第二章 固体废物产生、特性及采样分析法ppt课件

第二章固体废物产生 特性及采样分析法 本章重点内容固体废物产生量的常用预测方法常用的固体废物物理及化学特性 各种性质的测试及计算方法 危险废物特性及鉴别试验方法固体废物的采样方法 固体废物产生量的计算在固体废物管理中十分重要 是保证收集 运输 处置及综合利用的依据 鉴于城市生活垃圾和工业固体废物的产生特性差异较大 故对二者分别进行讨论 2 1固体废物产生量的常用预测方法 2 1固体废物产生量的常用预测方法 2 1 1城市生活垃圾产生量及预测城市生活垃圾的产生量随经济的发展 物质生活水平的提高 能源结构的变化以及城市人口的增加而增加估算城市生活垃圾产生量通用公式 Yn yn Pn 10 3 365式中 Yn为第n年城市生活垃圾产生量 t a yn为第n年城市生活垃圾的产率或产出系数 kg 人 d Pn为第n年城市人口数 人城市人口的变化需同时考虑机械增长率 移民 城市化 和自然增长率 机械增长率可根据当地规划计算 而自然增长率有不同的预测方法 2 1固体废物产生量的常用预测方法 利用人口数和垃圾产率预测垃圾产生量流程图 2 1固体废物产生量的常用预测方法 统计与数理模式对人口数进行预测的方法 2 1固体废物产生量的常用预测方法 算数增加法 假定未来每年人口增加率 与过去每年人口增加率的平均值相等 其计算可以下式表示 式中 Pn为n年后的人口数 人 P0为现在人口数 人 n为推测年数 年 r为每年增加人口数 人 年 Pt为现在起t年前人口数 人 t为过去的年数 2 1固体废物产生量的常用预测方法 几何增加法 式中 Pn为n年后的人口数 人 P0为现在人口数 人 n为推测年数 年 k为几何增加常数 假定未来每年人口增加率 与过去每年人口几何增加率相等 据此以等比级数推算未来人口 适用于新兴城市 但若预测时间过长常会偏高 其计算式 2 1固体废物产生量的常用预测方法 对数曲线法 假定城市人口数不可能无止境地增加 一定时间后将达到饱和状态 其人口增加状态呈S曲线状 其计算式 或 式中 P为推测人口数 以千人计 n为基准年起至预测年所经过年数 K为饱和人口数 以千人计 m q为常数 q为负值 本法因与城市人口动态变化规律较接近 国际上应用较普遍 2 1固体废物产生量的常用预测方法 最小平方法 本法以每年平均增加人口数为基础 根据历年统计资料以最小平方法推测人口变化地方法 其计算式如下 式中 n为年数 年 a b为常数 Pn为n年的人口数 N为用以分析人口数据 Pni ni 的组数 2 1固体废物产生量的常用预测方法 曲线延长法 根据过去人口增长情形 考察该城市的地理环境 社会背景 经济状况 以及考虑将来可能出现的发展趋势 并参考其它相关城市的变化情形进行预测 将历史人口记录的变化曲线进行延长 并求出预测年度的人口 2 1固体废物产生量的常用预测方法 2 1 2工业固体废物产生量及预测废物产生因子法 也称废物产率法 废物产率即废物产生源单位活动强度所产生的废物量 将预测的生产能力乘以废物产率 即可预测固体废物的产生量 式中 Pt为固体废物产生量 t或万吨 Pr为固体废物的产率 t 万元或t 万吨 M为产品的产值或产量 万元或万吨 该公式基于以下假设 相同产业采用相同技术 且在预测其无技术改造 即投入系数一定各产业的工业固体废物量Pt与产值或产量M成正比 即产出系数一定 2 1固体废物产生量的常用预测方法 固体废物的产率可通过实测法或物料衡算法计算 根据生产记录得到每班 或每天 每周 每月 每年 产生的固体废物量以及相应周期内的产品产值 或产量 由下式求出Pr值 为了保证数据的准确性 一般要在正常运行期内测量若干次 取其平均值 2 1固体废物产生量的常用预测方法 生产过程 投入1 投入n 产品1 产品n 流失1 流失n 根据质量守恒定律 在生产过程中投入系统的物料总质量应等于该系统产出物料的总质量 即等于产品质量与物料流失量之和 物料衡算公式的通式可表示为 式中 P投入为投入系统的物料总量 P产品为系统产品的质量 P流失为系统的物料和产品的流失总量 2 1固体废物产生量的常用预测方法 例 某黄磷厂生产一吨黄磷需要黄磷矿石9 339t 焦炭1 551t 硅石1 557t 除得到0 356t的副产品磷铁外 还产生2 824t气体和0 135t粉尘 其余均以废渣形式排出 求黄磷的产渣率 解 已知投入物料量 磷矿石 9 339t焦炭 1 551t硅石 1 557t 产品量 黄磷 1 000t 流失量 气体 2 824t磷铁 0 356t粉尘 0 135t 2 1固体废物产生量的常用预测方法 9 339 1 551 1 557 1 000 11 447t 11 447 2 824 0 356 0 135 8 132 t 2 2固体废物的物理及化学特性 2 2固体废物的物理及化学特性 2 2 1固体废物的物理特性 1 物理组成 physicalcomposition 城市固体废物的物理组成很复杂 其受到多种因素的影响 主要包括自然环境 气候条件 城市发展规模 居民生活习性 膳食结构 能源结构 经济发展水平等 故各国 各城市甚至各地区产生的城市垃圾组成都有所不同 2 2固体废物的物理及化学特性 我国南北方城市产生的城市垃圾组成对比表 2 2固体废物的物理及化学特性 2 固体废物的粒径 粒径 particlesize 对于固废的前处理 如筛选或磁分离 废物粒径大小往往是个重要参数 通常粒径的表达方式以粒径分布 particlesizedistribution PSD 表示 因废物组成复杂且大小不等 很难以单一大小表示 且几何形状也不一样 只能通过筛网的网 目 mesh 代表其大小 目 指颗粒大小和孔的直径 一般用在1in2 1in 25 4mm 筛网面积内有多少个孔来表示 2 2固体废物的物理及化学特性 粒径表达方式 粒径分布筛分试验 取一定量的固体废物样品 准备一组筛孔尺寸覆盖整个粒径范围的标准筛子 将样品按次序以不同筛孔的筛面进行筛分 记录每一个筛面上的样品质量 此质量除以样品总质量即是固体废物粒径位于前 后两个筛面孔径之间的质量分数 试验获得的各个粒径范围的质量分数即描述了固体废物的粒径分布 采用累积质量分布图表示 0 25m 2 2固体废物的物理及化学特性 3 含水率 moisture 定义 废物在105 1 温度下烘干2h 依水分含量而定 后所失去的水分量 烘干至衡重或最后两次称量的误差小于规定值 含水率对处理处置的影响堆肥化 含水率过高 空隙度降低 易产生厌氧 导致恶臭 含水率过低 微生物不能正常生长焚烧 含水率过高 垃圾不能自持燃烧 解决方法 一是添加煤粉来增加热值 一是采用生物预处理方法 先将垃圾倒入储坑放置一段时间 使一部分水渗沥出 含水率降低填埋 含水率过高 使填埋场地泥泞 影响填埋机械操作 2 2固体废物的物理及化学特性 又称容重 指一定体积空间中所容纳的废物质量 单位kg m3 是决定运输或贮存容积的重要参数 测定方法1 实测法 容重 末端质量 初始质量 体积V 4 容积密度 2 2固体废物的物理及化学特性 2 计算法 原理 可采用分别测各组分的容重 然后按固体废物的物理组成加权计算得到混合废物的容重 表达式 i i 例 废物由食品垃圾 纸张 塑料组成 食品垃圾 纸张 塑料分别占60 10 30 食品垃圾 纸张 塑料的容积密度分别为300kg m3 80kg m3 60kg m3 解 容重为 W 60 300 10 80 30 60 206kg m3 2 2固体废物的物理及化学特性 指固体废物抗破碎的阻力 用以表征废物破碎难易程度 主要有抗压强度 抗拉强度 抗剪强度和抗弯强度表示 一般以固体废物的抗压强度来衡量 具体分类如下 250MPa 坚硬固体废物 40 250MPa 中硬固体废物 40MPa 软固体废物 固体废物的硬度具体分级可与矿物硬度比较确定 矿物硬度按莫式硬度分为十级 其软硬排列顺序为 1 滑石 2 石膏 3 方解石 4 萤石 5 磷灰石 6 长石 7 石英 8 黄玉石 9 刚玉 10 金刚石 5 机械强度 2 2固体废物的物理及化学特性 2 2 2固体废物的化学特性 挥发分 volatiles 指物体在标准温度实验时 呈气体或蒸汽而散失的量 实验法是将定量样品 已除去水分 置于已知质量的白金坩埚内 于无氧燃烧室内加热 600 20 所散失的量 挥发分 初始质量 末端质量 100 初始质量 2 2固体废物的物理及化学特性 2 灰分 ash 对垃圾进行分类 将各组分破碎至2mm以下 取一定量在105 5 下干燥2h 冷却后称量 P0 再将干燥后的样品放入电炉内 在800 下灼烧2h 冷却后再在105 5 下干燥2h 冷却后称量P1 2 2固体废物的物理及化学特性 3 固定碳 是除去水分 挥发性物质及灰分后的可燃烧物 表示方法 差值法 固定碳 100 灰分 水分 挥发分 固废工业组成三成分 水分 可燃分 挥发分 固定碳 和灰分四成分 水分 挥发分 固定碳和灰分主要分析项目 5项 包括 四成分 热值 或发热值 2 2固体废物的物理及化学特性 例 某废物经标准采样混配后 置于烘炉内量得有关的质量 不含坩埚 如下 原始样品质量25 00g 105 加热后质量23 78g 以上样品加热至600 后质量15 34g 接着加热到800 后质量4 38g 试求此废物的水分 灰分 挥发分与固定碳各为多少 2 2固体废物的物理及化学特性 4 闪火点与燃点 测定方法闪火点80 采用PM闭杯法 pensky martensclosedcup 测定 缓慢加热废物至某一温度 如出现火苗 即闪火而燃烧 但瞬间熄灭 此温度就称为闪火点 flashpoint 但如果温度接着升高 其所发生的挥发组分足以继续维持燃烧 而火焰不再熄灭 此时的最低温度称为着火点 ignitionpoint 或燃点 2 2固体废物的物理及化学特性 表示废物燃烧时放出的热量 用以考虑计算焚烧炉的能量平衡及估算辅助燃料所需量 5 热值 heatingvalue 高位热值 单位质量垃圾完全燃烧后燃烧产物中的水分冷凝为0 的液态水所放出的热量 低位热值 单位质量垃圾完全燃烧后燃烧产物中的水分为20 的水蒸汽所放出的热量 二者换算公式 低位热值 kJ kg 高位热值 kJ kg 1 废物水分百分比 废物水分百分比 标准状态水的汽化热 kJ kg 废物的热值可用热值测定仪直接测量 也可以根据废物的组分或元素组成计算 2 2固体废物的物理及化学特性 热值测量法 样品热值 水的升温焓 助燃剂热值 2 2固体废物的物理及化学特性 理论估算法 原理 利用燃烧热的计算原理估算废物热值 废物燃烧反应式 aA bB cC dD反应热为产物热焓与反应物热焓之差 通常规定元素的热焓在25 298K 时为零 因此 一个化合物的热焓就等于其形成热 则 H 298 c H f C d H f D a H f A b H f B 2 2固体废物的物理及化学特性 例 某废液化学组成为摩尔分数30 的CH3OH和70 C6H14 有关成分的生成热为 CH3OH l 57 04kcal mol C6H14 l 47 52kcal mol H2O g 57 80kcal mol CO2 g 94 05kcal mol 试估算废液25 时的热值 解 列反应式CH3OH 2 3 O2 CO2 2H2OC6H14 19 2 O2 6CO2 7H2O则 H1 94 05 2 57 80 57 04 152 61kcal mol H2 94 05 6 7 57 80 47 52 921 38kcal mol根据摩尔分数得废液燃烧热 H 152 61x0 3 921 38x0 7 690 75kcal mol又废物平均摩尔质量为 0 3x32 0 7x86 69 8则以质量表示的热值为 690 75x103 69 8 9896kcal kg 2 2固体废物的物理及化学特性 元素组成计算法 原理 利用元素组成 如C H O等 估算废物热值 1 高位热值表示式 Wilson式 HH 7831mC1 35932 mH mO 8 2212mS 3546mC2 1187mO 578mN式中 mC1 mC2分别为有机碳和无机碳的质量分数 mH mO mN mS分别为H O N S的质量分数 2 当废物中氯含量很高时 改为 HH 7831mC1 35932 mH mO 8 mCl 35 5 2212mS 3546mC2 1187mO 578mN 620mCl 3 低位热值为 HL HH 583 mH2O 9 mH mCl 35 5 2 2固体废物的物理及化学特性 例 某城市垃圾元素组成为 C15 6 其中有机碳12 4 无机碳3 2 H6 5 O14 7 N0 4 S0 2 Cl0 2 水分39 9 灰分22 5 试计算废物高位热值和低位热值 解 因氯含量很低 不考虑氯的影响 列式如下HH 7831mC1 35932 mH mO 8 2212mS 3546mC2 1187mO 578mN 2712 3kcal kgHL HH 583x mH2O 9mH 2138 6kcal kg 2 2固体废物的物理及化学特性 灰渣样品在空气中灼烧时所损失的质量 通常作为检测废物焚烧后灰渣的品质 6 灼烧损失量 评价焚烧装置运行好坏关键参数 测定方法是将灰渣样品置于800 25 高温下加热3h 称其前后质量 并根据下式计算 一般设计优良的焚烧炉的灰渣灼烧损失量约在5 以下 2 2固体废物的物理及化学特性 元素组成分析的作用1 判断废物化学性质2 确定废物处理工艺 N Cl 3 预测焚烧后的二次污染物 7 元素成分包括碳 氢 氧 氮 硫 氯和灰分 针对其中的有机物 分析方法 采用仪器分析方法按物理组分分别分析 然后按物理组成换算成废物的元素组成 直接分析混合废物样 得到的元素组成数据离散度较大 无代表性 2 2固体废物的物理及化学特性 固废pH值对农用的影响pH值过高 会使土壤盐碱化pH值过低 会使土壤酸化 8 pH值 农业利用 测试过程 2 2固体废物的物理及化学特性 2 2 3危险废物特性及鉴别实验方法 危险废物定义指具有毒性 易燃性 易爆性 反应性 腐蚀性和感染性等危险特性的一类废物 名录法按废弃物种类认定其毒害性 危险性 并将种类登记于具有法规意义的危险废物名录中 作为认定危险废物的依据 国家危险废物名录 1 1998年颁布实施2 将危险废物分为47类 列出废物编号和废物类别3 明确废物来源以及常见危险组分 2 2固体废物的物理及化学特性 分析法在专门立法中 对危险废物特性及其鉴别分析方法以 标准 形式予以规定 依据鉴别分析方法 测定废物特性 如易燃性 腐蚀性 反应性 放射性 浸出毒性以及其它毒性等 进而判定是否属于危险废物 1 急性毒性指一次性投给试验动物的毒性物质 其半致死量小于规定值的毒性 固废浸出液 灌胃 小白鼠 观察 中毒症状 记录 48h内死亡率 死亡率 50 2 2固体废物的物理及化学特性 中国工业毒物急性毒性分级 注 LD50为半致死剂量 2 2固体废物的物理及化学特性 2 易燃性闪点低于定值的废物由于摩擦 吸湿 点燃或者由于自发的化学变化会产生发热或着火 或点燃后的燃烧会持续进行 采用闭口闪点测定仪测定 如果闪点低于规定值 认为该废物具有可燃性 苯 氯仿 3 腐蚀性采用玻璃电极法测定固态 半固态废物浸出液的pH值或者高浓度液体的pH值 如果pH 2 或 12 5 则该废物具有腐蚀性 酸碱废液 2 2固体废物的物理及化学特性 4 反应性指在常温 常压下不稳定 极易发生激烈的化学反应 遇火或水反应猛烈 在受到摩擦 撞击或加热后可能发生爆炸或产生有毒气体的性质 撞击感度测定 立式落锤仪 爆炸百分数为感度摩擦感度测定 摆式摩擦仪 一定条件下的发火率为摩擦感度 观察是否发生爆炸 燃烧 分解 差热分析测定 差热分析仪爆发点测定 爆发点测定仪火焰感度测定 黑火药柱能否通过灼热的镍铬丝点燃样品遇水反应性 和水剧烈反应 和水形成爆炸性混合物 和水混合产生毒性气体 蒸汽或烟雾等 2 2固体废物的物理及化学特性 指带有微生物或寄生虫 能致人体或动物疾病的废物 具有感染性的典型危险废物为医疗废物 指在医疗卫生机构在医疗 预防 保健以及其它相关活动中产生的具有直接或者间接感染性 毒性以及其它危害性的废物 5 感染性 2003年我国颁布实施 医疗废物管理条例 将医疗废物分为以下种类 感染性废物病理学废物损伤性废物药物性废物化学性废物其它废物 2 2固体废物的物理及化学特性 6 浸出毒性 指固体废物遇水浸沥 其中有害的物质迁移转化 污染环境 浸出的有害物质的毒性称为浸出毒性 浸出液制备 100g 干基 样品置于2L具广口聚乙烯瓶中 加入1L pH5 8 6 3 的水中 水平往复振荡器上振荡8小时于室温下浸泡16小时 用0 45微米滤膜过滤 滤液即为浸出液 分析指标 汞 镉 砷 铬 铜 锌 镍 锑 铍 氟化物 氰化物 硫化物 硝基苯类化合物 2 2固体废物的物理及化学特性 2 2固体废物的物理及化学特性 除以上特性 危险废物得其它特性还可能包括 生物累积性 bioaccumulation 致突变性 致癌性或畸胎性 mutagenicitycarcinogenicityorteratogenicity MCT 放射性 2 3固体废物的采样方法 固体废物采样分析是从大量废物中取出少量代表性样品 有这些少量样品分析所得的数据 推测出整体废物的性质 大多数废物都呈不均匀状态 比较准确的方法是收集兵分析一个以上的样品 多个样品产生的代表性数据才可以说明该废物的平均性质与组成 根据废物贮存方式与贮存容器的不同 可采用不同的采样形态 常用的采样方法包括 单一随机采样 分层随机采样 系统随机采样 阶段式采样 权威采样 混合采样 2 3固体废物的采样方法 2 3 1单一随机采样型 采样方法 将所有废物划分成相当数量的假想格子 依序给予连续编号 随机选出一组号码 再从这组号码所代表的格子取出样品 再随机选择所要采集的样品 特性 废物的任一点 都有同等的机会被取出 且以随机方式取出适量样品 优点 简单 准确度高适用对象 化学性质呈现部规则的非均态 且维持固定状态的废物 无任何或很少污染物分布资料的废物 2 3固体废物的采样方法 2 3 2分层随机采样型 采样方法 若废物的污染性质痕明显地分割成数层 且层与层之间性质差异很大 而每一层内的差异性很小 并至少可以取出2 3格样品时 则在每一层中 分别以单一随机采样法采集样品 若了解每层的差异程度 则以其差异程度 依各层废物量的分布比例大小 分别于各层取出相当比例的样品量 特性 分层随机采样依据各层显著的差异性 分别根据其差异程度的大小 取出不同比例的样品数 能很准确地反映废物性质分布的状况 适用 明确了解废物中污染物的分布情形 且其分层现象很明显 经费不足 仅能取少数样品的情况 2 3固体废物的采样方法 2 3 3系统随机采样型 采样方法 在废物中随机取出第一个样品 随后于一定空间或时间间隔下 依序取出其它样品 即将全体所有的个体依次编号 设定固定间隔 每隔若干号抽取一号 特性 第一个样本随机取出后 其余的样本依一定的规则取出 适用 采样人员非常了解该废物的特性 确知该废物中主要污染物呈任意分布或只有缓和的层化现象 2 3固体废物的采样方法 2 3 4阶段式采样法 采样方法 先有一个原始N个单位 一单位中含有多个样品 中抽取n个单位的随机样本 称为主要 或第一段 抽样单位 而再从n个单位中的第i个被选的主要单位再选m个单位 称为次要 或第二段 抽样单位 特性 采样手续方便 可依需要分阶段实施采样工作缺点 误差较大 整理分析较繁琐 2 3固体废物的采样方法 2 3 5权威性采样法 采样方法 由对所采集废物的性质非常了解的人员决定并选择样品 特性 整个采样过程完全由一个人决定 人为因素较强 适用 采样人员对废物性质确实非常了解的情况 虽然较简单 方便 但容易出现错误的判断 数据的有效性比较可疑 2 3固体废物的采样方法 2 3 6混合采样型 采样方法 将由废物收集而来的一些随机样品 混合成单一样品 再分析此单一混合样品的相关污染物 常用的方法有二分法 四分法与井字法 二分法 将废物堆等分 各等分取适量样品再混匀后等分 再从各等分取适量样品 如此重复至适当的样品量 四分法 将废物堆十字均分为四小堆 取对角的两小堆 混匀后再十字均分为四小堆 如此重复至适当的样品量 井字法 将废物井字均分为九小堆 各小堆等取适量样品 混匀后再井字均分为九小堆 如此重复至适当的样品量 特性 样品间的分散性较小 可减少样品采集数量 2 3固体废物的采样方法 2 3 7不同固体废物储存形态的采样方法 1 大型容器采样法基本原则 为了取得容器内每一点的样品 1 三度空间单一随机采样 将容器根据假想的三度空间格子结构划分 2 二度空间单一随机采样 对收集较小数量的样品 此法较精确 2 敞开车辆采样法在废物上方划分假想格子 在交叉点 利用螺旋钻或适合的采样器进行采样 2 3固体废物的采样方法 3 储槽内废物采样法 1 开放式储槽 采用三度空间单一随机取样法 2 开放式储槽 且已知或已假设废物组成的分布 采用二度空间单一随机取样法 3 采样口受限制的储槽 需取得充分样品量 4 采样口受限制 且废物内成分分布情况未知的储槽 可估计倾出世间 在倾倒时 随机取样 4 废物堆采样法 1 废物堆每一位置均可取样 采用三度空间单一随机取样法 2 废物堆过大 不易均匀取样 则需配合其移