《Process Safety and Environmental Protection》：Solidification/stabilization of MSWI fly ash in cemented paste backfill: Experiments and computational fluid dynamics modelling
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本研究将市政固废焚烧飞灰（MSWI FA）作为部分水泥替代掺入水泥浆体回填料（CPB），系统评估其力学性能、微观结构及重金属固化效果，并通过数值模拟优化长距离管道输送的混合均匀性，最终提出环保且工程可行的MSWI FA安全处置与资源化利用方案。
刘林杰|邱静萍|万晓军|邹伦凯|任国新|马正宇
东北大学资源与土木工程学院，中国沈阳，110819
摘要
城市固体废物焚烧灰（MSWI FA）含有高浓度的有害成分，尤其是重金属，如果管理不当，会带来显著的环境风险。尽管稳定/固化（S/S）技术可以有效降低MSWI FA的浸出毒性，但处理后残渣的长期安全处置仍然是一个重大挑战。在本研究中，将MSWI FA作为部分替代水泥的材料加入水泥浆体回填料（CPB）中，为危险废物的稳定化和地下处置提供了一条可行的途径。系统地研究了含有MSWI FA的CPB的力学性能、微观结构特征以及重金属固定行为。结果表明，在适当的剂量下，MSWI FA显著提高了CPB的整体性能，使其能够发展出足够的抗压强度以满足回填工程要求，同时有效抑制了As、Cu和Pb等重金属的浸出，使其浓度低于相关环境法规限制。此外，MSWI FA中的活性SiO2和Al2O3相积极参与水化反应，促进了水泥质水化产物的形成，从而使基质结构更加致密。数值模拟进一步表明，在空气辅助输送条件下，基于MSWI FA的CPB可以稳定地长距离运输，有效减少相分离并提高混合均匀性。总体而言，本研究为MSWI FA在地下应用中的安全处置和资源化利用提供了一种环境可持续且工程上可行的解决方案。
引言
近年来，城市化进程的加快导致城市固体废物（MSW）的产生量持续增加，预计到2050年将达到34亿吨，这对废物减量和安全处置策略提出了重大挑战（Zhang等人，2023年；Duan等人，2024年）。城市固体废物焚烧灰（MSWI FA）是焚烧过程的主要副产品，其成分复杂，含有高浓度的潜在有毒元素（PTEs），包括Zn、Cu、Ni、Cd、Pb和Cr，以及二噁英和呋喃等持久性有机污染物，同时还含有碱性和氯化物盐。因此，由于其高处置难度和显著的环境风险，许多国家将MSWI FA归类为危险废物（Guo等人，2021年；Li等人，2019年；Zhang等人，2021年；Li和Yi，2023年）。同时，大量矿渣的积累不仅占用大量土地资源，还由于重金属的潜在浸出而对土壤和地下水系统构成长期威胁。
为应对这些环境挑战，固化/稳定（S/S）技术已成为MSWI FA处置的广泛采用的方法。然而，传统的S/S方法通常会导致体积显著膨胀，需要大量的储存空间。在这种背景下，水泥浆体回填料（CPB）技术作为一种同时实现废物增值和提高采矿安全性的方法受到了越来越多的关注（Behera等人，2021年；Jiang等人，2019年；Qi和Fourie，2019年；Zhao等人，2022年）。通过利用地下巨大的空腔——仅金属和非金属矿山就估计有超过10亿立方米的空腔——CPB提供了一种大规模的处置方案。然而，以普通波特兰水泥（OPC）为主的传统CPB系统存在能耗高、碳排放量大以及早期强度发展缓慢的问题，这凸显了对更环保、低碳和高性能替代粘合剂的迫切需求。
MSWI FA富含活性二氧化硅和氧化铝相，表现出显著的火山灰活性，因此可以作为水泥的部分替代品（Lu等人，2025年）。先前的研究表明，MSWI FA可以积极参与与水泥水化产物的火山灰反应，促进C-S-H、C-A-S-H和Aft相的持续形成，从而提高基质的密实度并改善重金属的固定效果（Gir?o等人，2010年；Liu等人，2022年；Zhang等人，2024年；Chen等人，2025a）。例如，MSWI FA中的活性Si/Al成分与Ca(OH)?反应生成大量的C-S-H凝胶，显著提高了回填材料的强度（Zhang等人，2023年）。此外，某些尾矿中的活性氧化物如MgO和CaO在水化过程中可能发生协同反应。富含活性MgO的镁矿尾矿可以与Ca(OH)?反应生成C-M-S-H凝胶，从而提高机械性能并显著改善重金属的固定效果（Fan等人，2021年；Sun等人，2023年；Zhao等人，2025a；Qin等人，2023年）。镁矿尾矿和铁矿尾矿之间的物理化学差异源于它们不同的矿物学特性和水化动力学。镁矿尾矿的特点是含有高活性的MgO（15-35 wt.%），这种成分作为矿物前体，能够触发镁硅酸盐水化物（M-S-H）和混合C-M-S-H凝胶相的持续形成。这些含镁的水化物具有无序的层状纳米结构和高比表面积，为重金属离子在凝胶晶格中的同构替代提供了局部化学环境。相比之下，铁矿尾矿（主要由石英和长石组成）主要作为被动填充剂，通过异质成核和填充效应影响水化过程，而不参与粘合剂基质的二次化学富集。此外，镁矿尾矿衍生的水化产物的静电亲和力显著增强了阴离子物种（如AsO43-）的吸附，而基于铁矿尾矿的系统由于Fe(OH)3胶体的表面电荷特性而限制了其S/S效率。这种差异强调了系统评估不同尾矿在MSWI FA基CPB系统中协同效应的必要性。
除了材料组成外，回填过程本身在决定固化性能方面也起着关键作用。在实际工程中，回填浆料必须通过管道长距离输送到地下矿井，混合均匀性直接影响固化效率和重金属的浸出风险（Wang等人，2023年；Lang等人，2025年）。虽然现有的数值研究主要集中在浆料输送过程中的水力阻力和流变行为（Yasser等人，2026年；Calderón-Hernández等人，2020年），但对粘合剂与浆料之间混合效率的系统研究及其对相分布和最终固化性能的影响仍较为缺乏。理解输送动力学与化学稳定之间的耦合对于确保MSWI FA在采矿应用中的环境安全至关重要。
因此，本研究旨在系统研究使用镁矿尾矿和铁矿尾矿作为固化骨料的MSWI FA的固化效率及其潜在机制。普通波特兰水泥被用作基准粘合剂进行对比评估。通过抗压强度和环境迁移性来评估固化性能，并通过化学形态分析和渗滤液pH值分析来阐明浸出行为。采用了多种表征技术来识别水化产物和孔结构演变。此外，为了解决实际应用中的混合均匀性问题，基于欧拉-欧拉多相流模型的计算流体动力学（CFD）模拟被用来评估空气入口角度、固化剂入口角度、内部管道配置和环形管道深度对浆料混合行为的影响。通过将实验研究与数值模拟相结合，本研究阐明了MSWI FA-尾矿-水泥系统的固化机制，并为工艺优化和环境风险缓解提供了工程指导。
材料
本研究中用于合成改性水泥材料的基材包括镁矿尾矿、细铁矿尾矿、普通波特兰水泥（OPC）和城市固体废物焚烧灰（MSWI FA）。这些尾矿来自中国辽宁省的矿业企业，具有连续且分级良好的粒径分布，适合作为骨料使用（Haiqiang等人，2016年；Fall等人，2005年）。OPC的特性如下：
抗压强度分析
图4展示了在不同养护龄期下，含有不同剂量MSWI FA的水泥基复合材料的抗压强度演变情况。总体而言，加入适量的MSWI FA显著提高了水泥基系统的力学性能，其中样品A2（20% MSWI FA替代水泥）的表现最为显著。与参考样品A0相比，样品A1在7天时的抗压强度增加了58.91%。
基于MSWI FA的CPB的混合行为和运输稳定性
基于对微观结构演变和重金属浸出行为的系统分析，样品A2在重金属S/S效率和力学性能方面表现出最佳性能。然而，在现场应用中存在一个关键挑战：即回填浆料的长距离管道输送到地下矿井（Zhang等人，2015年）。在这一动态过程中，浆料容易发生相分离（固-液分离）。
结论
本研究系统研究了MSWI FA和多种尾矿对水泥浆体回填料（CPB）性能的协同效应，结合了实验表征和CFD优化。主要发现总结如下：
(1)力学性能和协同强化。加入20%
MSWI FA显著提高了CPB的抗压强度。具体而言，镁矿尾矿系统（A2）在7天时的抗压强度增加了174.96%
CRediT作者贡献声明
刘林杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，数据管理。
任国新：资源准备。
邹伦凯：可视化，实验研究。
马正宇：监督。
万晓军：实验研究。
邱静萍：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集。
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
本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3904305）和中国国家自然科学基金（52374116）的支持。
