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1、固废处理技术第1页，共35页，编辑于2022年，星期六垃圾概化模型垃圾概化模型第2页，共35页，编辑于2022年，星期六 从物质形态和性状角度，固体废物可认为是各种固体物质颗粒及颗粒之间空从物质形态和性状角度，固体废物可认为是各种固体物质颗粒及颗粒之间空隙（通常充满气体和液体）所共同构成的集合体。隙（通常充满气体和液体）所共同构成的集合体。从集合体的角度看，固体废物是一种多孔介质。从集合体的角度看，固体废物是一种多孔介质。多孔介质：多孔介质：（1）多相物质占据的一部分空间。在多相物质中至少有一相不是固体，它们可以是 气相和（或）液相。固体相称为固体骨架。在多孔介质范围内中没有固体骨架的 那一部
2、分空间叫做空隙空间或孔隙空间；（2）在多孔介质所占据的范围内，固体相应遍及整个多孔介质；（3）至少构成空隙空间的某些孔洞应当相互连通。固体废物具有扩散性小、不易流动、成份极不均匀等特点。固体废物具有扩散性小、不易流动、成份极不均匀等特点。u 研究固体废物的物理、化学、生物特性是进行固体废物管理、处理研究固体废物的物理、化学、生物特性是进行固体废物管理、处理 处置技术研发的重要基础。处置技术研发的重要基础。u 固体废物的基本特性及其相关基础数据的积累是我国固体废物管理领域的薄固体废物的基本特性及其相关基础数据的积累是我国固体废物管理领域的薄弱环节。弱环节。第3页，共35页，编辑于2022年，星期
3、六我国的垃圾成分同国外的有很大的区别，就是各个城市由于气候的差异、经济水平等的不同也使得垃圾成分相差很大。没有积累起足够的基础数据用来支撑技术路线的选择。很多项目没有作扎实的基础数据调研工作，往往相互引用数据，这些数据同实际情况相差很大。个别时间点或者个别地点的垃圾组成和理化检测数据同长期监测数据之间差别非常之大，利用这样的数据可能会直接造成技术路线选择的错误。问题：基础数据不全导致技术选择的尴尬问题：基础数据不全导致技术选择的尴尬第4页，共35页，编辑于2022年，星期六垃圾特性与垃圾处理垃圾特性与垃圾处理第5页，共35页，编辑于2022年，星期六2.1 固体废物成份及组成固体废物成份及组成
4、固体废物的组成可以从下方面来表述：2.1.1 物理组成（物理组成（physical composition）：）：n以固体废物组成的物质种类进行分类统计来反映其组成的方法，通常以各种组成成份的百分比来表示，是最常用最直观的表述方式。n我国城镇建设行业标准城市生活垃圾采样和物理分析方法（CJ/T3039-95）有机物无机物可回收物其它动物植物灰土砖瓦、陶瓷纸塑料、橡胶织物玻璃金属木竹第6页，共35页，编辑于2022年，星期六2.1.2工业分析（工业分析（proximate analysis）：）：n固体废物的工业分析，又叫固体废物的近似分析或实用分析，是评价固体废物燃烧特性的基本依据。该方法主要
5、借鉴于固体燃料（如煤）的分析方法。n固体废物的工业分析包括固体废物的水分、挥发水分、挥发分、固定碳和灰分分、固定碳和灰分等指标的测定。通常固体废物的水分、灰分、挥发分是直接测出的，而固定碳是用差减法计算出来的。第7页，共35页，编辑于2022年，星期六（1）水分：）水分：n固体废物中水分按存在形态的不同分为两类，既游离水和化合水。游离水是以物理状态吸附在固体废物颗粒内部毛细管中和附着在固体废物颗粒表面的水分；化合水也叫结晶水，是以化合的方式同固体废物中矿物质结合的水。n游离水在105110的温度下经过12小时可蒸发掉，而结晶水通常要在200 以上才能分解析出。n游离水：外在水分与内在水分，外在
6、水分外在水分：是附着在固体废物颗粒表面的水分。外在水分很容易在常温下的干燥空气中蒸发，蒸发到固体废物颗粒表面的水蒸气压与空气的湿度平衡时就不再蒸发了。内在水分内在水分，是吸附在固体废物颗粒内部毛细孔中的水分。内在水分需在100 以上的温度经过一定时间才能蒸发。n工程上固体废物的含水率是指在一定温度条件下（工程上固体废物的含水率是指在一定温度条件下（1055）所失去的水份量（烘）所失去的水份量（烘至恒重）。至恒重）。第8页，共35页，编辑于2022年，星期六（2）挥发份与固定碳）挥发份与固定碳n固体废物的挥发份，即固体废物在一定温度下（60020，ASTM）隔绝空气加热，逸出物质（气体或液体）中
7、减掉水分后的含量。剩下的残渣叫做焦渣。因为挥发份不是固体废物中固有的，而是在特定温度下热解的产物，所以确切的说应称为挥发份产率。n固定碳：从测定固体废物试样的挥发份后的残渣中减去灰分后的残留物。固定碳（）100（挥发份水份灰份）n固定碳是固体废物的发热量的重要来源，所以固体废物以固定碳作为固体废物发热量计算的主要参数。第9页，共35页，编辑于2022年，星期六（3）灰份：）灰份：固体废物的灰份，是指固体废物在规定条件下（81510，1hr，生活垃圾采样和物理分析方法）完全燃烧后剩下的残渣。因为这个残渣是固体废物中可燃物完全燃烧，固体废物中矿物质（除水分外所有的无机质）在固体废物完全燃烧过程中经
8、过一系列分解、化合反应后的产物，所以确切地说，灰份应称为灰份产率。第10页，共35页，编辑于2022年，星期六u灰渣融性（Ash fusibility）：在规定条件下得到的随加热 温度而变化的煤灰变形、软化和流动特征物理状态。u结渣性（Clinkering property）：在气化或燃烧过程中，固体废物灰分受热、软化、熔融而结渣的性质。u将灰渣与糊精混合塑成三角锥体，放在高温炉中加热，根 据灰锥形态变化确定DT（变形温度）、ST（软化温度）和FT（熔化温度）。一般用ST评定灰渣熔融性。第11页，共35页，编辑于2022年，星期六2.1.3元素构成（元素构成（ultimate analysis
9、）固体废物的元素组成主要指C、O、H、N、S及灰分灰分的百分含量。用途：估算垃圾的发热值；好氧生物处理中生化需氧量的估算等。第12页，共35页，编辑于2022年，星期六垃圾中化学元素含量表垃圾中化学元素含量表第13页，共35页，编辑于2022年，星期六填埋垃圾的 成份组成（英国、2kg样品）mg/kg第14页，共35页，编辑于2022年，星期六2.1.4 影响固体废物产生量及其特性的因素影响固体废物产生量及其特性的因素 影响MSW组成的因素：经济发展水平，自然环境条件（气候条件）、能源结构、居民生活习惯等。如中国城市生活垃圾和美国MSW成份构成的差别。第15页，共35页，编辑于2022年，星期
10、六2.2 固体废物的物理特性固体废物的物理特性 固体废物的物理力学性质包括：容重、含水量、孔隙率、渗透性、抗压强度、抗剪强度、摩擦角等。第16页，共35页，编辑于2022年，星期六确定城市固体废弃物的工程性质很困难，因为：v填埋材料组成成分的不一致，使各种性质变化范围很大；v想获得能代表现场条件足够大小的试样很困难；v废弃物成分不稳定的特点使取样和试验都很困难，至今没有公认的取样和试验方法；v废弃物的性质还随时间而变。第17页，共35页，编辑于2022年，星期六（1）容积密度（）容积密度（bulk density）n定义：单位体积垃圾的质量，kg/m3。堆积密度，压实密度，腐熟后密度等，是设计
11、贮存容器、运输传送设备的重要依据。此外，湿密度，干密度等。n压实密度。现代垃圾填埋场中垃圾的密度：0.91.1 t/m3（8.610.8 kN/m3）（钱学德p80）8.512.4 kN/m3（0.871.26 t/m3）（北京垃圾填埋场试验结果）第18页，共35页，编辑于2022年，星期六国内外垃圾填埋场垃圾密度平均值第19页，共35页，编辑于2022年，星期六（2）含水率）含水率 定义：单位质量固体废物的含水量，；垃圾含水率的通常与下列因素有关：废弃物的组成成分，当地气候条件，收集方式等。由国外的实测资料可知，国外固体废弃物的原始含水量一般为10 一35%，且含水量随废弃物的有机质含量的增
12、加而增加，另外还随季节气候不同而变化。不同城市其固体废弃物的含水量也不相同。第20页，共35页，编辑于2022年，星期六（3）粒径及粒径分布：）粒径及粒径分布：粒径：反映固体废物颗粒大小的特征尺寸。实际中通常用通过筛网的网目代表其粒径大小。粒径分布：某粒径范围固体废物颗粒的质量占固体废物总 质量的比例。第21页，共35页，编辑于2022年，星期六（4）孔隙率及孔隙比n孔隙率（porosity）：固体废物中孔隙体积与固体废物所占总体积的比值，用百分数表示。n孔隙比：固体废物中空隙体积与固体颗粒所占总体积之比。第22页，共35页，编辑于2022年，星期六（5）压缩比及压缩倍数n压缩比：固体废物压缩
13、后的体积与压缩前的体积之比。n压缩倍数：固体废物压缩前的体积与压缩后的体积之比。第23页，共35页，编辑于2022年，星期六（6）渗透系数（permeability coefficient）流体流过多孔介质的渗透系数由Darcy定律给出：式中：流过垃圾体的气体流量，m3/(m2s)；(m/s)气体渗透系数，m2/(m2Pas)；(m/s)流经垃圾体气体的压力梯度，Pa/m。(m/m)渗透系数定义为单位压力梯度的比流量，是一个表示多孔介质输运流体能力的标量，与流体性质和多孔介质特性（骨架性质）有关，如流体的密度、粘度、以及运动粘度，骨架性质主要是粒径分布、颗粒形状、比表面、弯曲率和孔隙率等。k多
14、孔介质的渗透率，或叫内在渗透率，仅与多孔介质的骨架特性有关。量纲为darcy,1 darcy=9.8697109cm2第24页，共35页，编辑于2022年，星期六达西定律是法国工程师H.Darcy在1856年由砂质土体的渗水实验得到的，后来推广应用于其他土体如粘土和具有细裂隙的岩石等。在某些条件下，渗透并不一定符合达西定律，当渗透速度较小时，砂土、粘土中的渗透速度很小，其渗流可以看作是一种水流流线互相平行的流动层流，渗流运动规律符合达西定律。粗颗粒土（如砾、卵石等）当水力梯度较小时，流速不大，渗流可认为是层流，达西定律仍然适用。流体在垃圾体中的流动满足darcy定律。垃圾体渗透系数 垃圾导水率
15、(waste hydraulic conductivity)是单位垃圾水势梯度下的垃圾水通量，因此导水率的量纲与通量的量纲相同，都是cm/s或m/d。垃圾导水率综合地反映了多孔介质垃圾层对水分在其中流动的阻碍作用。垃圾含水量大于饱和含水量时，垃圾导水率为0。MSW对水的平均渗透系数的数量级为103cm/s。（钱学德）气体渗透系数 MSW对气体的平均渗透系数的数量级为10-5m2/(Pas)（彭绪亚）第25页，共35页，编辑于2022年，星期六国内外填埋垃圾体的渗透系数（导水率）第26页，共35页，编辑于2022年，星期六气体渗透系数：单位垃圾压力梯度下的垃圾气体流量，气体渗透系数的量纲m2/(
16、Pas)。垃圾体气体渗透系数综合地反映了多孔介质垃圾层对气体在其中流动的阻碍作用。填埋垃圾体的渗透特性具有典型的各向异性特点，实验测得的渗透系数Kh/Kv的平均值为7.520.0倍，这一数值与国外文献中通常采用的Kh/Kv为3.0倍的结果有较大差异。随着垃圾体压实程度的增加，其内部孔隙率减小，渗透系数逐渐减小，Kh/Kv进一步增大，特别是在压实密度大于800kg/m3时，Kh/Kv达10倍以上，各向异性特点更为突出。填埋垃圾体在水平及垂直方向渗透系数的差异性表明，填埋气在水平方向的迁移运动比在垂直方向更为容易。垃圾体的气体渗透特性垃圾体的气体渗透特性第27页，共35页，编辑于2022年，星期六
17、（8）垃圾堆体稳定性n休止角：固体废物在堆积时，其天然坡面与水平面所形成的最大夹角。n内摩擦角：当坡面上的块体其下滑力与摩擦力相等时，体块处于极限稳定状态，这时的坡角为临界坡度。临界坡度反映了块体与该坡面间摩擦力的大小和性质，因此将临界坡角称为块体的内摩擦角。n北京填埋场实验结果，填埋垃圾体的内摩擦角一般为2035。第28页，共35页，编辑于2022年，星期六2.3 化学特性化学特性（1）挥发性固体（volatiles）：指固体废物在标准温度试验时，呈气体或蒸气而散失的量；有机化合物除少数以外，一般都能燃烧。和无机物相比，它们的热稳定性比较差，受热容易分解。（2）灰分及灰分熔点（fusing
18、point of ash）：n灰分：是指固体废物中不能燃烧也不能挥发的物质，即灼烧残留量，是反映固体废物中无机物含量的参数。n灰分熔点：灰分开始熔融的温度。对选择焚烧炉炉排形式很重要。n固定碳：是去除水份、挥发性物质和灰分后的可燃物。n闪点与燃点（flashing point and ignition point）：第29页，共35页，编辑于2022年，星期六（3）热值）热值：单位质量固体废物完全燃烧时释放出的热量。固体废物的热值（发热量）是固体废物热能利用中计算热平衡、热效率分析的依据，以及垃圾焚烧设备设计的参数。n高位热值高位热值：固体废物单位干重的发热量。固体废物的高位发热量，即固体废物
19、在空气中大气压条件下燃烧后所产生的热量。实际上是由实验室中测得的固体废物的弹筒发热量减去硫酸和硝酸生成热后得到的热量。n低位热值低位热值：固体废物的低位发热量，是指固体废物在空气中大气压条件下燃烧后产生的热量，扣除固体废物中水分（固体废物中有机质中的氢燃烧后生成的氧化水，以及固体废物中的游离水和化合水）的汽化热（蒸发热），剩下的实际可以使用的热量。低位热值高位热值水份凝结热。低位热值高位热值水份凝结热。（4）灼烧损失量：固体废物焚烧后灰渣在标准温度下质量的变化量，；第30页，共35页，编辑于2022年，星期六（5）毒性浸出性质：n急性毒性急性毒性，大白鼠48小时死亡率大于50。n浸出毒性浸出毒
20、性：固态的危险废物遇水浸沥，其中有害物质的迁移转化、污染环境、浸出的有害物质的毒性称为浸出毒性。国家危险废物鉴别标准（GB5085.21996）中规定了有毒有害物质的测定方法给标准限值。n腐蚀性：腐蚀性：2.0pH；pH12.5时，该废物是具有腐蚀性的危险废物。危险废物：指具有腐蚀性、急性毒性、浸出毒性、反应性、传染性、放射性等一种及一种以上危害特性的废物。）国家国家危险废物名录列出了47大类有毒有害物质。危险废物鉴别标准（GB5085.131996）。第31页，共35页，编辑于2022年，星期六危险废物的其它物理化学及生物特性包括：与有毒有害物质释放到环境中的速率有关的特性；有毒有害物质在环
21、境中迁移转化及富集的特性；有毒有害物质的生物毒性。所涉及的主要参数有：有毒有害物质的溶解度、挥发度、分子量、饱和蒸气压、在土壤中的滞留因子、空气扩散系数、土壤水分配系数、降解系数、生物富集因子、致癌性反应系数及非致癌性参考剂量等。第32页，共35页，编辑于2022年，星期六2.4 生物特性生物特性（1）MSW的有机成份中除塑料、橡胶、皮革外，主要包括以下几类：n水溶性成份：如糖、淀粉、氨基酸、各种的有机酸；n半纤维素、纤维素；n脂肪、油和蜡n木质纤维素、木质素n蛋白质（2）可生物转化特性指标n可生物降解性（degradability）BF=0.83-0.028LCn挥发性固体（Volatile
22、 solids,VS）含量，但其中木质素含量有影响。n生物可降解物质含量，BDM 采用强氧化试剂的方法测定耗氧量。（3）耗氧量或好氧速率：在生物降解状态下，测定有机物降解消耗的 氧气量。（4）碳氮比、碳磷比：通过元素分析确定。第33页，共35页，编辑于2022年，星期六固体废物几种生物特性指标的含义挥发性固体挥发性固体用热力方法模拟生物过程的方法，快速完成有机物分解；但把一些不易生物降解的物质也包含了进来，有偏差，但方法简单，方便；BDM用化学手段模拟生物过程的方法，利用强氧化剂氧化有机质，根据所消耗的氧化剂的量，定量分析样品种有机质的量，较快速，但是在但用强氧化过程模拟生物过程的条件怎样掌握，有不同看法，目前没有标准方法。（采用常温，降低了氧化强度）耗氧量或好氧速率耗氧量或好氧速率：用间接指标反映可生物降解有机物含量。在生物降解状态下，测定有机物降解消耗的氧气量。第34页，共35页，编辑于2022年，星期六完第35页，共35页，编辑于2022年，星期六