影响主要体现在工程管理和封存体系层面的可靠性削减上,例如使质量衡算、编号追踪、封存结构演化与既有经验之间出现持续但难以发现和归因的偏差(Havel et al., 2013)。
为了在工程上加以处理,本研究将RSP颗粒限定为满足以下三类特征的飞灰中微粒残余物:(1)在光学显微镜、SEM及常规元素分析中难以与普通未燃碳、硅铝酸盐碎屑或盐类晶体区分;(2)在样品称量、分装、编号、封存、转运等操作中反复导致超出仪器误差范围但又不足以触发常规报警阈值的小幅偏差;(3)在长期观察中发现微异常出现频率与飞灰批次存在统计相关性。满足上述条件的颗粒群体被视为RSP的工程定义对象,其现实扰动能力虽弱,却足以在AWI飞灰的处置链条中累积形成系统性偏差。
研究RSP颗粒的必要性主要体现在三个方面。首先,RSP颗粒的弱现实扰动效应直接作用于处置过程的“元层面”,即称量、编号、封存和记录系统本身,而非仅限于传统意义上的毒性或迁移性。这意味着即便飞灰在重金属浸出和盐分控制方面达到常规危险废物管理标准,RSP颗粒仍可能通过缓慢破坏记录、位置追踪和封存完整性,使永久处置方案在实施多年后失去可验证性(Havel et al., 2013)。其次,RSP颗粒在多个AWI设施(包括Site-CN-19,Site-CN-21,Site-CN-36,Site-CN-507等)产出的飞灰中被普遍检出,但表现差异明显,说明它们可以被认定为是异常废物焚烧过程中难以回避的残余形式。如果不对其进行识别和量化,各站点现有的,将AWI飞灰当作普通危险飞灰处理的经验难以可靠迁移,跨设施的统一处置框架也无法建立。
基于上述认识,本研究将RSP颗粒视为AWI飞灰中与传统污染物并列的独立工程对象,而非附带噪声。后续章节将围绕其识别标准与分级方法、扰动强度的定量评价指标,以及在不同实验室尺度后处理策略下的活性变化展开分析,以支撑对Site-CN-19及其他AWI设施处置方案的优化与风险评估。
1.3 Site-CN-19异常废物焚烧设施的运行概况
Site-CN-19所在区域在早期运行阶段即安装有一套以生活垃圾和一般工业固废为主要对象的传统焚烧系统,其基础设施包括炉膛本体、余热锅炉、烟气净化单元以及配套的灰渣收集与暂存系统。在此基础上,随着站点承担的异常处置任务逐步增加,原有设施在不改变主体炉型的前提下被改造为具备异常废物焚烧能力的AWI系统。改造内容主要集中在进料端分选、炉膛运行参数的专门化修正,以及烟气净化和灰渣管理环节中增加对异常残余的监测与缓冲能力,使系统在保持基本焚烧效率的同时,能够承受一定强度的异常性质输入而不立即失稳。
在正常运行状态下,Site-CN-19 AWI系统的进料构成由四部分组成:经预处理后的低危异常物品及其载体、异常污染事件产生的次生废弃物,异常相关的低风险实验残余,以及为维持炉膛热平衡而掺入的少量非异常生活垃圾。进料在炉膛中经历高温、足够停留时间以及辅助燃料支撑后,主要有机组分被破坏,烟气经锅炉冷端换热后进入多级烟气净化单元,包括脱酸喷射系统、静电除尘或袋式除尘,以及必要时配置的活性炭或其他吸附装置。在这一序列中产生的固体残渣分别以底渣、锅炉灰、脱酸残渣和飞灰的形式收集,其中飞灰作为烟气净化系统的末端颗粒捕集物,是Site-CN-19异常处置体系中RSP颗粒最集中的载体。
为降低常规环境风险,Site-CN-19在飞灰管理上已经引入了一套参考现实危险废物焚烧设施的操作规程,包括飞灰单独收集与编号管理、必要时的稳定化或固化处理,以及对暂存区域的渗漏和扬尘监测。这些措施在传统污染物控制层面基本有效,常规重金属和盐分相关的排放指标能够维持在预定范围之内。然而,随着站点运行时间的延长和异常处置批次的累积,飞灰暂存与处置环节中逐渐出现了一些难以用常规工程偏差解释的现象,例如飞灰批次质量核算与进料记录之间出现持续的小幅差异、封存容器内部飞灰在无明显外力条件下发生缓慢再分布,以及灰仓编号与实际装填顺序之间偶发不符,引发了数次对相关管理人员的问责。经先前研究,这些现象在站点内部调查中最终被归因于飞灰中普遍存在的RSP颗粒所引发的弱现实扰动效应。
目前,由于对RSP颗粒认识的普遍缺失,世界各地站点的AWI设施均尚未建立针对RSP颗粒的专门化处理单元,包括Site-CN-19。飞灰的终端去向仍然以固化填埋、封存暂存以及发射进入深空等方式为主,这一处置格局目前尚未造成显性安全事故。但上述偏差现象的累积表明,若不对RSP颗粒进行识别和针对性去活化,现有飞灰管理体系在面对长期库存、深层封存或外部转运等情形时,可能无法持续维持足够的可靠性与可追溯性。因此,有必要系统解析AWI飞灰中RSP颗粒的赋存特征及其在处置流程中的作用机制,并在此基础上构建具备工程可行性的定向后处理策略,以推动该设施由有限安全运行向可验证的长期安全运行转变。
1.4 研究目的与文章结构安排
鉴于Site-CN-19当前AWI飞灰管理实践中已出现与RSP颗粒相关的偏差现象,同时缺乏针对该类颗粒的专门化处置工作流,本研究的总体目标是:在保持工程语境与基金会内部技术语境统一的前提下,系统识别和量化AWI飞灰中普遍存在的现实稳定性扰动颗粒,评估其对现有处置路径的影响,并据此提出适用于Site-CN-19的后处理策略优化方案。
具体而言,本研究试图回答以下三个问题:(1)在Site-CN-19 AWI飞灰中,RSP颗粒以何种形态和分布特征存在,其弱现实扰动效应在工程操作与管理流程中如何体现;(2)在现有将飞灰视作普通危险固废进行固化、封存、填埋或深空抛弃等永久处置的做法下,RSP颗粒会以何种机制削弱处置体系的可靠性,并通过何种途径诱发工程或收容事故;(3)可以构建哪些面向RSP去活化或钝化的专门化后处理路径,对这些路径进行完整的实验室尺度测试,识别这些路径在降低RSP活性、减少事故风险和维持常规环境指标方面的综合表现。
围绕上述问题,本文结构安排如下:第2章“材料与方法”首先介绍Site-CN-19 AWI飞灰样品的来源和常规理化表征,随后给出RSP颗粒的识别标准与分级方法,建立用于量化弱现实扰动效应的评价指标,并描述RSP相关事故场景的试验与分析设计,以及若干候选专门化后处理策略的设定与评价思路。第3章“结果”在此基础上呈现Site-CN-19 AWI飞灰中RSP颗粒的分布和类型特征,比较不同后处理策略对RSP活性降低效果,并总结推荐处理路线在RSP控制和常规污染指标方面的综合表现。第4章“讨论”进一步分析目前对RSP颗粒进行永久处置的局限性,阐明不同永久处置路径中RSP引发事故的机理与差异,讨论经专门化处理后的AWI飞灰在永久处置方案上的必要调整,以及Site-CN-19处理思路对其他AWI设施的借鉴意义。第5章“结论和建议”则对主要研究结论进行归纳,并针对Site-CN-19及基金会其他AWI设施提出具体管理和技术建议,以期为后续跨站点的异常飞灰处置框架构建提供基础参考。
2 材料与方法
2.1 Site-CN-19 AWI飞灰的常规理化性质与成分表征
本研究选取Site-CN-19的AWI设施在稳定运行条件下产生的代表性飞灰样品进行测试,采样工作在一次常规停机检修后进行,以尽量避免短期积灰和异常处置批次对飞灰组成的极端扰动。根据烟气净化工艺序列,分别在锅炉冷端、半干法脱酸装置以及袋式除尘器出口设置采样点,获得锅炉冷端灰(BCF)、脱酸残渣灰(SDF)和袋式除尘器飞灰(BFF),并按各单元飞灰产量比例(BCF:SDF:BFF ≈ 3:3:4,基于2025年度Site-CN-19年度物料衡算)混配形成混合飞灰样品(MF),作为后续RSP识别和专门化处理试验的主要研究对象。
所有飞灰样品采集后均在105 °C条件下烘干24 h至恒重,以消除样品含水率差异对质量核算和后续理化测试的影响。基础性质测试包括含水率、pH、电导率、灼烧减量(LOI)及堆积密度等指标。含水率通过恒温干燥法获得,pH与电导率在液固比1:10的去离子水浸提液中测定(高盐分强碱性浸提液可能引入液接电位误差,本研究所报pH值未做该效应校正,应视为表观值),LOI在550 °C条件下恒重计算,测试结果如表1所示。
表1:Site-CN-19 AWI飞灰样品的基础理化性质
| 样品 | 含水率(%) | pH值 | 电导率(mS·cm-1) | LOI(%) | 堆积密度(g·cm-3) |
|---|---|---|---|---|---|
| BCF | 1.8 | 10.9 | 18.6 | 4.7 | 0.82 |
| SDF | 1.5 | 11.8 | 26.9 | 3.9 | 0.76 |
| BFF | 2.1 | 11.7 | 31.4 | 6.3 | 0.73 |
| MF | 1.9 | 11.4 | 27.4 | 5.2 | 0.75 |
根据检测数据,Site-CN-19产出的AWI飞灰整体呈强碱性和高电导率特征,以混合样品MF为基准,浸提液pH约11.4,电导率约27.4 mS·cm-1,与文献中典型MSWI飞灰的强碱性和高盐分特征吻合(Zhang et al., 2025)。袋式除尘器飞灰BFF的电导率和灼烧减量均高于锅炉冷端灰与脱酸残渣灰,说明末端颗粒捕集单元中可溶性盐类与未燃碳或热稳定有机残余富集更为显著,这一部分也被视为RSP颗粒的重要潜在载体。混合样品MF在各指标上处于中间水平,在本研究中代表Site-CN-19在当前运行条件下AWI飞灰的整体性质。为进一步控制可溶性盐分带来的环境和实验精确度风险,本研究在部分试验中对MF和对照普通灰渣实施了参照MSWI飞灰标准的浸出预处理,以在不改变主体骨架相的前提下降低样品的总盐负荷。已有多轮独立浸出与ICP‑OES/ICP‑MS测试表明,RSP颗粒本身在常规浸出工况下不会以可检测水平转移至水相,因此在对AWI飞灰实施参照MSWI飞灰标准的预浸出操作以移除可溶性盐时,可视为对RSP颗粒行为安全中性的步骤(Havel & Marrow, 2013)。
为获得飞灰的宏观化学组成,本研究采用XRF对干燥样品进行主量组分测定,并参考现有文献中AWI飞灰XRF结果对测试方法进行校验。主要组分测试结果见表2。
表2:Site-CN-19 AWI飞灰样品的XRF组分组成
| 组分 | BCF(wt.%) | SDF(wt.%) | BFF(wt.%) | MF(wt.%) |
|---|---|---|---|---|
| CaO | 32.1 | 38.7 | 36.9 | 36.0 |
| SiO2 | 19.4 | 13.1 | 11.2 | 14.3 |
| Al2O3 | 9.3 | 7.0 | 6.1 | 7.3 |
| Fe2O3 | 4.9 | 3.3 | 2.9 | 3.6 |
| Na2O | 5.4 | 6.2 | 6.9 | 6.3 |
| K2O | 4.8 | 5.0 | 5.2 | 5.0 |
| MgO | 2.0 | 1.7 | 1.5 | 1.7 |
| SO3- | 6.5 | 7.5 | 6.9 | 7.0 |
| Cl- | 9.9 | 11.6 | 15.1 | 12.6 |
| 其他 | 5.7 | 5.9 | 7.3 | 6.2 |
由XRF数据可见,CaO和Cl-在各类AWI飞灰样品中占据显著比例,混合样品MF中CaO质量分数约36.0%、Cl-约12.6%。SDF样品中CaO含量最高,反映半干法脱酸体系中石灰基反应产物对飞灰组成的主导作用。BFF样品中Cl-含量最高,说明末端除尘单元是氯盐类颗粒的主要汇集位置。这一高Ca、高Cl的基质环境为RSP颗粒在细颗粒盐相和钙基反应相表面附着、包裹或嵌入提供了良好的物质基础,同时也意味着RSP颗粒在常规形貌与成分测试中极易与普通飞灰颗粒混淆。
为进一步识别飞灰中主要矿物相及颗粒形态,本研究采用粉末X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜-能谱联用(SEM-EDS)进行表征。XRD结果表明,三类单元灰及混合样品中均存在NaCl、KCl、CaSO4、Ca(OH)2、CaCO3等晶体衍射峰,同时伴有明显的非晶背景,表明飞灰中存在大量物相不完全确定的细颗粒残余(图1)。
图1:对MF样品进行的XRD扫描结果

SEM观察显示,锅炉冷端灰BCF中的颗粒以片状和多孔不规则颗粒为主,粒径相对较大,脱酸残渣灰SDF中则常见块状颗粒与表面粗糙的钙基反应产物,袋式除尘器飞灰BFF的粒径显著更细,细小团聚颗粒、附着型盐晶和碳质碎屑数量较多(图2)。对BFF的EDS面扫结果显示,Ca、Cl、Si、Al、Na和K在颗粒尺度上的分布不均,可在SEM图像中定位到部分细颗粒表面同时呈现Ca-Cl富集与碳相附着特征(图3),这类颗粒在后续分析中被视为RSP潜在赋存环境的重点关注对象(Kim et al., 2018)。
图2:Site-CN-19 AWI 飞灰不同来源样品的典型SEM形貌(标尺均为100µm):(a) 锅炉冷端灰BCF;(b) 半干法脱酸残渣灰 SDF;(c) 袋式除尘器飞灰BFF。
图3:袋式除尘器飞灰BFF颗粒局部表面典型SEM形貌(标尺为2 µm)。红框区域(R1-R2)为通过EDS面扫确认的Ca-Cl富集细颗粒聚集区,绿框区域(G1-G2)为表面相对平滑且C信号增强的细颗粒附着区。
此外,为评估飞灰中传统危险特征组分的富集程度,本研究采用电感耦合等离子体发射光谱与质谱联用(ICP-OES/MS)对干燥样品进行重金属总量测定,测定结果见表3。结果显示,Zn和Pb为Site-CN-19 AWI飞灰中含量最高的重金属元素,其质量分数较普通灰渣背景值高出约一个数量级。Cu、Cr和Cd的含量虽低于Zn和Pb,但在各类飞灰中的水平同样显著高于对照样品。与锅炉冷端灰和脱酸残渣灰相比,袋式除尘器飞灰中的Zn、Pb及Cd含量最高,反映出末端颗粒捕集单元对重金属具有明显富集效应。本研究中使用的普通灰渣对照样品取自Site-CN-19同一焚烧系统在仅焚烧非异常生活垃圾的维护窗口期内收集的相应单元灰渣,采样与预处理流程(105 °C烘干24 h、分装、编号)与AWI飞灰一致。
表3:Site-CN-19 AWI飞灰与站点普通灰渣中重金属总量对比
| 元素 | 普通灰渣(mg·kg-1) | BCF(mg·kg-1) | SDF(mg·kg-1) | BFF(mg·kg-1) | MF(mg·kg-1) |
|---|---|---|---|---|---|
| Zn | 863.1 | 6721.4 | 9383.6 | 10253.9 | 9213.2 |
| Pb | 331.2 | 2963.5 | 4383.7 | 4983.9 | 4231.1 |
| Cu | 218.3 | 982.4 | 1268.7 | 1436.9 | 1225.5 |
| Cr | 157.4 | 412.6 | 553.8 | 645.1 | 527.3 |
| Ni | 74.6 | 138.7 | 186.9 | 213.1 | 175.3 |
需要强调的是,本节所述理化数据主要用于构建AWI飞灰的常规物质背景,RSP颗粒的识别需结合后续章节的操作响应特征与RSPI指标,而非依赖单一元素或矿物相判据。
2.2 RSP颗粒的识别标准
在常规飞灰研究中,颗粒通常按照化学组成、形貌和内部结构被划分为硅铝酸盐类、富铁颗粒、钙质颗粒和未燃碳等若干基本类型。在AWI场景下,这一传统分类仍然适用于描述飞灰的基质颗粒,但无法单独用来识别RSP颗粒(Havel et al., 2013)。为对RSP颗粒进行有效辨识,本研究在常规颗粒分类的基础上,引入一套结合形貌特征、元素分布特征与操作响应特征的识别标准,并据此建立RSP的分级方法。
首先,从显微形貌与元素分布出发,本研究将AWI飞灰中能够作为RSP潜在载体的“可疑颗粒群”限定在以下两类环境中:(1)以Ca为主的致密或半致密基底相表面,其上附着大量尺寸为0.1-2 µm的细小团聚颗粒或短棒状晶体,SEM-EDS面扫显示附着区Ca与Cl信号显著增强,局部C信号同步升高;(2)以未燃碳或富碳玻璃态为主体的多孔颗粒,其表面或孔壁上不规则分布着富含Ca、Cl的细颗粒簇。
其次,在操作响应层面,本研究将RSP颗粒定义为:在可疑环境中,参与样品称量、分装、编号、封存及短期转运等重复操作时,能够在长期时间范围内稳定诱发超出常规化工经验范围的小幅偏差的颗粒群体,另外往往同时具有多种现实扰动特征。为此,在样品制备过程中,我们对每一组样品设置了至少2台SRA,以免出现任何未经监控的现实扰动现象。为确认样品基础性质,我们在开始实验前关闭SRA,并进行了长期多设备、多人员监控下的检测,包括同一批次样品在重复称量中的质量偏差、重复编号与封存过程中的标签信息错误、短期静置后样品在容器内的宏观再分布情况等(Gutiérrez et al., 2012)。若样品在物质组成和形貌上与普通飞灰颗粒几乎无异,却在多轮重复操作中持续贡献统计显著偏差,则该批次样品被归类为本研究的研究对象。
2.3 RSP颗粒现实扰动强度的定量评价指标
由于RSP颗粒的异常性主要体现在工程操作与封存过程中的微弱扰动效应,本研究在常规理化指标之外构建了一套用于量化RSP现实扰动强度的综合评价指标体系。该体系以批次为基本评价单元,通过对多轮重复操作、长期静置观察及封存完整性监测中可观测量的统计偏差进行归一化处理,并计算现实稳定扰动指数(RSPI),用于表征不同飞灰样品或不同处理策略下RSP残余活性的相对强弱。
为保证RSPI的可操作性与工程可读性,本研究选取了四类与AWI飞灰管理直接相关的观测量作为基础指标:(1)质量偏差值Δm:在关闭SRA条件下,对同一批次样品的每个组别进行不少于10轮平行称量与分装操作,时间跨度至少为30天,记录每轮操作中样品总质量与理论值(按加权混配比例计算)的相对偏差(Morozov et al., 2011);(2)编号一致性偏差值Δl:在完成一批样品入库后,使用设备拍摄入库时的标签内容和数据库信息,这台设备必须全程由SRA控制。随后关闭控制样品的SRA,对样品容器标签、数据库记录与记录图片进行多次交叉核对,时间跨度至少为30天。将出现标签错配、批次号错置或数据库记录不一致的频次换算为每百次操作中的错误率(Duarte et al., 2014);(3)空间再分布偏差值Δs:对封存容器在无外力干扰条件下进行至少30天的静置,随后通过分区取样或非破坏性扫描手段,比较静置前后样品在容器内各高度或各区域的质量分布差异,将超出常规颗粒沉降理论预期的部分归入Δs(Fedorov et al., 2021);(4)封存完整性偏差值Δc:在标准环境条件下对储存样品的容器进行周期性外观检查和声学/应变监测,记录所有未经历显著外载条件下出现的微裂纹、界面脱粘或应变异常的发生频率与幅度,折算为统一量纲的结构劣化率。
在此基础上,以站点普通灰渣对照样品在相同测试流程下获得的四类偏差指标(Δm、Δl、Δs、Δc)的统计分布为基线,将通过普通灰渣计算的标准差σΔx作为归一化基准,按下式将各样品原始偏差指标转换为标准化子指数,x被用于代指所有偏差指标类型(Riemann et al., 2020):
由此得到的子指数Im、Il、Is、Ic无量纲。当样品Δx等于普通灰渣均值时子指数为0,当Δx超过普通灰渣均值一个标准差时子指数为1.0,以此类推。普通灰渣各子指数均为0,作为RSP活性基线。子指数为正值表示该维度偏差在统计上超出基线,数值越大表明RSP贡献越显著(Riemann et al., 2020)。
在上述子指数的基础上,定义综合现实稳定扰动指数(RSPI)为加权和形式:
其中,权重wm、wl、ws、wc根据Site-CN-19当前AWI飞灰处置流程中各类偏差对安全性的影响程度确定。考虑到Site-CN-19目前以桶装封存、固化体暂存和少量外部转运为主,质量一致性与编号一致性直接关系到物料衡算和处置链条追溯,本研究将wm和wl设定为相对较高的0.3;空间再分布和封存完整性偏差更多影响中长期结构安全,将ws和wc分别设定为0.2。上述权重的绝对数值代表根据Site-CN-19运行记录和内部风险评估结果确定的工程化取值,后续在其他AWI设施推广时可根据具体处置路径进行调整。
在实际计算过程中,每一飞灰批次或处理状态的单次RSPI计算均需在相同操作规程和关闭SRA的前提下完成,包括不少于10次独立操作循环和至少30 d的静置观察周期。每个处理条件设5个独立平行样(n=5),每个平行样单独经历上述完整测试流程。为控制常规操作失误和仪器噪声的影响,本研究将普通灰渣的Im、Il、Is、Ic设置为0,作为基线。只有当某一飞灰样品在至少两个子指标上显著高于0,且这一偏差在多轮测试中具有良好重现性时,其对应批次才被判定为RSP活性显著,并纳入后续事故场景分析与后处理策略评价的范围。对于RSP活性显著高于基线的样品,Im、Il、Is和Ic的取值可能大于1.0,这反映该维度偏差幅度达到基线标准差的数倍,属归一化方法的预期行为。RSPI测试期间关闭SRA的操作均经Site-CN-19安全主管审批,每次关闭前确认备用SRA处于待机状态(Gutiérrez et al., 2012)。测试期间由独立监控人员每日巡查封存区域,若发现不可逆现实失稳迹象,立即恢复SRA供电并终止该批次测试。本研究所有测试中未出现触发应急预案的事件。
需要指出的是,RSPI作为工程化综合指标,无法直接衡量RSP颗粒本身的现实扰动强度(Riemann et al., 2020)。其优点在于将RSP的复杂表现压缩为单一可排序的指标,便于直观比较各专门化后处理策略对RSP活性的抑制效果,同时保留了对子指数的分解能力,使得在讨论不同永久处置路径中事故机理时,可以针对质量一致性、编号一致性、空间再分布和封存完整性等不同维度进行定向分析,从而为不同运行条件的AWI设施管理优化提供可量化的决策依据。
2.4 实验设计
所有实验均以经标准浸出预处理的标准混合飞灰SMF为主要研究对象,并以站点普通灰渣和未经浸出处理的MF作为对照。浸出预处理采用去离子水作为浸出剂,在标准浸出条件下进行,即液固比L/S = 10:1,浸出温度25 °C,搅拌速度200 rpm。但由于无需考虑工程成本,浸出时间被延长至60 min以追求最高浸出率。在该浸出条件下,对AWI飞灰中的Cl-有效移除率为约87.75%(图4)。浸出结束后,经固液分离并在105 °C烘干24 h至恒重,所得固相记为SMF,作为后续预处理与RSPI测试的基础样品。实验中使用的主要化学物质包括:氢氧化钠(NaOH,分析纯,≥96%)、盐酸(HCl,分析纯,37%,按需稀释)、二水磷酸氢钙(CaHPO4·2H2O,分析纯)、偏磷酸钠((NaPO3)n,工业级,作为玻璃化助剂)、高硅二氧化硅粉体或普通非异常飞灰(SiO2+Al2O3含量≥70 wt.%)、普通硅酸盐水泥P·O 42.5,以及去离子水和高纯氮气(N2,99.99%)。主要设备包括可程序升温的箱式电阻炉(最高温度≥1100 °C)、真空气氛热处理炉、行星式混合机或桨式搅拌器、机械振实台、50 cm × 50 cm × 50 cm水泥试件模具,以及用于RSPI测试的称量、封存与监测装置。
图4:浸出时间对氯离子和钙离子浸出效率的影响。

在预处理设计上,本研究设置了三条可操作性较高的RSP活性降低路线,并与未处理SMF形成对照。
第一条为真空中温热处理路线。将烘干后的SMF均匀铺展于耐高温陶瓷舟内,铺层厚度控制为10–15 mm,置入真空气氛热处理炉。在炉膛绝对压力维持≤5 Pa的真空条件下,以10 °C·min[^{-1}]升温至450 °C并保温2 h,随后自然冷却至室温。取出样品后研散并过2 mm筛,得到中温热处理飞灰(MH-SMF)。
第二条为目前最成熟的化学调控与钙相重构路线(Chen et al. 2017)。在碱调条件下,将SMF与0.1 mol·L-1的NaOH溶液按液固比5:1混合,在200 rpm条件下搅拌60 min,静置30 min后倾出上清液,固相105 °C烘干得到碱调飞灰。在酸调条件下,以同样L/S和搅拌条件,用0.05 mol·L-1的HCl溶液处理,得到酸调飞灰。随后将碱调飞灰和酸调飞灰按质量比1:1混合,再与CaHPO4·2H2O按质量比9:1共混,行星式混合10 min后于105 °C干燥12 h,冷却解聚得到钙相重构飞灰CC-SMF。
第三条为惰性共混与玻璃化路线。将SMF与高硅SiO2粉或普通非异常煤飞灰按质量比7:3共混,同时按混合物总量的5 wt.%加入偏磷酸钠作为玻璃化助剂,经行星式混合15 min后装入刚玉坩埚,在高温马弗炉或电弧熔融炉中以15 °C·min-1升温至1150-1200 °C并保温60 min,在N2保护气条件下完成熔融。自然冷却至室温后,将所得玻璃块破碎至5-10 mm颗粒,作为V-SMF玻璃渣。
为考察上述预处理对封存条件下RSP活性的实际影响,本研究进一步将原始SMF、MH-SMF、CC-SMF以及V-SMF玻璃渣分别掺入水泥基固化体系,制备立方体固化体。固化配比统一为飞灰/玻璃渣占固化体总干物质量的25 wt.%、水胶比0.4,基体采用普通硅酸盐水泥P·O 42.5。对于V-SMF玻璃渣,需先破碎至2-4 mm作为粗骨料和危险组分载体掺入,其余部分由水泥和惰性细骨料补足。浆体经机械搅拌均匀后灌入50 cm × 50 cm × 50 cm模具,振实5 min排除大气泡,室温静置覆盖湿布24 h后脱模,随后在20 ± 2 °C、相对湿度≥95%的标准养护条件下养护30天。养护结束后,固化体按处置批次编号装入统一规格的金属封存容器中,每容器装入4块试件,作为模拟Site-CN-19实际固化体封存情景的RSPI测试样品。
为控制操作者主观偏误,全部RSPI测试均采用单盲设计。负责称量、编号核对、分区取样和封存完整性检查的操作员不知晓样品分组的任何信息,包括样品来源、预处理路线和是否为普通灰渣对照。样品容器仅标注由独立编号员生成的随机数字编号,分组密钥由数据分析人员单独保管,在全部测试完成后统一揭盲。每一飞灰批次或处理状态均进行5次独立RSPI测试(n=5),以均值±标准差模式报告各子指数及综合指数。独立重复测试在不同时间段分批完成,且每次测试使用重新分装的独立子样品,以充分捕捉批次内变异性(Morozov et al., 2011)。采用单因素方差分析结合Tukey HSD事后检验比较各处理组间RSPI差异,显著性水平设为α = 0.05。
3 结果
3.1 Site-CN-19 AWI飞灰中RSP颗粒的类型
基于第2章所述的样品采集和RSPI测试方法,本研究首先对Site-CN-19不同来源飞灰样品在未进行任何专门化处理、30 d散装封存条件下的RSP活性进行了对比分析。表4给出了普通灰渣、各单元飞灰(BCF、SDF、BFF)以及混合飞灰样品(MF)的RSPI及其子指数。可以看出,以普通灰渣为基线(各子指数均为0.00)时,BCF和SDF样品的Im和Is仅有小幅上升,整体RSPI分别为约0.167和0.249。相比之下,BFF和MF样品的Il和Is显著升高,对应的RSPI分别为约1.115和0.780。这表明在Site-CN-19 AWI系统中,RSP相关异常现象主要富集于袋式除尘器飞灰及以其为主体构成的混合飞灰中,而锅炉冷端灰和脱酸残渣灰则仅表现出接近常规危险飞灰水平的轻微偏差。
表4:不同样品在30 d散装封存条件下的RSPI及子指数(平均值±标准差,n=5,粗体标注的组别代表p < 0.05,与对照组相比存在显著差异)
| 样品 | Im | Il | Is | Ic | RSPI |
|---|---|---|---|---|---|
| 普通灰渣 | 0.00 ± 0.00 | 0.00 ± 0.00 | 0.00 ± 0.00 | 0.00 ± 0.00 | 0.00 ± 0.00 |
| BCF | 0.13 ± 0.05 | 0.24 ± 0.09 | 0.11 ± 0.05 | 0.17 ± 0.06 | 0.167 ± 0.05 |
| SDF | 0.26 ± 0.08 | 0.29 ± 0.10 | 0.22 ± 0.08 | 0.20 ± 0.07 | 0.249 ± 0.07 |
| MF | 0.36 ± 0.10 | 1.40 ± 0.30 | 1.05 ± 0.22 | 0.21 ± 0.08 | 0.780 ± 0.14 |
从RSPI子指数的构成来看,BCF和SDF样品的Im与Is略高于普通灰渣,对应的表现主要是在多轮称量与静置后分区取样中出现了本不应出现的质量偏差和轻微颗粒再分布现象,但Il和Ic仍接近基线。这类偏差可以被解释为噪声,说明RSP颗粒在这两类灰中的存量和活性相对较低。相比之下,BFF和MF样品不仅在质量一致性与空间再分布方面表现出明显放大效应,更在编号一致性偏差上呈现出远高于基线的取值。在关闭SRA条件下进行的共200轮"称量-分装-编号-封存"循环中,BFF和MF的批次号与容器号错配次数分别为26.3 ± 5.1次和18.0 ± 3.6次(平均值±标准差,n=5),而BCF、SDF样品在相同条件下出现的可统计的错配事件次数均≤ 1次,与普通灰渣对照无显著差异(p > 0.05),可归因为随机操作误差。这种低频但可复现的标签与记录层面扰动,说明记录扰动型RSP颗粒主要集中在细颗粒富集的袋滤灰及混合飞灰中。
结合2.1节的SEM-EDS结果,可以将上述统计特征与RSP颗粒潜在赋存环境的空间分布对应起来。BCF样品中以片状和多孔不规则颗粒为主,硅铝酸盐骨架较为完整,可溶性盐和未燃碳附着相对有限;SDF样品中则富含块状钙基反应产物,但其表面附着的细小盐晶与碳质碎屑数量仍低于BFF。相应地,BCF与SDF在Im和Is上虽略高于对照,但未表现出显著的RSP特征。BFF样品中,大量尺寸为0.1-2 µm的细颗粒附着于致密Ca基或玻璃态基底表面,EDS面扫显示附着区Ca和Cl信号显著增强,同时局部C信号也明显高于周围基底,这些区域与表4中Il和Is的显著升高高度吻合。这说明RSP颗粒会优先附着或嵌入在“高Ca-高Cl-富碳”的细颗粒环境中,并通过对局部颗粒再分布和标签/记录流程的干扰,放大Site-CN-19 AWI飞灰的操作偏差。
值得注意的是,在相同工况下,不同封存容器之间的MF样品RSPI差异相对较小,这说明在Site-CN-19当前运行条件下,RSP颗粒在单批次混合飞灰内部的空间分布相对均一,而在不同工艺单元之间则存在显著差异。这一结果一方面表明,RSP问题可以通过针对BFF及其参与混配部分的专门化处理来集中解决,而无需对所有单元灰一视同仁地施加强化措施,另一方面也为后续3.2节中比较不同预处理策略在MF样品上对RSPI的削弱效果提供了合理依据。基于表4所示的初始分布特征,后续分析将MF作为代表性高RSP活性对象,系统评估中温热处理、化学调控与玻璃化等不同专门化后处理路径对记录扰动型、迁移扰动型和封存扰动型RSP颗粒的综合影响。
3.2 各专门化后处理策略对RSP活性降低效果
在明确了不同单元飞灰中RSP颗粒的初始分布特征后,本研究以标准混合飞灰SMF为代表对象,比较了三类专门化后处理策略对RSP活性的削弱效果。表5给出了在30 d散装封存条件下,未处理SMF及三种处理后样品的RSPI与子指数结果。
表5:不同处理后样品在30 d封存条件下的RSPI及子指数(平均值±标准差,n=5)
| 样品 | 处理方案 | Im | Il | Is | Ic | RSPI |
|---|---|---|---|---|---|---|
| SMF | 无 | 0.36 ± 0.10 | 1.40 ± 0.30 | 1.05 ± 0.22 | 0.21 ± 0.08 | 0.780 ± 0.14 |
| MH-SMF | 中温热处理 | 0.31 ± 0.09 | 1.18 ± 0.26 | 0.69 ± 0.17 | 0.20 ± 0.07 | 0.625 ± 0.12 |
| V-SMF | 惰性共混+玻璃化 | 0.11 ± 0.04 | 0.32 ± 0.10 | 0.18 ± 0.07 | 0.10 ± 0.04 | 0.185 ± 0.05 |
经450 °C中温热处理后得到的MH-SMF样品中,Im、Il和Is分别降至约0.31、1.18和0.69,对应RSPI为0.625 ± 0.12,证明中温热处理通过消除部分表面有机相和细小团聚结构,对RSP活性具有明显削弱作用(Alvarez et al., 2015)。CC-SMF样品在轻度酸/碱调控与CaHPO4·2H2O诱导的钙相重构之后,Il与Is进一步降至约1.03和0.72,RSPI降至约0.578,表明局部相组成和界面结构的调整有效破坏了“高Ca-高Cl-富碳”连续表面环境,对记录扰动型和迁移扰动型RSP的抑制程度优于单纯中温热处理。惰性共混+玻璃化得到的V-SMF玻璃渣样品中,各子指数均显著低于SMF,Im仅为0.11 ± 0.04,Il和Is分别为0.32 ± 0.10和0.18 ± 0.07,对应RSPI约0.185,已接近普通灰渣基线水平,说明通过高硅玻璃网络将RSP颗粒嵌入非晶结构中,在散装封存条件下几乎可以视为完成了RSP活性的工程去除。
为了评估上述预处理与实际封存工艺联用时对封存扰动型RSP的影响,本研究进一步将SMF、MH-SMF、CC-SMF及V-SMF玻璃渣分别掺入水泥基固化体系,制备边长为50 cm的正方体混凝土块并在30 d标准养护后封存,再次进行RSPI测试,结果见表6。
表6:不同固化处理后样品在30 d封存条件下的RSPI及子指数(平均值±标准差,n=5)
| 样品 | 处理方案 | Im | Il | Is | Ic | RSPI |
|---|---|---|---|---|---|---|
| SMF固化 | 无 | 0.34 ± 0.09 | 0.39 ± 0.11 | 0.00 ± 0.00 | 0.67 ± 0.14 | 0.353 ± 0.08 |
| MH-SMF固化 | 中温热处理 | 0.23 ± 0.07 | 0.33 ± 0.10 | 0.00 ± 0.00 | 0.53 ± 0.12 | 0.274 ± 0.07 |
| V-SMF固化 | 惰性共混+玻璃渣包覆 | 0.09 ± 0.04 | 0.16 ± 0.06 | 0.00 ± 0.00 | 0.21 ± 0.06 | 0.117 ± 0.03 |
在该组实验中,混凝土本身既作为固化基体,又作为封存容器,因此封存完整性偏差指数Ic反映的是固化体自身的结构演化。可以看到,SMF固化样品中Ic达到0.67 ± 0.14,明显高于散装状态下的0.21 ± 0.08,对应RSPI为0.35 ± 0.08,说明在不施加外载的条件下,固化体内部结构在30 d内出现了早于普通水泥固化对照的微裂纹或界面劣化。经过中温热处理后再固化的MH-SMF固化样品中,Ic降至0.53 ± 0.12,RSPI降至0.27 ± 0.07,表明热处理在一定程度上降低了固化体内部RSP驱动的微结构演化速率。CC-SMF固化样品中Ic进一步降至0.40 ± 0.10,RSPI为0.21 ± 0.06,显示化学调控与钙相重构不仅削弱了散装状态下的记录扰动型和迁移扰动型RSP颗粒活性,也对固化体内部的封存扰动型RSP有更为明显的抑制作用。对于V-SMF玻璃渣,本身已处于致密非晶态,RSP难以在其中形成连续通路,本研究在少数样品中额外进行了水泥基包覆固化试验,所得V-SMF固化样品的Ic虽由散装状态的0.10 ± 0.04升至0.21 ± 0.06,但绝对值仍处于较低水平,RSPI为0.12 ± 0.03,可视为在固化封存条件下基本维持了玻璃渣本身的低RSP活性水平。
另外,固化体样品的空间再分布偏差指数Is均为0.00,表明在30 d静置周期内未检测到可分辨的宏观再分布现象。与散装封存状态相比,固化后各样品的编号一致性偏差指数Il均有所下降,而封存完整性偏差指数Ic成为影响RSPI的主要因素。未经预处理的SMF固化样品Ic最高,为约0.67;经中温热处理和化学调控—钙相重构后,Ic分别降至0.53 ± 0.12和0.40 ± 0.10;V-SMF固化样品Ic最低,为0.21 ± 0.06。总体而言,三类预处理均可改善固化封存条件下的RSPI表现,其中惰性共混+玻璃化路线的效果最为显著,其RSPI为0.117 ± 0.03。
4 讨论
4.1 目前对RSP颗粒进行永久处置的局限性
Site-CN-19现行AWI飞灰处置体系主要包括三类路径:经简单处理后由搭载SRA的专用车辆转运至外省地下储存设施、通过发射方式转移至深空,以及在福建本地搭载SRA的仓库内长期储存。上述路径均可在一定程度上将飞灰与常规环境及人员活动空间隔离,但其并做不到将飞灰中的异常残余稳定化。从常规危险废物工程角度看,稳定化、固化、异地地下封存及远距离隔离通常通过降低污染物浸出性、限制迁移路径和延长环境接触时间来实现风险控制。但RSP颗粒可在常规理化性质基本稳定的条件下持续产生低强度扰动,其作用对象同时包括物料本身、包装容器、编号标签、数据库记录及封存设施的结构界面(Havel et al., 2013)。因此,常规处置体系即使满足重金属、盐分和扬尘控制要求,也不代表其能够维持长期物料追溯、储存位置确认和封存完整性验证。
如3.1节结果所示,RSP风险并非均匀分布于全部灰流中,BFF和MF尤其表现出较高的编号一致性偏差与空间再分布偏差。若在未进行RSP识别和分级的情况下将各类灰分统一简单处理后进入永久处置链条,低活性灰与高活性灰的差异将被掩盖,造成高RSP活性批次随低活性批次飞灰一并转运、储存或发射的可能性。
单纯水泥基固化同样不能被视为RSP飞灰的充分去活化措施。表6显示,原始SMF在固化后,空间再分布偏差指数Is降至0,编号一致性偏差指数Il有所下降,但封存完整性偏差指数Ic由散装状态下的0.21 ± 0.08升至0.67 ± 0.14。这说明水泥基体能够在短期内约束颗粒的宏观移动,并削弱RSP与外部标签和记录系统的直接作用。但对于未预处理的RSP颗粒,扰动可能转而集中于水泥水化产物界面、局部孔隙和微裂纹扩展等固化体内部结构过程。因此,若将原始MF或仅经简单处理的高RSPI飞灰直接固化后永久封存,处理过程可能只是将风险由可见的操作与记录偏差转换为较难直接察觉的结构完整性偏差。在长期储存条件下,一旦固化体发生界面脱粘、微裂纹累积或容器内局部劣化,常规封存体系对其初期识别和因果追溯均可能受到RSP本身的信息扰动影响。这种处理后表观稳定但长期验证能力下降的情形,是RSP飞灰区别于普通危险飞灰的关键处置难点。
异地地下封存虽然能够提供更强的地理隔离和人为活动隔离,但不能自动消除飞灰在转运、入库和长期管理过程中的RSP风险。以目前和Site-CN-19建立长期合作的甘肃地下储存设施为例,飞灰在离开Site-CN-19前仍需经历分装、称量、包装、车辆交接、运输记录、入库核验和库位登记等多个信息密集型环节,而质量一致性与编号一致性偏差恰是高RSPI飞灰最显著的表现形式。若未经充分去活化,长距离运输会增加批次记录链条长度,使局部的低强度偏差更容易累积为物料身份、位置或责任追溯上的系统性不确定性。
深空发射具有最强的物理隔离能力,但其不可逆性也使其不适合作为未经验证的原始RSP飞灰的常规处置手段。对于普通危险组分而言,发射后远离地球环境可降低接触和泄漏后果。但对于仍具有显著现实扰动活性的飞灰,发射前的装载、载荷核对、发射清单和轨道确认仍依赖完整的物料信息链。更重要的是,一旦高RSPI批次在发射后被确认存在任何异常,后续几乎不具备任何回收复核或补救条件。因此,深空处置的适用前提应是材料已完成充分去活化,而不是将深空距离本身作为替代去活化的手段。
福建本地搭载SRA的仓库可以避免长距离转运和发射过程中的额外交接环节,并为后续复检、再处理或重新包装保留操作可逆性,但其安全性高度依赖SRA的持续供电与设备状态。若原始AWI飞灰仅依靠SRA场维持稳定,则仓库实际上承担的是长期主动抑制功能,而非以材料自身稳定性为基础的被动封存功能。此类方案将处置安全集中绑定于供电系统、设备冗余、维护能力和长期监测记录,一旦SRA输出中断、下降或产生监测盲区,未被去活化的RSP颗粒可能重新影响容器、固化体和信息管理系统。
由上述分析可知,现有三类永久处置路径的主要局限在于其均无法替代对RSP活性的源头削弱。地下封存侧重地理隔离,深空发射侧重物理移除,本地SRA仓库侧重主动稳定化,但三者若接收原始高RSPI飞灰,均会保留不同形式的长期障碍。需要指出的是,本研究中所有RSPI数据均基于30 d观察周期。该时长足以捕捉AWI飞灰在工程操作中的短期至中期RSP行为,但无法直接外推至数十年至百年尺度的永久处置场景。对于拟进入地下封存或深空发射的批次,建议Site-CN-19建立长期留样监测试点,在1年、5年和10年等节点进行RSPI复测,以验证去活化效果的持久性。
4.2 基于RSPI分级的Site-CN-19推荐处理与处置路线
本研究的实验结果表明,Site-CN-19 AWI飞灰不宜采用统一的简单处理后直接永久处置模式,而应以处理前后的RSPI及其子指标构成为核心依据,建立完整分类讨论的处置流程。
如3.1节与表4所示,BFF是RSP颗粒的主要富集灰流(RSPI = 1.115 ± 0.21),其Il和Is远高于BCF和SDF。因此,站点应维持BCF、SDF和BFF的独立收集、独立储存和独立批次编号,至少在完成初始RSPI测试前,不宜将BFF与其他灰流按常规比例直接混配。
对于RSPI较低、且Il、Is和Ic均未表现出显著异常的BCF、SDF或低活性混合灰,可采用化学调控与钙相重构后再进行水泥基固化的处理路线。CC-SMF在散装封存条件下的RSPI为约0.578,低于原始SMF的约0.780和MH-SMF的约0.625。在固化后,CC-SMF的RSPI进一步降至0.212 ± 0.06,且Ic降至0.40 ± 0.10,均优于MH-SMF固化的0.274 ± 0.07和0.53 ± 0.12。该结果表明,化学调控与钙相重构能够在一定程度上削弱RSP所依赖的高Ca-高Cl-富碳界面环境,并降低固化体内部的残余结构扰动(Chen et al. 2017; Kim et al., 2018)。但CC-SMF固化后的RSPI仍高于V-SMF固化后的0.117 ± 0.03,且其Ic仍明显高于玻璃化路线。因此,化学调控与钙相重构应被定位为低至中等RSP活性批次的减缓和稳定化措施,而不宜被视为高活性飞灰的最终去活化工艺。对于采用该路线的批次,建议在固化养护完成后重复进行3次及以上的RSPI测试,并以质量、实体标签、封签影像和数据库记录的多重核验作为进入长期储存或跨区域运输前的必要条件。
对于BFF和高RSPI混合灰,以及拟进入不可逆或难以重新取回的永久处置环节的批次,推荐采用惰性共混与玻璃化为核心的深度去活化路线(Iwasaki et al., 2018)。V-SMF在30 d散装封存条件下的RSPI为约0.185,远低于MH-SMF的约0.625和CC-SMF的约0.578。玻璃化产物经水泥基包覆后,RSPI进一步降至0.117 ± 0.03,Ic仅为0.21 ± 0.06。该结果说明玻璃化不仅能够降低RSP的记录扰动和空间再分布效应,也能够显著减弱其在后续固化体中诱发结构完整性偏差的能力。从机理上看,玻璃化路线通过高硅组分共混和高温熔融,将原始飞灰中高Ca-高Cl-富碳的细颗粒表面环境转化为相对连续、致密的非晶玻璃网络(Kim et al., 2018)。因此,V-SMF较低的Im、Il、Is和Ic具有一致性,表明玻璃化后的残余扰动在材料外部管理与内部结构两个层面均得到相对稳定的控制。
在终端处置的匹配上,本研究不对甘肃地下储存、深空发射和福建本地SRA仓库进行绝对优劣排序,因为本研究未对三类路径开展全流程事故模拟、长期性能验证或经济性比较,Site-CN-19也不存在任何有关这三类路径的AWI飞灰后处理管理条例。对于经处理后RSPI得到降低,但仍需继续观测或具备再次处理可能性的低至中等活性批次,可优先在福建本地搭载SRA的仓库中进行阶段性储存。该路径可避免在残余RSP活性尚未完全明确时引入长距离转运和不可逆处置,同时为后续复测、再包装及进一步玻璃化保留条件。本地仓库的SRA应发挥补充抑制与监测保障作用,而不能替代材料去活化(Doss et al., 2016)。因此,该类批次仍需保留可交叉核验的独立容器编号、实体标签与影像档案,并建立与SRA运行状态相互独立的数据备份系统。
对于已完成玻璃化、经固化包覆或满足包装要求、且复核后RSPI维持低水平的批次,可作为进入甘肃地下储存设施的主要候选物料。该路线更适合物理形态稳定、常规污染物控制指标合格、批次信息闭环完整的玻璃化产物。其前提是Site-CN-19在外运前完成称量、封签、影像、容器编号和电子记录之间的一致性核验,并在到达地下设施后进行独立复核。这些措施的目的在于降低RSP残余活性可能对运输交接和库位追溯造成的影响。
深空发射可保留给体积相对较小、RSPI偏高、经玻璃化后仍被判定不适宜长期保留在地球收容体系内的特殊批次,但不应作为一般AWI飞灰的常规终端路线。对深空处置候选批次,应在发射前完成至少一次独立RSPI复测、载荷质量复核和容器-舱位-发射清单的交叉核验,以确保发射系统的不可逆性建立在已充分完成材料去活化和信息确认的基础之上。
基于上述分析,对Site-CN-19推荐的总体路线如图5所示:将RSPI较低的灰流或经化学调控后达到可接受残余水平的批次,固化后纳入本地SRA仓库复核的可逆管理体系。将高RSPI批次和拟进行长期、跨区域或不可逆处置的批次,优先转化为V-SMF并完成后续包装或包覆固化,最终再依据处理后RSPI、固化体状态、常规污染物控制表现和信息链闭合程度,在地下储存与深空发射之间选择终端去向。
图5:基于RSPI分级的Site-CN-19 AWI飞灰处理与处置决策流程

本研究采用的中温热处理(10 °C·min-1)和玻璃化(15 °C·min-1)升温速率适用于实验室小型电阻炉和坩埚规模。在工业放大场景中,受炉膛热惯性和装料量限制,实际升温速率通常为2-5 °C·min-1,保温时间也需相应延长。建议Site-CN-19或后续推广设施在工程化实施前以工业级设备进行放大验证。
4.3 Site-CN-19专门化处理思路对其他AWI设施的意义
本研究以Site-CN-19为例提出的RSP颗粒工程化处理框架并不代表各个站点间通用的操作规程,但构建了一套可在不同AWI设施之间迁移的管理和处理方法论。有关RSPI的思路对于所有需要长期管理异常飞灰或残渣的AWI设施都有普遍价值,因为它将RSP的复杂表现转化为可以与实际处置流程一一对应的可观测量。
在RSPI构建中,权重wm,wl,ws,wc是根据Site-CN-19当前以桶装临时封存、少量外部转运和深空发射为主的处置结构设定的,其中质量一致性和编号一致性被赋予较高权重,空间再分布和封存完整性偏差权重稍低。这一权重组合反映的是特定站点在现阶段对不同偏差类型的相对敏感度,而不是适用于所有AWI设施的固定参数。对于以深部地下封存或长期结构封存为主的站点,Ic和Il的重要性可能需要提高;对于高度依赖跨站点转运和深空发射路径的站点,Im和Ic可能应获得更高权重。各站点在引入RSPI框架时,应基于自身处置路径、监测能力和事故记录重新校准权重,而不是直接套用适用于Site-CN-19的数值。
Site-CN-19的AWI飞灰批次数据表明,末端袋式除尘器飞灰BFF及以其为主组成的混合灰MF是RSP颗粒的主要赋存载体,其RSPI显著高于锅炉冷端灰BCF和脱酸残渣灰SDF。这一结论在其他具备类似烟气净化工艺的AWI设施中具有一定可推广性,即高细颗粒、高盐、高Ca相与富碳碎屑共存的末端除尘灰流往往是RSP颗粒的优先附着环境,因此在初始RSP筛查和后续专门化处理设计中应获得更高优先级。其他站点可参考Site-CN-19的做法,对不同烟气净化单元飞灰进行分流采样、独立编号和RSPI测试,以识别本设施中高RSP灰流的具体位置和构成。
去活化策略对比的结果显示,玻璃化路线在Site-CN-19条件下效果最佳,但这一结论并不意味着其他AWI设施必须以玻璃化作为唯一或绝对优先手段。不同站点的燃料结构、异常物品谱系、飞灰产量、能耗约束与高温设备可用性存在差异,可能使玻璃化在某些场景下成本或技术门槛过高(Bielak & Kerr, 2019; Okada et al., 2022)。RSPI框架的价值在于它允许各站点在不同预处理路线之间进行可量化比较,并在散装与固化两类封存条件下评估去活化程度,而不是简单以对单一路径做出“最安全”的静态判断。
对于资源有限或当前仍处于RSP颗粒处理起步阶段的AWI设施,可参照Site-CN-19的分级思路,先在现有常规处理路线基础上引入RSPI测试,识别RSPI最高的飞灰批次和工艺单元,再针对这些对象试运行可行的专门化后处理路线,并依据各子指数的变化逐步筛选适合本设施的去活化组合(Bielak & Kerr, 2019; Iwasaki et al., 2018; Okada et al., 2022)。
如4.2节对Site-CN-19的分析所示,材料去活化应在终端路径选择之前完成。其他AWI设施即使终端处置策略不同,也应将RSPI分级和去活化决策纳入处置前环节,而非仅作为事后补救。
最后,本研究为其他AWI设施提供了一种在基金会技术语境和环境工程语境之间建立桥梁的示范。通过引入RSPI、对不同预处理路线进行量化比较,并在散装与固化两种封存情景下验证RSP残余活性,本研究说明了如何将异常效应转化为可通过工程手段识别和管理的对象。其他AWI设施若能在本地条件下构建类似框架,将有助于基金会在跨站点层面建立更统一、可量化的异常飞灰处置标准,从而降低长周期运行中的隐性偏差累积为系统性事故的可能性。
5 结论
本研究证明,Site-CN-19 AWI飞灰在常规理化性质上与典型MSWI飞灰相似,整体呈高Ca、高Cl、强碱性和高盐分特征,但其中普遍存在的RSP颗粒无法通过单一元素或矿物相直接识别,需采用结合显微赋存环境和操作偏差的工程定义以及RSPI综合指数进行量化评价。
对不同批次飞灰的RSPI检测结果显示,RSP风险主要集中于末端袋式除尘器飞灰BFF及以其为主组成的混合灰MF,而锅炉冷端灰BCF和脱酸残渣灰SDF仅表现出接近普通危险飞灰水平的轻度偏差。这表明高细颗粒、高盐分、高Ca相与富碳碎屑共存的末端除尘灰流是RSP颗粒的优先附着环境,也是后续专门化处理资源应当重点配置的对象。在后处理方面,中温热处理和化学调控+钙相重构可不同程度削弱飞灰的RSP活性,但惰性共混+玻璃化在散装和固化两类封存情景下均将RSPI降至接近普通灰渣基线,是本研究条件下效果最显著的去活化路线。相应地,单纯水泥固化虽可抑制短期宏观再分布,却无法消除固化体内部结构完整性偏差这一由RSP残余效应驱动的长期风险。
结合Site-CN-19正在使用的处理路径和现有的三种最终处置方案,本研究认为任何永久处置方案都不能替代对RSP颗粒的源头识别与去活化,终端路径选择应建立在处理后RSPI显著降低、固化体结构完整性可验证及物料追溯链条闭合的前提之上,而非仅依赖处置距离、封存深度或SRA配置作为异常飞灰的安全保障。这一结论不仅对Site-CN-19的AWI飞灰管理具有直接指导意义,也为其他AWI设施提供了一个在基金会技术语境和环境工程语境之间转换的定量框架,即通过RSPI分级识别高RSP灰流,比较不同预处理路线在散装与固化两类封存情景下的去活化效果,再在此基础上设计适合各站点处置结构的终端路径组合,以降低长周期运行中的隐性偏差累积为系统性事故的可能性。
作者贡献
EnchGoldenApple:方法论构建,实验设计与实施,数据分析,初稿撰写,审阅和编辑,格式修订。Day By Die:研究方向设计,实验设计,审阅和编辑,监管和指导。All things are one:实验实施,数据分析,审阅和编辑。chenhr:审阅和编辑,格式修订。所有作者均已阅读并同意发表稿件的最终版本。
资金来源
本研究获得了来自Site-CN-19和Site-CN-21的联合研究经费支持,资助编号为CN19-9927500197748150。本研究获得了来自Site-CN-91的研究经费支持,资助编号为CN91-267591083457981X。另本研究部分工作由通讯作者day by die管理的站点主管研究经费予以支持。
数据可用性声明
本研究相关的所有数据均储存于Site-CN-19加密数据库中,若需取用,请联系通讯作者Day by Die申请查阅。
致谢
作者感谢Site-CN-19的AWI设施运行团队在飞灰采样与封存管理方面提供的支持,以及隶属于Site-CN-19环境工程与资源回收研究所的材料与环境分析实验室在XRF、XRD、SEM-EDS和ICP-OES/MS表征及日常实验条件方面的持续协助。作者亦感谢Site-CN-21、Site-CN-36和Site-CN-507的AWI设施技术部门提供的运行数据与现场观察记录。作者感谢JFR-EE编辑部及各位审稿人对稿件提出的建设性意见。
利益冲突
作者声明不存在任何已知的利益冲突。
致敬
本研究所使用的现实稳定控制技术均建立在罗伯特·斯克兰顿博士及其同事奠定的现实稳定化理论与工程实践之上。作者谨向为现实稳定化研究及基金会安全运行作出不可替代贡献、并在相关研究中献身的罗伯特·斯克兰顿博士致敬。
参考文献
Alvarez, C. M., Bhatt, S. R., Solheim, E., & Kade, L. P. (2015). Microstructure evolution of high‑chloride fly ash under medium‑temperature conditioning. ''Anomalous Materials and Processes, 9''(3), 201–224.
Bielak, Z., & Kerr, A. F. (2019). Vitrification pathways for multi‑source hazardous fly ash: Energy and retrofit constraints in compact facilities. ''Journal of Contained Hazardous Residues, 14''(2), 73–104.
Chen, Q., Voronina, E., Hale, D. R., & Xue, M. (2017). Calcium phase reconstruction as a stabilisation route for reality‑active particulates in heterogeneous ash matrices. ''Environmental Anchor Engineering, 2''(1), 55–82.
Duarte, J. L., Okafor, N., & Varga, T. S. (2014). Label integrity failures in high‑entropy storage arrays: Statistical signals of record‑level perturbations. ''Information Stability Review, 6''(4), 189–214.
Doss, P. E., Marek, S. L., Iliev, R. N., & Sato, H. (2016). Long‑term performance of multi‑stage Scranton anchors in particulate‑rich containment lines. ''Journal of Foundation Research – Containment Systems, 12''(1), 41–69.
Fedorov, A., Singh, P., & Armitage, R. C. (2021). Spatial redistribution of fine particulates in weakly anchored containment cells. ''Journal of Anomalous Process Safety, 11''(1), 33–59.
Gutiérrez, M. D., Holm, T., & Brenner, E. J. (2012). Scranton‑type anchor fields for baseline restoration in low‑intensity drift environments. ''Reality Control Engineering, 8''(2), 101–129.
Hao, L., & Nassar, Y. (2023). Comparative fly ash speciation in anomalous and municipal solid waste incinerators. ''International Journal of Anomalous Waste Management, 4''(3), 215–244.
Havel, I. K., Marrow, T. M., Ilyin, V. P., Okonkwo, S., & Pereira, L. A. (2013). Emergent reality‑stability perturbing particulates in anomalous combustion residues. ''Journal of Foundation Research, 21''(4), 233–261.
Iwasaki, R., Luo, J.‑Y., Bennett, C. H., & Ghose, A. (2018). Process‑integrated mitigation of low‑grade reality drift in anomalous waste incineration systems. ''Journal of Foundation Research – Environmental Engineering, 3''(2), 97–122.
Kim, S.‑H., Petrov, I., & Al‑Masri, F. N. (2018). Chloride‑rich micro‑domains and carbonaceous inclusions in bag filter fly ash. ''Microscale Residue Analysis, 7''(1), 27–52.
Li, Z., Rasmussen, J., Osei, K. B., & Král, V. (2016). Engineering responses to cumulative containment reliability degradation in ash disposal chains. ''Systems Design in Confinement Engineering, 10''(3), 167–195.
Morozov, D., Tan, K.‑L., Elwood, P. N., Iqbal, S., & Renard, J. M. (2011). Multi‑cycle perturbation testing protocols for particulate anomalies in storage environments. ''Containment Testing Quarterly, 3''(2), 89–118.
Okada, Y., Flores, A. G., Yuen, C. W., & Sakellariou, N. (2022). Energy‑feasible retrofits for vitrification units treating high‑RSP fly ash streams. ''Applied Thermal Anomaly Engineering, 5''(4), 301–329.
Riemann, L., Chao, N., Velez, R. T., & Hsu, P.‑K. (2020). Composite indices for quantifying micro‑scale reality perturbations in engineered treatment trains. ''Journal of Foundation Research – Applied Metrics, 5''(3), 145–176.
Zhang, K., Xue, Y., Liu, D., Zhao, J., Sibhat, M., & Tong, Y. (2025). Optimizing Chloride and Calcium Ion Extraction from Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash from Zhoushan, China: Effects of Leaching Conditions and Industrial Applications. ''ChemEngineering, 9''(1), 6. [http://doi.org/10.3390/chemengineering9010006]
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