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一、 技術研發背景（1 1 ）近年來我國垃圾焚燒飛灰產生量快速大幅增長，處置能力嚴重不足隨著我國經濟的快速發展和人民生活水平的提高，生活垃圾產生量大幅增加，年產生垃圾量約為 2.5 億 t，占世界總量的 1/4，相當長一段時間內還將以每年8%-10%的速度增長。目前我國垃圾焚燒飛灰的處置受場地和技術的制約越來越嚴重，局部地區已出現不能及時安全處置或處置成本過高而不能維持運行的尷尬局面，并嚴重阻礙了這部分地區生活垃圾處置由傳統填埋向焚燒發電的轉型。（2 2 ）垃圾焚燒飛灰屬于危險廢物，需得到妥善處置根據《國家危險廢物名錄》，垃圾焚燒飛灰屬于危險廢物。垃圾焚燒飛灰對環境和人類生活的危害在于其重金屬不能依靠水體和土壤自身的凈化作用消除，只能遷移。由于重金屬容易在生物體內聚積，隨著時間的推移，當重金屬在生物體內積聚到一定量以后就會導致生物體畸形或導致突變，甚至生物體死亡。重金屬對人體的另一危害途徑是通過食物鏈傳遞。例如，生活在重金屬含量較高環境下的魚、蝦體內會富集重金屬，一旦這些食物被人體攝入，經過一段時間的積累，就會對人體健康造成極大的危害。特別是發生在日本的由汞污染引起的“水俁病”和由鎘污染引起的“骨痛病”事件、以及在歐洲陸續發現的由重金屬污染導致的一系列公共衛生健康問題，都使重金屬污染引起人們廣泛的關注。垃圾焚燒飛灰中的二噁英是一種非常穩定的親脂性固體化合物，可溶于大部分有機溶劑，容易在生物體內積累。二噁英的污染具有持久性、脂溶性和蓄積性等特點。未來隨著垃圾焚燒飛灰產量的快速增加，如果不能妥善解決無害化處置垃圾焚燒飛灰的問題，不但會制約垃圾焚燒產業的健康發展，同時會對該地區的環境造成嚴重影響。（3 3 ）垃圾焚燒飛灰的處置問題已經受到了國家相關部門的高度重視2016 年 10 月，國家住建部、發改委、國土部、環保部聯合發文《關于進一步加強城市生活垃圾焚燒處理工作的意見》（簡稱《意見》），意見提出在生活垃圾設施規劃建設運行過程中，應當充分考慮垃圾焚燒飛灰處置出路，鼓勵跨區域合作，提出“推進區域性垃圾焚燒飛灰配套處置工程建設”，統籌生活垃圾焚燒與垃圾焚燒飛灰處置設施建設，并開展垃圾焚燒飛灰資源化利用技術的研發與應用。（4 4 ）北京地區的垃圾焚燒飛灰處置問題十分迫切截止至 2017 年底北京市已建成并投產 5 座垃圾焚燒廠：魯家山垃圾焚燒廠、高安屯垃圾焚燒廠、海淀大工村垃圾焚燒廠，順義垃圾焚燒廠，南宮生活垃圾焚燒廠，2018 年北京市正在加緊推進建設阿蘇衛、通州、順義二期、密云、懷柔 5處垃圾焚燒廠，按照規劃到“十三五”末，北京市垃圾焚燒飛灰年產生量將達35 萬噸以上，目前北京市的垃圾焚燒飛灰處置方式主要為水泥窯協同處置和制備陶粒資源化利用，這兩種處置方式的消納能力無法滿足北京市的需求，垃圾焚燒飛灰無害化處置迫在眉睫。基于以上現狀，研發團隊開發出了一種可安全并大規模資源化利用垃圾焚燒飛灰的新技術?——深部膠結充填采礦協同資源化利用垃圾焚燒飛灰技術。二、技術原理（1 1 ） 全固廢充填料強度形成機理膠結充填采礦協同資源化利用垃圾焚燒飛灰技術充分利用了“硅的四配位同構化效應”和“復鹽效應”。鈣礬石（Ca 6 Al 2 (SO 4 ) 3 ·(OH) 12 ·26H 2 O）是普通水泥混凝土中最常見的復鹽礦物，也是大部分地下采礦膠結充填硬化體中最常見的復鹽礦物。鈣礬石的溶度積常數為 1.1*10-40 。本項目組的前期研究結果表明，鈣礬石在水中的飽和鋁離子濃度比水淬高爐礦渣微粉在水中的飽和鋁離子濃度低10 倍以上。因此在有足夠 Ca2+ 、OH - 和 SO42- 離子供給的體系中，鈣礬石的結晶將能持續促進水淬高爐礦渣微粉中的鋁氧四面體從礦渣的玻璃體網絡中體解出來，從而促進礦渣中較高聚合度的硅-鋁氧四面體的鏈接被破壞，形成大量的活性硅氧四面體或硅氧四面體團，為發生硅的四配位同構化效應或形成 C-S-H 凝膠奠定基礎。其中鋼渣主要為膠凝體系要提供 Ca2+ 、OH - 和少量硅氧四面體。而鋼渣中的 Mg2+ 和 Fe 2+ 在膠凝體系中起到與 Ca 2+ 類似的作用。較大量的脫硫石膏主要為體系提供源源不斷的 Ca2+ 和 SO42- 。垃圾焚燒飛灰的主要成分為垃圾焚燒后產生的無機物和重金屬等，當煙氣凈化采用干式或半干式反應法時，另含有一些反應生成物（如 CaCl 2 、CaSO 4 ）和部分未完全反應的 Ca(OH) 2 等物質。可為膠凝體系提供大量的 Ca2+ 、OH - 和 SO42- 。同時垃圾焚燒飛灰中有含量較高的 Cl- ，在礦渣水化過程中會形成含氯水化產物水化氯鋁酸鈣，氯鹽在礦渣水化過程中會形成 NaOH 等堿性物質，提高液相堿度，促進礦渣水化的進一步進行。（2 2 ）重金屬固化的機理膠結充填采礦協同資源化利用垃圾焚燒飛灰技術在膠凝材料的水化過程中實現了對垃圾焚燒飛灰中重金屬的固化，膠凝材料的主要水化產物為鈣礬石、C-S-H 凝膠和類沸石礦物等，幾種產物對該體系固化重金屬均有貢獻。重金屬元素能夠以類質同象的方式進入鈣礬石的晶格而被固化，而 C-S-H凝膠具有很強的吸附重金屬的能力。另一方面，以砷菱鉛礬-砷鉛鐵礬類復鹽礦物（(Pb, H+ )(Al 3+ , Fe 3+ , Fe 2+ )3 (SO 42- , AsO43- )2 (OH) 6 ）為代表的含砷鉛礬類復鹽礦物也可以在砷、鉛化合物的參與下快速消耗溶液中的 Al3+ 、Fe 3+ 、Fe 2+ 、OH - 和 SO42-等離子，因此也能促進體系中礦渣微粉、鋼渣微粉和脫硫石膏的消耗，這類復鹽在水中的溶解度極低。在較高 pH 值條件下，這類復鹽的結晶可以使砷和鉛在水中的濃度都達到飲用水的標準。近些年的研究結果還表明，砷和鉛可以進入類沸石相的水化硅鋁網絡體中平衡電荷，或作為網絡體骨干的一部分而被高度固化。（3 3 ）二噁英固化的機理二噁英（dioxin，DXN），化學名為二氧雜環乙烷，標準狀態下一般呈白色固體，無色無味；熔點約為 303～305℃，當溫度達到 705℃以上時開始分解；難溶于水，美國環保局（US EPA，1900）推薦 2，3，7，8—TCDD 的水溶解度為 19.3ng/L，易溶于有機溶劑和脂肪；二噁英的蒸氣壓很低，大致為 8.3×10-13 ～4.8×10 -8 mmHg，一般隨取代氯原子數目的增加而降低，在大氣環境中超過 80%的二噁英分布在大氣顆粒物中。大部分的二噁英在生物體內不易被代謝，具有生物蓄積與生物放大作用。現行的垃圾焚燒技術的爐內溫度可以達到 850℃～900℃，絕大部分二噁英已經被分解，加之二噁英具有極低的溶解度和飽和蒸汽壓和極高的脂溶性，所以垃圾焚燒飛灰中二噁英通過溶解于水中和揮發傳播的比例很小，只可能通過隨垃圾焚燒飛灰顆粒進入土壤和水環境以造成污染，本技術通過物理包裹的方法斷絕了其污染傳播途徑，具體為礦渣基膠凝材料-垃圾焚燒飛灰水化反應所形成的固化體系中含有大量的 C-S-H 凝膠，其緊致的結構可降低整體固化體的滲透性，把含二噁英顆粒包裹固定其中。

南京師范大學課程資源研究所是專門從事省地市級、社區科普教育資源、中小學、幼兒園和大學課程教學資源研究、開發與應用的研究機構。下設科普教育資源研究室、自動測量與控制工作室、物理課程資源研究室、化學課程資源研究室、生命科學課程資源研究室和教育科學課程資源研究室，并有17000平方米的研制生產基地。研究所有一支由南京師范大學的專家教授帶領的50多人的技術研發團隊，先后承擔了教育部“高等師范教育面向21世紀教學內容和課程體系改革計劃”和 “新世紀教育教學改革工程”等各類教育教學改革研究項目30多項，30多位老師參加了新課程標準的制定和新教材的編寫工作。研究所成立以來，累計已經獲得了50多項教育技術產品發明專利，在科普教育資源和課程教學資源研究、開發與應用等研究領域形成了明顯的優勢。 　　南京師范大學課程資源研究所可提供的系列教育產品有：科技館、科普館、科技創新實驗室、科學探究實驗室、數字化實驗室、通用技術實驗室、機器人實驗室、航天航空科普館、航天航空科技館、地震科普館、地震科技館、安全教育科普館、安全教育科技館、交通安全科普館、交通安全科技館、消防科普館、消防科技館、幼兒園科學發現室、農業科普館、社區科普館、社區科技館、壁掛式科技館、科普大篷車、示范性綜合實踐基地、綜合實踐活動室、生命健康科普館、低碳環保科普館、軍事教育科普館、兒童樂園。 　　研究所研制的系列教育產品已推廣應用到了全國各省市5000多家學校和科普場館，建立了廣泛的用戶群。南師大系列產品以其卓越的性能成為同類品牌中的佼佼者，正受到越來越多的學校和科普場館的關注。 　　序號儀器名稱單位數量 　　1一度電的意義套1 　　2霧霾的形成與危害套1 　　3都江堰水利工程套1 　　4沼氣的利用模型套1 　　5水處理演示系統套1 　　6PM2.5模擬與檢測體驗套1 　　7健身發電,腳踏發電套1 　　8墻體保溫套1 　　9我要低碳套1 　　10生存危機套1 　　11溫室氣體套1 　　12水土保持演示儀套1 　　13新能源小屋套1 　　14大自然的眼睛套1 　　15地球碳庫套1 　　16環保知識互動搶答系統套1 　　17垃圾分類實驗儀套1 　　18舊衣物處理套1 　　19把太陽光引到家套1 　　20抽水儲能套1 　　21食品巧加工套1 　　22節能用水方法.套1 　　23節能燈PK普通燈套1 　　24環境監測與保護系統套1 　　25垃圾填埋處理場模型套1 　　26環保低碳小屋套1 　　27雨水收集與濕地保護模型套1 　　28地球村的“碳”危機套1 　　29自然界的“碳”循環套1 　　30新能源綜合展示模型套1 　　31發電塔套1 　　32飛輪儲能套1 　　33廢棄物分類與回收套1 　　34風光互補發電套1 　　35太陽能熱水器套1 　　36污水源地源熱泵原理套1 　　37旋轉屋套1 　　38壓縮空氣儲能套1 　　39合理利用清潔能源套1 　　40豐富的含碳化合物套1 　　41碳的遷移套1 　　42碳循環套1 　　43身邊的污染套1 　　44了解霧霾機套1 　　45氣候辨辨辨套1 　　46綠色之樹套1 　　47立柱式智能蔬菜種植機套1 　　48尋找低碳排放物套1 　　49碳失衡世界套1 　　50我的低碳生活妙招套1 　　51美麗的星球套1 　　52碳原子套1 　　53身邊有碳套1 　　54測你呼出的二氧化碳套1 　　55地球也發燒套1 　　56百年高碳套1

目前，城市餐廚垃圾的處理方式主要有衛生填埋和焚燒，少部分用堆肥方式處理。因存在眾多困難 與弊端，未能充分利用城市餐廚垃圾。通過生態調查，我們發現雙翅目蠅類昆蟲（大頭金蠅蛆）為餐廚 垃圾的天然優勢分解者。利用大頭金蠅蛆強大的繁殖能力和快速生長潛力，對餐廚垃圾進行高效生物轉 化，在清除餐廚垃圾污染的同時，還可得到大頭金蠅蛆（可作為畜禽養殖業的鮮活餌料或烘干后制成昆 蟲蛋白粉）和有機肥兩個優質產品，實現餐廚垃圾的百分百減量化、無害化、快捷化和高值化資源再生 利用。以每轉化100噸餐廚垃圾為例，只需5～6天，即可產出畜禽水產養殖業和有機種植業大量需求的 優質昆蟲蛋白粉約2 .5～3 .0噸(均價約2 .5萬元/噸)和有機肥約50～60噸（均價約2000元/噸），日新增產值 16.2～19.5萬元。

針對垃圾滲濾液中的COD、BOD5及氨氮濃度較高，水質水量變化大，污染物種類繁多，可生化性差的問題，研究開發的垃圾滲濾液全量化處理工藝實現了零濃縮液排放，出水水質達到《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB16889-2008)，該工藝基本不受水質水量變化的影響，自動化程度高，投資成本和運行成本為目前普遍采用的膜處理工藝的1/3。該工藝已經在渭南垃圾滲濾液處理場進行中試，取得良好效果。該工藝技術申請國家專利2項，已授權1項。

本發明公開了一種利用餐廚垃圾制備生物炭的方法，將餐廚垃圾晾曬至含水率降到10%以下后粉碎的顆粒投入碳化爐內，通入氮氣加熱，以2-10℃/min升溫至200～300℃恒溫30～60min；以5～20℃/min升溫至350～500℃恒溫1～4h；然后在缺氧條件下降溫至80℃出料；粉碎后過100目篩獲得生物炭。本發明操作簡單，制備出的生物炭比表面積大，應用于農田可改良土壤的性質，提高土壤肥力，節約農業生產成本，修復受污染土壤；減少了餐廚垃圾對環境的污染，為餐廚垃圾處置提供一條新的途徑，引領餐廚垃圾產業向低碳、可持續健康發展，具有廣闊的推廣應用前景。

本項目的產品主要用于穩定和固化垃圾發電廠鍋爐產生的飛灰中的重金屬元素，防止固化填埋后飛灰中的重金屬溶出而污染土壤和地下水環境。

在對我國城市生活垃圾焚燒飛灰污染性質全面表征的基礎上，針對其污染特點，對 飛灰穩定化處理藥劑和工藝進行了比選與實驗研究，開發了具有自主知識產權的飛灰穩 定化組合處理技術。該技術組合應用基于化學機理的穩定過程和物理機理的固化過程， 使飛灰中的重金屬轉化為具有地質化學穩定性的極低水溶性化合物，處理后飛灰污染物 濃度低于《生活垃圾填埋場污染控制標準 GB16889-2008》規定的進入衛生填埋場處置的 限值，滿足在衛生填埋場中處置的長期環境安全性要求。 基于上述發明專利工藝，通過關鍵設備的比選改進、設計和操作參數優化，本成果 實現了我國生活垃圾組成背景下的焚燒飛灰化學穩定化處理工程的長期運行，成為 GB16889-2008 標準頒布后國內首次工程應用實例，達到了飛灰無害化處理的領先水平。 與國外同類技術比較，本成果穩定化處理后的飛灰產物具有長期環境安全性、填埋 操作方便、增容比小的優勢，重金屬穩定化指標更優。工程實踐表明，飛灰穩定化處理 及后續衛生填埋處置綜合成本合計為 540 元/噸，與目前主流的飛灰固化或穩定化處理 后去危險廢物安全填埋場處置綜合成本比較，節支達 400 元/噸以上；填埋容積亦減少 20%。本成果以衛生填埋替代成本昂貴且容量十分有限的安全填埋處置，具有明顯的經 濟和環境效益。

本項目以發展完整的城市生活垃圾生態填埋處理技術體系為總體目標，主要 研究 內容：①滲濾液好氧生物預處理回灌對加速垃圾穩定化和凈化滲濾液污染的機理；②滲 濾液表面回灌覆蓋層的減量化過程及植被耐受度；③預處理回灌與表面回灌的實施技術 與環境影響控制；④內層回灌加速填埋氣體產生的模式與氣體收集利用技術；⑤滲濾液 回灌排出液凈化達標技術；⑥填埋場封場與生態化恢復技術；⑦填埋場強化導滲與防滲 結構優化技術。課題研究以集成化生態填埋技術工程示范為主要驗收依據。工藝指標為： 滲濾液內層回灌后有機污染削減 70%；表灌減量率約 50%；垃圾有機質降解與填埋沉降 穩定率提高 30%；滲濾液處理達標排放；填埋氣體具有發電利用條件。

本技術以建筑垃圾作為骨料，工業廢碴作副材料，聚苯乙烯泡沫塑料作為保溫材料，加入少量外加劑，經攪拌、成型和自然養護生產一種新型建筑垃圾復合保溫墻體材料。

滲濾液處理仍然是目前尚未徹底解決的世界性難題。本項目創新性地以礦化垃圾為 生物填料開發出了礦化垃圾生物反應床，并極其成功地用于滲濾液和畜禽廢水的高效處 理。 礦化垃圾生物反應床處理畜禽廢水時，COD 及 NH3-N、TP 平均去除率分別為 92%、95%、 99％以上，處理出水達到了現行《畜禽養殖業污染物排放標準》。礦化垃圾生物反應床 處理以生物降解為主要機制，磷在礦化垃圾介質中不積累，而是以極易沉降的污泥形式 排出。廢水中氨氮通過硝化過程去除，總氮去除率在 40－50％。研究成果在 5 個養殖場 大規模應用后，多年來一直非常穩定運行。 礦化垃圾生物反應床應用于滲濾液的處理時，能夠適應 COD 濃度和 NH3-N 濃度大幅 度的波動，抗沖擊性能強。當進水 COD 4000-11000 mg/L、NH3-N 800-1600 mg/L 的條件 下，三級出水的 NH3-N、TSS、BOD5、TP、色度、嗅味、重金屬含量等污染指標全部達到 滲濾液國家二級排放標準，三個重要指標 COD、BOD5和 NH3-N 的總去除率達到 90%、99％ 和 99%以上。機理研究表明，滲濾液中的污染物主要以生物降解過程為主，其中硝化菌 占優勢。研究成果在 11 座生活垃圾填埋場大規模應用，多年來一直非常穩定運行。與 傳統工藝相比，本工藝基建投資和運行費用分別降低 40％和 70％以上。研究成果已經 得到廣泛應用，取得明顯的效益。