固体废物的产生及性质分析

1、第二章 固体废物的产生及性质分析教学目的和要求：熟练掌握固体废弃物的物理性质、化学性质及生物性质分析方法，了解危险废物鉴定方法。教学重点和难点：固体废弃物的理化性质及生物性质分析方法为了保证固体废物处理处置的效果及综合利用的实施，首先掌握固体废物产生量，来确定处理处置设施的规模，同时需弄清楚固体废物的性质，来确定处理处置工艺和综合利用措施，从而达到控制固体废物污染环境的目的。第一节 固体废物产生量及预测固体废物产生量的计算在固体废物管理中的作用非常重要，它是保证废物收集、运输、处理、处置以及综合利用等后续管理能够正常实施和运行的依据。由于城市生活垃圾和工业固体废物的产生特性差别较大，接下来分别

2、进行讨论。一、城市生活垃圾产生量及预测估算城市生活垃圾产生量的公式是Yn=ynPn10-3365式子中, Yn表示第n年城市生活垃圾产生量；yn表示第n年城市生活垃圾的产率；Pn表示第n年城市人口数。其中，城市生活垃圾产率受多种因素影响，如收入水平（一般情况下，收入水平高的地区垃圾产生量大，收入水平低的地区垃圾产生量小）、能源结构（燃料的不同，在燃煤区及燃气区，垃圾中的灰渣量差别很大）、消费习惯（奢侈消费与节俭消费相比，垃圾产生量要大）等。另外，农村生活垃圾产率的影响因素，主要有收入水平、家庭禽畜养殖（以前农村剩饭菜全部通过养猪、养鸡鸭消纳掉了，食品垃圾很少，然而农村产业结构的调整）、做饭工具

3、类型（柴灶、液化气罐、电饭锅，以前可燃垃圾（塑料、纸张、秸秆）被消纳，现在成为多余）、厕所类型（旱厕、水冲卫厕，使用旱厕时，卫生纸与粪便一起发酵后可以还田，现在被丢弃到垃圾中，而粪便直接排入河流中使村河成为大粪缸）城市人口数主要受机械增长率和自然增长率的影响，机械增长率可根据当地发展规划来进行测算，如规划移民数量、城市化水平、城市规模扩大程度等。在此重点谈一下人口自然增长率的预测方法。预测方法主要有：算术增加法、几何增加法、饱和曲线法、最小平方法以及曲线延长法等。（1）算术增加法（适用于较古老的城市）假定未来每年人口增加率与过去每年人口平均增加率相等，以等差级数推算未来人口，算式如下Pn=P0

4、+nr式中，Pn为n年后人口数，P0为现在人口数，n为推测年数，r为每年人口增加数；r的计算公式为：r=( P0- Pt)/tPt为t年前人口数，t为过去的年数。（2）几何增加法（适用于新兴城市）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，以等比级数推算未来人口，算式如下Pn=P0 exp(k,n)式中，Pn为n年后人口数，P0为现在人口数，n为推测年数，k为几何增加常数；k的计算公式为：r=( lnP0-lnPt)/tPt为t年前人口数，t为过去的年数。（3）饱和曲线法（本法与城市人口动态变化规律较接近，国际上应用较多）假定城市人口数在一定时间后达到饱和状态，不再增加，其计算式如下：

5、P=K/(1+meqn)式中，Pn为n年后人口数，n为推测年数，k为饱和人口数；m、q为常数。（4）最小平方法最小平方法是以每年平均增加人口数为基础，根据历年人口统计资料以最小平方法推测人口，计算式如下：Pn=an+b式中，Pn为n年后人口数， n为推测年数，a、b为常数；a、b的计算公式为：a=(N niPni-niPni)/( N ni2-nini)a=(ni2Pni-niPnini)/( N ni2-nini)N为数据（Pni，ni）组数。（5）曲线延伸法根据过去人口增长情况，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，将历史人口记录的变化曲线进行延长，就可求

6、出预测年度的人口。二、工业固体废物产生量及预测工业固体废物产生量的预测采用的是废物产率法，废物产率是指废物产生源单位活动强度所产生的废物量。将预测到的生产能力乘以废物产率，就得到工业固体废物产生量。Pt=PrM式子中，Pt为固体废物产生量；Pr为固体废物的产率；M为产品的产值或者产量。固体废物产率测定方法有实测法和物料恒算法。（1）实测法根据生产记录得到每个周期（可以是每班、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（或者产量），计算式如下：Pri=Pti/Mi为保证数据准确，通常测量多次，取其平均值，如下：Pr=(1/n)Pri（2）物料衡算法对生产过程所使用的物料情况进行定

7、量分析，根据质量守恒定律，在生产中投入物料的总量等于产出物料的总量，产出物料量包括产品量和物料流失量。可以下式表示：P投入 =P产品+P流失举例说明：例某厂生产1t黄磷需要磷矿石9.5t，焦炭1.5t，硅石1.5t，得到副产品磷铁0.5t，产生气体3t和粉尘0.2t，其余以废渣形式排出，求黄磷的产渣率。解投入物料量：磷矿石9.5t，焦炭1.5t，硅石1.5t；产品量：黄磷1t；流失量：磷铁0.5t，气体3t，粉尘0.2t，废渣x t。利用公式P投入 =P产品+P流失得到P流失=P投入 -P产品=11.5 t则x=P流失-0.5-3-0.2=7.8t因产出是1 t黄磷，所以黄磷的产渣率为7.8t

8、/t产品。第二节 固体废物的物理性质固体废物的物理性质主要有：物理组成、粒径、含水率、容积密度和硬度。一、固体废物的物理组成固体废物的物理组成，主要是按废物组成的材料特征对各组分进行区分，并描述其分布状况的固体废物特征分析方法。其中城市固体废物物理组成受到多种因素的影响，如自然环境、气候条件、城市发展规模、居民生活习性、家用燃料以及经济发展水平等都对其有不同程度影响。二、固体废物的粒径对固体废物进行筛选或磁选时，废物粒径大小是个重要参数，它决定了使用设备规格或容量。粒径的表达方式常以粒径分布表示，获得固体废物粒径分布数据的基本方式是筛分试验，过程是这样的，取一定量的固体废物样品，准备一组筛孔尺

9、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，记录通过每一个筛面的样品质量，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，粒径分布数据表达常采用累积质量分布图表示。0.250.50050100累积质量分数/%粒径/m如果从粒径0.25m处作纵坐标轴的平行线，与投影相交两个点，分别对应纵坐标轴上的30%和50%，则说明粒径不小于0.25m的物料量占总物料量的比例范围为30%50%。三、固体废物的含水率固废含水率影响着固废处理处置设施的正常运行，如堆肥时，含水率过高，空隙度降低，易产生厌氧

10、，导致恶臭；如焚烧时，含水率过高，使垃圾不能自持燃烧，目前解决方法有2个，一个是添加煤粉来增加热值，一个是采用生物预处理方法，先将垃圾倒入储坑内放置一段时间，使一部分水渗沥出，含水率降低，但这两种方法都会增加成本；填埋时含水率过高，会使填埋场地泥泞，影响填埋机械操作。含水率测定方法有两种，一种为实测法，一种为计算法。1、实测法测定过程为：初始质量取出称重烘干称重废物样品直至恒重(1051)每隔1h则含水率为含水率/%=（初始质量-烘干至恒重时质量）x100%/初始质量2、计算法如果已知废物物理组成以及各组分含水率，则可以按固体废物的物理组成加权计算得到混合废物的含水率，这对于在现场，只有简单称

11、量工具而没有干燥设备时，为了掌握废物含水率，可以这样计算。表达式如下：W =iWi举例说明：例已知废物由食品垃圾、纸张、塑料、灰土组成，分别占60%、10%、20%、10%，各组分含水率分别为85%、20%、3%、9%，则含水率为：W=60% x 85%+10% x 20%+20% x 3%+10% x 9%=54.5%四、固体废物的容积密度1、定义固体废物的容积密度，又称容重，指的是一定体积空间中所容纳的废物质量，单位kg/m3。废物容重是决定运输或贮存容积的重要参数。2、测量方法容重测定方法有两种，一种为实测法，一种为计算法。（1）实测法测定过程为：称重称重容器(体积V)末端质量初始质量填

12、满样品则容重为容重=（末端质量-初始质量）/体积V（2）计算法由于废物组成成分复杂，也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。表达式如下： =i i举例说明：假定废物由食品垃圾、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300 kg/m3、80 kg/m3、60 kg/m3，那么混合废物的容积密度为206 kg/m3。五、固体废物的机械强度1、定义是指固体废物抗破碎的阻力。2、表示方法固体废物的机械强度可用静载下测定的抗压强度、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，抗压

13、强度大于250MPa者为坚硬固体废物，40-250MPa者为中硬固体废物，小于40MPa者为软固体废物。同时，由于固体废物的硬度在一定程度上能够反映废物破碎的难易程度，因而可用废物的硬度表示其可碎性。各种固体废物的硬度可通过与矿物硬度比较来确定，矿物的硬度可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。第三节 固体废物的化学性质固体废物的化学性质主要包括：工业组成、闪火点与燃点、热值、灰熔点、灼烧损失量、元素组成、植物养分和pH值。一、固体废物的工业组成固体废物工业组成分析包括：水分、挥发分

14、、灰分和固定碳。1、挥发分（1）定义指的是样品干物质中，在还原性气氛中加热，能转化为气态物质的部分。（2）测定过程无氧环境中恒温一段时间末端质量样品干样初始质量称重称重(60020)则挥发分为挥发分/%=（初始质量-末端质量）x100%/初始质量2、灰分（1）定义指的是样品干物质中，无法由燃烧反应转化为气态物质的残余物。（2）测定过程末端质量样品干样称重冷却加热初始质量称重800,2h则灰分为灰分/%=（初始质量-末端质量）x100%/初始质量3、固定碳（1）定义指的是固体废物中非挥发分的可燃物。（2）表示方法根据刚才的定义，在已知挥发分、水分、灰分的情况下，可采用差值法计算，即固定碳/%=1

15、00-（灰分+水分+挥发分）/%。另外，固体废物工业组成也可采用燃烧三组分方法表示，即以水分、可燃分、不可燃分3个组分表示，与四组分相比较，可得到以下结果：可燃分/%=挥发分/%+固定碳/%，不可燃分/%=灰分/%。二、固体废物的闪火点与燃点1、定义废物缓慢加热至某一温度，如出现火苗，立即闪火而燃烧，但瞬间熄灭，则此温度即为样品的闪火点；如果样品继续升温至某一个温度，在同样条件下引火，使样品起燃，而火焰能持续存在，则此温度称为燃点。2、测定方法（1）闪点或者燃点低于80可采用Tag闭杯法（tag closed cup）测定。（2）闪点温度大于80采用PM闭杯法（pensky-martens c

16、losed cup）测定。三、固体废物的热值1、定义热值是指固体废物在燃烧反应中所能释放的热能。热值大小可用于判断固体废物及其组分的可燃性和能量回收潜力。2、热值测定方法固体废物热值测定方法有三种，分别是测量法、理论估算法和元素组成计算法。（1）测量法夹套内水温不再上升点火废物样品释放热量密闭装入充氧氧弹量热计助燃剂则样品热值为：样品热值=水的升温焓-助燃剂热值热值又分为高位热值和低位热值，高位热值指废物干燥样品（水分为零）的氧弹发热量，低位热值指的是从高位热值中扣除因蒸发废物所含水分散失的热量后所剩余的热量。二者换算关系式为：低位热值/(kJ/kg) = 高位热值/(kJ/kg) x (1-

17、废物水分百分比) - 废物水分百分比x 标准状态水的汽化热/(kJ/kg)（2）理论估算法固体废物的热值化学上又称为“燃烧热”，可以利用燃烧热的计算原理估算废物热值，废物燃烧反应式为：aA+bBcC+dD该反应式的反应热为产物热焓与反应物热焓之差，即H0=cH0C+dH0D-aH0A-bH0B式中，H0为标准状态下的反应热，H0A、H0B、H0C、H0D为化合物A、B、C、D在标准状态下的热焓。一般元素的热焓在25时设定为零，因此，一个化合物的热焓就等于其形成热。H0298=c(H0f)C+d(H0f)D-a(H0f)A-b(H0f)B举例说明例 某废液化学组成为摩尔分数30%的CH3OH和7

18、0%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)O2CO2+2H2OC6H14+(19/2)O26CO2+7H2O则H1= -152.61 kcal/molH2= -921.38 kcal/mol根据摩尔分数得到废液的燃烧热为：H=152.61x0.3+921.38 x0.7=690.75 kcal/mol又废物平均摩尔质量为：0.3 x 32+0.7 x 8

19、6=69.8则以质量表示的热值为：690.75 x 103/69.8=9896 kcal/kg （3）元素组成计算法也可以利用元素组成（如C、H、O等）估算废物热值，工业界常采用Wilson式估算高位热值，kcal/kg，如下：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。当废物中氯含量很高时，计算式改为：HH=7831mC1+35932(mH-mO/8-mCl/35.5)+2212mS-3546mC2+1187mO-578mN-

20、620 mCl而低位热值为：HL= HH -583 x mH2O+9( mH - mCl/35.5)举例说明例： 某城市垃圾元素组成为：C 15.6%（其中有机碳12.4%，无机碳3.2%），H 6.5%，O 14.7%，N 0.4%，S 0.2%，Cl 0.2%，水分39.9%，灰分22.5%，试计算废物高位热值和低位热值。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 =2712.3 kcal/kgHL= HH -583 x (mH2O+9mH)=2138.6 kcal/kg四、灰熔点为了防

21、止灰渣形成熔渣而对垃圾焚烧设备造成危害，如沾在炉壁、炉排上，破坏它们的材料结构，需测定灰熔点，来避免焚烧温度达到灰熔点。灰熔点是这样说的，废物燃烧后产生的灰渣，在加热至某一温度时，会因熔融和烧结过程而转化为熔渣，此熔渣形成温度即称为灰熔点。五、灼烧损失量灼烧损失量是评价固体废物焚烧装置运行好坏的关键参数之一，是固体废物是否焚烧完全的重要指标，灼烧损失量高时，代表着灰渣中没有燃烧的可燃物残余量较多。1、定义是灰渣样品在空气中灼烧时所损失的质量。2、测定过程具体测定过程如下：称重空气中灼烧初始质量称重(80025),3h末端质量灰渣样品则灼烧损失量为灼烧损失量/%=（初始质量-末端质量）x100%

22、/初始质量六、固体废物的元素组成废物元素组成分析的作用主要有：判断废物化学性质，确定废物处理工艺，预测焚烧后的二次污染物。一般元素组成分析包括碳、氢、氧、氮、硫、氯和重金属（如铅、镉、汞等）固体废物元素分析的方法操作难度较大，一般采用仪器分析方法完成，但混合废物样品分析的组成数据测试离散度较大，一般按物理组分分别分析，以供按废物物理组成换算成废物的元素组成。七、固体废物的植物养分1、定义植物养分指的是植物生长所需的常量元素N、P、K和各种微量元素，其中N、P、K是主要的植物养分元素。2、测试方法由于生活垃圾中含有一定量的植物营养成分，因此生活垃圾可通过农田加以利用。测定方法参照土壤与农肥养分测

23、定方法。八、固体废物的pH固体废物pH值是与农业利用有关的一个重要化学性质，pH值过高，会使土壤盐碱化，pH值过低，会使土壤酸化。测定过程如下：测pH值振荡水萃风干样品样品pH值水萃液混合1:10水PH计第四节 固体废物的生物性质一、固体废物的生物可降解性固体废物中的生物质源物理组分主要有：厨余、纸类、木草竹类（庭院垃圾、木材类）和织物（部分，其中的合成纤维织物一般不具有生物质特征）。固体废物的生物可转化特性除了与其生物源物质的比例有关外，也与生物质类型有很大关系。水溶性组分可被微生物直接利用，是最易生物降解的物质；蛋白质、脂肪类、半纤维素类和纤维素类物质，首先被水解酶分解为水溶性物质，然后才

24、能被微生物利用；木质素类物质不能被大多数微生物所利用。另外，废物碳氮比应和适，因为在微生物处理过程中，废物中的碳提供能源、少量用于合成细胞质，氮则主要用于合成细胞质，因此，废物的碳氮比只有保持在一定范围内，才较适合于生物处理过程的需要。二、固体废物的致病微生物含量生活固体废物中会含有一些有害的病原微生物，它们会对环境造成污染，病原微生物的传播也会对人群构成危害，粪大肠菌值采用多管发酵法测定，蛔虫卵死亡率采用漂浮法测定。多管发酵法测定过程比较繁琐，在这里就不再叙述了，如果将来大家实际要做实验时，再进行详细讲解，这里讲一下漂浮法测定蛔虫卵死亡率的过程。经预处理的样品称取放入510g注入5%NaOH

25、溶液2530ml50ml离心管加入10粒玻璃珠震荡静置1015min1530min反复震荡34次离心35min使虫卵分离倒出多余NaOH溶液水洗,搅拌再离心倒出水洗液添加饱和NaNO3蛔虫卵漂浮在液面离心35min金属环移动液膜到小烧杯再添加饱和NaNO3再离心35min金属环再移液膜到小烧杯直到液膜涂片不见虫卵为止抽滤含卵混悬液得到滤膜平铺载玻片上计数低倍显微镜上得到蛔虫卵死亡率三、固体废物的生物毒性固体废物表现出生物毒性的依据：是固体废物含有的能使生物产生中毒性反应的物质，这样的物质分为两类：一是一些无机元素及其化合物，这些无机元素均属于重金属；二是毒害性有机物，包括多环化合物和卤代有机物

26、等，其生物毒害性多表现为与致癌相关的致畸性和诱变性。第五节 危险废物鉴定方法危险废物是指具有毒性、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。对危险废物进行鉴定，有利于固体废物的管理和处理处置方案的确定，对于保证处理处置设施的安全，降低处置费用，防止环境污染有重要意义。危险废物鉴定方法有两类，一是名录法，一是分析法。一、名录法名录法是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。我国在1998年颁布实施国家危险废物名录，将危险废物分为47类，即列出了废物编号和废物类别，又明确了废物来源以及常见危险组分或者废物名称，这样就可以将废物与名录比对，确定是否为危险废物。二、分析法是在专门的立法中，对危险废物的特性及其鉴别分析方