《Sustainability》：Life Cycle Assessment (LCA) of the Modernization of a Coal-Fired Power Plant into a Hybrid System with an HTGR
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面对原材料危机与环境关切，可持续废弃物管理已成为当代及未来世代的优先事项。将污水处理厂废弃物在闭环中回收可保护自然资源、减少填埋量并降低处置成本。本文呈现了经冲洗的沉砂池矿物废料（WMW，washed mineral waste）与市政污水污泥流化床焚烧飞灰（
面对原材料危机与环境关切，可持续废弃物管理已成为当代及未来世代的优先事项。将污水处理厂废弃物在闭环中回收可保护自然资源、减少填埋量并降低处置成本。本文呈现了经冲洗的沉砂池矿物废料（WMW，washed mineral waste）与市政污水污泥流化床焚烧飞灰（SSA，sewage sludge ash）混合物的物理、过滤及力学性能测试结果，并进行了放射性检测。基于试验，评估了其在岩土工程——如土方回填（soil backfills）与路堤修筑（embankment construction materials）中的可持续利用可行性。研究表明，WMW主导质量分数（90%和70%）的混合物可安全用于指定建设工程；其对应于不良至中等级砂（uniformity coefficients为3.33、3.50和8.00），最大干密度分别为1.542、1.770和1.780 g/cm3，最优含水率分别为12.54%、12.86%和20.25%，渗透系数分别为0.08、0.22和0.39 m/d，内摩擦角分别为38.4°、39.5°和40.1°，部分参数与天然砂相近，均满足路堤、冻深以下及堤身填筑的岩土标准；含90% WMW的混合物亦可用于管线沟槽回填。但所有混合物在未掺加胶结料（水泥或石灰）时，均未达到堤顶上层及桥台与挡土结构回填所需的水力传导率阈值，该外加剂被视为此类应用的前提条件。
燃煤电厂掺高温气冷堆（HTGR）混合系统改造的生命周期评价（LCA）相关研究背景与论文解读——以污水处理厂洗砂矿物废料（WMW）与污泥焚烧飞灰（SSA）混合物的岩土工程利用为中心
该研究发表于《Sustainability》。在全球水资源短缺及天然砂石资源枯竭背景下，传统污水处理厂正面临向"水资源回收设施（WRRFs, water resource recovery facilities）"及"水厂生物精炼厂（WWBRs, wastewater biorefineries）"转型的需求，以实现循环经济与联合国可持续发展目标（SDGs, Sustainable Development Goals）。污水处理厂机械处理阶段产生的矿物废料（MW, mineral waste）——尤其是经冲洗去除有机质后的洗砂矿物废料（WMW, washed mineral waste from grit chambers）——以及市政污水污泥流化床热处理的飞灰（SSA, fly ash from thermal treatment of municipal sewage sludge），均为具潜在利用价值的次生人造土（anthropogenic soils）。WMW以中砂粒级为主但缺乏细粒组分导致不均匀系数（Cu, uniformity coefficient）<3，不满足道路与桥台回填的级配要求；SSA富含细粒可改善级配，但其单独作为填料的工程适用性尚未明确，且二者混合使用的放射性安全性及综合岩土性能缺乏系统评价。因此，研究人员开展本研究，旨在通过系统测定WMW-SSA混合物的物理、水力、力学及放射性参数，验证其作为路堤填料、沟槽回填材料的工程适宜性与环境安全性，为污水处理厂废弃物的闭环资源化提供技术依据。研究结论表明，WMW占比90%（M1A、M1B）及70%（M2B）的混合物在掺加SSA后Cu提升至3.33～8.00，内摩擦角达38.4°～40.1°，满足路堤体、冻深以下填方及管线沟槽回填的岩土技术标准；仅M1A、M1B可用于冻深范围内的沟槽回填；所有混合物因渗透系数不足不能直接用于桥台挡土结构回填及路堤上部防冻层，需掺加水泥或石灰稳定；放射性指标虽PL3批次SSA的镭当量活度（Raeq, radium equivalent activity）与伽马活度指数（Iγ, gamma activity index）超过室内建材限值，但在露天岩土工程暴露条件下不构成显著辐射危害。该成果为污水处理厂废弃物替代天然骨料提供了实验支撑，对推进岩土工程领域的循环经济和减碳具重要实践意义。
主要关键技术方法
研究人员自波兰最大污水处理厂（210万人口当量）采集WMW（欧洲废物代码19 12 09）与多批次SSA（欧洲废物代码19 01 14），经风干、均质化及四分法缩分。按质量比配制WMW:SSA=90:10（M1A取自单批次SSA，M1B取自多批次混样SSA）与70:30（M2B取自多批次混样SSA）三组混合物。物理参数测试含筛分法颗粒分析、比重瓶法（pycnometer）测定比密度（specific density）、松/密实态最小与最大干密度；标准Proctor击实（0.59 J/cm3）测定最大干密度（ρdmax）与最优含水率（wopt）；变水头/定水头法在上覆荷载下测渗透系数（hydraulic conductivity, k），并以Slichter经验公式估算对照；直剪试验（direct shear test）于12.5～200 kPa法向应力下测定内摩擦角（φ, angle of internal friction）与视凝聚力（cp, apparent cohesion）；固结仪（oedometer）测定初次压缩模量（Eoed,pri）、卸荷模量与次压缩模量；采用NaI(Tl)与LaBr3(Ce)伽马能谱仪定量K-40、Ra-226（经子体Pb-214/Bi-214）、Th-232（经Ac-228/Tl-208）及Cs-137活度浓度（Bq/kg），计算Raeq与Iγ。各力学试验至少3次重复，直剪样本数15组/混合物。
研究结果
3.1 物理与水力参数（Physical and Permeability Parameters）
筛分显示WMW-SSA混合物砂粒（0.063–2 mm）占比＞50%，随SSA掺量增加细粒（＜0.063 mm）由4.88%增至14.62%，Cu由WMW原样的＜3提升至3.33（M1A、M1B）与8.00（M2B），属不良至中等级配中砂。WMW比密度2.620 g/cm3，SSA为2.093 g/cm3，混合物介于二者间（M1A、M1B≈2.59；M2B略低）。最大干密度ρdmax为1.542～1.780 g/cm3，wopt为12.54%～20.25％，SSA增多则ρdmax微降、wopt升高。渗透系数k实测值为0.08～0.39 m/d（即8×10-6～3.9×10-5m/s），较纯WMW降低约95％～99％；M1A、M1B相当于粉质砂/壤质砂（10-5～10-6m/s），M2B与SSA相当于粉土/砂质粉土（10-6～10-8m/s），均低于Slichter公式估算值。
3.2 力学参数（Mechanical Parameters）
直剪试验得内摩擦角φ=38.4°～40.1°（对应极密实粗中砂或砾石范围），视凝聚力cp=11～28 kPa（M1A≈11 kPa，其余略高）。SSA不同批次φ有差异（PL1、PL2＞40°，PL3≈33°～36°）。固结试验显示WMW-SSA混合物及SSA的初次压缩模量多≤30 MPa、次压缩模量≤50 MPa，低于致密天然砂，归因于SSA颗粒多孔及棱角特征，但研究人员指出实验室固结结果不能完全反映现场长期硬化行为。
3.3 放射性参数（Radiological Parameters）
WMW（P-2）：K-40适中，Ra-226=278±70 Bq/kg，Th-232可测，Cs-137未检出，Raeq=442 Bq/kg，Iγ=1.53。SSA批次差异大：PL1（Ra-226＜检出限，Iγ=0.25）；PL2（Ra-226校正后80±50 Bq/kg，Iγ≈1.13）；PL3（Ra-226=840±200 Bq/kg，Th-232升高，Raeq=1041 Bq/kg，Iγ=3.56）。PL3的Iγ超欧盟室内建材参考限值（Iγ=1），但露天岩土工程因几何衰减、低逗留时间及无封闭空间，外照射剂量显著降低，研究人员判定即使PL3用于堤坝填方也无显著放射学风险。重金属浸出试验显示WMW与SSA中金属固定率近100%，碱性环境抑制放射性核素迁移。
3.4 道路与水利工程土壤选用标准（Criteria for Selecting Soils for Use in Road and Hydro Engineering Structures）
比对欧洲及波兰岩土与道路规范：M1A、M1B满足冻深以下沟槽回填及所有混合物满足管线沟槽回填要求；M2B因归入"可疑土（doubtful soil）"需加胶结料方可用于冻深内回填；无一混合物达桥台与挡土墙回填所需k≥10-5m/s及Cu≥5（M2B具Cu但k不足，M1A、M1B Cu不足），须加水泥/石灰改良后方可考虑；所有混合物满足路堤体（隔离水体且位于冻深以下）与防洪堤堤身级配与土质要求；上路堤防冻层同样需加胶结料。
3.5 经济与环境影响（Economic and Environmental Impact）及3.6 技术规模化（Scaling Resource Recovery Technologies）
定性分析指出波兰矿物废料填埋费可达约500 �/t，污泥处置占水厂运营成本20％～65％；就地回用WMW-SSA混合物可减少填埋量、节省天然砂购置与运输费，并降低天然骨料开采与水泥生产的碳排放，符合SDG 11、12、13。当前处技术就绪度（TRL, Technology Readiness Level）4级，后续需开展TRL 5～6级的模拟环境与现场足尺试验（pilot-scale field tests），验证压实度、承载比及长期变形，并制定配合比调整与胶结改良指南以推动标准建立。
讨论与结论翻译总结
研究人员总结：WMW-SSA混合物性质可比拟天然砂-土材料；掺SSA使Cu提高51％～263％、wopt提高5％～69％、φ提高12％～17％，同时比密度降低3％～6％、ρdmax降低1％～14％、k降低95％～99％、压缩模量降低0％～66％。放射性水平受矿物组成与粒径分布控制，PL1、PL2及WMW属天然地质材料常见范围，PL3虽Raeq与Iγ超室内建材限值，但在露天应用暴露场景下不构成显著放射学约束。M1A、M1B可用于冻深内沟槽回填及所有混合物可用于管线沟槽回填与堤身/路堤（冻深以下、隔水）填筑；桥台挡土结构回填及路堤防冻上层因k与Cu不达标需加水泥或石灰改良。最具即时应用价值为M1A、M1B替代天然砂作管线沟槽回填，可直接服务水务公司运营。后续研发应聚焦胶结改良配比及现场中试（TRL 5–6），并量化碳足迹削减效应以为End-of-Waste认证与标准制定奠基。
