（化工过程机械专业论文）固体有机废弃物制备活性炭的基础性研究.pdf

摘要 资源与环境是2 l 世纪的两大主题，城市垃圾处理是这两大主题中的重要课题。伴 随着我国经济的快速发展，我国城市规模的不断扩大，人口高度集中，城市垃圾总量 的不断增加。如果能够将城市垃圾转化为有效的能源物资，既实现处理垃圾的目的， 又缓解能源消耗紧张的压力，无论是我国城市生态环境保护，还是国民经济发展和能 源结构调整，都具有十分重大的现实意义。利用热解技术将城市固体有机废弃物制备 成活性炭，具有二次污染小，无害化彻底和资源化程度高的特点，是垃圾资源利用化 的重要技术之一，近年来得到广大科学工作者的极大关注。 活性炭微孔发达、比表面积高、吸附能力强，是一种优良的吸附材料，广泛应用 于化工、环保、食品与制药、催化剂载体和电极材料等领域。随着科学技术的飞速发 展，市场对活性炭的需求量越来越大。本文采用颗粒粒径为0 5 9 o 8 5 m m 的聚碳酸酯 ( p c ) 为原料，n a o h 作为化学活化剂，在活化温度为7 7 3 k 和氮气保护条件下制备活 性炭。活化时间和n a o h 聚碳酸酯混合比这两个工艺参数通过中心组合设计方法设 定。实验通过a s a p2 0 0 0 分析仪测试不同工艺条件下制备的活性炭在7 7 k 下对n 2 的吸 附等温线、比表面积、d r 微孔容积等。 结果表明，不同活化时间和不同化学药品混合比制备的活性炭的n 2 吸附等温线属 于i 型吸附等温线，而水蒸汽吸附等温线则属于i v 型。说明活化时间和化学药品混合 比的增加都促进了微孔的形成。但化学药品混合比过高时，会造成微孔孔径扩大至中 孔甚至大孔。利用响应面法规划求解得到比表面积，d r 微孔容积和产率的二次响应 面近似函数，并通过此函数求出n a o h 化学活化聚碳酸酯制备活性炭所得的最大比表 面积和d r 微孔容积分别为8 5 3 3m 2 g 和o 3 6 7 8m l 旭。同时也确定了在热解温度7 7 3 k 下，获得最大比表面积和d r 微孔容积对应的活化时间和n a o h 聚碳酸酯混合比的最 优水平。另外还得出水蒸汽吸附量q ( o 3 5 o 1 0 ) 和q o 9 5 的二次响应面近似函数，并求出其 最优值分别为0 2 3 7 3k g l ( g 和o 5 5 7 7k g l ( g 。最后用响应表面图检验了活化时间和化学 药品混合比对活性炭性能的影响，说明活化时间和化学药品混合比这两个因素对比表 面积，d r 微孔容积、产率、水蒸汽吸附量q ( o 3 5 m i o ) 和q o 9 5 的影响都是非线性的。 关键词：固体有机废弃物；热解；活性炭；化学活化；响应面法 a b s t r a c t i k s o u r c ea n de n v i r o m n e n ta r et v 旧t o p i c si n2 l 吼c e n t u 叫，a n dd i s p o s a jo fm u n i c i p a l r e 如s ei s 眦i m p o r t a n tt a s ki nt l l et 、v 0t o p i c s w i t l lt 1 1 er 印i dd e v e l o p m e n to fm ee c o n o m y a n de n l a r g e m e n to fc i t ) ，s c a l ei nc h i n a ，t h ec i t yp o p u l a t i o na n dm u n i c i p a lr e 矗峪ea 托 i n c r e a s i n gr 印i d l y r e f u s ew i l lb e c o m e 锄e f f e c t i v ee n e r g yr e s o u r c ew i t l lr i g h td i s p o s i t i o n 锄dt h ee n e r g ) ，c o n s u m p t i o ns t r e s s 谢ub er e l i e v e d i th a s 伊e a tp r a c t i c a ls i g i l i f i c 锄c ei nc i t y e n v i m r u r l e n tp r o t e c t i o n ，d e v e l o p m e n to fm l t i o n a le c o n o m i ca n da d j u s t m e n to f 锄e r g y s t r u c n l r e p y r o l y s i st e c h n o l o g yi so n eo fi m p o r t 锄tr e 如s ed i s p o s a lt e c h n i q u e si np r e p a r a t i o n o fa c t i v a t e dc a r b o nf 如ms o l i d o 唱a n j cw 髂t e sw i t hl i t t l es e c o n d a d ，p o l l u t i o n ，q u i t e i i m o c u i 妙a n dh i g hr e u s a b i l i t y ，a n di th 嬲b e e np a i dm o r ea n e n t i o n 厅o ma l lo v e rt h ew o r l d a c t i v a t e dc a r b o nh 勰b e e nu s e dw i d e l ya sa 1 1a d s o 叩t i o nm a t e r i a l i nc h e m i c a li n d u s 臼y ， e n v i r 0 啪e n tp r o t e c t i o n ，f o o di n d u s t 】叮， p h a r m a c e u t i c s ，c a t a l y s tc 枷e r s 锄de l e c 们d e m a t e r i a l s ，e t c w i t i lt l l ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y t i l ed e m 锄df o ra c t i v a t e d c a r b o ni si n c n ：a s i n gr a p i d l y i nt h i sp a p e r t l l ea c t i v a t e dc a r b o nw a s p i e p a l e db yc h e m i c a l a c t i v a t i o nw 汕n a o hu n d e rn i t r o g e na _ t r i l o s p h e r e 矗0 mp o l y c a r b o n a t e ( p c ) p a n i c l e si nt i 圮 s i z er 锄g eo f0 5 9 0 8 5m m ，w h i l et h ea c t i v a t i o nt e m p e r a t u r ei ss e ta t7 7 3 k t i 他a c t i v a t i o n t i 撇锄dn a o h p cr a t i ow e r ep l a i l n e da c c o r d i n gt oc e n t r a lc o m p o s i t ed e s i 印t 1 1 eb e t s u r f a c ea r e a 锄dd - rm i c r o p o r ev o l 啪eo fa c t i v a t e dc a r b o n 、 ，e r ed e t e m i n e dt 1 1 r o u g l l a s a p2 0 0 0w i t hn i t r o g e na t7 7 k t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa c t i v a t e dc 酊b o np r e p a r e da td i f f e r e n ta c t i v a t i o nt i i i l e 锄d c h e m i c a lr a t i ow e r es t u d i e d a sar e s u l t ，t h en 2a d s o 叩t i o ni s o t h e r m sa 舱t ) ，p i c a lo ft y p e1 w h i l et h ew a t e rv a p o ri s o t h e m sa r eo ft y p ei v ，r e p r e s e n t i n gm i c r o p o r e sa r ed e v e l o p e d 诵t hm ei n c r e a s eo fa c t i v a t i o nt i m e 锄dc h e m i c a lr a t i o ，a l t h o u g ht l l em i c r o p o r e sw e r e e n l a r g e dt om e s o p o r e so rm a c r o p o r e s r e s p o n s es u r f 配em e t t l o d o l o g yw 嬲u s e dt 0e s t a b l i s h t i l eo p t i m 啪l e v e l so fi n d e p e n d e n tp r o c e s s i n gf a c t o r s ( a c t i v a t i o nt i m ea t7 7 3k 锄d n a o h ，p cr a t i o ) f o ro b t a i n i n gm a x i m ao fb e ts u r f a c ea r e a 锄dd - rm i c r o p o r ev o l u m e 诵t hm es e c o n dd e 伊e ep o l y n o m i a lm o d e l ，8 5 3 3m z g 锄do 3 6 7 8m l g ，化s p e c t i v e l y t h e s e c o n dd e g r e ep o l y n o m i a lm o d e lo fw a t e rv 印o r 锄。岫ta b s o r b e dw 嬲a l s od e t e n n i n e df o r o b t a i n i n gm 觚i m ao fq ( o 3 5 _ o 1 0 ) 觚dq o 9 5 ，0 2 3 7 3k g l ( g 觚d0 5 5 7 7k g 依g ，陀s p e c t i v e l y n e c o n t o u rp l o t sa r eu s e dt 0i n s p e c tt 1 1 ee f r e c to fa c t i v a t i o nt i m e 觚dc h e m i c a lr a t i oo n c h a r a c t e r i s t i c so fa c t i v a t e dc a r b o n w h i c hi sn o n l i n e a r k e yw o r d s ：s o i i do r g a n i cw a s t e ，p y r o l y s i s ， a c t i v a t e dc a r b o n ，c h e m i c a la c t i v a t i o n ， r e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g y 毛 刀 ， p o p 昂 q ( o 3 5 o 1 0 ) q o 9 5 足 尺2 s 丁 x 主要符号表 特性吸附能 吸附量 饱和吸附量 饱和蒸气压 吸附压力 大气压力 水蒸汽吸附量最大变化值 l ( j k 眺g k g l ( g p a p a p a k g l ( g 相对压力o 9 5 下的最大水蒸汽吸附量 k g l ( g 气体常数 复相关系数 比表面积 吸附平衡温度 编码自变量 五( 七= 1 ，2 ，3 ，4 ，5 )二次响应面近似函数 亲和系数 氏，氏，氏 回归系数 分子的横截面积 无因次 无因次 m 2 g k 无因次 无因次 无因次 无因次 m 天津科技大学硕：i ：学位论文 l绪论 1 1 引言 伴随着我国经济的快速发展，我国城市规模的不断扩大，人口高度集中，居民的 收入和消费水平不断提高，也带来了城市固体废物总量的不断增加。据国家统计局统 计，1 9 9 8 年底我国6 6 8 座城市实际产生垃圾1 4 亿吨，城市生活垃圾存量约为6 0 多亿吨， 并且每年以8 1 0 的速度增长。近年来，随着高分子合成材料、镍氢电池及各种印刷 品塑料制品、包装物的大量使用，城市固体废物成份日趋复杂，固体废物处理方法与 消纳减容的矛盾日益突出，危害越来越严重，成为环境保护的一大难题。 同时经济的快速增长也促使能源物资消耗巨大。由于我国石油和天然气储量有 限，现有的开采能力不能满足经济发展的需要，每年要花费大量外汇从国外购买石油、 天然气等紧缺能源物资，因此，能源短缺已经成为我国经济发展的重要瓶颈。如何充 分利用国内资源，研制相关的工业技术，寻找石油和天然气的替代能源，是我国能源 发展战略的重要方向。 城市垃圾是多种有机物质混合的低品质燃料，随着生活水平的提高，城市垃圾的 产量有增无减，热值也不断提高，如果能够将城市垃圾转化为有效的能源物资，既实 现处理垃圾的目的，又缓解能源消耗紧张的压力，无论是我国城市生态环境保护，还 是国民经济发展和能源结构调整，都具有十分重大的现实意义。 1 2 城市固体废物的特点 固体废物是指人类在生产建设、日常生活和其他活动中产生的，在一定时间和地 点无法利用而被丢弃的污染环境的固体、半固体废弃物。所谓城市固体废弃物即指在 生活和生产中产生的这类物质，英文简称为m s w ( m u l l i c i p a ls o l i dw a s t e ) 。固体废 物中的“废 具有鲜明的时间和空间特征。从时间方面讲，它仅仅相对于目前的科学 技术和经济条件，随着科学技术的飞速发展，矿物资源的日趋枯竭，生物资源滞后于 人类需求，昨天的废弃物势必又将成为明天的资源。从空间角度来讲，废物仅仅相对 于某一过程和某一方面没有价值的，而并非在一切过程和一切方面都没有使用价值， 某一过程的废物，往往是另一过程的原料。我国目前已经建立了许多废物回收利用工 厂，如利用粉煤灰制砖、用高炉渣生产水泥、从电镀污泥中回收贵金属等。所以城市 固体废弃物在某一方面来讲是废物，在另一方面讲却并非“废物”，正如一学者称其 为“在时空上错位的资源 。 固体废弃物分类方法很多，按组成可分成有机废物和无机废物；按形态可分为固 体( 块状、粒状、粉状) 和泥状( 污泥) 的废物；按来源可分为工业废物、矿业废物、 城市垃圾、农业废物和放射性废物：按其危害可分为危险废物和一般废物，但较多的 是按来源分类。 城市垃圾是固体废物分类中的一部分。城市垃圾是指城市居民生活、商业活动、 1 绪论 市政建设与维护、机关办公等过程产生的固体废物。根据来源可以分为：( 1 ) 居民 生活垃圾，包括厨余废物、废纸、织物、家具、玻璃陶瓷碎片、废弃电器、废塑料制 品、煤炭灰渣、废弃交通工具等；( 2 ) 城市建设垃圾，包括废砖瓦、碎石、渣土、 混凝土碎块等；( 3 ) 城市商业垃圾，包括废纸、各种废旧的包装材料、废弃塑料、 丢弃的食品等；( 4 ) 粪便垃圾，主要是城市居民日常排泄粪便以及宠物的排泄粪便。 l - 3 城市固体废物组分及其影响因素 城市垃圾的组分非常复杂，首先因其数量庞大，其次，随着生活水平、地域、季 节的不同其成份会有很大的变化。由于城市垃圾组分是不断变化的，因而，就需要一 个长期的科学的收据采集过程。应包括：( 1 ) 物理分析表：布、纸、草木、塑料、 橡胶、厨余、金属、玻璃、灰、水等成份含量。( 2 ) 工业分析表：全水份、分析基 水份、分析基挥发份、可燃基挥发份、分析基灰份、分析基碳、高位热值、低位热值。 ( 3 ) 元素分析表：分析基下的c ，h ，o ，n ，s ，c l 。( 4 ) 特殊分析表：热天平指数、 火炉着火指数、燃烧指数。( 5 ) 其它物性：堆积密度、平均密度、定压比热、导热 系数。 发达国家在这方面起步较早，近年我国部分城市也相继进行调查分析。经比较， 我国城市生活垃圾的特点是厨余、灰土、水分的含量高，热值低。一般为厨余3 0 5 5 、 灰土l o 哆扣5 0 、水分4 0 o 、热值普遍低于4 0 0 0k j l ( g ；而美、日、德等发达国家 则一般为厨余1 0 旬0 、灰土o 一1 0 、水分2 0 哆扣5 0 、热值高于6 0 0 0k j l 唱。下面 表1 1 是国内外部分城市生活垃圾组分表。 表1 1 国内外部分城市生活垃圾组分( ) t 1 b l el lc o i 珥 o n 锄忸o f v e r a lc i t i e s n m l l i c i p a l “dw 嬲t e s 1 4 我国城市生活垃圾现状 1 4 1 城市生活垃圾激增 随着生产的发展，科学技术的进步和人民生活水平的不断提高，世界城市垃圾逐 2 天津科技大学硕：i ：学位论文 年增长，城市生活垃圾处理已成为当前世界各国面临的共同课题。以美国为例，其人 口仅占全世界的5 ，而所产生的污染物和垃圾却分别占世界总量的2 5 和3 0 。在8 0 年代末，所有的洼地已被垃圾填平，而新的垃圾倾倒地则由于环境问题又难以找到， 以至造成了垃圾危机；日本人均垃圾量仅次于美国，但国土狭小，预计到2 0 1 0 年，其 垃圾平均密度将高达1 6 4 7 吨平方千米【l 】。 近几年来，我国城市生活垃圾产量以1 0 的速度递增，垃圾的历年堆存量达6 0 多 亿吨，全国3 0 0 多个大中城市，人均日产生活垃圾o 8 5 k g 。中国统计年鉴记载，我 国生活垃圾主要集中于人口密集的大中城市，北京、上海、沈阳、武汉等地，2 0 0 0 年 城市生活垃圾已达到1 5 亿吨。根据陈海滨等人的研究结剁2 1 ，1 9 8 5 年我国城市垃圾的 产量为4 5 0 0 万吨，1 9 9 5 年城市垃圾年产量达到1 亿吨，2 0 0 2 年，我国6 8 7 个城市垃圾年 产量为1 4 亿吨。 表l - 2 我国城市生活垃圾产生概况 m l b l el - 2g 锄c r a t i 伽s u r 代yo f m u l l i c i p a ls o l i dw 弱t 豁i i lc h i l l a 影响城市垃圾产量的因素主要有：城市人口数量、国民生产总值( g d p ) 、居民 生活水平和燃料结构。城市人口的数量是影响我国城市生活垃圾总局重量的最主要因 素：而随着g d p 的增长，城市生活垃圾产生量也随着增长，但当g d p 达到一定值后， 垃圾产量的增幅减慢，并逐渐趋于稳定。经济发达、居民生活水平高的城市，其生活 垃圾的产量比经济欠发达、居民生活水平相对较低的城市要高的多；由于我国民用燃 煤的煤灰未再生利用而视为垃圾来处理，因此，燃煤地区的生活垃圾产量比燃气地区 要高的多。 1 4 2 生活垃圾处理不当，造成严重危害 垃圾本身含有氯化氢、二氧化硫、二氧化氮，二恶英等多种有害成分，在日晒雨 淋和高温焚烧条件下又会产生p c d d ( 二恶英在环境中的污染物) 、p c d f ( 呋喃在环 境中的污染物) 等强致癌物质，含病原体的垃圾更是严重污染大气、水和土壤。据山 西省一项检测，距垃圾场2 0 0 米的大气中的二氧化碳含量超过国家标准好几倍，甲烷 l 绪论 含量超过国家标准ll 叫5 嘴；南京郊区使用未处理的垃圾肥用，造成果菜污染，郊 区9 0 以上小学生患肠道寄生虫病：贵阳一个露天垃圾场严重污染邻近饮用水，引起 当地居民痢疾大流行【羽。垃圾不但污染严重而且占据空间大、吞噬耕地。1 9 9 4 年我国 垃圾占地总面积达8 3 5 1 万公顷，其中占用耕地5 7 0 公顷。全国三分之二的大中城市处 于垃圾包围之中。 1 4 3 可回收再利用物质增多 城市生活垃圾成分与其经济发达程度、居民生活水平以及生活习惯有密切关系， 经济发达的国家和消费水平高的地区及城市，其生活垃圾不仅产量高，而且垃圾中的 纸、塑料以及其他容器废弃物( 如罐头和饮料用的盒、罐、瓶等) 所占比例也大。 城市生活垃圾组成受燃料结构、生活水平的高低以及废品回收系统的健全与否所 制约。随着众生活消费水平的不断提高，生活日用品的淘汰率将不断上升，生活垃圾 又难以回收，垃圾产量的增加也将是必然的。气化率的高低是决定垃圾量和成分的主 要因素，气化率高，垃圾量少，垃圾中的有机物含量相对较高。随着生活水平的不断 提高，已加工过的半成品食品日益普及，煤气化比例上升，我国城市生活垃圾的组成 在发生明显变化。估计今年有机物万分可能上升到4 5 6 0 ，接近国外城市垃圾中 的有机物平均水平。由表1 3 出发达国家城市垃圾中，有机物占了很大比例，平均为 6 7 8 l ；垃圾的热值也较高，平均热值为9 4 3 7 l d l 【g ，有利于能源化的处理方法。表1 - 4 ， 表1 5 ，表1 6 和表1 7 列出了一些城市垃圾发热值数据，是韩雷等人对固体废弃物中的 各种组分做的工业分析和元素分析【4 j 。 表1 3 我国城市与国外城市垃圾成分的比较 t a b l el 一3c 伽叩娟略i b e t w e 锄l ec o 呻姗口e f l t so f 肌l i l i c i p a ls o l i dw 弱t e si r i 柚do u to fc l l i m 天津科技人学硕l ：学位论文 表l _ 4 几个国家和地区城市垃圾发热值( i c j l c g ) t a b l e1 - 4c a l o r i f i cv a l u eo fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e si ns e v e m lc o u n t r i e s0 rc i t i e s 表l - 5 几个城市的垃圾中有机物的含量( ) 1 a b l el 5t h cc o n t e i 怄o fo g a m cc o f n l ，0 蚰d si l lm u i i i c i p a ls o l i dw 弱t e s 访吐他f o l l o w i n gc i t i e s 表l _ 6 部分发达国家垃圾组成及热值 1 a b l e1 6c o m p c m 朗临锄dh e a tv a l u eo fs o l i dw 私t c si i ls 咄d e v e l o p e dc o 岫t r i e s 表l - 7 团体废弃物的工业分析与元素分析 t a b l e1 7c t e r i s t i c so f l i dw a s t 骼 5 1 绪论 1 5 城市固体废弃物对环境的影响 据统计，1 9 9 8 年，我国6 8 座城市实际产生垃圾1 4 亿吨，城市生活垃圾存量约为6 0 多亿吨，并且每年以8 1 0 的速度增长。垃圾侵占土的面积已5 亿平方米，已有2 0 0 多座城市被垃圾包围。城市人均垃圾产量达4 0 0 蚝。到2 0 0 0 年，我国城市垃圾产量已 达到1 5 亿吨。如此多的废弃物必将影响到人们的生存环埘5 6 ，7 1 。 露天存放或者置于处置场的固体废弃物，其中的化学有害万分可通过环境介质 大气、土壤、地表或地下水体等直接或间接传至人体，造成健康威胁。固体废弃 物的任意露天堆放，不但占用一定土地，而且其累积的存放越多，所需的面积越大， 如此一来，势必使可耕面积短缺的矛盾加剧。即使是固体废弃物的填埋处置，若不着 眼于场地的选择评定以及场基的工程处理和埋后的科学管理，废弃物中的有害物质还 会通过不同途径而释入环境中，及至对生物人类产生危害。 具体来说，固体废弃物污染对自然环境的影响分以下几个方面： 1 5 1 对大气环境的影响 堆放的固体废弃物中的细微颗粒、粉尘等随风飞扬，从而对大气环境造成污染。 另一种是地区环境的影响使废弃物填埋场中溢出的沼气，在一定程度上会消耗其上层 空间的氧，从而使植物衰败。 1 5 2 对水环境的影响 世界范围内，有不少国家直接将固体废弃物倾倒于河流、湖泊或海洋，甚至以后 者作为处置固体废弃物的场所之一。这是有违国际公约的。固体废弃物置于水体，使 水体直接受到污染，严重危害水生生物的生存条件，并影响水资源的充分利用。此外， 堆积的固体废弃物经过雨水的废弃物本身的分解，其渗滤液和有害化学物质的转化和 迁移，将对附近地区的河流及地下水系和资源造成污染。向水体倾倒固体废弃物还将 缩减江河湖面的有效面积，是其排洪和灌溉能力降低。 1 5 3 对土壤环境的影响 未经处理或未经处理的生活垃圾直接施入农田，会造成严重的后果。固体废弃物 及其淋洗和渗滤液中所含有害物质会改变土壤的性质和土壤结构，并将对土壤中微生 物的活动产生影响。主要表现为：对土壤理化性状产生不良影响；长期使用垃圾将导 致农田中的重金属含量积累：日益增多的有机合成材料和塑料及其制品，大部分未经 回收利用随军垃圾进入农业环境。破碎的塑料薄膜残体被埋入土中，阻碍了封水分输 送和植物根系的生长，不利于作物的生长发育。 1 5 4 对人体健康的影响 目前，随着城市人口的剧增，城市生活垃圾、粪便排放亦在增加。据全国3 0 0 个 以上城市的统计，城市垃圾的清运量仅占产生量的4 0 5 0 ，无害处理率平均只有 1 6 ，5 0 以上的垃圾堆放在城市的一些死角，9 8 的垃圾、粪便未经无害化处理直 接进入环境这样既影响环境卫生，又对人民健康构成潜在的危害。垃圾堆放场是大量 6 天津科技大学硕：i ：学位论文 蚊蝇、老鼠、病原体滋生传播源泉，潜伏着求知的爆发性的鼠疫的危险。 1 5 5 侵占土地 城市生活垃圾的恶性积累，已成为世界性的环境灾难。垃圾肆意侵占土地的现象， 在许多的方面相当普遍。 1 5 6 易引起爆炸事故 随着城市生活垃圾中的有机物质含量的提高和由露天分散堆放变为集中堆存，只 采用简单的覆盖易造成产生甲烷气体的厌氧环境，使垃圾产生的沼气增加危害日益突 出，事故不断，造成重大损失。 综上所述，我国城市生活垃圾污染与处置形势十分严峻。如何采用有效的措施， 从根本上实现我国城市生活垃圾减量化、无害化、资源化的目标，做到化害为利、变 废为宝是摆在广大环境工作者和环卫工作者面前的一项重要的战略任务。 1 6 城市固体废弃物处理技术的现状与发展 1 6 1 卫生填埋 垃圾填埋在我国的实践只有十几年的时间，人们对于填埋场的运行规律并不了 解。如渗滤水的生产过程，垃圾成分随军时间的变化过程，垃圾表面的沉降规律等等。 对填埋场成套设备的开发处于起步阶段。我国搞垃圾填埋场，也是边摸索边实践。要 搞好垃圾填埋场的日常管理，必须满足两个方面的要求，一方面是填埋场子的硬件设 备要满足技术要求，第二方面应该具备完善的填埋场现场运行管理技术，包括劳动卫 生保护、设备内部管理和维护技术等。垃圾是一种极其复杂的有机物，含水率高，而 且随着时间的推移会逐渐腐烂和生物降解，产生有严重危害的渗滤水，有爆炸可能性 的沼气，不均匀的垃圾表面沉降，以及成分在不断变化的垃圾分解物。所有的硬件在 配备和购买时都必须考虑这种特点，使填埋场能够按照有关的标准正常运行，不产生 二次污染，最在限度的发挥所配置硬件的实用价值，保证生产过程是安全的、有效率 的。 垃圾填埋涉及到运转、推铺、压实、覆盖、复垦、渗滤水处理、沼气处理、防渗、 恶臭防治等过程，包括设备和技术两方面目前我国尚无规模较大的填埋场设备制造 商。大部分填埋设备借用土方工程的机械设备，不适应填埋场子的实际需要。填埋设 备是填埋场运行的关键。一座日填埋2 0 0 0 吨垃圾的填埋场，每年需要的填埋设备至少 需要1 0 0 0 万元以上。 除了填埋设备外，渗滤水处理设备也十分缺乏。由于渗滤水污染物浓度高，难降 解，借用常规的汗水和废水处理设备难以达到预想的正理效果。每个填埋场都有渗滤 水处理设备。渗滤水处理方法也很多。目前国内外尚无处理效果好、运行成本低的设 备和技术。 填埋场沼气应该说是填埋场的一笔财富，但由于许多填埋场的建设初期因技术、 资金等原因，未能考虑沼气利用问题。我国虽然有上百座填埋场，但进行沼气利用的 l 绪论 只有杭州、广州、北京等地。城市生活垃圾埋入填埋场后就开始降解，6 个月后进行 严格好氧降解阶段，此时所产生的沼气中有5 0 6 0 甲烷和4 0 5 0 二氧化碳，氧 气的含量一般小于o 3 。这个阶段可维持l o 年左右。每公斤干垃圾每年可产生沼气1 4 l 【8 1 。 渗滤水防渗是填埋场建设的核心。目前用于防渗材料( 主要是高性能聚合物) 基 本上进口。进口材料4 0 元每平方米以上。一座中等规模填埋场需要的防渗材料量在 1 0 0 0 万元以上。 另外，填埋场作业又脏又臭，目前我国填埋场的劳动卫生急需改善；填埋技术在 国外已有几十年的历史，各种填埋设备比较成熟。在国内，许多机械在使用中安全难 以保证，经常发生事故，急需改进。 随着我国经济建设和科学技术的飞速发展，多层次的现代化卫生填埋场在国内逐 渐增多，其重要标志之一是投入的先进设备越来越多、性能结构越来越复杂、自动化 程度越来越高。各种大型机械和专用设备开始成为填埋作业中主要物质技术和生产力 构成因素。这些设备的技术状态和性能好坏直接影响到填埋作业的数量、质量和经济 管理。目前国内在填埋场专用设备的研究开发上处于起步阶段，大部分填埋场是以针 对土方工程设计的机械设备来装备，为了使这些设备在比土方工程更为恶劣的生活垃 圾处置环境中正常运作，各填埋场都高度重视这些设备的前期管理和合理使用。尽管 如此，我国垃圾填埋设备一直不尽如人意。存在的主要问题有：我国绝大部分填埋场 采用推土机代替压实机对垃圾进行压实，效果相当差，推土机多次碾压后的密度o 8 0 9 吨每立方米。我国目前只有个别厂家生产垃圾压实机，上海市和北京市分别从德国 进口了b o m a 牌压实机，每台高达3 2 0 万元人民币，许多填埋场无力购买。转运设备 如铲运机等，安全性能不够，经常发生伤亡事故。 填埋场设备必须做到可靠性( 使用、安全) 、经济性( 成本低、维修费用低) 、 易修( 容易迅速查出故障部位、原因、备件容易、技术简单、休停时间短) 和多功能。 而利用土方工程设计的设备往往达不到这些要求。国内外的渗滤水处理技术很多，但 高效低耗技术缺乏。我国目前有几种渗滤水处理新技术出现，如新型生物滤池、膜分 离、湿式氧化等，需要完善提高。 填埋场沼气处理方面仍然缺乏国内拥有知识产权的技术和成套设备。大部分填埋 场渗滤水处理均未达标，处理费用偏高。国外又比较成熟的填埋场沼气处理设备和利 用方法，但引进价格相当高。 关于防渗材料，h d p e ( 高强度聚乙烯) 全部依靠进口，北京等地有生产厂家， 但使用的填埋场不多。国外有越来越多的填埋场认为瑚) p e 材料使用年限不长( 几十 年) ，而倾向于使用改性粘土衬层。 1 6 2 堆肥法 堆肥法是指采取一定的工艺方法将垃圾土堆埋在某处，利用微生物来分解垃圾土 中的有机成分，将垃圾土中的有机物进行发酵和降解，变成稳定的有机成分，并利用 天津科技大学硕：f ：学位论文 发酵过程中产生的温度杀死垃圾土中的微生物以达到无害化处理的目的。一般的堆肥 操作能使其温度达到7 0 。经过该堆肥处理后，生活垃圾变成卫生的，无味的腐殖质。 堆肥法在中国已有几千年的发展历史。尤其在广大农村，通常以农作物秸秆及人 畜粪便为原料堆沤还田，依靠厌氧微生物的分解作用，完成有机物的矿化及腐殖化过 程，基本上发球厌氧堆肥类型。其特点是堆肥时间长，一般需要半年左右的时间。厌 氧分解温度低，堆内有害病菌不能被有效的杀死，且分解时产生浓烈的臭味，规模小， 仅限于以家庭为单元。1 8 4 3 年，g e o r g eb o m m e r 用农作物秸秆堆肥在美国获得专利。 1 9 2 5 年，印籍英国植物学家a l b c nh o w a r d 的i n d o r e 堆肥系统将垃圾、人粪尿、树叶和 污水混合进行厌氧堆肥。1 9 3 1 年，v 觚m 啪e n 肥系统对i i l d o r e 系统进行改造，用起重 机抓斗翻堆，调节堆内含水量和通气，缩短了堆肥时间。5 0 年代初，加利福尼亚大学 发明的w i n d r o w 堆肥系统采用人工或机械翻动、堆底强制鼓( 吸) 风等措施进行好氧 堆肥，大大加快了堆肥速度。这一时期的堆肥系统基本上属于静态堆肥，机械化程度 低，周期长，需要2 3 个月时间。 5 0 年代后，以发酵器堆肥系统为代表的各种堆肥设备的出现，标志着堆肥类型有 静态开始转向动态。如e r a p t h o m 勰的多段发酵槽立流式搅拌床发酵器，f r a z c r e w e s o n 的垂直式的发酵仓内装有一组平等带也甲板的发酵系统；1 9 5 7 年在英国j e r s e y 建成的 j o l l i lt l l o u p s o n 堆肥系统；1 9 6 2 年在美国密西根州威廉斯顿的砌k e r 堆肥系统以及7 0 年 代流行的达诺( d 锄o ) 滚筒是这一时期动态好氧堆肥系统的典型代表。这一时期的堆， 肥特点是堆肥机械化程度高，堆肥时间短，一般只需要3 5 天。 蚯蚓堆肥也能对有机废弃物进行有效的处理，一些种类的蚯蚓以废弃物为食，将 废弃物消耗转变为堆肥和一些不易被降解的残余物。1 9 7 5 年，美国加利福尼亚h o l l 觚d s 堆肥场以粪便、食品加工废弃物和污泥为原料，采用蚯蚓堆肥技术进行处理。o n t 撕。 则致力于城市固体废弃物的蚯蚓堆肥研究，分拣后的城市生活垃圾经6 8 天的蚯蚓分 解，有9 0 的有机物被分解；1 9 7 8 1 9 7 9 美国佛罗里达州s 觚f - 0 r d 堆肥场在5 0 0 吨垃圾中 加入1 吨蚯蚓，1 6 个月后有机物被完全分解：在日本，许多造纸和食品加工业转向用 蚯蚓技术处理污泥和废弃物副产品。 进入七、八十年代，堆肥技术在西方国家并未取得更进下一步的发展。美国有文 章讲：“美国利用城市废弃物堆肥，在技术上是成功的，而产品的销售确实失败的 。 美国国家环保局出资在田纳西州翰逊市建立了一座垃圾堆肥场，生产1 吨堆肥合2 5 美 元，由于没有销路而被迫停产。日本的快速堆肥已由1 9 7 6 年的o 7 下降到1 9 8 1 年o 1 。 另外，堆肥产品中的生金属含量偏高，并夹杂有玻璃、金属等硬料以及不能为土地利 用的碎橡胶和塑料，这些农田耕作带来麻烦，时导致堆肥日益萎缩的重要原因。 9 0 年代，由于发达国家制定了一系列废弃物的减量化目标，禁止将有机垃圾填埋 以及对垃圾填埋征税等措施，使垃圾堆肥又出现了转机。垃圾堆肥在发达国家一般仅 限于厨房及庭院垃圾，二者之和可使垃圾减量1 8 3 ，堆肥被认为是一条缓解垃圾填 埋的减少农业化施肥使用的有效途径【9 1 。 9 1 绪论 总之，堆肥技术简单，其影响因素主要由总需氧量、生活垃圾的组成及粒度、温 度、p h 值以及搅拌程度。堆肥法既解决垃圾的出路问题，又可达到资源化的目的，具 有一定的经济效益和社会效益。但是生活垃圾堆肥量大，养分含量低，长期使用易造 成土壤板结，所以堆肥的规模不宜太大。生活垃圾不可能完全靠堆肥技术处理，而必 须与其它处理技术相结合。 1 6 3 垃圾焚烧 现代城市垃圾的焚烧历史可以追溯到1 8 7 4 年的英国。由于早期的城市垃圾热值不 高，和焚烧炉本身比较简陋，操作时烟气惊人，因此直到6 0 年代垃圾焚烧并没有成为 主要的垃圾处理方式。本世纪五六十年代间，资本主义世界经济发展迅速，城市垃圾 的数量也迅速增加，这时候西欧国家注意到了垃圾焚烧所具有的废弃物减量化效益， 体积和重量分别可缩减7 0 9 0 和5 0 8 0 。因此，从6 0 年代开始，焚烧处理城市 垃圾加快了发展速度，到7 0 年代能源危机引起众对垃圾能量的兴趣，由于焚烧具有回 收垃圾中能量的可能，于是得到了更进一步的广泛应用。日本的垃圾焚烧比例在9 0 年 代中期已达到7 0 ，但现有大小垃圾焚烧场接近1 9 0 0 座。瑞士、比利时、丹麦、法国、 卢森堡、瑞典、新加坡等国家焚烧的比例也已接近接近或者超过填埋。 城市生活垃圾处理的基本原则是无害化、减量化和资源化垃圾焚烧技术与这些 处理原则最为切合的是它卓越的减量化效果，这对城市生活垃圾处理管理目标的实现 有非常重要的意义。 垃圾焚烧处理所达到的无害效应也曾一度得到认同。目前，因其烟气中可能含有 难以控制的二恶英等高毒性有机物而已受到质疑垃圾焚烧处理的资源化效益主要来 自其热能回收，以电能输出来体现，这一效益并不能完全代表生活垃圾的全部资源价 值。但电能良好的市场前景使垃圾焚烧发电这一垃圾资源化的途径仍具有很大的实用 价值。基于垃圾焚烧技术的复杂性，使之成为一种较为昂贵的垃圾处理技术，其工程 投资要明显高于卫生填埋与堆肥，运行成本亦要高于卫生填埋与堆肥。这一特性，是 阻碍垃圾焚烧技术在大部分发展中国家的推广应用的主要原因。 垃圾焚烧技术是一种技术高度复杂，成本相对昂贵的生活垃圾处理技术。因此， 无论是其发展源流与应用现状，目前均以欧美、日本等发达国家最具有代表性。发达 国家应用的垃圾焚烧技术，其特征代表了当前生活垃圾焚烧技术的最前沿，同时其所 应用的垃圾焚烧技术对今后垃圾焚烧技术的发展也具有相当的指导作用。 我国垃圾焚烧技术的研究起步于2 0 世纪8 0 年代中期，“八五 期间被介入国家科 技攻关项目，目前仅由深圳等极少数城市采用了生活垃圾焚烧技术。 垃圾焚烧场的工艺流程可描述为：前处理系统中的垃圾预助燃空气系统所提供的 一次和二次阻燃空气在垃圾焚烧炉中混合燃烧，燃烧所产生的热能被余热炉加以回收 利用，经过降温后的烟气送入烟气处理系统处理后，经烟囱排入大气；垃圾焚烧产生 的炉渣处理系统处理后送往填埋场或作为其它用途，烟气处理系统所收集的飞灰作专 门处理；各系统产生的废水送往废水处理系统，处理后的废水可排入河流等公共水域 i o 天津科技人学硕二l ：学位论文 加以在利用；现代化的垃圾焚烧场的整个过程都可由自动控制系统加以控制。 它的优点有：( 1 ) 焚烧占地少；( 2 ) 焚烧对垃圾处理彻底，残渣干净污染危险 小；( 3 ) 焚烧操作是全天候的，不受天气的影响；( 4 ) 焚烧炉可以安装在接近垃圾 源的地方，节约运输费用；( 5 ) 焚烧的适用面广，除城市垃圾外的许多城市废弃物 也可以采用焚烧方法进行净化。但是，焚烧法的缺点也不容忽视：首先，它的投资大， 占用资金用期长；其次，焚烧对垃圾的热值有一定的要求，一般不能低于8 0 0k c a l l ( g ， 这限制了它的应用范围；最后，焚烧的废气排放问题，虽然人们花了很大的力气，但 问题远没有解决，而近年来出现的“二恶英 问题更使人们的这个担心变得沉重起来。 焚烧的优势和缺陷决定了它将在一个时期内继续作为一种主要的垃圾处理方法得到 应用，但将来会逐步被题解安全，资源化意义更大的垃圾处理方法，如热解和废弃物 衍生燃料( r d f ) 制造法等所取代。 1 6 4 等离子体等技术 等离子体就是离子化呈电中性的气体，它由大量的正负带电粒子和电中性的粒子 组成，粒子的能量一般为几个到几十电子伏特，大于聚合材料的结合能，因此可以将 固体废弃物中的分子彻底分解，再重新组合【1 0 1 。用等离子体技术处理固体废弃物时， 固体废物通过等离子体处理室后有机物被分解气化，无机物则被熔化成玻璃体硅酸盐 及金属产物。气化产物主要是合成气( 主要是c o 、h 2 、c h 4 ) 和少量的肛、h c l 等酸性 气体，熔化产物被收集到处理器中被冷却为固态，金属可回收，熔化的玻璃体可用来 生产陶瓷化抗渗耐用的玻璃制品，合成气通过过滤器去除烟尘和酸气后排向大气。 目前国际上又提出了几种有效的处理固体废弃物的方法，如：超声波、超临界流 体、中空纤维膜分离技术、反渗透技术、光化学氧化技术、有机废物微生物发酵生产 生物有机肥等。美国科罗拉多州科学家还发现了一种超级真菌( 青霉素n f i ) ，这种 真菌能分解城市固体废弃物中的纤维素和半纤维素使它发酵变成酒精i l 。 1 6 5 生物和机械预处理 u se p a ( 美国环保局) 提出在固体废弃物进行填埋、堆肥、焚烧之前进行b m t ( 生物和机械预处理) 1 1 z l 。b m t 能够减少固体废弃物的数量和体积，使其中的有机成 分稳定化，并回收可回收物。经过b m t 预处理后的废弃物，热值和稳定性都有所增加， 而其中的湿含量大大减小，使后期的处理变得简单有效。 1 6 6 垃圾热解技术 热解是一种古老的工业化生产技术，该技术应用于煤的干馏，所得到焦炭产品主 要作为冶炼钢铁的燃料。随着现代化工业的发展，该技术的应用范围逐渐得到扩大， 被用于重油和煤炭的气化。2 0 世纪7 0 年代初期，世界性的石油危机对工业化国家经济 的冲击，使人们逐渐意识到开发再生资源的重要性，热解技术开始用于固体废弃物的 处理。 垃圾的热解是将垃圾中的有机成分在无氧或缺氧状态下加热，使之分解为燃气、 l 绪论 焦油和半焦的化学过程。它具有资源利用率高、减容量大、无害化彻底、二次污染低 等特点。垃圾热解技术是随着煤炭热解技术、塑料化工的热解技术发展而发展。它有 内热式和外热式之分。内热式热解技术利用少量助燃空气，使部分垃圾燃烧氧化，释 放的热量加热未反应的垃圾，使其发生分解，产生可燃气体，可燃气体在二燃烧室再 充分燃烧；外热式热解技术利用间壁结构，使垃圾在无氧条件下发生热解，产生热值 较