《Journal of Hazardous Materials》：Reutilization of washed MSWI fly ash into sustainable alkali-activated materials: Leaching behaviors and ecological effects
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水洗飞灰与碱激发复合制备高性能材料及其环境安全性研究，通过系统评估浸出行为与生态毒性，证实重金属浸出降低99%，生物毒性显著优于未处理飞灰，建立安全评价框架。
Bowen Hu|Jingyang Gao|Lizhi Tong|Yuanxin Zhang|Jun Zeng|Longzhen Ding|Jianguo Jiang|Jinhui Li|Qing Hu
中国南方科技大学土壤污染控制与安全国家重点实验室，深圳，518055
摘要
将水洗与碱活化结合是一种有前景的策略，用于安全再利用城市固体废物焚烧灰（MSWIFA）；然而，所得材料的环境和生态安全水平仍知之甚少。在本研究中，从水洗后的MSWIFA（WFA）、煤灰、硅灰和硅酸钠合成了高性能的碱活化材料（WFA-AAMs），通过优化C-(A)-S-H/N-A-S-H凝胶网络，其28天抗压强度达到了32.17 MPa。通过短期、长期静态和半动态浸出试验以及生态风险评估和四个营养级的生态毒性生物测定，系统评估了这些材料的环境安全水平。结果表明，与WFA相比，WFA-AAMs减少了99%以上的Pb和Zn浸出量，急性危害商（HQs）始终低于1。对细菌、藻类、甲壳类动物和鱼类的生态毒性测试证实WFA-AAMs浸出液几乎没有毒性，而WFA浸出液则导致了显著的不良影响。主成分分析显示Pb是主要的毒性来源，Cl?具有协同作用。通过这项研究，建立了第一个全面的化学-生态-毒理学框架，用于评估WFA-AAMs的安全性，为其可持续应用提供了科学指导。
引言
全球每年产生的城市固体废物（MSW）已超过20亿吨[1]。焚烧因其能有效减少废物体积并实现能源回收而得到广泛应用[2]。然而，这一过程会产生含有重金属、二噁英和可溶性盐分的危险副产品——城市固体废物焚烧灰（MSWIFA），这对环境和公共健康构成严重威胁[3]。2024年，中国MSWIFA的产量超过了1000万吨，带来了巨大的处置挑战。传统的处理方法通常包括固化/稳定化后填埋[4]，[5]，但由于填埋场容量有限、长期浸出风险以及政策向循环经济和“零废物”目标的转变[6]，[7]，[8]，这些方法越来越不可持续。因此，MSWIFA的资源化利用成为实现可持续废物管理的关键途径。
在各种处置方法中，水洗被认为是一种有效的预处理方法，可以去除MSWIFA中的可溶性氯化物和某些重金属，从而减少其在下游应用中的不良影响[9]。水洗后的MSWIFA（WFA）可用作水泥窑的二次原料，或通过热处理转化为增值产品，如玻璃-陶瓷和轻质骨料[10]。然而，水泥窑对氯化物含量的限制（通常<3%）限制了WFA的掺入量[11]，且热处理过程能耗高且碳排放量大[9]，[12]。在这种背景下，开发低碳替代品变得越来越重要。由于碱性钙化合物（如Ca(OH)?）丰富且铝硅酸盐含量较低，WFA作为一种有前景的原料，可以部分替代水泥[13]，[14]。然而，过量的WFA会显著降低基于水泥的材料的强度。例如，在50%的WFA替代水平下，水泥基材料的28天抗压强度仅为20.16 MPa[15]。此外，WFA可以与工业副产品和富含铝硅酸盐的材料混合，制备成碱活化材料（WFA-AAMs）[16]。这一过程可以在常温条件下进行，从而降低碳排放，并具有显著的可持续资源回收潜力[17]，[18]。最近的研究表明，将20%的WFA与高炉矿渣、煤灰和脱硫石膏混合制备的WFA-AAMs，其28天抗压强度达到了28.1–32.5 MPa，显示出良好的应用潜力[19]，[20]。
尽管WFA-AAMs具有技术优势和低碳潜力，但由于对其环境安全性的持续担忧，其在建筑领域的应用仍然有限[9]，[21]。重金属因其高浓度和难以去除的特性，被认为是环境危害的主要来源[22]。在大多数现有研究中，学者们使用标准短期程序（<24小时）如HJ 557-2010、HJ/T 299-2007和TCLP[19]，[20]，[23]，[24]，[25]来评估WFA和WFA-AAMs中重金属的浸出行为；然而，长期环境暴露下的系统研究仍然有限。此外，当WFA-AAMs暴露在降雨或接触地表水的环境中时，微量污染物可能会渗入水生生态系统，可能影响水生生物[26]，[27]。仅依赖化学浸出数据不足以进行全面的环境风险评估；结合生态风险评估和生态毒性评估对于捕捉生物对浸出液的反应和进行代表性的风险表征至关重要。然而，据我们所知，尚未有基于SSD的生态风险评估或多营养级生态毒性评估应用于WFA或WFA-AAMs浸出液，这留下了关于其对水生生态系统实际生物影响的关键知识空白。因此，迫切需要开发一个综合评估框架，整合长期浸出特性、生态风险评估和生态毒性测试，以提供对WFA-AAMs环境安全水平的相对完整和生态相关的理解。
鉴于上述考虑，我们采用了一种常用的三步洗涤工艺对原始MSWIFA进行预处理。WFA作为主要前体（按重量计50%），与煤灰和硅灰结合使用，硅酸钠作为碱活化剂，制备出高性能的WFA-AAMs。通过短期、长期静态和长期半动态浸出试验量化了WFA和WFA-AAMs中潜在有毒元素（PTEs）的环境影响，包括重金属（Pb、Zn、Cr、Cd、Cu和Mn）和类金属（As和Se），并应用了四种动力学模型（Elovich、Freundlich、二阶动力学和抛物线扩散）来模拟20年期间的浸出行为。进一步使用来自物种敏感性分布（SSD）模型的危害商来评估生态风险，为评估水生生物的风险提供了生态相关的框架。此外，浸出液经过了涵盖四个营养级的综合生态毒性评估：发光细菌Photobacterium phosphoreum（分解者）、微藻Chlorella vulgaris（初级生产者）、甲壳类动物Daphnia magna（初级消费者）和斑马鱼Danio rerio（次级消费者）。这项研究是从生态风险和生态毒理学角度对WFA和WFA-AAMs的安全水平进行了首次全面分析，为未来这些材料的开发和可持续应用提供了宝贵的指导。
部分内容
原材料
MSWIFA来自中国南部的一个废物转化能源设施。在使用前，MSWIFA经过了三循环水洗处理。这种广泛采用的方法去除了可溶性氯化物（如NaCl和KCl），并部分降低了PTE浓度，这对于高氯化物含量的MSWIFA的下游利用至关重要。具体来说，洗涤使用去离子水进行，液固比为5:1，在室温下以300 rpm的速度搅拌15分钟
抗压强度
在本研究中，开发了一种由WFA、CF和SF组成的三元碱活化系统。在该系统中，CF主要作为铝硅酸盐的来源，用于碱活化反应，而富含高活性SiO?的SF显著加速了铝硅酸盐网络的形成，从而促进了早期强度的快速发展。为了最大化WFA的利用率，WFA的含量固定在50%，同时调整了CF与SF的比例以优化
结论
本研究使用WFA、CF、SF和Na?SiO?制备了高性能的WFA-AAMs。表现最好的材料（N5）28天抗压强度达到了32.17 MPa，符合承重砖的MU30标准。微观结构分析表明，适量的Na?SiO?使得C-(A)-S-H和N-A-S-H凝胶共存，协同优化了孔结构；而过量则破坏了这种平衡，降低了机械强度。
环境影响
将水洗后的MSWIFA（WFA）与碱活化结合制备WFA基碱活化材料（WFA-AAMs）是一种有前景的MSWIFA利用策略。然而，当WFA-AAMs暴露在降雨或地表水中时，可能会将污染物渗入水生生态系统，可能影响水生生物。然而，这种浸出的生态安全性尚未得到评估，这引发了工程应用的担忧。为了填补这一关键研究空白，我们进行了合成
CRediT作者贡献声明
Longzhen Ding：验证、监督、概念化。Jun Zeng：研究。Jiinhui Li：验证、监督、研究。Jianguo Jiang：验证、监督、研究。Qing Hu：验证、监督、资金获取、概念化。Hu Bowen：写作——审稿与编辑、写作——初稿、方法学、数据管理、概念化。Lizhi Tong：监督、研究。Jingyang Gao：验证、研究。Zhang Yuanxin：方法学、研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了广东省基础与应用基础研究基金会（2023A1515030235）、中国教育部基础与跨学科学科突破计划（JYB2025XDXM909）和高校高水平专项资金（G03050K001）的支持。
