固体废物污染与控制

1、第八章 热解1. 固体有机废物的热解定义是指固体有机废物在无氧或缺氧状态下加热，使之成为气态、液态或者固态可燃物质的化学分解过程。2. 热解与焚烧的区别： 焚烧是需氧氧化反应过程，热解是无氧或缺氧反应过程； 焚烧是放热的，热解是吸热的； 焚烧的主要产物是二氧化碳和水，热解的产物主要是可燃的低分子化合物； 焚烧产生的热能一般就近直接利用，而热解生成的产物诸如可燃气、油及炭黑等则可以储存及远距离输送。3. 与焚烧相比，固体废物热解的主要特点： 可将固体废物中的有机物转化为以燃料气、燃料油和炭黑为主的储存性能源； 由于是无氧或缺氧分解，排气量少，因此，采用热解工艺有利于减轻对大气环境的二次污染； 废

2、物中的硫、重金属等有害成分大部分被固定在炭黑中； 由于保持还原条件，Cr3+不会转化为Cr6+；NOx的产生量少。4. 三种产物的比例取决于热解工艺和反应条件： 低温慢速热解(小于500 )，产物以炭黑为主 高温闪速热解(7001100)，产物以可燃气体为主 中温快速热解(500700)，产物以液体生物油为主 如果反应条件合适，可获得原固体有机废物8085%的能量，液体生物油产率可达70%以上。5. 影响生物质热解过程和产物组成的因素温度、固体相挥发物滞留期、生物质组成、颗粒尺寸及加热条件等。1) 温度对生物质热解的产物分布及可燃气体的组成有着显著的影响。2) 固体和气相滞留期3) 生物质物料

3、特性生物质种类、粒径、形状及粒径分布等特性对生物质热解行为及产物分布有着重要影响。4) 压力压力的大小将影响气相滞留期，从而影响二次裂解，最终将影响热解产物产量分布。5) 升温速度低升温速率有利于炭的形成，而不利于焦油产生。因此，以生产生物油为目的的闪速裂解都采用较高的升温速率。6. 实际应用 见课本P.178第九章 沼气发酵沼气：有机物在厌氧条件下经微生物的发酵作用生成的一种以甲烷为主体的可燃性混合气体，其主要成分是甲烷和二氧化碳。通常情况下甲烷(CH4)占60左右，二氧化碳(CO2)约占35左右，此外还有少量氢(H2)、氮气(N2)、一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)和氨(NH3)等。1.

4、 沼气发酵定义在厌氧条件下利用厌氧微生物(包括兼氧微生物)使固体废物中的有机物转化甲烷和二氧化碳等物质的过程。2. 微生物学过程l 第一个阶段水解水解酸化阶段它们多属于异养型兼性厌氧细菌和专性厌氧细菌。通常按这些细菌分解有机物的种类把它们分为纤维素分解菌、脂肪分解菌和蛋白质分解菌。在这些细菌的作用下，该阶段分两步进行： （1）水解：复杂的有机物（例如碳水化合物、脂肪、蛋白质等）先在细胞外酶的作用下水解为较简单的有机物，例如，多糖转化为单糖，脂肪转化为甘油和脂肪酸，蛋白质转化为肽或氨基酸。 （2）酸化：以上生成的简单有机物进一步分解产生挥发性有机酸、脂肪酸、醇类、醛类等。 酸性发酵期 水解酸化阶

5、段的前期，由于碳水化合物的分解产酸作用要比蛋白质分解产氨反应迅速，因此这时会产生大量有机酸使发酵料液的pH值迅速下降，有时pH值可以达到5以下，称为酸性发酵期。 酸性减退期 水解酸化阶段的后期，随着碳水化合物的减少，有机酸及含氮有机物开始分解，生成氨、胺、碳酸盐等碱性物质，pH值不再下降，并逐渐上升到6.66.8左右，同时放出硫化氢、吲哚等恶臭气体，因此有时也把碳水化合物分解后的蛋白质分解产氨过程称为酸性减退期。 l 第二阶段产酸阶段水解阶段产生的可溶性的有机物在产氢和产酸细菌的作用下进一步分解成脂肪酸、醇、酮、醛、二氧化碳和氢气等。l 第三阶段产甲烷阶段产甲烷细菌第二阶段的产物进一步分解成甲

6、烷和二氧化碳，同时利用产酸阶段所产生的氢气将部分二氧化碳转变为甲烷。3. 影响因素第十章 有机废物的高温堆肥 1. 堆肥化定义堆肥化是在有控制的条件下，使固体有机废物在微生物（主要为细菌）作用下，发生降解，并同时使有机物发生生物稳定作用（向稳定的腐殖质方向转化）的过程。堆肥化后的产物称之为堆肥。堆肥化的工艺类型好氧堆肥 堆温高，一般在55以上，可维持711d，极限可达80，亦称高温堆肥法。 厌氧堆肥 周期长 (一般需36个月)、易产生恶臭、且占地面积大等，因此，厌氧堆肥不适合大面积推广应用。通常所指的堆肥化一般是指好氧堆肥。2. 堆肥的基本原理好氧堆肥是在有氧条件下，好氧微生物通过自身的分解代

7、谢和合成代谢过程，将有机物分解氧化成简单的无机物，从中获得微生物新陈代谢所需要的能量；同时将一部分的有机物转化合成新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体的过程。好氧堆肥化四个阶段 (1) 潜伏阶段(亦称驯化阶段) 微生物适应新环境的过程(2) 中温阶段(亦称产热阶段) 嗜温性细菌、酵母菌和放线菌等嗜温性微生物利用堆肥中最容易分解的可溶性物质，如淀粉、糖类等而迅速增殖，并释放热量，使堆肥温度不断升高。当堆肥温度升到45以上时，即进入高温阶段。(3) 高温阶段 嗜热性微生物逐渐代替了嗜温性微生物的活动，堆肥中残留和新形成的可溶性有机物质继续分解转化，复杂的有机化合物如半纤维素、纤维素和蛋

8、白质等开始被强烈分解。通常，在50左右进行活动的主要是嗜热性真菌和放线菌；温度上升到60时，真菌几乎完全停止活动，仅有嗜热性放线菌与细菌活动；温度升到70以上时，对大多数嗜热性微生物已不适宜，微生物大量死亡或进入休眠状态。前三阶段持续520天(4) 腐熟阶段 30180天当高温持续一段时间后，易分解的有机物(包括纤维素等)已大部分分解，只剩下部分较难分解的有机物和新形成的腐殖质，此时微生物活性下降，发热量减少，温度下降。在此阶段嗜温性微生物又占优势，对残余的较难分解的有机物作进一步分解，腐殖质不断增多且稳定化，此时堆肥即进入腐熟阶段，堆肥可施用。堆肥的影响因素（一）通风量与通风频率 通风的主要

9、作用在于：提供氧气，加速微生物的发酵过程；调节堆温；干燥堆料。实际堆肥化系统必须提供超出计算需氧量(二倍以上)的过程空气,以保证充分的好氧条件。过小的通风量不足以提供给微生物充足的氧气，影响堆肥温度的升高，过大的通风量则有可能使肥堆的热量散失，影响堆肥无害化程度。通常强制通风可取的经验数据为0.050.2m3/m3堆料.min。（二）有机质的含量和温度 适宜的有机物含量为20%80% 堆体最佳温度为5560。（三）水分 堆肥的最适含水率为55%65%。 (质量分数)，此时微生物分解速率最快。（四）C/N比和C/P比 C/N比初始最佳值在26:1-35:1之间。成品堆肥：10:120:1 。一般

10、要求堆肥原料的C/P比为75150。（五）颗粒度 适宜大小为1260mm。（六）pH 合适的pH为68.53. 堆肥的腐熟度的衡量堆肥的腐熟度是指成品堆肥的稳定程度。腐熟的堆肥其有机物应该不再分解并达到卫生无害化，且该堆肥在农业利用中不影响作物的正常生长或产生“烧根、烧苗”现象。水溶性有机碳氮之比是目前普遍用来评价堆肥腐熟的重要指标之一。该值约为56时表明堆肥已经腐熟，而且该值与堆肥原料无关。（一）外观变化直观定性判断标准是：堆肥不再进行激烈的分解，成品温度较低；外观呈茶褐色或黑色、结构疏松、没有恶臭、不吸引蚊蝇。堆肥原料组分的初始结构、形态和颜色彻底改变，无法辨认。由于菌群结构演变，堆肥熟化

11、后一般出现较多白色、灰白色的菌斑。（二）工艺参数作为判断指标1. 堆温的变化对于无发酵仓式或开放式堆肥，堆温的变化有良好的指示功能。通常肥堆经过了高温阶段后，温度将逐渐下降。当堆肥达到腐熟时，堆温将低于40。但对于发酵仓式堆肥，堆温的指示功能不如无发酵仓式堆肥。因为密封仓保温性好，堆层容积大，在堆肥实际上已稳定化时的温度仍可能较高。2. 耗氧速率和CO2释放速率堆肥过程中氧的消耗或CO2的产生速率标志了有机物分解的程度和堆肥反应的进行程度。随着堆肥的进行，堆肥有机质和挥发性固体含量呈持续下降的趋势，最后达到基本稳定。（三）堆肥前后物料的性质指标1. 有机质和挥发性固体含量的变化2. 氮、C/N

12、比及无机氮形态的变化3. 水溶性有机碳氮之比4、 种子发芽指数计算题第十一章 工业固体废物的材料利用1. 粉煤灰Ø 产生燃烧煤的发电厂将煤磨细成100m以下的煤粉，用预热空气喷入炉膛成悬浮状态燃烧，产生混杂有大量不燃物的高温烟气，经集尘装置捕集就得到粉煤灰。Ø 组成化学组成：与粘土相似，其主要成分为SiO2(40%60%)、Al2O3(17%35%)、 Fe2O3 (2%15%) 、CaO (1%0%) 、烧失量（12.6）和未燃炭，其余为少量K、P、S、Mg等化合物和As、Cu、Zn等微量元素。矿物组分：主要有无定形相和结晶相两大类。无定形相主要为玻璃体，约占粉煤灰总量的

13、50%80%，其含有较高的化学内能，具有良好的活性；此外，未燃尽的碳粒也属于无定形相。一般来说，冷却速度较快，玻璃体含量较多；反之，玻璃体容易析晶。结晶相主要有莫来石（一种耐火材料）。这些结晶相大都是在燃烧区形成，又往往被玻璃相包裹。但有些粉煤灰的颗粒表面又粘附有细小的颗粒。因此在粉煤灰中，单独存在的结晶体极为少见，而单独从粉煤灰中提纯结晶矿物也十分困难。粉煤灰的颗粒组成：球形颗粒，不规则多孔颗粒（多孔碳粒 影响活性和多孔硅铝玻璃体 多达70以上），碎片玻璃微珠，沉珠，漂珠Ø 粉煤灰活性的激发活性是指粉煤灰与石灰、水混合后显示的凝结硬化性能。（水化硅铝酸钙）活性激发 以石灰和石膏为激

14、发剂的蒸气养护方法使粉煤灰中的活性氧化硅和氧化铝与Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙以及钙矾石（在有石膏存在时）而形成强度。 以水泥熟料和石膏为激发剂的常温激发方法（一次水化反应，二次水化反应）水泥熟料中含有约75%的硅酸三钙和硅酸二钙以及一部分铝酸三钙，遇水时，硅酸三钙和硅酸二钙便迅速水化生成水化硅酸三钙和水化硅酸二钙凝胶，同时析出Ca(OH)2，称为一次水化反应。其后，粉煤灰中活性SiO2和活性Al2O3在水泥水化析出的Ca(OH)2激发下发生二次水化反应生成水化硅酸钙凝胶（mCaO·SiO2·nH2O）和水化铝酸钙凝胶（mCaO· Al2O3

15、83;nH2O）。在Ca(OH)2存在下，水化铝酸钙凝胶继续与石膏反应，生成钙矾石3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，然后再与水泥熟料水化生成的其他水化产物共同构成水泥硬化体的基础物质。这些水化反应的长期进行，保证了硬化体的强度增长和耐久性。 以石灰和水泥为激发剂的蒸压护养方法此法所用激发剂包括：石灰、水泥和少量石膏。石灰为主料，水化反应包括有CaOAl2O3SiO2H2O；CaOAl2O3CaSO4H2O等。在高温高压和蒸汽养护环境，粉煤灰中的活性氧化物的溶解度大为提高，因而能够促进水化产物不断生成。这些水化产物主要仍是水化硅酸钙矿物，其中大部分结晶

16、完整，在大气中比较稳定。Ø 粉煤灰的物理性质外观和颜色 粉煤灰外观象水泥，为灰色或灰白色粉状物。含碳量越高，颜色越深，质量越低。比重和容重 低钙灰比重一般为1.82.8，高钙灰的比重可达2.52.8。粉煤灰的松散干容重变化范围为6001000kg/m3，压实容重为13001600kg/m3细度 粉煤灰的颗粒粒径极限为0.5300um。需水量比 采用粉煤灰水泥胶砂需水量与基准水泥胶砂需水量的比值表示粉煤灰的需水量。Ø 粉煤灰的综合利用生产粉煤灰砖生产粉煤灰水泥生产粉煤灰混凝土制作粉煤灰硅酸盐砌块制作粉煤灰陶粒利用粉煤灰筑路粉煤灰用于农业回收工业原料用作环保材料2. 煤矸石&#

17、216; 产生 煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排出的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。一般每采1t原煤排出矸石0.2t左右。Ø 煤矸石的活性煤矸石加热到一定温度时（一般为700900ºC），原来的矿物结晶相分解破坏，变成无定型的非晶体，使煤矸石具有活性。产生活性有两个温度区域： 一个在600900，为中温活性区；12001700，高温活性区。通常主要利用中温活性区。Ø 煤矸石的综合利用：（1） 利用煤矸石生产建筑材料 产水泥：代替黏土提供硅质和铝质成分 矸石制砖：可以代替部分燃料生产烧结砖和作烧砖内燃料 生产轻骨料（2）

18、生产化工产品：1. 制结晶氯化铝：结晶氯化铝是以煤矸石和盐酸为主要原料加工而成2. 制水玻璃：含氧化硅3. 生产硫酸铵化学肥料：煤矸石内的硫化铁在高温下生成二氧化硫，再氧化而生成三氧化硫，三氧化硫遇水生成硫酸，并与氨的化合物生成硫酸铵。4. 高炉渣Ø 产生 高炉渣是冶炼生铁时从高炉中排出的废物。炉石中的脉石、焦炭中的灰分和助溶剂等炉料中不能进入生铁中的杂质形成以硅酸盐和铝酸盐为主的浮在铁水上面的熔渣，称为高炉渣。一般为生铁产量的25%100%。目前，我国冶炼1t生铁约排出高炉渣1.60.7t。Ø 高炉渣的加工处理（1） 高炉渣水淬处理工艺水渣将熔融状态的高炉矿渣置于水中急速

19、冷却，限制其结晶，并使其粒化。水淬渣是高炉熔渣在大量冷却水的作用下急冷形成的海绵状浮石类物质。水淬渣具有潜在的化学活性。（2）高炉重矿渣碎石 重矿渣是高炉熔渣在空气中自然冷却或淋少量水慢冷形成的致密块渣。可以代替碎石用于工程建设。（3）膨胀矿渣珠(膨珠)生产 膨珠也叫膨胀矿渣珠，是高炉熔渣在适量水冲击下和成珠设备的配合下被甩到空气中使水蒸发成蒸汽并在内部形成空间，再经空气冷却形成的珠状矿渣。膨珠具有多孔、质轻、表面光滑的特点，既可同水渣一样利用，又可作轻骨料。Ø 高炉渣的综合利用适于加工制作水泥、碎石、骨料等建筑材料。5. 钢渣Ø 产生 钢渣是炼钢过程中排出的废渣。炼钢的基

20、本原理与炼铁相反，它是利用空气或氧气去氧化生铁中的硅、锰、磷等元素，并在高温下与石灰石起反应，形成熔渣。降碳、调硅锰、去硫磷。Ø 化学组成：主要为铁、钙、硅、镁、铝、锰、磷等元素的氧化物，其中钙、铁、硅的氧化物占绝大部分。Ø 矿物组成：橄榄石(2FeO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、硅酸三钙(3CaO·SiO2)、铁酸二钙(2CaO·Fe2O3，)及游离氧化钙fCaO等。Ø 钢渣的主要性质 碱度 R= wCaO/(wSiO2+wP2O5) 低碱度渣(R=0.781.8)， 中碱度渣(R=1.82.5) 高碱度渣

21、(R>2.5)。 钢渣的利用主要以中高碱度钢渣为主。 活性指钢渣中3CaO·SiO2(C3S)、2CaO·SiO2(C2S)等具有水硬胶凝性活性矿物的含量 稳定性 指钢渣中fCaO(游离氧化钙)、MgO、C2S、C3S等不稳定组分的含量。这些组分在一定条件下都具有体积不稳定性。Ø 钢渣的综合利用(1) 用作冶金原料，替代部分石灰石，还含有1030的Fe，2左右的Mn(2) 用作建筑材料钢渣水泥筑路及回填材料 一定要控制好fCaO的含量和碱度。(3) 用于农业 以钙、硅为主，含多种养分的、具有速效又有后劲的复合矿物质肥料。6. 赤泥Ø 产生从氧化铝矿

22、提炼氧化铝后排弃的泥浆，赤泥呈红色，具有较高的碱性，pH值为1012。拜耳法产量约占世界总产量的90以上。拜耳法生产采用的是强碱NaOH溶出高铝、高铁、一水软铝石型和三水铝石型铝土矿，产生的赤泥中氧化铝、氧化铁、碱含量高；Ø 组成：Al2O3、SiO2、Fe2O3、CaO、TiO2、Na2O还含有少量的稀有元素和放射元素。赤泥的主要矿物组分为硅酸二钙赤泥颗粒细小、组成复杂，用途可制水泥。7. 铬渣Ø 产生铬渣即铬浸出渣，是冶金和化工企业在金属铬和铬盐生产过程中由浸滤工序滤出的不溶于水的固体废弃物。浅黄绿色的粉状固体，呈碱性。Ø 铬渣的危害铬的毒性与其存在的形态有关

23、，铬化合物中六价铬Cr()毒性最剧烈，具有强氧化性和体膜透过能力，对人体的消化道、呼吸道、皮肤、黏膜及内脏都有危害。铬的化合物还有致癌作用。六价铬在酸性介质中易被有机物还原成三价铬Cr()，三价铬在浓度较低的情况下毒性较小。Ø 铬渣解毒处理，使六价铬转变成三价铬 固化法a) 熔融固化法熔融固化法是以玻璃原料为固化剂，将铬渣作为原料直接利用，按一定的配料比混合后，在高温下熔融，同时使Cr6+还原为Cr3+，进入玻璃熔融体中，将有毒组分转化为稳定的玻璃固化体，达到固化解毒的目的。玻璃体的致密结构可确保固化体的永久稳定，同时可以得到高质量的建筑材料。b) 水泥固化法 还原法a) 酸性还原法

24、用酸将碱性的铬渣调成酸性，加还原剂，如硫酸亚铁、亚硫酸钠、重亚硫酸钠、硫代硫酸纳、醇等，使六价铬还原成三价铬。b) 碱性还原法硫化物还原 8Na2CrO4+6Na2S+23H2O8Cr(OH)3+3Na2S2O3+22NaOH硫磺还原 六价铬盐与硫磺反应，被还原成三价铬碳还原法Ø 铬渣综合利用用铬渣生产玻璃制品的着色剂生产铬渣棉铬渣作为助熔剂炼铁铬渣在建材上的应用8. 废石膏 Ø 化工、电力、冶金等行业排出的主要成份为硫酸钙的工业废渣。主要包括：磷石膏、氟石膏和脱硫石膏。磷石膏最佳。Ø 废石膏的处理与利用：水泥工业上的利用，生产硫酸盐，在农业上的应用第十二章 固体

25、废物的最终处置填埋场选址原则废物填埋场的选址通常要满足以下基本条件1. 应服从城市发展总体规划2. 场址应有足够的库容量3. 场址应具有良好的自然条件4. 场址运距应尽量缩短 不宜超过20km5. 场址应具有较好的外部建设条件：交通、水、电等填埋场不应设在下列地区： 1.地下水集中供水水源地及补给区； 2.洪泛区和泄洪道； 3.填埋库区与污水处理区边界距居民居住区或人畜供水点500m以内的地区； 4.填埋库区与污水处理区边界距河流和湖泊50m以内的地区； 5.填埋库区与污水处理区边界距民用机场3km以内的地区； 6.活动的坍塌地带，尚未开采的地下蕴矿区、灰岩坑及溶岩洞区； 7.珍贵动植物保护区和国家、地方自然保护区； 8.公园，风景、游览区，文物古迹区，考古学、历史学、生物学研究考察区； 9.军事要地、基地，军工基地和国家保密地区。 防渗层结构： 渗滤液的基本特征: § 有机污染物浓度高，特别是5年内的“年轻”填埋场的渗滤液。 § 氨氮含量较高，在"中老年&