固体废物处理处置技术
一、控制固体废物污染的技术政策
60年代中期以后环保开始在国际上受到重视，污染治理技术迅速发展，从而形成了一系列固废处理方法。70年代以来，一些工业发达国家，由于废物处置场地紧张，处理费用巨大，也由于资源缺乏，提出了“资源循环”口号，开始从固体废物中回收资源和能源，逐步发展成为控制废物污染的途径 ---- 资源化。
我国固体废物污染控制工作起步较晚，开始于80年代初期。由于技术力量和经济力量有限，当时还不可能在较大的范围内实现“资源化”。因此，从“着手于眼前，放眼于未来”出发，我国于80年代中期提出了以“资源化”、“无害化”、“减量化”作为控制固体废物污染的技术政策，并确定以后较长一段时间内应以“无害化”为主。
诚然，将固体废物中可利用的那部分材料充分回收利用是控制固体废物污染的最佳途径，但它需要较大的资金投入，并需有先进的技术作先导。我国固体废物处理利用的发展趋势必然是从“无害化”走向“资源化”，“资源化”是以“无害化”为前提的，“无害化”和“减量化”则应以“资源化”为条件，这是毫无疑问的。
（一）“无害化”
固体废物“无害化”处理的基本任务是将固体废物通过工程处理，达到不损害人体健康，不污染周围的自然环境（包括原生环境与次生环境）。
目前，废物“无害化”处理工程已经发展成为一门崭新的工程技术。诸如，垃圾的焚烧、卫生填埋、堆肥、粪便的厌氧发酵，有害废物的热处理和解毒处理等。其中，“高温快速堆肥处理工艺”、“高温厌氧发酵处理工艺”在我国都已达到实用程度，“厌氧发酵工艺”用于废物“无害化”处理工程的理论也已经基本成熟，具有我国特点的“粪便高温厌氧发酵处理工艺”，在国际上一直处于领先地位。
在对废物进行“无害化”处理时，必须看到，各种“无害化”处理工程技术的通用性是有限的，它们的优劣程度，往往不是由技术、设备条件本身所决定。以生活垃圾处理为列，焚烧处理确实不失为一种先进的“无害化”处理方法，但它必须以垃圾含有高热值和可能的经济投入为条件，否则，便没有引用的意义。根据我国大多数城市生活垃圾平均可燃成分偏低的特点，早期内，着重发展卫生填埋和高温堆肥处理技术是适宜的。特别是卫生填埋，处理量大，投资少，见效快，可以迅速提高生活垃圾处理率，以解决当前带有“爆炸性”的垃圾出路问题。至于焚烧处理方法，只能有条件地采用。就是在将来，垃圾平均可燃成分提高了，卫生填埋也还是必不可少的方法，故又具有一定的长远意义。
（二）“减量化”
固体废物“减量化”的基本任务是通过适宜的手段减少固体废物的数量和体积。这一任务的实现，需从两个方面着手，一是对固体废物进行处理利用，二是减少固体废物的产生。
对固体废物进行处理利用，属于物质生产过程的末端，即通常人们所理解的“废弃物综合利用”，我们称之为“固体废物资源化”。例如，生活垃圾采用焚烧法处理后，体积可减小80-90% ，余烬则便于运输和处置。固体废物采用压实、破碎等方法处理也可以达到减量并方便运输和处理处置的目的。
减少固体废物的产生，属于物质生产过程的前端，需从资源的综合开发和生产过程中物质资料的综合利用着手。当今，从国际上资源开发利用与环境保护的发展趋势看，世界各国为解决人类面临的资源、人口、环境三大问题，越来越注意资源的合理利用。人们对综合利用范围的认识，已从物质生产过程的末端（废物利用）向前延伸了，即从物质生产过程的前端（自然资源开发）起，就考虑和规划如何全面合理地利用资源，把综合利用贯穿于自然资源的综合开发和生产过程中物质资料与废物综合利用的全程，亦即“废物最小化”与“清洁生产”。其工作重点包括采用经济合理的综合利用工艺和技术，制订科学的资源消耗定额等。
（三）“资源化”
固体废物“资源化”的基本任务是采取工艺措施从固体废物中回收有用的物质和能源。固体废物“资源化”是固体废物主要归宿。
相对于自然资源来说，固体废物属于“二次资源”或“再生资源”范畴，虽然它一般不具有原使用价值，但是通过回收、加工等途径，可以获得新的使用价值。
“资源化”应遵循的原则是：“资源化”技术是可行的；“资源化”的经济效益比较好，有较强的生命力；废物应尽可能在排放源就近利用，以节省废物在贮放、运输等过程的投资；“资源化”产品应当符合国家相应产品的质量标准，因而具有与之相竞争的能力。
二、固体废物处置与利用技术
固体废物的处理和利用总的原则是先考虑减量化、资源化，以减少固体废物的产生量与排出量，后考虑适当处理以加速物质循环。不论前面处理得如何完善，总要残留部分物质，因此，最终处置是不可少的。
• 减量化法
据粗略统计，目前我国矿物资源利用率仅 50 ～ 60% ，能源利用率为 30% ，大约有 40 ～ 50% 没有发挥生产效益而变成废物，既污染环境，又浪费大量宝贵资源，其他行业也是如此。因此加强技术改造，提高资源的利用效率，减少固体废物产生大有可为。
减量化法一般有以下三种方法。
1. 通过改变产品设计，开发原材料消耗少、包装材料省的新产品，并改革工艺强化管理，减少浪费，以减少产品物质的单位耗量。
2. 提高产品质量，延长产品寿命，尽可能减少产品废弃的机率和更换次数。
3. 开发可多次重复使用的制品，使制成品循环使用以取代只能使用一次的制成品，如包装食品的容器和瓶类。
• 资源化法
资源化法即是通过各种方法从固体废物中回收或制取物质和能源，将废物转化为资源，即转化为同一产业部门或其他产业部门新的生产要素，同时达到保护环境的方法。其具体利用途径有以下几个方面：
1. 作工业原材料：如从尾矿和废金属渣中回收金属元素。南京矿务局等单位利用含铝量高、含铁量低的煤矸石制作铝铵钒、三氧化二铝、聚合铝、二氧化硅等产品，从剩余滤液中提取锗、镓、铀、钒、钼等稀有金属。
2. 回收能源：我国每年排放的煤矸石中，有 3000 多万 t 热值在 6276KJ/kg 以上，可作沸腾炉燃料用于发电，全国已有 2000 多台沸腾炉，每年可节约大量优质煤。鹤岗、本溪等地还用煤矸石制造煤气，回收能源。此外，还有垃圾填埋、焚烧回收能源及从有机废物分解回收燃料油、煤气及沼气等回收能源的方法。
3. 作土壤改良剂和肥料：实践证明，用粉煤灰改良土壤，对酸性土、粘性土和弱盐碱地都有良好效果，可使粮食增产 10 ～ 30% 。对水果、蔬菜也有增产效果。德国研究了用铜矿渣粉作肥料进行盆栽和大田的铜肥肥效试验，结果表明：凡施用铜矿渣粉的都增产。许多试验和实践表明：硫铁矿渣内含有多种有色金属，可作为综合微量元素肥料，同样具有明显的效果。
4. 直接利用：如各种包装材料直接利用。
5. 作建筑材料：利用矿渣、炉渣和粉煤灰等可制作水泥、砖、保温材料等各种建筑材料，也可作道路和地基的垫层材料。
我国传统的墙体材料是粘土砖，每生产1 亿块砖需挖良地100 亩，用煤1 万吨。我国每年的砖产量达数千亿块。这对我国宝贵的耕地是一个不小的威胁，而各种固体废物大部分可以在建筑材料生产方面找到途径，这对于保护土地资源，改善环境具有重要意义。
• 处理法
固体废物通过物理的、化学的、生物化学的方法，使其减容化、无害化、稳定化和安全化，以加速物质在环境中的再循环，减轻或消除环境污染。
1. 物理处理
物理处理是通过浓缩或相变化改变固体废物的结构，使之成为便于运输、贮存、利用或处置的形态。物理处理方法包括压实、破碎、分选、增稠、吸附、萃取等。物理处理也往往作为回收固体废物中有用物质的重要手段加以采用。
2. 化学处理
化学处理是采用化学方法破坏固体废物中的有害成分从而达到无害化，或将其转变成为适于进一步处理、处置的形态。由于化学反应条件复杂，影响因素较多，故化学处理方法通常只用在所含成分单一或所含几种化学成分特性相似的废物处理方面。对于混合废物，化学处理可能达不到预期的目的。化学处理方法包括氧化、还原、中和、化学沉淀和化学溶出等。有些有害固体废物，经过化学处理还可能产生富含毒性成分的残渣，还须对残渣进行解毒处理或安全处置。
3. 生物处理
生物处理是利用微生物分解固体废物中可降解的有机物，从而达到无害化和综合利用。固体废物经过生物处理，在容积、形态、组成等方面，均发生重大变化，因而便于运输、贮存、利用和处置。生物处理方法包括好氧处理、厌氧处理、兼性厌氧处理。与化学处理方法相比，生物处理在经济上一般比较便宜，应用也相当普遍，但处理过程所需时间较长，处理效率有时不够稳定。
（1）堆肥化
它是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，人为地促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质的生物转化过程。堆肥化的产物称作堆肥，是一种具有改良土壤结构，增大土壤容水性、减少无机氮流失、促进难溶磷转化为易溶磷、增加土壤缓冲能力，提高化学肥料的肥效等多种功效的廉价、优质土壤改良肥料。
根据堆肥化过程中微生物对氧的需求关系可分为厌氧（气）堆肥与好氧（气）堆肥两种方法。好氧堆肥因具有堆肥温度高、基质分解比较彻底、堆制周期短、异味小等优点而被广泛采用。按照堆肥方法的不同，好氧堆肥又可分为露天堆肥和快速堆肥两种方式。
现代化堆肥生产通常由前处理、主发酵（一次发酵）、后发酵（二次发酵）、后处理、贮藏等五个工序组成。其中主发酵是整个生产过程的关键，应控制好通风、温度、水分、 C/N 比、C/P 比及pH 值等发酵条件。
（2）沼气化
沼气化亦称厌氧发酵，是固体废物中的碳水化合物、蛋白质、脂肪等有机物在人为控制的温度、湿度、酸碱度的厌氧环境中经多种微生物的作用生成可燃气体的过程。该技术在城市下水污泥、农业固体废物、粪便处理中得到广泛应用。它不仅对固体废物起到稳定无害的作用，更重要的是可以生产一种便于贮存和有效利用的能源。据估计我国农村每年产农作物秸秆5 亿多吨，若用其中的一半制取沼气，每年可生产沼气500～600 亿立方米 ，除满足8 亿农民生活用燃料之外，还可余 60～100 亿立方米。
由此可见，沼气化技术是控制污染、改变农村能源结构的一条重 要途径 。
（3）废纤维素糖化技术
废纤维素糖化是利用酶水解技术使之转化成单体葡萄糖，然后可通过化学反应转化为化工原料或生化反应转化为单细胞蛋白或微生物蛋白。
天然纤维素酶水解顺序如下：
即结晶度高的天然纤维素在纤维素酶 C1 的作用下分解成纤维素碎片(降低聚合度)，经纤维素酶Cx的进一步作用而分解成聚合度小的低糖类 , 最后靠b-葡萄糖化酶作用分解为葡萄糖。
据估算，世界纤维素年净产量约1000 亿吨，废纤维素资源化是一项十分重要的世界课题。日本、美国已成功地开发了废纤维糖化工艺流程。目前在技术上可行，经济效果还需论证。如何开发成本低的处理方法，寻找更好的酶种，提高酶的单位生物分解能力，改善发酵工艺等问题有待进一步探索。
（4）废纤维素饲料化----生产单细胞蛋白技术
该技术不需要糖化工序，而是将废纤维经微生物作用，直接生产单细胞蛋白或微生物蛋白。目前，废纤维素饲料化----生产单细胞蛋白质技术上是可行的，但在经济上要具有竞争性，仍有许多课题有待解决。
（5）细菌浸出
化能自养细菌将亚铁氧化为高铁、将硫及还原性硫化物氧化为硫酸从而取得能源，从空气中摄取二氧化碳、氧以及水中其它微量元素（如 N、P等）合成细胞质。这类细菌可生长在简单的无机培养基中，并能耐受较高金属离子和氢离子浓度。利用化能自养菌的这种独特生理特性，从矿物料中将某些金属溶解出来，然后从浸出液中提取金属的过程，通称为细菌浸出。该法主要用于处理如铜的硫化物和一般氧化物（Cu2O、CuO）为主的铜矿和铀矿废石，回收铜和铀。对锰、砷、镍、锌、钼及若干种稀有元素也有应用前景。
目前，细菌浸出在国内外得到大规模工业应用。
4 、热处理
热处理是通过高温破坏和改变固体废物组成和结构，同时达到减容、无害化或综合利用的目的。热处理方法包括焚化、热解、湿式氧化以及焙烧、烧结等。
（1）焚烧处理
焚烧处理即在高温（ 800 ℃ ～ 1000 ℃ ）下，通过燃烧，使固体废物中的可燃成分转化成惰性残渣，同时回收热能，这对于处于能源危机的世界来说无疑是有重要作用的，也是近些年来这项技术在发达国家得以广泛应用的原因。通过燃烧，可使固体废物进一步减容，城市垃圾经燃烧后可减小体积 80% ～ 90% ，重量将降低 75% ～ 80% ，同时可以较彻底的消灭各种病源体，消除腐化源。相比之下，燃烧处理具有：
1）焚烧占地小；
2）焚烧对垃圾处理彻底，残渣二次污染危险较小；
3）焚烧操作是全天侯的不受天气影响；
4）焚烧可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，除城市垃圾以外的许多城市废物也可 以采用焚烧方法进行净化；但是，燃烧处理也有明显缺陷。首先，仍然存在二次污染，燃烧仍然要排出灰渣、废气。特别是近年来出现的“二口恶英(DIOXIN，即两个氧键连结两苯环的有机氯化物)，其毒性比氰化物大一千倍，使人忧心忡忡；其次是单位投资和处理运转成本较高；再次，就是对废物有一定要求，即要求其热值至少大于 4000kJ/kg。因此，对经济不发达国家来说，城市垃圾几乎都达不到此要求，故很难普遍推广使用。
燃烧一般要经历脱水、脱气、起燃、燃烧、熄灭等过程。控制此过程的因素主要有三个，即时间，温度和燃料与空气混合的湍流混合程度（习惯称三T）。一般认为，燃烧时间与固体废物粒度的平方近似成正比，粒度越细，其与空气的接触面积愈大，燃烧进行就愈快，废物停留时间就越短。另外，燃烧中氧气浓度越高，燃烧速度和质量就愈高，因此，必须使燃料中有足够的空气流动，燃料与空气的湍流混合度越高，对燃烧的进行越有利。
一般来讲，燃烧的工艺包括固体废物的贮存、预处理、进料系统、燃烧室、废气排放与污染控制、排渣、监控测试，能源回收等 12 大系统，如图 11-1 所示。
（2）热解
热解是将有机物在无氧或缺氧条件下高温（500～1000℃）加热，使之分解为气、液、固三类产物，气态的有氢、甲烷、碳氢化合物、一氧化碳等可燃气体；液态的有含甲醇、丙酮、醋酸、乙醛等成分的燃料油；固态的主要为固体碳。该 法的主要优点是能够将废物中的有机物转化为便于贮存和运输的有用燃料，而且尾气排放量和残渣量较少，是一种低污染的处理与资源化技术。
图 11-1 典型城市垃圾燃烧系统
1－垃圾坑； 2－抓斗； 3－加料斗； 4－加料推杆； 5－干燥炉栅； 6－水平炉栅； 7－圆型炉栅； 8－摇动炉栅； 9－出灰输送机； 10－灰斗； 11－运灰车； 12－空气预热器； 13－鼓风机； 14－冷却塔； 15－ 除尘器； 16－除尘器； 17－排风机； 18－烟道； 19－烟囱； 20－污水处理槽
（3）湿式氧化
湿式氧化法又称湿式燃烧法。它是指有机物料在有水介质存在的条件下，加以适当的温度和压力所进行的快速氧化过程。有机物料应为流动状态，可以用泵加入湿式氧化系统。由于有机物的氧化过程是放热过程，所以，反应一旦开始，就会在有机物氧化放出的热量作用下自动进行，而不需要投加辅助燃料。排放的尾气中主要含有二氧化碳、氮、过剩的氧气和其它气体，液相中包括残留的金属盐类和未完全反应的有机物。有机物的氧化程度取决于反应温度、压力和废物在反应器内的停留时间。增加温度和压力可以加快反应速度，提高COD的转化率，但温度最高不能超过水的临界温度。
5 、微波处理
最新研究结果表明，微波技术在放射性废物处理、土壤去污、工业原油、污泥等的处理方面可以成功地应用。目前虽还只是处于实验室的研究阶段，但有关专家指出，微波技术在以后肯定能发挥其废物处理方面应有的潜力。
（四）固体废物处置方法
固体废物处置是指最终处置（final disposal）或安全处置，是固体废物污染控制的末端环节，是解决固体废物的归宿问题。一些固体废物经过处理和利用，总还会有部分残渣存在，而且很难再加以利用，这些残渣可能又富集了大量有毒有害成分；还有些固体废物，目前尚无法利用，它们都将长期地保留在环境中，是一种潜在的污染源。为了控制其对环境的污染，必须进行最终处置，使之最大限度地与生物圈隔离。
以往，“处置”是指无控地“将固体废物排放、堆积、注入、倾倒、泄入任意的土地上或水体中，使这些废物进入环境”，很少考虑其长期的不利影响。随着环境法规的完善，向水体倾倒和露天堆弃等无控处置被严格禁止，故今天所说的“处置”是指“安全处置”。
固体废物处置方法包括海洋处置和陆地处置两大类。
1. 海洋处置
海洋处置主要分为海洋倾倒与远洋焚烧两种方法。近年来，随着人们对保护环境生态重要性认识的加深和总体环境意识的提高，海洋处置已受到越来越多的限制。
2. 陆地处置
陆地处置包括土地耕作、工程库或贮留池贮存、土地填埋以及深井灌注几种。其中土地填埋法是一种最常用的方法。
（1）农用
是利用表层土壤的离子交换、吸附、微生物降解以及渗滤水浸出、降解产物的挥发等综合作用机制处置固体废物的一种方法。该技术具有工艺简单、费用适 宜、设备易于维护、对环境影响很小、能够改善土壤结构、增长肥效等优点，主要用于处置含盐量低、不含毒物、可生物降解的固体废物。
如污泥和粉煤灰施用于农田作为一种处理方法已引起重视。生产实践和科学研究工作证明，施污泥、粉煤灰于农田可以肥田，起到改土和增产的作用。
（2）土地填埋处置
它是从传统的堆放和填地处置发展起来的一项最终处置技术。因其工艺简单、成本较低、适于处置多种类型的废物，目前已成为一种处置固体废物的主要方法。
土地填埋处置种类很多，采用的名称也不尽相同。按填埋地形特征可分为山间填埋、平地填埋、废矿坑填埋；按填埋场的状态可分为厌氧填埋、好氧填埋、准好氧填埋；按法律可分为卫生填埋和安全填埋等。随填埋种类的不同其填埋场构造和性能也有所不同。一般来说，填埋场主要包括：废弃物坝、雨水集排水系统（含浸出液体集排水系统、浸出液处理系统）、释放气处理系统、入场管理设施、入场道路、环境监测系统、飞散防止设施、防灾设施、管理办公设施、隔离设施等。
卫生土地填埋适于处置一般固体废物。用卫生填埋来处置城市垃圾，不仅操作简单，施工方便，费用低廉，还可同时回收甲烷气体，目前在国内外被广泛采用。在进行卫生填埋场地选择、设计、建造、操作和封场过程中，应着重考虑防止浸出液的渗漏、降解气体的释出控制、臭味和病原菌的消除、场地的开发利用等几个主要问题。
①场地选择
场地选择一般要考虑容量、地形、土壤、水文、气候、交通、距离与风向、土地征用和废物开发利用等诸多问题。
一般来讲，填埋场容量应满足 5 ～ 20 年的使用期。填埋地形要便于施工，避开洼地，地面泄水能力要强，要容易取得覆盖土壤，土壤要易压实，防渗能力强；地下水位应尽量低，距最下层填埋物至少 1.5m ；避开高寒区，蒸发大于降水区最好；交通要方便，具有能在各种气候下运输的全天候公路，运输距离要适宜，运输及操作设备噪音要不至影响附近居民的工作和休息；填埋场地应位于城市下风向，避免气味、灰尘飘飞对城市居民造成影响，最好选在荒芜的廉价地区。
②填埋方法的选择
常用的填埋方法有沟槽法、地面法、斜坡法、谷地法等。
土地填埋法的操作灵活性较大，具体采用何种方法，可根据垃圾数量以及场地的自然条件确定。
③填埋场气体的控制
当固体废物（垃圾）进入填埋场后，由于微生物的生化降解作用会产生好氧与厌氧分解。填埋初期，由于废物中空气较多，垃圾中有机物开始进行好氧分解， 产生 CO2 、 H2O 、 NH3， 这 一阶段可持续数天；但当填埋区氧被耗尽时，垃圾中有机物开始转入厌氧分解，产生 CH4、 CO2、 NH3、 H2O 以及 H2S 等。因此，应对这些废气进行控制或收集利用，以避免二次污染。
在填埋气体控制方面，早期国外一般将填埋气体作为一种有害气体进行管理和处置。进入 70年代后开始将之作为一种有价值尚待开发的再生资源，并对填埋气体产生、迁移规律进行了定性、定量研究。目前已开发填埋气体回收利用的技术及设备，部分国家已发展到商业应用阶段，成功地将填埋气体用于工业、民用燃料及发电。我国在这方面发展较缓慢，据悉杭州天子岭垃圾填埋场即将回收沼气进行发电。
④浸出液的控制
填埋场浸出液一般源于降雨、地表径流、地下水涌出、废物本身水分。渗出液成分较复杂，其 COD 高达 4 － 5 万 mg/L ，氨氮达 7-8 × 10 2 mg/L 。
浸出液属高浓度有机废水，若不加以控制必然对环境造成严重危害。常用的措施是设置防渗衬里，即在底部和侧面设置渗透系数小的粘土或沥青、橡胶、塑料隔层，并设置收集系统，由泵把浸出液抽到处理系统进行集中处理。此外还应采用控制雨水、地表水流入的措施，减小浸出液的量。
然而自 70 年代以来，填埋处理主要遇到两大问题：一是填埋场容量是有限的，旧的填埋场封闭以后，新的填埋场的选择是非常困难的。填埋处理在世界各国都出现地荒，此外填埋设施难以受当地居民欢迎。新场址的选择往往遭到反对，因此现在世界各国填埋的主要潮流是尽量设法延长填埋场的寿命。填埋场由原始废物的直接填埋转向在填埋处理前先进行预处理，例如先经过焚烧，对焚烧残渣再进行填埋，这样可使填埋容积减少 80% 左右。
（3）深井灌注处置
此法系指把液状废物注入到地下与饮用水和矿脉层隔开的可渗性岩层内。一般废物和有害废物都可采用深井灌注方法处置。但主要还是用来处置那些实践证明难于破坏、难于转化、不能采用其它方法处理或者采用其它方法费用昂贵的废物。深井灌注处置前，需使废物液化，形成真溶液或乳浊液。
深井灌注处置系统的规划、设计、建造与操作主要分废物的预处理、场地的选择、井的钻探与施工，以及环境监测等几个阶段。
