固体废物处理与处置：固体废物处理与资源化教案

Chap 1 绪 论教学目标,
1.了解固体废物的来源和分类
2.掌握固体废物的污染及其控制
3.熟悉固体废物的处理处置方法
4.理解并掌握控制固体废物污染技术政策教学重点：固体废物的来源和分类教学难点：控制固体废物污染技术政策学时安排：2学时
固体废物(solid wastes)。指在社会的生产、流通、消费等一系列活动中产生的一般不再具有原使用价值而被丢弃的以固态和泥状赋存的物质。
固体废物(solid wastes)。固体废物是指在生产建设，日常生活和其他活动中产生的污染环境的固态，半固态废弃物质。其中包括从废气中分离出来的固体颗粒、垃圾、炉渣、废制品，破损器皿、残次品、动物尸体、变质食品、污泥、人畜粪便等。
固体废物处理(treatment of solid wastes)。通过物理、化学、生物等不同方法，使固体废物转化为适于运输、储存、资源化利用以及最终处置的一种过程。固体废物的物理处理包括破碎、分选、沉淀、过滤、离心等处理方式，其化学处理包括焚烧、焙烧、浸出等处理方法，生物处理包括好氧和厌氧分解等处理方式。
固体废物处置(disposal of soild wastes)。是指最终处置或安全处置，是解决固体废物的归宿问题，如堆置、填埋、海洋投弃等。
§1固体废物的来源和分类一.固体废物的来源来源于人类活动的许多环节，主要包括生产过程和生活过程的一些环节，如采矿、冶金、火电、居民生活等。固体废物的来源大体上可分为两类：一是生产过程中所产生的废物(不包括废气和废水)称为生产废物；另一类是在产品进入市场后在流动过程中或使用、消费后产生的固体废物，称生活废物。


二.固体废物的排量参照国家环保总局每年的环境质量公报。
三.固体废物的分类按组成分为有机废物和无机废物；按形态分为固体和泥状；按来源可以分为工业废物、矿业废物、城市垃圾、农业废物和放射性废物；按其危害程度可分为有害废物和一般废物。
就其来源简单分析。
（一）工业固体废物指工业生产过程中和工业加工过程产生的废渣、粉尘、碎屑、污泥等。
1.冶金固体废物
2.燃料灰渣
3.化学工业固体废物
4.石油工业固体废物
5.粮食、食品工业固体废物
6.其他
（二）矿业固体废物主要是指废石和尾矿。
（三）城市固体废物指居民生活、商业活动、市政建设与维护、机关办公等过程产生的固体废物，一般分为：
1.生活垃圾
2.城建渣土
3.商业固体废物
4.粪便
（四）农业固体废物主要包括植物秸秆和人畜粪便。
（五）放射性固体废物核燃料生产、加工，同位素的应用，核电站，核研究机构，医疗单位，放射性废物处理。
（六）有害固体废物
§2固体废物的污染及其控制一.固体废物的污染途径


二.固体废物污染的危害
（一）侵占土地（参见国家环保总局网页）
（二）污染土壤
（三）污染水体
（四）污染大气
（五）影响环境卫生三.固体废物污染控制主要从两个方面着手，一是防治固体废物污染，二是综合利用废物资源。
（一）改革生产工艺
1.采用无废或少废技术
2.采用精料
3.提高产品质量和使用寿命，不使过快的变成废物。
（二）发展物质循环利用工艺
（三）进行综合利用
（四）进行无害化处理与处置
§3固体废物的处理处置方法一.固体废物处理方法固体废物处理是指将固体废物转变为适于运输、利用、贮存或最终处置的过程。
固体废物处理方法有物理处理、化学处理、生物处理、热处理、固化处理。
（一）物理处理：压实、破碎、分选、增稠、吸附、萃取。
（二）化学处理：氧化、还原、中和、化学沉淀和化学溶出等。
（三）生物处理：好氧处理、厌氧处理和兼性厌氧处理。
（四）热处理：焚烧、热解、湿式氧化以及焙烧、烧结等。
（五）固化处理：主要是针对有害废物和放射性废物。
二.固体废物处置方法固体废物处置是指最终处置或安全处置，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。其方法主要包括海洋处置和陆地处置两大类。海洋处置方法包括深海投弃和远洋焚烧；陆地处置包括土地耕作、工程库或贮留地贮存、土地填埋和深井灌注几种。
§4控制固体废物污染技术政策（无害化、资源化、减量化）
一、我国控制固体废物污染技术政策的产生
20世纪60年代中期以后，环保工作开始受到很多国家的重视，特别是西方工业发达国家，开始对污染治理技术进行深入的研究和广泛的应用，逐步形成了一系列处理方法，20世纪70年代，针对废物处置场地紧张，处理费用大，以及资源短缺等现实问题，西方国家提出了“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始于20世纪80年代初期，起步较晚，在短期内还不可能在较大的范围内实现“资源化”。因此，我国于20世纪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，并确定今后较长—段时间内应以“无害化”为主。
（一）无害化：指将固体废物通过工程处理，达到不损害人体健康，不污染周围自然环境的目的。
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。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。其中“高温快速堆肥处理工艺”和“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。
（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和减小固体废物的数量和容积。这—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。固体废物采用压实、破碎等处理手段，可以减小固体废物的体积，达到减量并便于运输、处置等目的。如污泥经过浓缩、脱水、干燥等处理后，可去除大部分水分从而减小体积，便于运输，处置。
（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。固体废物的“资源化”是固体废物的主要归宿。从资源开发过程看，利用固体废物作原料，可以省去开矿、采掘、选矿、富集等一系列复杂工作，保护和延长自然资源寿命，弥补资源不足，保证资源永续，且可节省大量的投资，降低成本，减少环境污染，保持生态平衡，具有显著的社会效益。以开发有色金属为例，每获得1t有色金属，要开采出33t矿石，剥离出26.6t围岩，消费成百吨水和8t左右的标煤，而且要产生几十吨的固体废物以及相应的废气和废水。
许多固体废物含有可燃成分，且大多具有能量转换利用价值。例如具有高发热量的煤矸石，可以通过燃烧回收热能或转换为电能，也可用以代土节煤生产内燃砖。
由此可见，固体废物的“资源化”具有可观的环境效益、经济效益和社会效益。
Chap 2 固体废物的收集、运输与压实教学目标,
1.掌握工业固体废物的收集、运输
2.熟练掌握城市垃圾的收集、运输
3.理解固体废物的压实教学重点：城市垃圾的收集、运输教学难点：城市垃圾的收集、运输学时安排：4学时
§1工业固体废物的收集、运输
在我国，工业固体废物处理的原则是“谁污染，谁治理”。一般，产生废物较多的工厂在厂内外部建有自己的堆场，收集，运输工作由工厂负责。零星、分般的固体废物(工业下脚废料及居民废弃的日常生活用品)则由商业部所属废旧物资系统负责收集。此外，有关部门还组织城市居民、农村基层供销合作社收购站代收废旧物资。对大型工厂，回收公司到厂内回收，中型工厂则定人定期回收，小型工厂划片包干巡回回收。并配备管理人员，设置废料仓库，建立各类废物“积攒”资料卡，开展经常性的收集和分类存放活动。收集的品种有黑色金属、有色金属，橡胶、塑料、纸张，破布、麻，棉，化纤下脚、牲骨，人发，玻璃，料瓶，机电五金、化工下脚、废油脂等16个大类1000多个品种．仅上海市物资回收公司1983年回收总量即达169万吨，其中工业废料占85％。该公司不仅回收而且组织生产，将可以再利用的废物组织加工变成产品或原料加以利用。暂时不能利用的则暂时堆存，留待以后再处理。对有害废物专门分类收集，分类管理．
§2城市垃圾的收集、运输城市垃圾收运并非单一阶段操作过程，通常包括三个阶段，构成一个收运系统。第一阶段是搬运与贮存，指由垃圾产生者（住户或单位）或环卫系统收集垃圾产生源头，将垃圾送至贮存容器或集装点的运输过程。第二阶段是收集和清除，通常是指垃圾的近距离运输。一般用清运车辆沿一定路线收集清除容器或其他贮存设施中的垃圾，并运至垃圾中转站的操作，有时也可就近直接送至垃圾处理厂或处置厂。第三阶段为转运，特指垃圾的远途运输，即在中转站将垃圾转载至大容器运输工具上，运往远处的处理处置场。
这—阶段是收运管理系统中最复杂的，耗资也最大。清运效率和费用的高低，主要取决下列因素：①清运操作方式；②收集清运车辆数量、装载量及机械化装卸程度；③清运次数、时间及劳动定员；④清运路线。
一.清运操作方法
清运操作方法分移动式和固定式两种。
(一)移动容器操作方法
移动容器操作方法是指将某集装点装满的垃圾连容器一起运往中转站或处理处置场，卸空后再将空容器送回原处(一般法)或下一个集装点(修改法)，其收集过程示意见图。
1.操作计算收集成本的高低，主要取决于收集时间长短，因此对收集操作过程的不同单元时间进行分析，可以建立设计数据和关系式，求出某区域垃圾收集耗费的人力和物力，从而计算收集成本。可以将收集操作过程分为四个基本用时，即集装时间、运输时间、卸车时间和非收集时间(其他用时)。


（1）集装时间(Phcs) 对常规法，每次行程集装时间包括容器点之间行驶时间，满容器装车时间，及卸空容器放回原处时间三部分。用公式表示为：
Phcs=tpc+tuc+tdbc
式中Phcs为每次行程集装时间，h/次；tpc为满容器装车时间，h/次；tuc为空容器放回原处时间，h/次；tdbc为容器间行驶时间，h/次。
如果容器行驶时间已知，可用下面运输时间公式估算。
(2)运输时间(h) 运输时间指收集车从集装点行驶至终点所需时间，加上离开终点驶回原处或下一个集装点的时间，不包括停在终点的时间。当装车和卸车时间相对恒定时．则运输时间取决于运输距离和速度。从大量的不同收集车的运输数据分析，发现运输时间可以用下式近似表示：
h=a+bx
式中，h为运输时间，h／次；a为经验常数，h／次；b为经验常数，h／km；x为往返运输距离，km／次。
(3)卸车时间 专指垃圾收集车在终点(转运站或处理处置场)逗留时间，包括卸车及等待卸车时间。每一行程卸车时间用符号S(h／次)表示。
(4)非收集时间 非收集时间指在收集操作全过程中非生产性活动所花费的时间。常用符号ω(％)表示非收集时间占总时间百分数。
因此，一次收集清运操作行程所需时间(Thcs)可用下式表示：
Thcs=(Phcs+S+h)/(1-ω)
也可以用下式表示：
Thcs=(Phcs+S+ a+bx)/(1-ω)
当求出Thcs后，则每日每辆收集车的行程次数用下式求出：
Nd＝H/Thcs
式中，Nd为每天行程次数，次／d；H为每天工作时数，h／d；其余符号同前。
每周所需收集的行程次数，即行程数可根据收集范围的垃圾清除量和容器平均容量，用下式求出：
Nw＝Vw/(cf)
式中，Nw为每周收集次数，即行程数，次／周(若计算值带小数时，需进值到整数值)；Vw为每周清运垃圾产量，m3/周；f为容器平均容量，m3/次；f为容器平均充填系数。由此，每周所需作业时间Dw(d／周)为：
Dw=NwThcs
应用上述公式，即可计算出移动容器收集操作条件下的工作时间和收集次数，编制作业计划。
2．计算实例某住宅区生活垃圾量约280m3／周，拟用一垃圾车负责清运工作，实行改良操作法的移动式清运。已知该车每次集装容积为8m3／次，容器利用系数为0.67，垃圾车采用八小时工作制。试求为及时清运该住宅垃圾，每周需出动清运多少次?累计工作多少小时?经调查已知：平均运输时间为0.512h／次，容器装车时间为0.033h／次；容器放回原处时间0.033h/次，卸车时间0.022h/次；非生产时间占全部工时25％。
解：按公式Phcs=tpc+tuc+tdbc＝（0.033＋0.033＋0）h/次＝0.066 h/次清运一次所需时间，按公式Thcs=(Phcs+S+h)/(1-ω)＝[(0.066+0.512+0.022)/(1-0.25)] h/次=0.80 h/次清运车每日可以进行的集运次数，按公式Nd＝H/Thcs=(8/0.8)次/d=10次/d
根据清运车的集装能力和垃圾量，按公式Nw＝Vw/(cf)＝[280/(8×0.67)]次/周＝53次/周每周所需要的工作时间为：Dw＝NwThcs＝（53×0.8）h/周＝42.4 h/周
(二)固定容器收集操作法
固定容器收集操作法是指用垃圾车到各容器集装点装载垃圾，容器倒空后固定在原地不动，车装满后运往转运站或处理处置场。固定容器收集法的一次行程中，装车时间是关键因素。因为装车有机械操作和人工操作之分，故计算方法也略有不同。固定容器收集过程参见下图。


1.机械装车每一收集行程时间用下式表示：
Tscs＝（Pscs＋S＋a＋bx）/（1－ω）
式中，Tscs为固定容器收集法每一行程时间，h/次；Pscs为每次行程集装时间，h/次；其余符号同前。
此处，集装时间为：
Pscs＝ct(tuc)+(Np-1)(tdbc)
式中，ct为每次行程倒空的容器数，个/次；tuc为卸空一个容器的平均时间，h/个；Np为每一行程经历的集装点数；tdbc为每一行程各集装点之间平均行驶时间。如果集装点平均行驶时间未知，也可用公式h=a+bx进行估算，但以集装点间距离代替往返运输距离x(km／次)。
每一行程能倒空的容器数直接与收集车容积与压缩比以及容器体积有关，其关系式：
ct=Vr/(cf)
式中，V为收集车容积，m3/次；r为收集车压缩比；其余符号同前。
每周需要的行程次数可用下式求出：
Nw=Vw/(Vr)
式中，Nw为每周行程次数，次／周；其余符号同前。
由此每周需要的收集时间为：
Dw=[Nw Pscs+tw(S+a+bx)]/[(1-ω)H] 若单位是h/周，则不用除以H。
式中，Dw为每周收集时间，d／周；tw为Nw值进到大整数值；其余符号同前。
2.人工装车
使用人工装车，每天进行的收集行程数为已知值或保持不变。在这种情况下日工作时间为：
Pscs＝[(1-ω)H/Nd]-(S+a+bx)
符号同前。
每一行程能够收集垃圾的集装点可以由下式估算：
Nr=60 Pscs n／tp
式中，n为收集工人数，人；tp为每个集装点需要的集装时间，人·min／点；其余符号同前。 每次行程的集装点数确定后，即可用下式估算收集车的合适车型尺寸（载重量）
V＝VpNp/r 点数×量/压缩比式中，Vp为每一集装点收集的垃圾平均量，m3／次；其余符号同前。每周的行程数，即收集次数：
Nw＝TpF/Np
式中，Tp为集装点总数，点；F为每周容器收集频率，次／周；其余符号同前。
例 某住宅区共有1000户居民，由2个工人负责清运该区垃圾。试按固定式清运方式，计算每个工人清运时间及清运车容积，已知条件如下：每一集装点平均服务人数3.5人；垃圾单位产量1.2kg/(d·人)；容器内垃圾的容重120kg/m3；每个集装点设0.12m3的容器二个；收集频率每周一次；收集车压缩比为2；来回运距24km；每天工作8小时，每次行程2次；卸车时间0.10h/次；运输时间0.29h/次；每个集装点需要的人工集装时间为1.76分/点·人)；非生产时间占15％。
解 按公式Nd＝H/Thcs反求集装时间：
H=Nd(Pscs+S+h)/(1-ω)
所以 Pscs =(1－w)H／Nd－(S＋h)=[(1-0.15)×8/2-(0.10+0.29)]h/次＝3.01h/次一次行程能进行的集装点数目：
Np＝60 Pscs n／tp＝(60×3.01×2/l.76)点/次＝205点/次每集装点每周的垃圾量换成体积数为：
Vp＝（1.2×3.5×7/120）m3/次＝0.285 m3/次清运车的容积应大于：
V＝VpNp／r＝(0.285×205／2)m3/次=29.2 m3/次每星期需要进行的行程数：
Nw＝TpF/Np=(1000×1/205)次/周＝4.88次/周每个工人每周需要的工作时间参照式Dw=[Nw Pscs+tw(S+a+bx)]/[(1-ω)H]：
Dw=[Nw Pscs+tw(S+a+bx)]/[(1-ω)H]＝[4.88×3.01+5（0.10+0.29）](1-0.15)×8]d/周＝2.45 d/周
二.收集路线设计在城市垃圾收集操作方法、收集车辆类型、收集劳力、收集次数和作业时间确定以后，就可着手设计收运路线，以便有效使用车辆和劳力。收集清运工作安排的科学性、经济性关键就是合理的收运路线。国外对此十分重视。为了提高垃圾收运水平，不少国家都制定了垃圾车收运线路图。例如德国的城市垃圾收运系统比较完备，各清扫局都有垃圾车收集运输路线图和道路清扫图，收运路线图和清扫图把全市分成若干个收集区，明确规定扫路机的清扫路线以及这个地区的垃圾收集日、收集容器的数量及其车辆行驶路线等，收集地区的容器数量和安放位置等在路线图上都有明确标记，司机只需按照路线图的标志，在规定的收集日按收运路线去收集垃圾或进行清扫作业。一般，收集线路的设计需要进行反复试算过程，没有能应用于所有情况的固定规则。
1.设计收运路线的一般步骤
一条完整的收集清运路线大致由“实际路线”和“区域路线”组成。前者指垃圾收集车在指定的街区内所遵循的实际收集路线，后者指装满垃圾后，收集车为运往转运站(或处理处置场)需走过的地区或街区。
在研究探索较合理的实际路线时，需考虑以下几点：①每个作业日每条路线限制在一个地区，尽可能紧凑，没有断续或重复的线路；②平衡工作量，使每个作业、每条路线的收集和运输时间都合理地大致相等；③收集路线的出发点从车库开始，要考虑交通繁忙和单行街道的因素；④在交通拥挤时间，避免在繁忙的街道上收集垃圾。
设计收集路线的一般步骤包括：①准备适当比例的地域地形图，图上标明垃圾清运区域边界、道口、车库和通往各个垃圾集装点的位置、容器数、收集次数等，如果使用固定容器收集法，应标注各集装点垃圾量；②资料分析，将资料数据概要列为表格；③初步收集路线设计；④对初步收集路线进行比较，通过反复试算进一步均衡收集路线，使每周各个工作日收集的垃圾量、行驶路程、收集时间等大致相等，最后将确定的收集路线画在收集区域图上。
2.设计收集清运路线实例例 下图所示为某收集服务小区(步骤1已在图上完成)。请设计移动式和固定式两种收集操作方法的收集路线。两种收集操作方法若在每日8小时中必须完成收集任务，请确定处置场距B点的最远距离可以是多少?


已知有关数据和要求如下：
(1)收集次数为每周2次的集装点，收集时间要求在星期二、五两天；
(2)收集次数为每周3次的集装点，收集时间要求在星期一、三、五三天；
(3)各集装点容器可以位于十字路口任何一侧集装；
(4)收集车车库在A点，从A点早出晚归；
(5)移动容器收集操作从星期一至星期五每天进行收集：
(6)移动容器收集操作法按交换式（前图b）进行，即收集车不是回到原处而是到下一个集装点。
(7)移动容器收集操作法作业数据：容器集装和放回时间为0.033h／次；卸车时间为0.053h/次；
(8)固定容器收集操作每周只安排四天(星期一、二、三和五)，每天行程一次；
(9)固定容器收集操作的收集车选用容积35m3的后装式压缩车，压缩比为2；
(10)固定容器收集操作法作业数据；容器卸空时间为0.050h/次；卸车时间为0.10h／次；
(11)容器间估算行驶时间常数a＝0.060h／次，b＝0.067h／km。
(12)确定两种收集操作的运输时间、使用运输时间常数为a＝0.080h/次，b＝0.025h／km；
(13)非收集时间系数两种收集操作均为0.15。
解：1.移动容器收集操作法的路线设计
(1)根据图3－1－3提供资料进行分析(步骤2)。收集区域共有集装点32个，其中收集次数每周三次的有(11)和(20)二个点，每周共收集3×2＝6次行程，时间要求在星期一、三、五3天；收集次数二次的有(17)、(27)、(28)、(29)四个点．每周共收集4×2＝8次行程，时间要求在星期二、五两天；其余26个点，每周收集一次，其收集l×26=26次行程，时间要求在星期一至星期五。合理的安排是使每周各个工作日集装的容器数大致相等以及每天的行驶距离相当。如果某日集装点增多或行驶距离较远，则该日的收集将花费较多时间并且将限制确定处置场的最远距离。三种收集次数的集装点，每周共需行程40次，因此，平均安排每天收集8次，分配办法列于表3－1－10


(2)通过反复试算设计均衡的收集路线(步骤3和步骤4)。在满足表3—1—1规定的次数要求的条件下，找到一种收集路线方案，使每天的行驶距离大致相等，即A点到B点间行驶距离约为86km。每周收集路线设计和距离计算结果在表3—1—2中列出。


(3)确定从B点至处置场的最远距离。
①求出每次行程的集装时间。因为使用交换容器收集操作法，故每次行程时间不包括容器间行驶时间
Phcs=tpc+huc=(0.033+0.033)h/次＝0.066h/次
②利用公式Nd＝H/Thcs求往返运距：
H＝Nd(Phcs+S+a+bx)/(1-ω)
即 8＝8×（0.066＋0.053＋0.08＋0.025x）/(1-0.15)
x=26km/次
③最后确定从B点至处置场距离。因为运距x包括收集路线距离在内，将其扣除后除以往返双程，便可确定从B点至处置场最远单程距离：
1/2(26—86/8)=7.63(km)
2.固定容器收集操作法的路线设计用相同的方法可求得每天需收集的垃圾量，安排如表3－1－3所列。


根据所收集的垃圾量，经过反复试算制定均衡的收集路线，每日收集路线列于表3－1－4；A点和B点间每日的行驶距离列于表3－1－5。




（3）从表3－1－4中可以看到，每天行程收集的容器数为10个，故容器间的平均行驶距离为：25.5／10＝2.55(km)。
利用公式Pscs＝ct(tuc)+(Np-1)(tdbc)可以求出每次行程的集装时间：
Pscs＝ct(tuc＋tdbc)＝ct(tuc＋a＋bx)
＝[10×（0.05+0.06+0.067×2.55）]h/次＝2.81 h/次
（4）利用公式Pscs＝(1-ω)H/Nd-(S+a+bx)求从B点到处置场的往返运距：
H＝Nd(Pscs+S+a+bx)／(1-ω)
8＝1×(2.8l＋0.10＋0.08＋0.025x)/(1-0.15)
x=152.4(km)
(5)确定从B点至处置场的最远距离：
(152.4/2) km =76.2 km
§3固体废物的压实压实又称压缩，它的原理是利用机械的方法减少垃圾的空隙率，将空气挤压出来增加固体废物的聚集程度。其目的有二：一是增大容重和减小体积，便于装卸和运输，确保运输安全与卫生，降低运输成本；二是制取高密度惰性块料，便于储存、填埋或作建筑材料。无论可燃、不可燃或放射性废物都可压缩处理。
一.压实设备与流程
1．设备按固体废物种类不同．它可分为金属类废物压实器和城市垃圾压实器两类。
①金属类废物压实器金属类废物压实器主要有三向联合式和回转式两种。
A.三向联合式压实器
B.回转式压实器
②城市垃圾压实器
A.高层住宅垃圾压实器
B.城市垃圾压实器
2,流程下图是较为先进的国外城市垃圾压缩处理工艺流程。


垃圾先装入四周垫有铁丝网的容器中，然后送入压缩机压缩，压力为160～200kgf/cm2（1 kgf＝9.8N），压缩为1/5。压块由上向推动活塞推出压缩腔，送入180～200℃沥青浸渍池10秒涂浸沥青防漏，冷却后经运输皮带装入汽车运往垃圾填埋场。压缩污水经油水分离器入活性污泥处理系统，处理水灭菌后排放。
Chap3 固体废物破碎教学目标,
1.理解破碎基础理论重几个基本概念
2.熟悉常见的破碎机及其工作原理
3.低温破碎与湿式破碎技术和应用条件教学重点：基础理论重几个基本概念教学难点：
学时安排：1学时
§1破碎的基础理论一.破碎的目的利用外力克服固体废物质点间的内聚力而使大块固体废物分裂成小块的过程称为破碎：使小块固体废物颗粒分裂成细粉的过程称为磨碎。固体废物破碎和磨碎的目的如下：
(1)使固体废物的容积减小，便于运输和贮存。
(2)为固体废物的分选提供所要求的入选粒度，以便有效地回收固体废物中某种成分。
(3)使固体废物的比表面积增加，提高焚烧、热分解，熔融等作业的稳定性和热效率。
(4)为固体废物的下一步加工作准备，例如，煤矸石的制砖、制水泥等，都要求把煤矸石破碎和磨碎到一定粒度以下，以便进一步加工制备使用。
(5)用破碎后的生活垃圾进行填埋处置时，压实密度高而均匀，可以加快复土还原。
(6)防止粗大、锋利的固体废物损坏分选、焚烧和热解等设备或炉膛。
二.破碎的方法、破碎比和破碎流程破碎作用分为冲击破碎、剪切破碎、挤压破碎和摩擦破碎。


破碎比：破碎过程中，原废物粒度与破碎产物粒度的比值称为破碎比。有两种表示方法。
（1）用废物破碎前的最大粒度（Dmax）与破碎后的最大粒度（dmax）的比值来确定破碎比（i）。


该法确定的破碎比称为极限破碎比，在工程设计中常被采用。根据最大物料直径来选择破碎机给料口的宽度。
（2）用废物破碎前的平均粒度（Dcp）与破碎后的平均粒度（dcp）的比值来确定破碎比（i）。


该法确定的破碎比称为真实破碎比，能较真实的反映破碎程度，在科研和理论研究中常被采用。
破碎流程：单纯破碎，带预先筛分破碎工艺，带检查筛分破碎工艺、带预先筛分和检查筛分破碎工艺。


§2破碎机鄂式破碎机，锤式破碎机，冲击式破碎机，剪切式破碎机、辊式破碎机和球磨机等。
§3低温破碎与湿式破碎对于在常温下难以破碎的固体废物，可以利用其低温变脆的性能而有效的破碎，也可以利用不同的物质脆化温度的差异进行选择性的破碎，即所谓低温破碎技术。低温破碎通常采用液氮作为制冷剂，液氮具有制冷温度低、无毒、无爆炸危险等优点。
Chap 4 固体废物的分选教学目标,
1.理解并掌握筛分基本理论
2.掌握重力分选
3.了解磁力分选
4.了解电力分选
5.理解并掌握浮选
6.了解其他分选方法
7.了解并熟悉分选回收工艺系统教学重点：筛分基本理论；重力分选；浮选教学难点：浮选学时安排：3学时
固体废物分选简称废物分选，是废物处理的一种方法(单元操作)，目的是将其中可回收利用的或不利于后续处理，处置工艺要求的物料分离出来。
废物分选是根据物质的粒度、密度、磁性，电性、光电性，摩擦性，弹性以及表面润湿性的不同而进行分选的。可分为筛选 (分)、重力分选，磁力分选，电力分选、光电分选、摩擦及弹性分选，以及浮选等。
§1筛分一、筛分基本理论
1.筛分原理
筛分是利用筛子将物料中小于筛孔的细粒物料透过筛面，而大于筛孔的粗粒物料留在筛面上，完成粗、细粒物料分离的过程。该分离过程可看作是物料分层和细粒透筛两个阶段组成的。物料分层是完成分离的条件，细粒适筛是分离的目的。
通常用筛分效力来描述筛分过程的优劣。筛分效率是指筛分时实际得到的筛下产物重量与原料中所含粒度小于筛孔孔径的物料重量之比。即：

％
其中：Q为筛下物重量；Q0为入筛物料重量；α为原料中小于筛孔孔径的颗粒重量的百分含量。
2.影响筛分效率的因素
（1）.固体废物性质的影响
固体废物的粒度组成对筛分效率影响较大。废物中“易筛粒”（粒度小于筛孔3/4）含量越多，筛分效率越高，而粒度接近筛孔尺寸的“难筛粒”越多，筛分效率则越低。
固体废物的含水率和含泥量对筛分效率也有一定的影响。废物外表水分会使细粒结团或附着在粗粒上而不易透筛。当筛孔较大，废物含水率较高时，反而造成颗粒活动性的提高，此时水分废物颗粒形状对筛分效率也有影响，一般球形、立方形，多边形颗粒相对而言，筛分效率较高，而颗粒呈扁平状或长方块，用方形或圆形筛孔的筛子筛分，其筛分效率越低。
（2）.设备性能的影响
常见的筛面有棒条筛面、钢板冲孔筛面及钢丝编织筛网三种。其中棒条筛面有效面积小，筛分效率低，编织筛网则相反，有效面积大，筛分效率高，冲孔筛面介于两者之间。
筛子运动方式对筛分效率有较大的影响，同一种固体废物采用不同类型的筛子进行筛分时，其筛分效率大致如下表所示。


即使是同一类型的筛子，如振动筛，它的筛分效率也受运动强度的影响而有差别。如果筛子运动强度不足时，筛面上物料不易松散和分层，细粒不易透筛，筛分效率就不高；但运动强度过大又使废物很快通过筛面排出，筛分效率也不高。
筛面宽度主要影响筛子的处理能力，其长度则影响筛分效率。
筛面倾角是为了便于筛上产品的排出，倾角过小起不到此作用；倾角过大时，废物排出速度过快，筛分时间短，筛分效率低。一般筛面倾角以15一25°较适宜。
（3）.筛分操作条件的影响连续均匀给料，及时清理、维修筛面，筛分效率就高。
3.筛分设备及其应用固定筛：筛面由许多平行排列的筛条组成，水平或倾斜安装。分为格筛(装在粗破之前)和棒条筛（粗破和中破之前）。格筛一般安装在粗破机之前，以保证入料块度适宜。
（2）滚筒筛（转筒筛）：筛面带孔的圆柱形筒体，轴线倾斜3～5度安装；截头圆锥筒体，轴线水平安装，高端入料，低端排筛上物。物料在筒内滞留时间25～30s，转速5～6r/min为最佳。
（3）惯性振动筛：由不平衡物体的旋转所产生的离心惯性力使筛箱产生振动的一种筛子。重块产生的水平分力被刚度大的板簧吸收，垂直分力强迫板簧作拉伸及压缩的强迫运动。筛面运动轨迹为椭圆或近圆。适用于细粒、潮湿及粘性废物的筛分。
（4）共振筛：是利用弹簧的曲柄连杆机构驱动，使筛子在共振状态下进行筛分。离心轮转动，连杆作往复运动，通过其端的弹簧将作用力传给筛箱；与此同时，下机体受到相反的作用力，筛箱、弹簧及下机体组成一弹簧系统，其固有自振频率与传动装置的强迫振动频率相同或相近，发生共振而筛分。
共振筛的工作过程是筛箱的动能和弹簧的势能相互转化的过程。所以，在每次振动中，只需要补充为克服阻尼的能量，就能维持筛子的连续振动。这种筛子虽然比较大，但是功率消耗却很小。
共振筛处理能力大，筛分效率高，但制造工艺复杂，机体较重。共振筛适用于废物的中细粒的筛分，还可以用于废物分选作业的脱水、脱重介质和脱泥筛分等。
§2 重力分选一、概述重力分选简称重选，是根据固体废物中不同物质颗粒间的密度差异，在运动介质中受到重力、介质动力和机械力的作用，使颗粒群产生松散分层和迁移分离，从而得到不同密度产品的分选过程。
重力分选原理：
一个悬浮在流体介质中的颗粒，其运动速度受到自身重力、介质阻力和介质的浮力三种力的作用。分别是FE（重力）、FB（介质浮力）、FD（介质摩擦阻力）。


式中：ρs为颗粒密度；Vg为颗粒体积，假定颗粒为球形，则：


式中ρ为介质密度；
介质摩擦阻力：

式中：CD为阻力系数；V为颗粒相对介质速度，A为颗粒投影面积（在运动方向上）。
当FE、FB、FD三个力达到平衡时，且加速度为零时的速度为末速度，此时有：


即：

CD是与颗粒的尺寸及运动状况有关，通常用雷诺数Re来表述。


式中u为流体介质的粘度系数，γ为流体介质的动粘度系数。
如果假定流体运动为层流，CD＝24/Re。可以进一步得出人们所熟知的斯托克斯公式：


影响重力分选的因素，从上式可以看出有颗粒的尺度，颗粒与介质的密度差以及介质的年度。
重力分选的介质有空气、水、重液（密度大于水的液体）、重悬浮液。
重液最常用的是四溴乙烷和丙酮的混合物，另一种是五氯乙烷。
重悬浮液的粘度不应太大，粘度增大会使可以在其中运动阻力增大，从而降低分选精度和设备生产率。降低悬浮液的年度可以提高物料分选速度，但会降低悬浮液的稳定性。故工业上为保持悬浮液的稳定，可以采用如下方法：
①选择密度适当，能造成稳定悬浮液的加重介质，或在粘度要求允许的条件下，把加重介质磨碎一些；
②加入胶体稳定剂，如水玻璃、亚硫酸盐、铝酸盐、淀粉、烷基硫酸盐、膨润土和合成聚合物等；
③适当的搅拌促使悬浮液更加稳定。
按介质不同，固体废物的重选可分为重介质分选，跳汰分选，风力分选和摇床分选等。
各种重选过程具有的共同工艺条件是①固体废物中颗粒间必须存在密度的差异，②分选过程都是在运动介质中进行的，③在重力、介质动力及机械力的综合作用下，使颗粒群松散并按密度分层，④分好层的物料在运动介质流的推动下互相迁移，彼此分离，并获得不同密度的最终产品．
二、重介质分选
(一)基本原理通常将密度大于水的介质称为重介质。在重介质中使固体废物中的颗粒群按密度分开的方法称为重介质分选。为使分选过程有效地进行，需选择重介质密度(ρC)介于固体废物中轻物料密度(ρL)和重物料密度(ρW)之间，即
ρL<ρC<ρW
凡是颗粒密度大于重介质密度的重物料都下沉，集中于分选设备底部成为重产物，颗粒密度小于重介质密度的轻物料都上浮，集中于分选设备的上部成为轻产物，分别排出，从而达到分选的目的。可见，在重介质分选过程中，重介质的性质是影响分选效果的重要因素。
(二)对重介质性能的要求重介质是由高密度的固体微粒和水构成的固液两相分散体系，它是密度高于水的非均匀介质。高密度固体微粒起着加大介质密度的作用，故称为加重质。 最常用的加重质有硅铁，磁铁矿等。
一般要求加重质的粒度为小于200目，占60--90％，能够均匀分散于水中，容积浓度一般为10-15％。
重介质应具有密度高，粘度低，化学稳定性好(不与处理的废物发生化学反应)、无毒、无腐蚀性，易回收再生等特性。
(三)、重介质分选设备目前常用的是鼓形重介质分选机。
三.跳汰分选原理：将物料给入筛板上，形成密集的物料层，从筛板下周期性给入垂直变速的水流，透过筛板使床层松散并按密度分层，密度大的颗粒群集中到底层，透过筛板或特殊排料装置排出成重产品，密度小的颗粒群进入上层被水平水流带到机外成为轻产品。跳汰介质可以是水或者是空气。目前用于固体废物分选的介质都是水。跳汰分选是古老的选矿技术。国外主要用于混合金属的分离。
四.风力分选
（一）原理：以空气为分选介质，在气流作用下使固体废物颗粒按密度和粒度进行分选的方法，简称风选，又称气流分选。其分选设备按照工作气流的主流向可以分为水平、处置和倾斜三种类型，其中以垂直气流分选器使用最为广泛。
五.摇床分选
§3 磁力分选
§4 电力分选
§5 浮选一、浮选原理
浮选是在固体废物与水调制的料浆中，加入浮选药剂，并通人空气形成无数细小气泡，使欲选物质颗粒粘附在气泡上，随气泡上浮于料浆表面成为泡沫层，然后刮出回收；不浮的颗粒仍留在料浆内，通过适当处理后废弃。
在浮选过程小，固体废物各组分对气泡粘附的选择性，是由固体颗粒、水、气泡组成的三相界面间的物理化学特性所决定的。其中比较重要的是物质表面的润湿性。
固体废物中有些物质表面的疏水性较强，容易粘附在气泡上，而另一些物质表面亲水，不易粘附在气泡上。物质表面的亲水，疏水性能，可以通过浮选药剂的作用而加强。因此，在浮选工艺中正确选择、使用浮选药剂是调整物质可浮性的主要外因条件。
二.浮选药剂
根据药剂在浮选过程中的作用不同，可分为捕收剂、起泡剂和调整剂三大类。
(一)捕收剂
捕收剂能够选择性地吸附在欲选的物质颗粒表面上，使其疏水性增强，提高可浮性，并牢固地粘附在气泡上而上浮。
良好的捕收剂应具备；①捕收作用强，具有足够的活性，②有较高的选择性，最好只对某一种物质颗粒具有捕收作用；③易溶于水、无毒、无臭，成分稳定，不易变质；④价廉易得。常用的捕收剂有异极性捕收剂和非极性油类捕收剂两类。
1.异极性捕收剂
异极性捕收剂的分子结构包含两个基团：极性基和非极性基。极性基活泼能够与物质颗粒表面发生作用，使捕收剂吸附在物质颗粒表面，非极性基起疏水作用。
典型的异极性捕收剂有黄药，油酸等。从煤矸石中回收黄铁矿时，常用黄药作捕收剂。
2.非极性油类捕收剂非极性油类捕收剂主要成分是脂肪烷烃和环烷烃，最常用的是煤油，烃类油的整个分子是非极性的，难溶于水，具有很强的疏水性。在料浆中由于强烈搅拌作用而被乳化成微细的油滴，与物质颗粒碰撞接触时，便粘附于疏水性颗粒表面上，并且在其表面上扩展形成油膜，从而大大增加颗粒表面的疏水性，使其可浮性提高。
从粉煤灰中回收炭，常用煤油作捕收剂。
(二)起泡剂起泡剂是一种表面活性物质，主要作用在水—气界面上，使其界面张力降低，促使空气在料浆中弥散，形成小气泡，防止气泡兼并，增大分选界面，提高气泡与颗粒的粘附和上浮过程中的稳定性，以保证气泡上浮形成泡沫层。
浮选用的起泡剂应具备：①用量少，能形成量多、分布均匀，大小适宜、韧性适当和粘度不大的气泡，②有良好的流动性，适当的水溶性，无毒、无腐蚀性，便于使用，③无捕收作用，对料浆的pH变化和料浆中的各种物质颗粒有较好的适应性。常用的起泡剂有松油、松醇油，脂肪醇等。
(三)调整剂调整剂的作用主要足调整其它药剂(主要是捕收剂)与物质颗粒表面之间的作用，还可调整料浆的性质，提高浮选过程的选择性。调整剂的种类较多，按其作用可分为以下四种：
1．活化剂凡能促进捕收剂与欲选物质颗粒的作用，从而提高欲选物质颗粒可浮性的药剂称为活化剂，其作用称为活化作用。常用的活化剂多为无机盐，如硫化钠，硫酸铜等。
2．抑制剂抑制剂与活化剂作用相反，其作用是削弱非选物质颗粒与捕收剂之间的作用，抑制其可浮性，增大其与欲选物质颗粒之间的可浮性差异，提高分选过程的选择性，起这种抑制作用的药剂称为抑制剂。常用的抑制剂有各种无机盐(如水玻璃)和有机物(如单宁、淀粉等)。
3．介质的调整剂调整剂的主要作用是调整浆料的性质，使料浆对某些物质颗粒的浮选有利，而对另一些物质颗粒的浮选不利。例如，用它凋整料浆的离子组成，改变料浆的pH，调整可溶性盐的浓度等。常用的介质调整剂是酸类和碱类。
4．分散与混凝剂调整料中细泥的分散，团聚与絮凝，以减小细泥对浮选的不利影响，改善和提高浮选效果。常用的分散剂有无机盐类(如苏打、水玻璃等)和高分子化合物(如各类聚磷酸盐)。常用的混凝剂有石灰、明矾、聚丙烯酰胺等。
三.浮选设备
我国应用最多的是机械搅拌式浮选机。
四.浮选工艺过程及应用浮选工艺包括以下程序：浮选前料浆的调制；加药调整；充气浮选。
§6 其他分选方法
磁力分选、电选等，摩擦与跳汰分选、光电分选等。
§7 分选回收工艺系统调整：主要是废物的破碎、磨碎等，目的是得到粒度适宜，基本上是单体解离的颗粒，浮选的料浆浓度必须适合浮选的工艺要求。
浮选是固体废物资源化的一种重要技术，我国以应用于从分煤灰中回收炭，从煤矸石中回收硫铁矿，从焚烧炉灰渣中回收金属等。
Chap 5 污泥的浓缩与脱水教学目标,
1.掌握污泥的分类及特性
2.掌握污泥的性质指标
3.熟悉并掌握污泥处理的目的和方法
4.理解并掌握污泥中水分的存在形式及其分离性能
5.熟悉并掌握污泥调理的方法
6.掌握污泥的洗涤原理和作用
7.掌握加药调理；熟悉热处理；掌握熟悉污泥脱水常用设备和原理教学重点,污泥的性质指标；污泥中水分的存在形式及其分离性能；污泥调理的方法；加药调理教学难点：污泥中水分的存在形式及其分离性能学时安排：4学时
§1 概述
在给水和废水处理中，不同处理过程产生的各类沉淀物，漂浮物等统称为污泥。污泥的成分、性质主要取决于处理水的成分、性质及处理工艺，其分类很复杂，有多种多样分类方法，并有不同的名称。
(一)污泥的分类及特性
(1)按来源分，大致有给水污泥、生活污水污泥和工业废水污泥三类。
(2)根据污泥从水中分离过程可分为沉淀污泥(包括物理沉淀污泥，混凝污泥、化学污泥)及生物处理污泥(指污水在二级处理过程中产生的污泥，包括生物滤池、生物转盘等方法得到的腐殖污泥及活性污泥法得到的活性污泥)。现代污水处理厂污泥大部分是沉淀污泥和生物处理污泥的混合污泥。
(3)按污泥成分和性质可分为有机污泥和无机污泥。以有机物为主要成分的有机污泥可简称为污泥，具主要特性是有机物含量高，容易腐化发臭，颗粒较细，密度较小，含水率高且不易脱水，是呈胶状结构的亲水性物质，便于用管道输送。生活污水污泥或混合污水污泥均属有机污泥。
(4)以无机物为主要成分的无机污泥常称为沉渣，沉渣的特性是颗粒较粗，密度较大，含水率较低且易于脱水，但流动性较差，不易用管道输送。给水处理沉砂池以及某些工业废水物理、化学处理过程中的沉淀物均属沉渣，无机污泥一般是疏水性污泥。
(5)更常用的是按污泥在不同处理阶段分类命名：生污泥、浓缩污泥、消化污泥、脱水干化污泥，干燥污泥及污泥焚烧灰。
(二)污泥的性质指标
为了合理地处理和利用污泥，必须先摸清污泥的成分和性质，通常需要对污泥的以下指标进行分析鉴定。
1 污泥的含水率、固体含量和体积污泥中所含水分的含量与污泥总质量之比称为污泥含水率(％)，相应地固体物质在污泥中质量比例称为固体含量(％)。污泥的含水率一般都很大，相对密度接近1。主要取决于污泥中固体的种类及其颗粒大小。通常，固体颗粒越细小，其所含有机物越多，污泥的含水率越高。
2 污泥的脱水性能为了降低污泥的含水率，减小体积，以利于污泥的输送、处理和处置，都必须对污泥进行脱水处理。不同性质的污泥，脱水的难易程度不同，可用脱水性能表示。
3 挥发性固体与灰分挥发性固体能够近似地表示污泥中有机物含量，又称为灼烧减量。灰分则表示无机物含量，又称为固定固体或灼烧残渣。
4 污泥的可消化性污泥中的有机物是消化处理的对象，其中一部分是能被消化分解的，另一部分是不易或不能被消化分解的，如纤维素等。常用可消化程度来表示污泥中可被消化分解的有机物数量。
5 污泥中微生物生活污泥、医院排水及某些工业废水(如屠宰场废水)排出的污泥中，含有大量的细菌及各种寄生虫卵。为了防止在利用污泥的过程中传染疾病，必须对污泥进行寄生虫卵的检查并加以适当处理。
(三)污泥处理的目的和方法
1 目的
污泥处理的主要目的有三方面。
(1)降低水分，减少体积，以利于污泥的运输、储存及各种处理和处置工艺的进行。
(2)使污泥卫生化，稳定化。污泥常含有大量的有机物，也可能含有多种病原菌，有时还含其他有毒有害物质。必须消除这些会散发恶臭、导致病害及污染环境的因素，使污泥卫生而稳定无害。
(3)通过处理可改善污泥的成分和性质，以利于应用并达到回收能源和资源的目的。 随着废水处理技术的推广和发展，污泥的数量越来越大，种类和性质也更复杂。废水中有毒有害物质往往浓缩于污泥之中，所以无论从量到质，污泥是所有废物中影响环境造成危害最为严重的因素，必须重视对污泥的处理和处置问题。
2 方法常用的污泥处理方法有浓缩、消化、脱水、干燥、焚烧、固化及最终处置。
由于污泥种类、性质、产生状态、来源及其他条件不同，可采取下述不同的处置方法：
(1)当污泥稳定、无流出和溶出、不发生恶臭、自燃等情况时，可以直接在地面弃置或考虑地耐力因素而作填埋处置；
(2)污泥虽含有机物会产生恶臭，但不致流出、溶出时，可选择适宜地区将污泥直接进行地面处置、分层填埋或土壤混匀处置，也可经燃烧、湿式氧化等方法把有机成分转换成稳定无害的物质(水、二氧化碳，氮气等)，使所剩的无机物再进行地面处置或填埋处置；
(3)对于稳定、无害，在数量、浓度方面可通过水体自净作用加以净化的污泥，可直接排入指定地区的海域中；
(4)有环境影响、但为数不多的污泥，考虑其溶出、产生气体和恶臭、易着火等因素，需直接进行地下深埋；
(5)含有害物质的污泥，需经过固化处理(用水泥、石灰、水玻璃、各种树脂等作为胶结剂，在常温或150～300℃固化，或用固化剂在高温下烧结固化)之后再进行地上或海洋处置。 当污泥的处置存在困难又大量集中时，为了省资源省能源，需考虑污泥有用成分的回收利用。 污泥的处理和处置可能在污水处理厂综合考虑解决，也可在专门建立的污泥处理厂进行。可以根据需要选用不问的污泥处理系统，常见的系统分为下述四类：
①浓缩→机械脱水→处置脱水滤饼； ②浓缩→机械脱水→焚烧→处置灰分；
③浓缩→消化→机械脱水→处置脱水滤饼；④浓缩→消化→机械脱水→焚烧→处置灰分。
在决定污泥处理系统时，应当进行综合性研究。不仅要从社会效益、经济效益、环境效益全面衡量，还要对系统各处理工艺进行探讨和评价，最后进行选定。污泥浓缩、消化及脱水是应用最广的主要处理方法。
§2 污泥浓缩污泥含水率很高，一般有96％～99％，主要有间隙水（占污泥水分总量的70％）、毛细结合水（占20％）、表面吸附水、内部结合水等。污泥浓缩的目的就是降低污泥中水分，缩小污泥的体积，但仍保持其流体性质，有利于污泥的运输、处理与利用。浓缩后污泥含水率仍高达85％～90％以上，可以用泵输送。污泥浓缩的方法主要有重力浓缩、气浮浓缩与离心浓缩。


一、污泥中水分的存在形式及其分离性能
1.间隙水被大小污泥块固体包围着的间隙水，并不与固体直接结合，作用力弱，因而很容易分离。这部分水是污泥浓缩的主要对象。当间隙水很多时，只需在调节池或浓缩池中停留几小时，就可利用重力作用使间隙水分离出来。间隙水约占污泥水分总量的70％。
2.毛细结合水在细小污泥固体颗粒周围的水，由于产生毛细现象，可以构成如下几种结合水：在固体颗粒的接触面上由于毛细压力的作用而形成的楔形毛细结合水，充满于固体本身裂隙中的毛细结合水。各类毛细结合水约占污泥中水分总量的20％。
由毛细现象形成的毛细结合水受到液体凝聚力和液固表面附着力作用，要分离出毛细结合水需要有较高的机械作用力和能量，可以用与毛细水表面张力相反的作用力，例如离心力、负压抽真空、电渗力或热渗力等，常用离心机、真空过滤机或高压压滤机来去除这部分水。
3.表面吸附水污泥常处于胶体状态，例如活性污泥属于凝胶，污泥的胶体颗粒很小，比表面积大，故表面张力作用吸附水分较多。表面吸附水的去除较难，特别是细小颗粒或生物处理后污泥，其表面活性及剩余力场强，粘附力更大，不能用普通的浓缩或脱水方法去除。常要用混凝方法加入电解质混凝剂，以达到凝结作用而易于使污泥固体与水分离。
4.内部(结合)水一部分污泥水被包围在微生物的细胞膜中形成内部结合水。内部水与固体结合得很紧，要去除它必须破坏细胞膜。用机械方法是不能脱除的，但可用生物作用(好氧堆肥化、厌氧消化等)使细胞进行生化分解，或采用其他方法(见第三节)破坏细胞膜，使内部水变成外部液体从而进行去除。以上3、4两部分水约占污泥中水分的10％，都可以采用人工加热干化热处理或焚烧法去除。
(一)重力浓缩污泥浓缩的脱水对象主要是间隙水。浓缩是减少污泥体积最经济有效的方法，其中，利用自然的重力作用分离污泥液的重力浓缩是使用最广泛和最简便的浓缩方法。
进行污泥浓缩操作的构筑物称为浓缩池。
§3 污泥调理
(一)污泥调理的方法污泥调理是为了提高脱水效率的一种预处理，是为了经济地进行后续处理而有计划改善污泥性质的措施。污泥调理方法有洗涤(淘洗调节)、加药(化学调节)、热处理及冷冻熔融法。以往主要采用洗涤法和以石灰、铁盐、铝盐等无机混凝剂为主要添加剂的加药法，近年来，高分子混凝剂得到广泛应用，并且后两种方法也受到重视。特别在以污泥作为肥料再利用时，为了不使有效成分分解，采用冷冻熔融是有益的。在有液化石油气废热可利用时，用冷冻熔融法更为有利。
选择上述调理工艺时，必须从污泥性状、脱水的工艺、有无废热可利用及与整个处理、处置系统的关系等方面综合考虑决定。
(二)污泥的洗涤
污泥的选涤适用于消化污泥的预处理，目的是节省加药(混凝剂)用量，降低机械脱水的运行费用。
污泥加药调节所用的混凝剂，一部分消耗于挥发性固体(中和胶体有机颗粒)，一部分消耗于污泥水中溶解的生化产物。生污泥经过厌氧消化的甲烷发酵期，会同时生成钙、镁、铵的重碳酸盐，使消耗于液相组分的混凝剂数量激增。污泥水的重碳酸盐碱度的浓度可由数百mg/L增加到2000~3000mg/L。按固体量计算。碱度增加60倍以上。如果先不除去重碳酸盐，就要消耗大量药剂用于下述反应。
铁盐混凝剂,FeCl3＋3NH4HCO3→Fe(OH)3↓＋3NH4Cl＋3CO2
2FeCl3＋3Ca(HCO3)2→Fe(OH)3↓＋3CaCl2＋6CO2
铝盐混凝剂,Al3++3HCO3→Al (OH)3↓＋3CO2
A12(SO4)3＋3Ca(HCO3)2→2Al (OH)3↓＋3CaSO4＋6CO2↑
按上述反应计算，l份重碳酸盐碱度(以CaCO3计)要消耗1.16份FeCl3或1.14份A12(SO4)3。由于消化后碱度增加几十倍，因此液相组分的混凝剂是很不经济的，需要进行污泥的洗涤处理，洗涤用水为污泥的2～5倍，目的就是降低碱度，节省混凝剂用量。
对于消化污泥来说，仅用加药调理法(用FeCl3)的效果差，需要混凝剂量也多，洗涤法的效果较好，洗涤后加药调理效果最好，达到同样的比阻抗值，可节省大量的混凝剂。加以使比阻抗值降低到0.1×109s2/g为例，加药调理法，需投加FeCl3约14％，而洗涤后，只需加FeCl3约3％，或加聚合氯化铝约0.8％。一般情况下，经洗涤以后，混凝剂的消耗量可节约50％～80％。一般经验，进行机械脱水的污泥，其比阻抗值在0.1～0.4×109s2/g之间较为经济。各种污泥比阻抗值均大于此值。
洗涤水可用二次沉淀池出水或河水，污泥洗涤过程包括用洗涤水稀释污泥、搅拌、沉淀分离撇除上清液。
由于颗粒大小不同有不同的沉降速度及有机微粒的亲水性，故污泥洗涤能去除部分有机微粒，还能降低污泥的黏度，所以能提高污泥的浓缩、脱水效果。但是当循环用水时，有机微粒会逐渐在水中富集。故洗涤后上清液BOD5与悬浮物浓度常高达2000mg/L以上，必须回流到污水处理厂处理，不能直接排放。
另外，洗涤水会将污泥中氮带走，降低污泥的肥效。所以当污泥用作土壤改良剂或肥料时，不一定采用洗涤工艺。对浓缩生污泥来说，洗涤的效果较差，这时可采取直接加药的方式进行调理。
(三)加药调理(化学调节)
加药调理就是在污泥中加入助凝剂、混凝剂等化学药剂，促使污泥颗粒絮凝，改善其脱水性能。
1 助凝剂与混凝剂的分类
(1)助凝剂
助凝剂本身一般不起混凝作用，而在于调节污泥的pH值，供给污泥以多孔状网格的骨骼，改变污泥颗粒结构，破坏胶体的稳定性，提高混凝剂的混凝效果，增强絮体强度。
助凝剂主要有硅藻土、珠光体、酸性白土、锯屑、污泥焚烧灰、电厂粉尘及石灰等惰性物质。
助凝剂的使用方法有两种：—种是直接加入污泥中，投加量一般为10～100mg/L；另一种是配制成1％～6％糊状物，预先粉刷在转鼓真空过滤介质上，成为预覆助滤层，随着转鼓的转动，每周刮去0.01～0.1mm。待刮完后再涂上。
(2)混凝剂
污泥调理常用的混凝剂包括无机混凝剂与高分子混凝剂两大类。无机混凝剂是一种电解质化合物，主要有铝盐[硫酸铝A12(SO4)3·18H2O，明矾及三氯化铝AlCl3等]和铁盐[三氯化铁FeCl3，绿矾FeSO4·7H2O，硫酸铁Fe2(SO4)3等]，高分子混凝剂是高分子聚合电解质，包括有机合成剂及无机高分子混凝剂两种。
国内广泛使用高聚合度非离子型聚丙烯酰胺(PAM)(简称聚丙烯酰胺，又叫三号混凝剂)及其变性物质。无机高分子混凝剂卞要是聚合氯化铝(PAC)。
使用混凝剂需注意如下几点：
(1)当用三氯化铁和石灰剂时，需先加铁盐再加石灰，这时过滤速度快，节省药剂。反之则不能。
(2)高分子混凝剂与助凝剂合用时，一般应先加助凝剂压缩双电层，为高分子混凝剂吸附污泥颗粒创造条件，才能最有效地发挥混凝剂的作用。高分子混凝剂与无机混凝剂联合使用，也可以提高混凝效果。
(3)机械脱水方法与混凝剂类型有一定关系，通常，真空过滤机使用无机混凝剂或高分子混凝剂效果差不多，压滤脱水对混凝剂的适应性也较强。离心脱水则要求使用高分子混凝剂而不宜使用无机混凝剂。
(4)泵循环混合或搅拌均会影响混凝效果，增加过滤比阻抗，使脱水困难。故需注意适度进行。
(四)热处理
将污泥加热，可使部分有机物分解及亲水性有机胶体物质水解，同时污泥中细胞被分解破坏，细胞膜中水游离出来，故可提高浓缩性与脱水性能。这种过程称为污泥的热处理，也叫蒸煮处理。对于脱水性能差的活性污泥特别有效。这是由于活性污泥的泥团内含有内部水，即使用添加剂脱水，这些水分也难以分离，通过加热处理，可使细胞分解、蛋白质原生质被释放的同时，蛋白质和胶质细胞膜被破坏，形成由可溶性蛋白酶(缩多氨酸)、氨氮、挥发酸及碳水化合物组成的褐色液体，留下矿物质和细胞膜碎片，故提高了污泥的沉降性能和脱水性能。
热处理法可分为高温加压处理法与低温加压处理法两种。
1 高温加压处理法
高温加压处理法是把污泥加温到170～200℃，压力为10～15MPa，反应时间1～2h。热处理后的污泥，经浓缩即可使含水率降低到80～87％，比阻抗降低到0.1×109s2/g。再经机械脱水，泥饼含水率可降低到30～45％。
2 低温加压处理法高温高压处理后的分离液中溶解性物质比原污泥高约2倍，分离液需要进行处理。所以考虑用低温加压处理，该法反应温度较低（在150℃以下），有机物的水解受到控制，与高温加压法比较，分离液中的BOD5浓度低40％～50％，锅炉容量可减少30～40％，臭气也比较少。
(五)冷冻熔融处理法冷冻熔融法是为了提高污泥的沉淀性能和脱水性而使用的预处理方法。污泥一旦冷冻到－20℃后再熔融，因为温度大幅度变化，使胶体脱稳凝聚且细胞膜破裂，细胞内部水分得到游离，从而提高了污泥的沉淀性能和脱水性。
§4 污泥脱水为了有效而经济地进行污泥干燥、焚烧及进一步处置，必须充分地脱水而减量化，使污泥当作固态物质来处理，所以在整个污泥处理系统中，过滤、脱水是最重要的减量化手段，也是不可缺少的预处理工序。
污泥脱水包括自然干化与机械脱水，其本质上都属于过滤脱水范畴，基本理论相同。
(一)过滤基本理论过滤是给多孔过滤介质(简称滤材)两侧施加压力差而将悬浊液过滤分成滤渣及澄清液两部分的固液分离操作。过滤操作所处理的悬浊液(如污泥)称为滤浆，所用的多孔物质称为过滤介质，通过介质孔道的液体称为滤液，被截留的物质称为滤饼或泥饼。
产生压力差(过滤的推动力)的方法有四种：①依靠污泥本身厚度的静压力(如污泥自然干化场的渗透脱水)；②在过滤介质的一面造成负压(如真空过滤脱水)；③加压污泥把水分压过过滤介质(如压滤脱水)；④产生离心力作为推动力(如离心脱水)。
(二)过滤介质过滤介质是滤饼的支承物，它应具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力。工业上常用的过滤介质主要有以下几类：
(1)织物介质 又称滤布，包括由棉、毛，丝、麻等天然纤维及由各种合成纤维制成的织物，以及用玻璃丝，金属丝等织成的网状物，织物介质在工业上应用最广；
(2)粒状介质 包括细砂，木炭、石棉、硅藻土等细小坚硬的颗粒状物质，多用于深层过滤；
(3)多孔固体介质 是具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷，多孔塑料丛多孔金属制成的管或板。此类介质多耐腐蚀，且孔道细微，适用于处理只含少量细小颗粒的腐蚀性悬浮液及其他特殊场合。
在污泥机械脱水中，滤布起着重要作用，影响脱水的操作与成本，因此必须认真地选择。对于不同的污泥，不同的脱水机械，可以采用不同的试验方法，确定最佳滤布。
各种滤布中，棉、毛、麻织品的使用寿命较短，约400～1000h，不锈钢丝网耐腐蚀性强，但价格昂贵，毛纤织物符合机械脱水的各项要求，使用寿命一般可达5000～10000h。目前，棉织物的应用逐渐减少，而涤纶、棉纶及维纶等的使用逐渐增加。
（三）过滤脱水设备真空过滤脱水设备是转鼓式真空过滤机；压滤脱水设备主要有自动板框压滤机和厢式全自动压滤机两种；滚压脱水设备和离心机。
Chap 6 固体废物固化教学目标,
1.理解并掌握衡量固化处理效果的两项主要指标
2.掌握水泥固化
3.熟悉沥青固化
4.熟悉塑料固化
5.熟悉玻璃固化
6.熟悉其他固化方法教学重点：水泥固化；衡量固化处理效果的两项主要指标教学难点：水泥固化学时安排：2学时固体废物的固化最早用来处理放射性污泥和蒸发浓缩液，后来用来处理电镀污泥、铬渣等危险废物。
固体废物的固化主要用于：
①对于具有毒性或强反应性等危险性质的废物进行处理，使得满足填埋处置要求；
②其他处理过程所产生的残渣，例如焚烧产生的灰分的无害化处理，其目的是最终对其进行处置；
③在大量土壤被有害污染物所污染的情况下对土壤进行去污。
§1 概述
废物固化是用物理—化学方法将有害废物掺合并包容在密实的惰性基材中，使其稳定化的一种过程。固化处理机理十分复杂，目前尚在研究和发展中，其固比过程有的是特有害废物通过化学转变或引入某种稳定的晶格中的过程；有的是将有害废物用惰性材料加以包容的过程，有的兼有上述两种过程。
固化所用的惰性材料称为固化剂。有害废物经过固化处理所形成的固化产物称为固化体。
固化技术，首先是从处理放射性废物发展起来的。欧洲、日本已应用多年，近年来，美国也很重视该技术的研究开发。我国在放射性废物的固化处理方面已做了大量的工作，并已进入工业化应用阶段。今天，固化技术已应用于处理多种有毒有害废物，如电镀污泥、砷渣，汞渣、氰渣、铬渣和镉渣等。
对固化处理的基本要求包括①有害废物经固化处理后所形成的固化体应具有良好的抗渗透性、抗浸出性，抗干湿性、抗冻融性及足够的机械强度等，最好能作为资源加以利用，如作建筑基础和路基材料等；②固化过程中材料和能量消耗要低，增容比(即所形成的固化体体积与被固化废物的体积之比)要低，③固化工艺过程简单、便于操作，④固化剂来源丰富，价廉易得。⑤处理费用低。
衡量固化处理效果的两项主要指标是固化体的浸出率和增容比。
所谓浸出率是指固化体浸于水中或其它溶液中时，其中有害物质的浸出速度。因为固化体中的有害物质对环境和水源的污染，主要是由于有害物质溶于水所造成的。所以，可用浸出率的大小预测固化体在贮存地点可能发生的情况。浸出率的数学表达式如下：


式中：Rin—标准比表面的样品每天浸出的有害物质的浸出率，g/(d·cm2)，
ar—浸出时间内浸出的有害物质的量，mg，
A0—样品中含有的有害物质的量，mg，
F—样品暴露表面积，cm2，
M—样品的质量，g，
t—浸出时间，d。
增容比是指所形成的固化体体积与被固化有害废物体积的比值，即


式中；ci—增容比；
V2—固化体体积，m3；
V1—固化前有害废物的体积，m3。
增容比是评价固化处理方法和衡量最终成本的一项重要指标。
固化技术可按固化剂分为水泥固化，沥青固化，塑料固化、玻璃固化，石灰固化等。
§2 水泥固化水泥固化是以水泥为固化剂将有害废物进行固化的一种处理方法。
一.水泥固化原理
水泥是一种无机胶结剂，经水化反应后可形成坚硬的水泥块，能将砂，石等添加料牢固地凝结在一起。水泥固化有害废物就是利用水泥的这一特性。
对有害污泥进行固化时，水泥与污泥中的水分发生水化反应生成凝胶，将有害污泥微粒分别包容，并逐步硬化形成水泥固化体。可以认为这种固化体的结构主要是水泥的水化反应产物3CaO·SiO3，水化结晶体内包进了污泥微粒，使得污泥中的有害物质被封闭在固化体内，达到稳定化，无害化的目的。
水泥固化的化学反应：
首先让废物料与硅酸盐水泥混合，如果废物中没有水分，则需向混合物中加水，以保证水泥分子跨接所必须的水合作用，所涉及的水合反应主要有以下几个方面：
（1）硅酸三钙的水合反应：

（2）硅酸二钙的水合反应：

（3）铝酸三钙的水合反应：


（4）铝酸四钙的水合反应：


最终生成硅铝酸盐胶体的这一连串反应是一个速率很慢的过程，所以为了保证固化体得到足够的强度需要在有足够水分的条件下维持很长的时间对水化的混凝土进行保养。对于普通硅酸盐水泥，进行最为迅速的反应是：


该反应 确定了普通硅酸盐水泥的初始状态。
以水泥为基本材料的固化技术最适用于无机类型的废物，尤其是含有重金属污染物的废物。由于水泥所具有的高pH值，使得几乎所有的重金属形成不溶性的氢氧化物或碳酸盐形式而被固化在固化体中。
另一方面，有机物对水化过程有干扰作用，使最终产物的强度减小，并使稳定化过程变得困难。它可能导致生产较多的无定型物质而干扰最终的晶体结构形式。在固化过程中加入蛭石、粘土及可溶性的碳酸钠等物质，可以缓解有机物的干扰作用，提高水泥固化的效果。
2CaO·SiO2,3CaO·SiO2
2CaO·SiO2·水合物 2CaO·SiO2·水合物
Ca(OH)2＋水化硅酸钙胶体，加入若干Al2O3、Fe2O3和SO3
含有Al2O3的水化硅酸钙胶体增加结晶产物
3CaO·Al2O3＋CaSO4·2H2O 4CaO·Al2O3＋Fe2O3·CaSO4＋2H2O＋Ca(OH)2
生产更多的针状3CaO·Al2O3·Ca[SO4·(OH)2]水化物 生产更多3CaO·（Al2O3·Fe2O3）CaSO4水化物针状结晶或固溶体
六方形片状固溶体3CaO·(Al2O3·CaSO4) 水化物 3CaO·（Al2O3·Fe2O3）CaSO4水化物或3CaO·（Al2O3·Fe2O3）Ca[SO4·(OH)2]水化物
六方形片状固溶体3CaO·（Al2O3·Fe2O3）Ca[SO4·(OH)2·SiO3]以及可能的4CaO·(Al2O3·Fe2O3)水化物形成由于废物组成的特殊性，水泥固化过程中常常会遇到混合不均，凝固过早或过晚，操作难以控制等困难，同时得到固化产品的浸出率高，强度较低。为了改变固化产品的性能，固化过程中需视废物的性质和对产品质量的要求，添加适量的必要的添加剂。
添加剂分为有机和无机两大类，无机添加剂有蛭石、沸石、多种粘土矿物、水玻璃、无机缓凝剂、无机速凝剂和骨料等。有机添加剂有硬脂肪酸丁酯、δ-糖酸内酯、柠檬酸等。
实践证明，采用水泥固化处理各种含有重金属的污泥十分有效。在固化过程中，由于水泥具有较高的pH值，使得污泥中的重金属离子在碱性条件下，生成难溶于水的氢氧化物或碳酸盐等。某些重金属离子也可以固定在水泥基体的晶格中，从而可以有效地防止重金属的浸出。
二.水泥固化法的应用电镀污泥固化处理；汞渣水泥固化处理。
三.水泥固化法的特点
水泥固化法的主要优点是对电镀污泥处理十分有效；设备和工艺过程简单，设备投资，动力消耗和运行费用都比较低；水泥和添加剂价廉易得，对含水率较高的废物可以直接固化，操作在常温下即可进行，对放射性废物的固化容易实现安全运输和自动化控制等。水泥固化的缺点是①水泥固化体的浸出率较高，通常为10-4～10-5g/(cm2·d)，主要是由于它的空隙率较高所致，因此，需作涂覆处理，②水泥固化体的增容比较高，达1.5～2；③有的废物需进行预处理和投加添加剂，使处理费用增高；④水泥的碱性易使铵离子转变为氨气逸出，⑤处理化学泥渣时，由于生成胶状物，使混合器的排料较困难，需加入适量的锯末予以克服。
§3 沥青固化
一、概述
沥青固化是以沥青为固化剂与有害废物在一定的温度，配料比、碱度和搅拌作用下产生皂化反应，使有害废物均匀地包容在沥青中，形成固化体。
沥青具有良好的粘结性、化学稳定性与一定的弹性和塑性，对大多数酸、碱、盐类有一定的耐腐蚀性。此外，它还具有一定的辐射稳定性。
沥青固化一般用于处理中、低放射水平的蒸发残液，废水化学处理产生的沉渣，焚烧炉产生的灰烬、塑料废物，电镀污泥，砷渣等。
二、沥青固化的基本方法放射性废物沥青固化的基本方法有高温熔化混合蒸发法，暂时乳化法和化学乳化法三种。
三、沥青固化体的性质及其影响因素
沥青固化体的主要性能指标是它在水中的浸出率，辐照稳定性和化学稳定性。它们分别受到沥青种类、加入的废物量、废物的化学组分和残余水分等的影响。
(一)影响沥青固化体浸出率的因素
1 沥青的种类
用不同类型的沥青所得固化体的浸出率不同，实验表明，采用直馏沥青效果较好。较软的沥青比较硬的沥青所得固化体浸出率低。
2 废物量、化学组成及混合状况
由于沥青与废物之间存在复杂的物理和化学作用，过高的废物量将导致固化体浸出率的急剧上升。鉴于操作和安全上的考虑，一般应控制加入的废物量与沥青的重量比在40～50％。
3 残余水分
固化体中的残余水分对固化体的浸出率有显著的影响。一般认为残余水分的存在将增加沥青中的细孔数量。为此，固化体中残余水分的重量百分数应控制在10％以下，最好小于0.5％
4 某些表面活性剂的影响
加入某些表面活性剂可导致固化体浸出率的升高。
(二)影响沥青固化体化学稳定性的因素
在沥青固化过程中，沥青会与某些掺入的化合物、氧化剂等发生化学作用，从而影响固化体的化学稳定性。例如纯沥青的燃点一般为420℃左右，而在掺入硝酸盐，亚硝酸盐后，其燃点降至250～330℃，因而增加了燃烧的危险性。
§4 塑料固化一、塑料固化原理
塑料固化是以塑料为固化剂与有害废物按一定的配料比，并加入适量的催化剂和填料(骨料)进行搅拌混合，使其共聚合固化而将有害废物包容形成具有一定强度和稳定性的固化体，塑料固化技术按所用塑料(树脂)不同，可分为热塑性塑料固化和热固性塑料固化两类。
热塑性塑料有聚乙烯，聚氯乙烯树脂等，在常温下呈固态，高温时可变成熔融胶粘液体，将有害废物捧合包容在塑料中，冷却后即形成塑料固化体。
热固性塑料有脲醛树脂和不饱和聚酯等。脲醛树脂是一种无色透明的粘稠液体。对多孔性极性材料有较好的粘附力，使用方便，固化速度快，常温或加热都能很快固化。与有害废物所形成的固化体具有较好的耐水性，耐热性及耐腐蚀性能，价格较其它树脂便宜。其缺点是耐老化性能差。不饱和聚酯树脂在常温下有适宜的粘度，可在常温、常压下固化成型，固化过程中无小分子形成，因而使用方便，容易保证质量，适用于对有害废物和放射性废物的固化处理。
不饱和聚酯树脂品种很多，按用途分有通用树脂，耐酸树脂和浇铸树脂等。
二、塑料固化的应用及其特点
(一)应用实例
(二)塑料固化法的特点塑料固化可以在常温下操作，为使混合物聚合凝结仅加入少量的催化剂即可；增容比和固化体的密度较小。该法既能处理干废渣，也能处理污泥浆。塑料固化体是不可燃的。其主要缺点是塑料固化体耐老化性能较差，固化体一旦破裂，污染物浸出会污染环境，因此，处置前都应有容器包装，因而增加了处理费用。如果以脲醛树脂为固化剂，通常采用强酸作催化剂，需要耐腐蚀的混合设备或有耐腐蚀衬里的混合器。此外，在混合过程中释放有害烟雾，污染周围环境。该法还需要熟练的操作技术，以保证固化质量。
§5 玻璃固化一、玻璃固化原理玻璃固化是以玻璃原料为固化剂，将其与有害废物以一定的配料比混合后．在高温(900～1200℃)下熔融，经退火后即可转化为稳定的玻璃固化体。
玻璃固化法主要用于固化高放废物。从玻璃固化体的稳定性、对熔融设备的腐蚀性、处理时的发泡情况和增容比来看，硼硅酸盐玻璃固化是最有发展前途的固化方法。
玻璃的种类繁多，普通的钠钾玻璃熔点较低，制造容易，但在水中的溶解度较高，因而不能用于高放废液的固化。硅酸盐玻璃耐腐蚀能力强，但熔点高，制造困难。通常在高放废液的玻璃固化中，研究较多的是磷酸盐和硼酸盐玻璃固化过程。
二、玻璃固化方法及工艺流程
(一)玻璃固化方法
玻璃固化的方法可分为间歇式和连续式两种。
1 间歇式固化法间歇式固化法，是一罐一罐地将高放废液和玻璃原料—起加人罐内，使蒸发干燥，煅烧，熔融等几步过程都在罐内完成。熔融成玻璃后，将熔化玻璃注入贮存容器内成型。熔化罐可以反复使用，也可以采用弃罐方式，即熔化罐本身兼作贮存容器或最终处置容器用。
2 连续式固化法连续式固化法是将蒸发、煅烧过程与熔融过程分别在煅烧炉和熔融炉内完成，蒸发煅烧过程采用连续进料和排料的方式，而熔融过程既可连续进料和排抖，也可连续进料和间歇排料。
(二)玻璃固化的工艺流程三、玻璃固化法的特点与高放废液的其他固化法相比，玻璃固化法具有以下优点：①玻璃固化体致密，在水及酸、碱溶液中的浸出率小，大约为10-7 g/(cm2·d))；②增容比小；③在玻璃固化过程中产生的粉尘量少；④玻璃固化体有较高的导热性，热稳定性和辐射稳定性。
玻璃固化法的缺点是装置较复杂，处理费用昂贵、工件温度较高、设备腐蚀严重，以及放射性核素挥发量大等。
§6 其他固化方法
一、石灰固化
(一)石灰固化原理石灰固化是以石灰为固化剂，以粉煤灰，水泥窑灰为填料，专用于固化含有硫酸盐或亚硫酸盐类废渣的一种固化方法。其原理是基于水泥窑灰和粉煤灰中含有活性氧化铝和二氧化硅，能与石灰和含有硫酸盐、亚硫酸盐废渣中的水反应，经凝结、硬化后形成具有一定强度的固化体。
（二)石灰固化法的应用及其优缺点石灰固化法适用于固化钢铁、机械的酸洗工序所排放的废液和废渣，电镀污泥、烟道脱硫废渣、石油冶炼污泥等。固化体可作为路基材料或砂坑填充物。
石灰固化法的优点是使用的填料来源丰富，价廉易得，操作简单，不需要特殊的设备，处理费用低，被固化的废渣不要求脱水和干燥，可在常温下操作等。其主要缺点是石灰固化体的增容比大，固化体容易受酸性介质浸蚀，需对固化体表面进行涂覆。
二、自胶结固化
(一)自胶结固化原理自胶结固化是将含有大量硫酸钙或亚硫酸钙的泥渣，在适宜的控制条件下进行煅烧，使其部分脱水至产生有胶结作用的亚硫酸钙或半水硫酸钙(
)状态，然后与特制的添加剂和填料混合成稀浆，经凝结硬化形成自胶结固化体。其固化体具有抗透水性高，抗微生物降解和污染物浸出率低的特点。
(二)自胶结固化法的优缺点自胶结固化法的优点是采用的填料飞灰是工业废料，以废治废节约资源，固化体的化学稳定性好，浸出率低，凝结硬化时间短，对固化的泥渣不需要完全脱水等。其主要缺点是该种固化法只适用于含硫酸钙、亚硫酸钙泥渣或泥浆的处理，需要熟练的操作技术和昂贵的设备，煅烧泥渣需消耗一定的能量等。
三，水玻璃固化水玻璃固化是以水玻璃为固化剂，无机酸类(如硫酸，硝酸、盐酸和磷酸)为助剂，与有害污泥按一定的配料比进行中和与缩合脱水反应，形成凝胶体，将有害污泥包容，经凝结硬化逐步形成水玻璃固化体。
水玻璃固化法具有工艺操作简便，原料价廉易得，处理费用低、固化体耐酸性强，抗透水性好，重金属浸出率低等特点。此法目前尚处于试验阶段。
Chap 7 可燃固体废物的焚烧教学目标,
1,理解并掌握焚烧废气污染形成机制
2.理解并熟记废物焚烧的控制参数
3.掌握主要焚烧参数计算
4.了解典型的城市生活垃圾焚烧流程
5.掌握焚烧尾气控制技术教学重点：焚烧废气污染形成机制；主要焚烧参数计算；焚烧尾气控制技术教学难点：主要焚烧参数计算；焚烧尾气控制技术学时安排：4学时
§1 概述焚烧法是一种高温热处理技术，是一种可以同时实现废物无害化、减量化、资源化的处理技术。
一,焚烧废气污染形成机制
焚烧烟气中常见的大气污染物包括粒状污染物、酸性气体、氮氧化物、重金属、一氧化碳与有机氯化物等。
(一)粒状污染物
在焚烧过程中所产生的粒状污染物大致可分为以下三类。
1.废物中的不可燃物，在焚烧过程中(较大残留物)成为底灰排出，而部分粒状物则随废气而排出炉外成为飞灰。飞灰所占的比例随焚烧炉操作条件(送风量、炉温等)、粒状物粒径分布、形状与其密度而定。所产生的粒状物粒径一般大于10um。
2.部分无机盐类在高温下氧化而排出，在炉外遇冷而凝结成粒状物，或二氧化硫在低温下遇水滴而形成硫酸盐雾状微粒等。
3.未燃烧完全而产生的碳颗粒与煤烟，粒径约在0.1～10um之间。由于颗粒微细，难以去除，最好的控制方法是在高温下使其氧化分解。
(二)一氧化碳当氧气的含量越高越有利于一氧化碳生产二氧化碳。但是事实上焚烧过程中仍夹杂碳微粒。只要燃烧反应进行，一氧化碳就可能产生，故焚烧炉二燃室较为理想的设计炉温是在1000℃，废气停留时间为1s。
(三)酸性气体焚烧产生的酸性气体，主要包括二氧化硫、氯化氢与氟化氢等，这些污染物都是直接由废物中的硫、氯、氟等元素经过焚烧反应而形成。诸如含氯的PVC塑料会形成氯化氢，含F的塑料会形成HF，而含硫的煤焦油会产生二氧化硫。一般城市垃圾中硫含量为0.12％，其中约30～60％转化为二氧化硫，其余则残留于底灰或被飞灰所吸收。
(四)氮氧化物焚烧所产生的氮氧化物主要有两个来源，一是高温下氮气和氧气反应形成氮氧化物，称为热氮氧化物；另一类来源是废物中含氮组分转化成的氮氧化物，称为燃料氮转化氮氧化物。
(五)重金属废物中所含重金属物质，高温焚烧后除部分残留于灰渣中之外，部分则会在高温下气化挥发进入烟气。部分金属物在炉中参与反应生成的氧化物或氯化物，比原金属元素更易气化挥发。这些氧化物及氯化物因挥发、热解、还原及氧化等作用，可能进一步发生复杂的化学反应，最终产物包括元素态重金属、重金属氧化物及重金属氯化物等。元素态重金属、重金属氧化物及重金属氯化物在尾气中将以特定的平衡状态存在，且因其浓度各不相同，各自的饱和温度亦不相同，遂构成了复杂的连锁关系。元素态重金属挥发与残留的比例与各种重金属物质的饱和温度有关，饱和温度愈高则愈易凝结，残留在灰渣内的比例亦随之增高。汞、砷等蒸气压均大于7mmHg(约933Pa)，多以蒸气状态存在。
高温挥发进入烟气中的重金属物质，随烟气温度降低，部分饱和温度较高的元素态重金属(如镉及汞等)会因达到饱和而凝结成均匀的小粒状物或凝结于烟气中的烟尘上。饱和温度较低的重金属元素无法充分凝结，但飞灰表面的催化作用会使其形成饱和温度较高且较易凝结的氧化物或氯化物，或因吸附作用易附着在烟尘表面。仍以气态存在的重金属物质，也有部分会被吸附于烟尘上。重金属本身凝结而成的小粒状物粒径都在1um以下，而重金属凝结或吸附在烟尘表面也多发生在比表面积大的小粒状物上，因此小粒状物上的金属浓度比大颗粒要高，从焚烧烟气中收集下来的飞灰通常被视为危险废物。
(六)毒性有机氯化物废物焚烧过程中产生的毒性有机氯化物主要为二恶英类，包括多氯代二苯-对-二恶英(PCDDs)和多氯代二苯并呋哺(PCDFs)。PCDDs是一族含有75个相关化合物的通称；PCDFs则是一族含有135个相关化合物的通称。在这210种化合物中，有17种(2，3，7，8位被氯原子取代的)被认为对人类健康有巨大的危害，其中2，3，7，8—四氯代二苯并—对—二恶英(TCDD)为目前已知毒性最强的化合物且动物实验表明其具有强致癌性。PCDDs/PCDFs浓度的表示方式主要有总量浓度及毒性当量浓度。测出样品中所有136种衍生物的浓度，直接加总即为总量浓度(以ng/m3或ng/kg表示)，按各种衍生物的毒性当量系数转换后再加总即为毒性当量浓度。毒性当量系数以毒性最强的2，3，7，8—TCDD为基准(系数为1.0)制定，其他衍生物则按其相对毒性强度以小数表示(以ng/m3或ng/kg表示)。目前有多种毒性当量系数，但广泛采用的是I-TEF毒性当量系数。采用I－TEF毒性当量系数为换算标准时，通常在毒性当量浓度后用I-TEQ或I-TEF加以说明。
废物焚烧时的PCDDs/PCDFs来自三条途径：废物本身、炉内形成及炉外低温再合成。
(1)废物成分 焚烧废物本身就可能含有PCDDs/PCDFs类物质。城市垃圾成分相当复杂，加上普遍使用杀虫剂、除草剂、防腐剂、农药及喷漆等有机溶剂，垃圾中不可避免含有PCDDs/PCDFs类物质。国外数据显示：lkg家庭垃圾中，PCDDs/PCDFs的含量约在11—255ng(1-TEQ)左右，其中以塑胶类的含量较高，达370ng(1-TEQ)。而危险废物中PCDDs/PCDFs含量就更为复杂。
(2)炉内形成 PCDDs/PCDFs的破坏分解温度并不高(约750℃—800℃)，若能保持良好的燃烧状况，由废物本身所夹带的PCDDs/PCDFs物质，经焚烧后大部分应已破坏分解。
但是废物焚烧过程中可能先形成部分不完全燃烧的碳氢化合物，当炉内燃烧状况不良(如氧气不足、缺乏充分混合、炉温太低、停留时间太短等)而未及时分解为CO2与H2O时，就可能与废物或废气中的氯化物(如NaCl、HCl、Cl)结合形成PCDDs/PCDFs，以及破坏分解温度较PCDDs/PCDFs高出约100℃左右的氯苯及氯酚等物质。
(3)炉外低温再合成 当燃烧不完全时烟气中产生的氯苯及氯酚等物质，可能被废气飞灰中的碳元素所吸附，并在特定的温度范围(250～400℃，300℃时最显著)，在飞灰颗粒的活性接触面上，被金属氯化物(CuCl2及FeCl2)催化反应生成PCDDs/PCDFs。废气中氧含量与水分含量过高对促进PCDDs/PCDFs的再合成起到了重要的作用。在典型的垃圾焚烧处理中，多采用过氧燃烧，且垃圾中水分含量较高，再加上重金属物质经燃烧挥发后多凝结于飞灰上，废气也会含有大量的HCl气体，故提供了符合PCDDs/PCDFs再合成的环境，成为焚烧废气中产生PCDDs/PCDFs的主要原因。
废物中所含PCB(多氯联苯)及相近结构氯化物等在焚烧过程中的分解或组合，也是形成PCDDs/PCDFs的一个重要机制。
二、废物焚烧的控制参数焚烧温度、搅拌混合程度、气体停留时间(一般称为3T)及过剩空气率合称为焚烧四大控制参数。
(一)焚烧温度废物的焚烧温度是指废物中有害组分在高温下氧化、分解直至破坏所须达到的温度。它比废物的着火温度高得多。一般说提高焚烧温度有利于废物中有机毒物的分解和破坏，并可抑制黑烟的产生。但过高的焚烧温度不仅增加了燃料消耗量，而且会增加废物中金属的挥发量及氧化氮数量，引起二次污染。因此不宜随意确定较高的焚烧温度。合适的焚烧温度是在一定的停留时间下由实验确定的。大多数有机物的焚烧温度范围在800—1100℃之间，通常在800～900℃左右。通过生产实践，提供以下经验数可供参考。
(1)对于废气的脱臭处理，采用800－950℃的焚烧温度可取得良好的效果。
(2)当废物粒子在0.01－0.51um之间，并且供氧浓度与停留时间适当时，焚烧温度在900～1000℃即可避免产生黑烟。
(3)含氯化物的废物焚烧，温度在800～850℃以上时，氯气可以转化成氯化氢，回收利用或以水洗涤除去；低于800℃；会形成氯气，难以除去。
(4)含有碱土金属的废物焚烧，一般控制在750～800℃以下。因为碱土金属及其盐类一般为低熔点化合物。当废物中灰分较少不能形成高熔点炉渣时，这些熔融物容易与焚烧炉的耐火材料和金属零部件发生腐蚀而损坏炉衬和设备。
(5)焚烧含氰化物的废物时，若温度达850～900℃，氰化物几乎全部分解。
(6)焚烧可能产生氧化氮(NOx)的废物时，温度控制在1500℃以下，过高的温度会使NOx急骤产生。
(7)高温焚烧是防治PCDD与PCDF的最好方法，估计在925℃以上这些毒性有机物即开始被破坏，足够的空气与废气在高温区的停留时间可以再降低破坏温度。
(二)停留时间废物中有害组分在焚烧炉内处于焚烧条件下，该组分发生氧化、燃烧，使有害物质变成无害物质所需的时间称之为焚烧停留时间。
停留时间的长短直接影响焚烧的完善程度，停留时间也是决定炉体容积尺寸的重要依据。废物在炉内焚烧所需停留时间是由许多因素决定的，如废物进入炉内的形态(固体废物颗粒大小，液体雾化后液滴的大小以及粘度等)对焚烧所需停留时间影响甚大。当废物的颗粒粒径较小时，与空气接触表面积大，则氧化、燃烧条件就好，停留时间就可短些。因此，尽可能做生产性模拟试验来获得数据。对缺少试验手段或难以确定废物焚烧所需时间的情况，可参阅以下几个经验数据。
(1)对于垃圾焚烧，如温度维持在850～1000℃之间，有良好搅拌与混合，使垃圾的水气易于蒸发，燃烧气体在燃烧室的停留时间约为1—2s。
(2)对于一般有机废液，在较好的雾化条件及正常的焚烧温度条件下，焚烧所需的停留时间在0.3～2s左右，而较多的实际操作表明停留时间大约为0.6～1s；含氰化合物的废液较难焚烧，一般需较长时间，约3s左右。
(3)对于废气，为了除去恶臭的焚烧温度并不高，其所需的停留时间不需太长，一般在1s以下。例如在油脂精制工程中产生的恶臭气体，在650℃焚烧温度下只需0.3s的停留时间，即可达到除臭效果。
(三)混合强度要使废物燃烧完全，减少污染物形成，必须要使废物与助燃空气充分接触、燃烧气体与助燃空气充分混合。为增大固体与助燃空气的接触和混合程度，扰动方式是关键所在。焚烧炉所采用的扰动方式有空气流扰动、机械炉排扰动、流态化扰动及旋转扰动等，其中以流态化扰动方式效果最好。中小型焚烧炉多数属固定炉床式，扰动多由空气流动产生，包括：
(1)炉床下送风 助燃空气自炉床下送风，由废物层孔隙中窜出，这种扰动方式易将不可燃的底灰或未燃碳颗粒随气流带出，形成颗粒物污染，废物与空气接触机会大，废物燃烧较完全，焚烧残渣热灼减量较小；
(2)炉床上送风 助燃空气由炉床上方送风，废物进入炉内时从表面开始燃烧，优点是形成的粒状物较少，缺点是焚烧残渣热灼减量较高。
(四)过剩空气在实际的燃烧系统中，氧气与可燃物质无法完全达到理想程度的混合及反应。为使燃烧完全，仅供给理论空气量很难使其完全燃烧，需要加上比理论空气量更多的助燃空气量，以使废物与空气能完全混合燃烧。
(五)燃烧四个控制参数的互动关系在焚烧系统中，焚烧温度、搅拌混合程度、气体停留时间和过剩空气率是四个重要的设计及操作参数。过剩空气率由进料速率及助燃空气供应速率即可决定。气体停留时间由燃烧室几何形状、供应助燃空气速率及废气产率决定。而助燃空气供应量亦将直接影响到燃烧室中的温度和流场混合(紊流)程度，燃烧温度则影响垃圾焚烧的效率。这四个焚烧控制参数相互影响。
焚烧温度和废物在炉内的停留时间有密切关系。若停留时间短，则要求较高的焚烧温度；停留时间长，则可采用略低的焚烧温度。因此，设计时不宜采用提高焚烧温度的办法来缩短停留时间，而应从技术经济角度确定焚烧温度，并通过试验确定所需的停留时间。同样，也不宜片面地以延长停留时间而达到降低焚烧温度的目的。因为这不仅使炉体结构设计得庞大，增加炉子占地面积和建造费用，甚至会使炉温不够，使废物焚烧不完全。
废物焚烧时如能保证供给充分的空气，维持适宜的温度，使空气与废物在炉内均匀混合，且炉内气流有一定扰动作用，保持较好的焚烧条件，所需停留时间就可小一点。
三、主要焚烧参数计算焚烧炉质能平衡计算，是根据废物的处理量、物化特性，确定所需的助燃空气量、燃烧烟气产生量和其组成以及炉温等主要参数，是后续炉体大小、尺寸、送风机、燃烧器、耐火材料等附属设备设计参考的依据。
(一)燃烧需要空气量
1.理论燃烧空气量理论燃烧空气量是指废物(或燃料)完全燃烧时，所需要的最低空气量，一般以A0来表示。其计算方式是假设液体或固体废物1kg中的碳、氢、氮、氧、硫、灰分以及水分的质量分别以C、H、N、O、S、Ash及w来表示，则理论空气量为：
（1）体积基准


（2）质量基准


其中，（H－O/8）称为有效氢。因为燃料中的氧是以结合水的状态存在，在燃烧中无法利用这些与氧结合成水的氢，故需要将其从全氢中减去。
2.实际需要燃烧空气量实际供给的空气量A与理论空气量A0的关系为：
A＝mA0
（二）焚烧烟气量及其组成
1.烟气产生量
假定废物以理论空气量完全燃烧时的燃烧烟气量称为理论烟气产生量。如果废物组成已 知，以C、H、N、O、S、Cl、W表示单位废物中碳、氢、氮、氧、硫、氯和水分的质量比，则理论燃烧湿基烟气量为：
G0(m3/kg)=0.79A0+1.867C+0.7S+0.631Cl+0.8N+11.2H'+1.244W
或 G0(kg/kg)=0.77A0+3.67C+2S+1.03Cl+N+9H'+W
式中 H'=H-Cl/35.5
而理论燃烧干基烟气量为：
G0'(m3/kg)=0.79A0+1.867C+0.7S+0.631Cl+0.8N
或 G0'(kg/kg)=0.79A0+3.67C+2S+1.03Cl+N
将实际焚烧烟气量的潮湿气体和干燥气体分别以G和G'来表示，其相互关系可用下式 表示：
G=G0+(m-1)A0
G'=G0'+(m-1)A0
2.烟气组成固体或液体废物燃烧烟气组成，可依下表所示方法计算。


(三)发热量计算
常用发热量的名称，大致可分为干基发热量、高位发热量与低位发热量等三种。
(1)干基发热量 是废物不包括含水分部分的实际发热量，称干基发热量(Hd)。
(2)高位发热量 高位发热量又称总发热量，是燃料在定压状态下完全燃烧，其中的水 分燃烧生成的水凝缩成液体状态。热量计测得值即为高位发热量(Hh)。
(3)低位发热量 实际燃烧时，燃烧气体中的水分为蒸气状态，蒸气具有的凝缩潜热及凝缩水的显热之和2500kJ/kg无法利用，将之减去后即为低位发热量或净发热量，也称真发热量(H1)。
1.干基发热量、高位发热量与低位发热量的关系三者关系式如下：




式中，W为废物水分含量；H为废物湿基元素组分氢的含量；Hd为干基发热量，kJ/kg；Hh为高位发热量，kJ/kg；Hl为低位发热量，kJ/kg。
2.发热量计算公式
(1)Dulong式


(2)Scheurer，Kesmer式


(3)Steuer式


(4)化学工学便览公式


式中，C、H、O、S为废物湿基元素分析组成；其他符号同上。
(四)废气停留时间所谓废气停留时间是指燃烧所生成的废气在燃烧室内与空气接触时间，通常可以表示 如下：


式中，θ为气体平均停留时间，s；V为燃烧室内容积，m3；q为气体的炉温状况下的风量，m3／s。
(五)燃烧室容积热负荷在正常运转下，燃烧室单位容积在单位时间内由垃圾及辅助燃料所产生的低位发热量，称为燃烧室容积热负荷(QV)，是燃烧室单位时间、单位容积所承受的热量负荷，单位为kJ/(m3·h)。


式中，Ff为辅助燃料消耗量，kg/h；Hf1为辅助燃料的低位发热量，kJ/kg；Fw为单位时间的废物焚烧量，kg/h；Hw1为废物的低位发热量，kJ/kg；A为实际供给每单位辅助燃料与废物的平均助燃空气量，kg/kg；Cpa为空气的平均定压热容，kJ/(kg·℃)；ta为空气的预热温度，℃；t0为大气温度，℃；V为燃烧室容积，m3。
(六)焚烧温度推算焚烧释放出的全部热量使焚烧产物（废气）达到的温度叫火焰温度。从理论上而言，对单一燃料的燃烧可以根据化学反应式及各物种的定压比热，借助精细的化学反应平衡方程组推求各生成物在平衡时的温度及浓度。但是焚烧处理的废物组分复杂，计算过程十分复杂，故工程上多采用较简便的经验法或半经验法推求燃烧温度。我们介绍半经验法。
（1）美国的方法 Tillman等人根据美国焚烧厂数据，推导出大型垃圾焚烧厂燃烧温度的回归方程如下：
tg(℃)=0.0258Hh＋1926α－2.524W＋0.59（ta-25）－177
式中，Hh为高位发热量，kJ/kg；α为等值比；W为垃圾的含水率，％；ta为助燃空气预热温度，℃。
（2）日本的方法 日本田贺根据热平衡提出下式确定理论燃烧温度。
无空气预热时 tg1(℃)=

有空气预热时 tg2(℃)=

（七）有关停留时间的计算近年来，在有害废物焚烧的研究领域中，为了简化起见，都假设焚烧反应为一级反应。按照化学动力学理论，则反应动力学的方程可用下式表示：



在时间从0→t，浓度从CA0→CA变化范围内积分则上式变为：


式中：CA0、CA—分别表示A组份的初始浓度和经时间t后的浓度，（g·mol）；
t－反应时间，s；
k—反应速度常数，是温度的函数。它们的关系可用Ar-rhenius方程式表示：


A－Arrhenius常数；
E－活化能，kcal/(g·mol)
R－通用气体常数；
T－绝对温度，K。
A和E由实验测得。当通过实验求得k值，DRE一定时，可由上式求得停留时间(t)，或由停留时间求出DRE，或由停留时间，DRE计算破坏的温度。
例题1：试计算在800℃的焚烧炉中燃烧氯苯，当DRE分别为99％、99.9％、99.99％的停留时间。
解：在800℃的反应速度常数k为


由教材p178表7－3查得氯苯的A和E分别为，E＝76600
k＝1.34×1017·e-76600/1.987×1073=33.407(s-1)






例题2：假设在一温度为225℃的管式焚烧炉中分解纯二乙基过氧化物（组分A），进入焚烧炉的流速为12.1L/s，在225℃的速度常数为38.3s－1，欲使二乙基过氧化物的分解率达到99.995％，炉的内径为8.0cm，求炉长为多少？
解：假设是活塞流反应器，反应是不可逆的，反应的动力学方程式为：


根据题意 DRE＝99.995％ 则CA＝5×10-5CA 0
所以

焚烧炉的体积 V＝0.259×12.1＝3.13（L）＝3130（cm3）
炉长

§2 典型的城市生活垃圾焚烧流程城市垃圾焚烧处理操作为每日24h连续燃烧，仅于每年一次的大修期间(约1个月)或故障时停炉。垃圾以垃圾车载人厂区，经地磅称量，进入倾卸平台，将垃圾倾人垃圾贮坑，由吊车操作员操纵抓斗，将垃圾抓人进料斗，垃圾由滑槽进入炉内，从进料器推入炉床。由于炉排的机械运动，使垃圾在炉床上移动并翻搅，提高燃烧效果。垃圾首先被炉壁的辐射热干燥及气化，再被高温引燃，最后烧成灰烬，落入冷却设备，通过输送带经磁选回收废铁后，送人灰烬贮坑，再送往填埋场。燃烧所用空气分为一次及二次空气，一次空气以蒸气预热，自炉床下贯穿垃圾层助燃；二次空气由炉体颈部送入，以充分氧化废气，并控制炉温不致过高，以避免炉体损坏及氮氧化物的产生。炉内温度一般控制在850℃以上，以防未燃尽的气状有机物自烟囱逸出而造成臭味，因此垃圾低位发热量低时，需喷油助燃。高温废气经锅炉冷却，用引风机抽入酸性气体去除设备去除酸性气体后进人布袋集尘器除尘，再经加热后，自烟囱排入大气扩散。锅炉产生的蒸气以汽轮发电机发电后，进人凝结器，凝结水经除气及加入补充水后，返送锅炉；蒸气产生量如有过剩，则直接经过减压器再送人凝结器。
一座大型垃圾焚烧厂通常包括下述八个系统：
(1)贮存及进料系统 本系统由垃圾贮坑、抓斗、破碎机(有时可无)、进料斗及故障排除/监视设备组成，垃圾贮坑提供了垃圾贮存、混合及去除大型垃圾的场所，一座大型焚烧厂通常设有一座贮坑，负责替3～4座焚烧炉体进行供料的任务。每一座焚烧炉均有一进料斗，贮坑上方通常由一至二座吊车及抓斗负责供料，操作人员由监视屏幕或目视垃圾由进料斗滑人炉体内的速度决定进料频率。若有大型物卡住进料口，进料斗内的故障排除装置亦可将大型物顶出，落回贮坑。操作人员亦可指挥抓斗抓取大型物品，吊送到贮坑上方的破碎机破碎，以利进料。
(2)焚烧系统 即焚烧炉本体内的设备，主要包括炉床及燃烧室。每个炉体仅一个燃烧室。炉床多为机械可移动式炉排构造，可让垃圾在炉床上翻转及燃烧。燃烧室一般在炉床正上方，可提供燃烧废气数秒钟的停留时间，由炉床下方往上喷入的一次空气可与炉床上的垃圾层充分混合，由炉床正上方喷入的二次空气可以提高废气的搅拌时间。
(3)废热回收系统 包括布署在燃烧室四周的锅炉炉管(即蒸发器)、过热器、节热器、炉管吹灰设备、蒸汽导管、安全阀等装置。锅炉炉水循环系统为一封闭系统，炉水不断在锅炉管中循环，经不同的热力学相变化将能量释出给发电机。炉水每日需冲放以泄出管内污垢，损失的水则由饲水处理厂补充。
(4)发电系统 由锅炉产生的高温高压蒸汽被导入发电机后，在急速冷凝的过程中推动了发电机的涡轮叶片，产生电力，并将未凝结的蒸汽导入冷却水塔，冷却后贮存在凝结水贮槽，经由饲水泵再打入锅炉炉管中，进行下一循环的发电工作。在发电机中的蒸汽亦可中途抽出一小部分作次级用途，例如助燃空气预热等工作。饲水处理厂送来的补充水，则可注入饲水泵前的除氧器中，除氧器则以特殊的机械构造将溶于水中的氧去除，防止炉管腐蚀。
(5)饲水处理系统 饲水子系统主要工作为处理外界送入的自来水或地下水，将其处理到纯水或超纯水的品质，再送入锅炉水循环系统，其处理方法为高级用水处理程序，一般包括活性炭吸附、离子交换及逆渗透等单元。
(6)废气处理系统 从炉体产生的废气在排放前必须先行处理到符合排放标准，早期常使用静电集尘器去除悬浮微粒，再用湿式洗烟塔去除酸性气体(如HCl、SOx、HF等)。近年来则多采用干式或半干式洗烟塔去除酸性气体，配合滤袋集尘器去除悬浮微粒及其他重金属等物质。
(7)废水处理系统 由锅炉泄放的废水、员工生活废水、实验室废水或洗车废水，可以综合在废水处理厂一起处理，达到排放标准后再放流或回收再利用。废水处理系统一般由数种物理、化学及生物处理单元所组成。
(8)灰渣收集及处理系统 由焚烧炉体产生的底灰及废气处理单元所产生的飞灰，有些厂采用合并收集方式，有些则采用分开收集方式。国外一些焚烧厂将飞灰进一步固化或熔融后，再合并底灰送到灰渣掩埋场处置，以防止沾在飞灰上的重金属或有机性毒物产生二次污染。
A、垃圾贮存及进料系统垃圾焚烧厂的贮存及进料系统由垃圾贮坑、抓斗、破碎机(有时可无)、进料斗及故障排除/监视设备等组成。
(一)贮存系统贮存系统包括垃圾倾卸平台、投入门、垃圾贮坑及垃圾吊车与抓斗等四部分。
1.垃圾倾卸平台倾卸平台的作用是接受各种形式的垃圾车，使之能顺畅进行垃圾倾卸作业。对于大型设施，应采用单向行驶为宜。平台的型式宜采用室内型，以防止臭气外溢及降雨流入。倾卸平台的尺寸应依垃圾车辆的大小及其行驶路线而定，一般以进入厂区的最大垃圾车辆作为设计的依据。平台宽度取决于垃圾车的行动路线及车辆大小，并应以一次掉头即可驶向规定的投入门为原则。一般在倾卸平台投入门的正前方，设置高约20cm左右的挡车矮墙，以防车辆坠入垃圾贮坑内。此外，地面设计应考虑易于将掉落出的垃圾扫入垃圾贮坑内的构造。为了防止污水的积存，平台应具有20％左右的坡度，以便通过集水沟将污水收集后送至污水处理厂处理。垃圾投入门的开与关，由位于每一投入门的控制按钮或由吊车控制室的选控钮来启动完成。为使在发生意外时能即时停止所有垃圾吊车及抓斗的运行，每一倾卸区附近的适当位置必须有紧急停止按钮。
一般而言，倾卸平台为混凝土的构造物，必要时亦可考虑设置防滑板以防止人员滑倒及行车安全。为防止臭气；降雨及噪音对周围环境的影响，平台应具有顶棚或屋顶，其出入口亦应设置气幕及铁门，以阻绝臭气的扩散。倾卸平台的屋顶及侧墙亦应保留适当的开口以利采光，并保持明亮清洁的气氛。其他附属空间则包括投入门驱动装置室、投入门操作室、粗大垃圾倾卸平台、粗大垃圾破碎机室、垃圾抓斗维修室、除臭装置室等。
为避免贮坑过深，增加土方开挖量及施工难度，通常将倾卸平台抬高，再以高架道路相连，高架道路的构造大致可分为填土式与支撑式两种。填土式必须具有边坡或挡土设施。支撑式则应用在大规模的高架道路，其与厂房连接处并应设置伸缩缝，其优点为道路下方仍可加以利用，亦较节省空间，但可能有车辆在行驶时噪音较大等问题，故应充分考虑适当的防治对策(如设置隔音墙)。高架道路的坡度一般在10％以下，宽度则较平地道路为宽，约在4～5m左右，另若有曲线变化时，应使中心线半径在15m以上。路面的铺设应为沥青或混凝土路面，且应设置防滑构造物。至于道路的横断面应保持适当的坡度，并配置排水口，以迅速排除雨水，两侧亦应设置护栏及照明设备，以防止车辆的坠落。
2.垃圾投入门为遮蔽垃圾贮坑，防止槽内粉尘与臭气的扩散及鼠类、昆虫的侵入，垃圾投入门应具有气密性高、开关迅速、耐久性佳、强度优异及耐腐蚀性好的特点。
3.垃圾储坑垃圾贮坑暂时贮存运入的垃圾，调整连续式焚烧系统持续运转能力。贮坑的容量依垃圾清运计划、焚烧设施的运转计划、清运量的变动率及垃圾的外观密度等因素而定。确定贮坑容量时，以垃圾单位容积重0.3t/m3及容纳3～5d的最大日处理量为计算依据，而贮坑的有效容量即为投入门水平线以下的容量。为增加垃圾仓储效果，亦有以中墙间隔或采用单侧堆高方式将垃圾沿投入门对面的壁面堆高成三角状。
垃圾贮坑应为不致发生恶臭逸散的密闭构筑物，其上部配置吊车进行进料作业。垃圾贮坑、粗大垃圾投入及粉碎与垃圾漏斗的相对配置。
贮坑的宽度主要依投入门的数目来决定，长度及深度则应考虑垃圾吊车的操作性能与地下施工的难易度后加以决定。
贮坑的底部通常使用具水密性的钢筋混凝土构造，并最好在贮坑内壁增大混凝土厚度及钢筋被覆厚度，以防止垃圾渗滤液的渗透及吊车抓斗冲撞所造成的损害。坑底要保持充分的排水坡度，使贮坑内渗滤液经拦污栅而排入垃圾贮坑污水槽内。
贮坑底部要有适当的照度，贮坑内壁应有可表示贮坑内垃圾层高度的标识，以便吊车操作员能掌握贮存状况。
大型焚烧设施中常在贮坑内附设可燃性粗大垃圾破碎机，以将形状不适合焚烧的大型垃圾破碎后再与其他垃圾混合送入炉内燃烧，故破碎机室多半设于平台的下层，且为容易将破碎后的垃圾排至贮坑内的位置。
4.垃圾吊车与抓斗垃圾吊车与抓斗的功能是：
①定时抓送贮坑垃圾进入进料斗；
②定时抓匀贮坑垃圾，使其组成均匀，堆积平顺；
③定时筛检是否有巨大垃圾，若发现有巨大垃圾，则送往破碎机处理。
(二)进料系统焚烧炉垃圾进料系统包括垃圾进料漏斗和填料装置。垃圾进料漏斗暂时贮存垃圾吊车投入的垃圾，并将其连续送入炉内燃烧。具有连接滑道的喇叭状漏斗与滑道相连，并附有单向开关盖，在停机及漏斗未盛满垃圾时可遮断外部侵入的空气，避免炉内火焰的窜出。为防止阻塞现象，还可附设消除阻塞装置。
1.种类及功能垃圾进料漏斗的基本功能是：完全接受吊车抓斗一次投入的垃圾，既能在漏斗内存留足够量的垃圾，又能将垃圾顺利供至炉体内，并防止燃烧气漏出、空气漏入等现象发生。进料漏斗及滑道的形状，取决于垃圾性质和焚烧炉类型。
2.进料设备进料设备的功能为：
①连续将垃圾供给到焚烧炉内；
②根据垃圾性质及炉内燃烧状况的变化，适当调整进料速度；
③在供料时松动漏斗内被自重压缩的垃圾，使其呈良好通气状态；
④如采用流化床式焚烧炉，还应保持气密性，避免因外界空气流入或气体吹出而导致炉压变动。
至于进料设备，机械炉排焚烧炉多采用推入器式或炉床并用式进料器；流化床焚烧炉则采用螺旋进料器式及旋转进料器式进料装置。
B、焚烧炉系统的控制
(一)焚烧炉燃烧控制的目标垃圾是成分极其复杂的燃料，要提高垃圾焚烧厂运转效率，焚烧炉燃烧系统的稳定控制是关键。焚烧炉燃烧系统的控制目标通常设定如下：
(1)使炉内温度达到预定高温值并减少波动；
(2)维持稳定的燃烧；,
(3)达到预定的垃圾处理量；
(4)使废气中含有较少量的悬浮微粒、氮氧化物及一氧化碳；
(5)焚烧残渣灼烧减量达到设计值；
(6)维持稳定的蒸汽流量；
(7)减低人为的操作疏失。
(二)焚烧炉燃烧控制系统目前已有许多控制系统可完成上述的控制目标。根据垃圾的热值以及进料量，决定垃圾在炉床上的停留时间，使其燃烧温度维持在一稳定的高温状态。为达此目的，一般以调整炉床的速度以及控制燃烧的助燃空气量来配合，并且由一些反馈数据加以修正，必要时加入辅助燃油，维持稳定的炉温。若其超出控制器所能控制的范围时，则必须由有经验的操作员介入操作，主要的控制方法如下。
1.计算蒸汽蒸发量一般控制系统可按照估计的热值以及目标焚烧量计算出目标蒸汽流量，在不断进料的过程中，以所测量蒸汽流量与目标蒸汽流量的偏差，反馈给炉床速度控制器与助燃空气流量控制器进行控制，藉由蒸汽蒸发量的改变来代表所欲焚烧垃圾热值的改变，进而调节炉床速度与助燃空气的进流量。
2.控制炉床速度炉排运动速度设定值与垃圾的释热量(或垃圾燃烧程度)有关，若欲将垃圾的释热量维持在炉体设计值之内，可通过燃烧炉排上温度的感测以及垃圾层厚度的检测，加上蒸汽蒸发量偏差的计算，进行炉床上炉排运动速度的修正。
3.控制助燃空气量助燃空气量往往直接影响垃圾的释热量以及垃圾燃烧程度，而助燃空气量的多少会表现在废气中残余氧浓度与炉温上，所以欲控制燃烧空气量，可通过计算废气残余氧浓度与蒸汽蒸发量偏差，把空气依不同比例分配到炉体各进气口。
4.控制辅助燃油有时候垃圾的水分过高，造成垃圾不易燃烧，或是垃圾燃烧情况不佳，造成废气污染物质浓度过高，往往需加入辅助燃油改善燃烧情况；参考炉温、蒸汽蒸发量、助燃空气量以及炉床上炉排运动速度，计算出为改善燃烧情况应该加入多少辅助燃油，或由操作员视情况以人为方式介入控制。
5.控制二次空气流量二次空气流量的控制程度可由废气污染物质浓度以及蒸汽蒸发量的测量来决定。
以上各项控制方法，源于传统的比例积分微分(PID)控制理论，优点是计算简单，能迅速地进行在线控制；缺点在于不能将操作员的经验融入控制器中，当对于受控体的内涵与机制不甚了解时，往往不能做出准确的判断。模概控制却能弥补这项缺点，将操作员的良好控制经验建模后放入控制器中，而且计算速度也相当迅速，可用来作为在线即时控制。
C、焚烧灰渣的收集
(一)灰渣种类
垃圾焚烧产生的灰渣一般可分为下列四种：
(1)细渣 细渣由炉床上炉条间的细缝落下，经集灰斗槽收集，一般可并入底灰，其成分有玻璃碎片、熔融的铝锭和其他金属；
(2)底灰 底灰系焚烧后由炉床尾端排出的残余物，主要含有燃烧后的灰分及不完全燃烧的残余物(例如铁丝、玻璃、水泥块等)，一般经水冷却后再送出；
(3)锅炉灰 锅炉灰是废气中悬浮颗粒被锅炉管阻挡而掉落于集灰斗中，亦有沾于炉管上，再被吹灰器吹落，可单独收集，或并入飞灰一起收集；
(4)飞灰 飞灰是指由空气污染控制设备中所收集的细微颗粒，一般系经旋风集尘器、静电集尘器或滤袋集尘器所收集的中和反应物(如CaCl2、CaSO4等)及未完全反应的碱剂[(如Ca(OH)2]。
一般而言，焚烧灰渣由底灰及飞灰共同组成，由于近年来飞灰经常被视为危险废物，因此在灰渣的收集、处理、处置及再利用的规划设计上必须仔细思考。
焚烧灰渣性质因其产生地点不同而异，且受垃圾性质及焚烧处理流程的影响很大。一般而言，焚烧灰渣的物理及化学特性随采样时间及炉型而有变动，其成分约为SiO2：35％～
40％，A12O3：10％～20％，CaO：10％～20％，Fe2O3：5％～10％，MgO、Na2O、K2O各占1％～5％，以及少量的Zn、Cu、Pb、Cr等金属及盐类。如无前处理，还可能有其他问题时，除了了解基本的理化特性外，尚可进一步探讨其工程特性。进行系统规划时，可由灰渣的工程特性及再利用产品(材料)规范进一步规划其贮存、运送、处理、处置及再利用的可行方案。
(二)灰渣收集及贮存
焚烧后的灰渣及由烟道气中所捕集的飞灰，一般由灰烬漏斗或滑槽收集，在设计时除了需避免形成架桥等阻塞问题，尚需严防空气漏入。焚烧灰渣由炉床尾部排出时温度可高达400~500℃左右，一般底灰收集后多采用冷却降温法。而飞灰若与底灰分开收集，则运出前可用回收水充分湿润。底灰的冷却，多在炉床尾端的排出口处进行，冷却水槽除了具有冷却底灰温度外，尚具有遮断炉内废气及火焰的功能。灰渣冷却前的输送设备一般可分为下列五种：
①螺旋式输送带 其为内含螺旋翼的圆筒构造，此种输送带仅适用于5m以内的短程输送情况(如平底式静电集尘器的底部)。
②刮板式输送带 其为链条上附刮板的简单构造，使用时必须注意滚轮旋转时，由飞灰造成的磨损。另外，当输送吸湿性高的飞灰时，应注意其密闭性，以避免由输送带外壳泄入空气后，而导致温度下降使飞灰固结在输送设备中。
③链条式输送带 系藉串连起来的链条及加装的连接物在灰烬中移动，利用飞灰与连接物的摩擦力来排出飞灰。
④空气式输送管 系将飞灰藉空气流动的方式来运送，空气流动的方式有压缩空气式及真空吸引式两种，均具有自由选择输送路线的优点；但缺点为造价太高，且输送吸湿性高的飞灰时，易形成固结及阻塞。此外，当输送速度太快时，亦会造成设备磨损。
⑤水流式输送管 系将飞灰以水流来输送，如空气式输送管一般，具有自由选择输送路径的优点，但会产生大量污水。
§3 焚烧尾气控制技术
废物焚烧产生的燃烧气体中除了无害的二氧化碳及水蒸气外，还含有许多污染物质，必须加以适当的处理，将污染物的含量降至安全标准以下才可排放，以免造成二次污染。虽然应用于焚烧系统的尾气处理设备与一般空气污染防治设备相同，但是焚烧废物产生的尾气及污染物具有其特殊的性质，设计此种尾气处理系统时必须考虑其应用于专门系统的经验及去除效果，以保证达到预期目的。
一、概述
(一)焚烧尾气中污染物
焚烧尾气中所含的污染物质的产生及含量与废物的成分、燃烧速率、焚烧炉型式、燃烧条件、废物进料方式有密切的关系，主要的污染物质有下列几种：
(1)不完全燃烧产物 碳氢化合物燃烧后主要的产物为无害的水蒸气及二氧化碳，可以直接排入大气之中。不完全燃烧物(简称PIC)是燃烧不良而产生的副产品，包括一氧化碳、炭黑、烃、烯、酮、醇、有机酸及聚合物等。
(2)粉尘 废物中的惰性金属盐类、金属氧化物或不完全燃烧物质等。
(3)酸性气体 包括氯化氢、卤化氢(氯以外的卤素，氟、溴、碘等)、硫氧化物(二氧化硫及三氧化硫)、氮氧化物(NOx)，以及五氧化磷(PO5)和磷酸(H3PO4)。
(4)重金属污染物 包括铅、汞、铬、镉、砷等的元素态、氧化物及氯化物等。
(5)二恶英 PCDDs/PCDFs。
(二)焚烧尾气控制方法
一个设计良好而且操作正常的焚烧炉内，不完全燃烧物质的产生量极低，通常并不至于造成空气污染，因此设计尾气处理系统时，不将其考虑在内。
下表列出了危险废物焚烧尾气处理方法的优缺点和实用性。氮氧化物(NOx)很难以一般方法去除，但是由于含量低(在100mg/L上下)，通常是控制焚烧温度以降低其产生量。硫氧化物虽难以去除，但一般危险废物和城市垃圾中含硫量很低(0.1％以下)，尾气中少量硫氧化物可经湿式洗涤设备吸收。溴气(Br2)、碘(I2)及碘化氢等尚无有效去除方法，由于其含量甚低，一般尾气处理系统的设计并不特别考虑去除。如果废物中含有高成分的溴或碘化合物，焚烧前则以混合或稀释等方式，降低其含量。卤素与氢的化合物(氯化氢、溴化氢等)可由洗涤设备中的碱性溶液中和。氯化氢是尾气中主要的酸性物质，其含量由几百mg/L至几个百分比，必须将其含量降至1％以下(99％去除率)才可排放。废气中挥发状态的重金属污染物，部分在温度降低时可自行凝结成颗粒、于飞灰表面凝结或被吸附，从而被除尘设备收集去除；部分无法凝结及被吸附的重金属的氯化物，可利用其溶于水的特性，经湿式洗气塔的洗涤液自废气中吸收下来。


焚烧厂典型的空气污染控制设备和处理流程可分为干式、半干式或湿式三类：
(1)湿法处理流程 典型处理流程包括文式洗气器或静电除尘器与湿式洗气塔的组合，以文式洗气器或湿式电离洗涤器去除粉尘，填料吸收塔去除酸气；
(2)干法处理流程 典型处理流程由干式洗气塔与静电除尘器或布袋除尘器相互组合而成，以干式洗气塔去除酸气，布袋除尘器或静电集尘器去除粉尘；
(3)半干法处理流程 典型处理流程由半干式洗气塔与静电除尘器或布袋除尘器相互组合而成，以半干式洗气塔去除酸气，布袋除尘器或静电集尘器去除粉尘。
二、粒状污染物控制技术
(一)设备选择
焚烧尾气中粉尘的主要成分为惰性无机物质，如灰分、无机盐类、可凝结的气体污染物质及有害的重金属氧化物，其含量在450～22500mg/m3之间，视运转条件、废物种类及焚烧炉型式而异。一般来说，固体废物中灰分含量高时，所产生的粉尘量多，颗粒大小的分布亦广，液体焚烧炉产生的粉尘较少。粉尘颗粒的直径有的大至100um以上，也有小至1um以下，由于送至焚烧炉的废物来自各种不同的产业，焚烧尾气所带走的粉尘及雾滴特性和一般工业尾气类似。
选择除尘设备时，首先应考虑粉尘负荷、粒径大小、处理风量及容许排放浓度等因素，若有必要则再进一步深入了解粉尘的特性(如粒径尺寸分布、平均与最大浓度、真密度、粘度、湿度、电阻系数、磨蚀性、磨损性、易碎性、易燃性、毒性、可溶性及爆炸限制等)及废气的特性(如压力损失、温度、湿度及其他成分等)，以便作一合适的选择。
除尘设备的种类主要包括重力沉降室、旋风(离心)除尘器、喷淋塔、文式洗涤器、静电除尘器及布袋除尘器等，其除尘效率及适用范围列于表中。重力沉降室、旋风除尘器和喷淋塔等无法有效去除5～10um的粉尘，只能视为除尘的前处理设备。静电集尘器、
文式洗涤器及布袋除尘器等三类为固体废物焚烧系统中最主要的除尘设备。液体焚烧炉尾气中粉尘含量低，设计时不必考虑专门的去除粉尘设备。急冷用的喷淋塔及去除酸气的填料吸收塔的组合足以将粉尘含量降至许可范围之内。
(二)设备类型控制粒状污染物的设备主要有文氏洗涤器、静电除尘器和布袋除尘器。
静电除尘器与布袋除尘器的优缺点比较静电除尘器与布袋除尘器是目前使用最广泛的两种粒状污染物控制设备，其功能比较见 下表。布袋除尘器的优点是：除尘效率高，可保持一定水准，不易因进气条件变化而影响其除尘效率；当使用特殊材质或进行表面处理后，可以处理含酸碱性的气体；不受含尘气体的电阻系数变化而影响效率；若与半干式洗气塔合并使用，未反应完全的Ca(OH)2粉末附着于滤袋上，当废气经过时因增加表面接触机会，可提高废气中酸性气体的去除效率；对凝结成细微颗粒的重金属及含氯有机化合物(如PCDDs/PCDFs)的去除效果较佳。缺点为：耐酸碱性较差，废气中含高酸碱成分时，滤布可能在较高酸碱度下损毁；需使用特殊材质；耐热性差，超过260℃以上，需考虑使用特殊材质的滤材；耐湿性差，处理亲水性较强的粉尘较困难，易形成阻塞；风压损失较大，故较耗能源；滤袋寿命有一定期限，需有备用品随时更换；滤袋如有破损，很难找出破损位置；采用振动装置振落捕集灰尘时需注意滤布破裂的问题。


三、酸性气体控制技术
用于控制焚烧厂尾气中酸性气体的技术有湿式、半干式及干式洗气等三种方法。
(一)湿式洗气法焚烧尾气处理系统中最常用的湿式洗气塔是对流操作的填料吸收塔，如图所示。经静电除尘器或布袋除尘器去除颗粒物的尾气由填料塔下部进入，首先喷入足量的液体使尾气降到饱和温度，再与向下流动的碱性溶液不断地在填料空隙及表面接触及反应，使尾气中的污染气体有效地被吸收。


填料对吸收效率影响很大，要尽量选用耐久性与防腐性好、比表面积大、对空气流动阻力小以及单位体积质量轻和价格便宜的填料。近年来最常使用的填料是由高密度聚乙烯、聚丙烯或其他热塑胶材料制成的不同形状的特殊填料，如拉西环、贝尔鞍及螺旋环等，较传统陶瓷或金属制成的填料质量轻、防腐性高，液体分配性好。使用小直径的填料虽可提高单位高度填料的吸收效率，但是压差也随之增加。一般来说，气体流量超过14.2m3/min以上时，不宜使用直径在25.4mm以下的填料；超过56.6m3/min以上，则不宜使用直径低于50.8mm以下填料，填料的直径不宜超过填料塔直径的1/20。
吸收塔的构造材料必须能抗拒酸气或酸水的腐蚀，传统做法是碳钢外壳内衬橡胶或聚氯乙烯等防腐物质，近年来玻璃纤维强化塑胶(FRP)逐渐普及。玻璃纤维强化塑胶不仅质量轻，可以防止酸碱腐蚀，还具有高度韧性及强度，适于作为吸收塔的外设及内部附属设备。
常用的碱性药剂有NaOH溶液(15％～20％，质量分数)或Ca(OH)2溶液(10％～30％，质量分数)。石灰液价格较低，但是石灰在水中的溶解度不高，含有许多悬浮氧化钙粒子，容易导致液体分配器、填料及管线的堵塞及结垢。虽然苛性钠较石灰为贵，但苛性碱和酸气反应速率较石灰快速，吸收效率高，其去除效果较好且用量较少，不会因pH值调节不当而产生管线结垢等问题，故一般均采用NaOH溶液为碱性中和剂。
洗气塔的碱性洗涤溶液采用循环使用方式，当循环溶液的pH值或盐度超过一定标准时，排泄部分并补充新鲜的NaOH溶液，以维持一定的酸性气体去除效率。排泄液中通常含有很多溶解性重金属盐类(如HgCl2、PbCl2等)，氯盐浓度亦高达3％，必须予以适当处理。
石灰溶液洗气时，其化学方程式为：
2S+2CaCO3+4H2O+3O2→2CaSO4·2H2O+2CO2
其中CaSO4·2H2O可以回收再利用。
由于一般的湿式洗气塔均采用充填吸收塔的方式设计，故其对粒状物质的去除能力几乎可被忽略。湿式洗气塔的最大优点为酸性气体的去除效率高，对HCl去除率为98％，SOx去除率为90％以上，并附带有去除高挥发性重金属物质(如汞)的潜力；其缺点为造价较高，用电量及用水量亦较高，此外为避免尾气排放后产生白烟现象需另加装废气再热器，废水亦需加以妥善处理。目前改良型湿式洗气塔多分为两阶段洗气，第一阶段针对SO2，第二阶段针对HCl，主要原因是二者在最佳去除效率时的pH值不同。
此外，湿式洗气法产生的含重金属和高浓度氯盐的废水需要进行处理。
(二)干式洗气法干式洗气法是用压缩空气将碱性固体粉末(消石灰或碳酸氢钠)直接喷入烟管或烟管上某段反应器内，使碱性消石灰粉与酸性废气充分接触和反应，从而达到中和废气中的酸性气体并加以去除的目的。
2xHCl+ySO2+(x+y)CaO→CaCl2+yCaSO3+xH2O
yCaSO3+y/2O2→yCaSO4
或 xHCl+ySO2+(x+2y)NaHCO3→xNaCl+yNa2SO3 +(x+2y)CO2+(x+y)H2O
x及y分别为氯化氢(HCl)及二氧化硫(SO2)的摩尔数。为了加强反应速率，实际碱性固体的用量约为反应需求量的3～4倍，固体停留时间至少需1s以上。
近年来，为提高干式洗气法对难以去除的一些污染物质的去除效率，有用硫化钠(Na2S)及活性炭粉末混合石灰粉末一起喷入，可以有效地吸收气态汞及二恶英。干式洗气塔中发生的一系列化学反应如下。
(1)石灰粉与SO2及HCl进行中和反应：
CaO+SO2→CaSO3
CaO+2HCl→CaCl2＋H2O
(2)SO2可以减少HgCl2转化为气态的Hg：
SO2+2HgCl2+H2O→SO3+Hg2C12+2HCl
Hg2C12→HgCl2+Hg↑
(3)活性炭吸附现象将形成硫酸，而硫酸与气态汞可反应：
SO2，气→SO2，吸附
SO2，吸附+1/2O2，吸附→SO3，吸附
SO3，吸附+H2O→H2SO4，吸附
2Hg+2H2SO4，吸附→Hg2SO4，吸附+2H2O+SO2
或 Hg2SO4，吸附+2H2SO4，吸附→2HgSO4，吸附+2H2O+SO2
因此当石灰粉末去除SO2时，会影响Hg的吸附，故须加入一些含硫的物质(如Na2S)。
干式洗气塔与布袋除尘器组合工艺是焚烧厂中尾气污染控制的常用方法，其典型流程如图所示。优点为设备简单，维修容易，造价便宜，消石灰输送管线不易阻塞；缺点是由于固相与气相的接触时间有限且传质效果不佳，常须超量加药，药剂的消耗量大，整体的去除效率也较其他两种方法为低，产生的反应物及未反应物量亦较多，需要适当最终处置。目前虽已有部分厂商运用回收系统，将由除尘器收集下来的飞灰、反应物与未反应物，按一定比例与新鲜的消石灰粉混合再利用，以期节省药剂消耗量，但其成效并不显著，且会使整个药剂准备及喷入系统变得复杂，管线系统亦因飞灰及反应物的介入而增加了磨损或阻塞的频率，反而失去原系统设备操作简单、维修容易的优势。


(三)半干式洗气法如图所示，半干式洗气塔实际上是一个喷雾干燥系统，利用高效雾化器将消石灰泥浆从塔底向上或从塔顶向下喷入干燥吸收塔中。尾气与喷入的泥浆可成同向流或逆向流的方式充分接触并产生中和作用。由于雾化效果佳(液滴的直径可低至30um左右)，气、液接触面大，不仅可以有效降低气体的温度，中和气体中的酸气，并且喷入的消石灰泥浆中水分可在喷雾干燥塔内完全蒸发，不产生废水。


其化学方程式为：
CaO+H2O→Ca(OH)2
Ca(OH)2+SO2→CaSO3+H2O
Ca(OH)2+2HCl→CaCl2+2H2O
或 SO2+CaO+1/2H2O→CaSO3·1/2H2O
这种系统最主要的设备为雾化器，目前使用的雾化器为旋转雾化器及双流体喷嘴。旋转雾化器为一个由高速马达驱动的雾化器，转速可达10000～20000r/min，液体由转轮中间进入，然后扩散至转轮表面，形成一层薄膜。由于高速离心作用，液膜逐渐向转轮外缘移动，经剪力作用将薄膜分裂成30～100um大小的液滴。喷淋塔的大小取决于液滴喷雾的轨迹及散体面。双流体喷嘴由压缩空气或高压蒸气驱动，液滴直径为70—200um，由于雾化面远较旋转雾化面小，所以喷淋室直径也相对降低。旋转雾化器产生的雾化液滴较小，只要转速及转盘直径不变，液滴尺寸就会保持一定，酸气去除效率较高，碱性反应剂使用量较低；但构造复杂，容易阻塞，价格及维护费用皆高。其最高与最低液体流量比为20：1，远高于双流体喷嘴(约3：1)，但最高与最低气体流量比(2.5：1)远低于双流体喷嘴(20：1)，多用在废气流量较大时(一般为Q>340000m3/h)。双流体喷嘴构造简单不易阻塞，但液滴尺寸不均匀。
半干式洗气法(SDA)的典型流程如图所示，包含一个冷却气体及中和酸气的喷淋干燥室及除尘用的布袋除尘器室。系统的中心为一个设置在气体散布系统顶端的转轮雾化器。高温气体由喷淋塔顶端成螺旋或旋涡状进入。石灰浆经转轮高速旋转作用由切线方向散布出去，气、液体在塔内充分接触，可有效降低气体温度，蒸发所有的水分及去除酸气，中和后产生的固体残渣由塔底或集尘设备收集，气体的停留时间为10～15s。单独使用石灰浆时对酸性气体去除效率约在90％左右，但利用反应药剂在布袋除尘器滤布表面进行的二次反应，可提高整个系统对酸性气体的去除效率(HCl：98％，SO2：90％以上)。


本法最大的特性是结合了干式法与湿式法的优点，构造简单、投资低、压差小、能源消耗少、液体使用量远较湿式系统低；较干式法的去除效率高，也免除了湿式法产生过多废水的问题；操作温度高于气体饱和温度，尾气不产生白雾状水蒸气团。但是喷嘴易堵塞，塔内壁容易为固体化学物质附着及堆积，设计和操作中要很好控制加水量。
(四)酸性气体控制技术比较综合而言，以上三种酸性气体控制技术功能比较如表所示。


四、重金属控制技术焚烧厂排放尾气中所含重金属量的多少，与废物组成、性质、重金属存在形式、焚烧炉的操作及空气污染控制方式有密切关系。去除尾气中重金属污染物质的机理有四：
(1)重金属降温达到饱和，凝结成粒状物后被除尘设备收集去除；
(2)饱和温度较低的重金属元素无法充分凝结，但飞灰表面的催化作用会形成饱和温度较高且较易凝结的氧化物或氯化物，而易被除尘设备收集去除；
(3)仍以气态存在的重金属物质，因吸附于飞灰上或喷入的活性炭粉末上而被除尘设备一并收集去除；
(4)部分重金属的氯化物为水溶性，即使无法在上述的凝结及吸附作用中去除，也可利用其溶于水的特性，由湿式洗气塔的洗涤液自尾气中吸收下来。
当尾气通过热能回收设备及其他冷却设备后，部分重金属会因凝结或吸附作用而附着在细尘表面，可被除尘设备去除，温度愈低，去除效果愈佳。但挥发性较高的铅、镉和汞等少数重金属则不易被凝结去除。焚烧厂运转经验表明：
(1)单独使用静电除尘器对重金属物质去除效果较差，因为尾气进入静电除尘器时的温度较高，重金属物质无法充分凝结，且重金属物质与飞灰间的接触时间亦不足，无法充分发挥飞灰的吸附作用。
(2)湿式处理流程中所采用的湿式洗气塔，虽可降低尾气温度至废气的饱和露点以下，但去除重金属物质的主要机构仍为吸附作用。且因对粒状物质的去除效果甚低，即使废气的温度可使重金属凝结(汞仍除外)，除非装设除尘效率高的文式洗涤器或静电除尘器，凝结成颗粒状物的重金属仍无法被湿式洗气塔去除。以汞为例，废气中的汞金属大部分为汞的氯化物(如HgCl2)，具水溶性，由于其饱和蒸气压高，通过除尘设备后在洗气塔内仍为气态，与洗涤液接触时可因吸收作用而部分被洗涤下来，但会再挥发随废气释出。
(3)布袋除尘器与干式洗气塔或半干式洗气塔并用时，除了汞之外，对重金属的去除效果均十分优良，且进入除尘器的尾气温度愈低，去除效果愈好。但为维持布袋除尘器的正常操作，废气温度不得降至露点以下，以免引起酸雾凝结，造成滤袋腐蚀，或因水汽凝结而使整个滤袋阻塞。汞金属由于其饱和蒸气压较高，不易凝结，只能靠布袋上的飞灰层对气态汞金属的吸附作用而被去除，其效果与尾气中飞灰含量及布袋中飞灰层厚度有直接关系。
(4)为降低重金属汞的排放浓度，在干法处理流程中，可在布袋除尘器前喷入活性炭，或于尾气处理流程尾端使用活性炭滤床加强对汞金属的吸附作用，或在布袋除尘器前喷入能与汞金属反应生成不溶物的化学药剂，如喷入Na2S药剂，使其与汞作用生成HgS颗粒而被除尘系统去除，喷入抗高温液体螯合剂可达到50％～70％的去除效果。在湿式处理流程中，在洗气塔的洗涤液内添加催化剂(如CuCl2)，促使更多水溶性的HgCl2生成，再以螯合剂固定已吸收汞的循环液，确保吸收效果。
五、二恶英的控制技术控制焚烧厂产生PCDDs/PCDFs，可从控制来源、减少炉内形成及避免炉外低温区再合成三方面着手。
(一)控制来源通过废物分类收集，加强资源回收，避免含PCDDs/PCDFs物质及含氯成分高的物质(如PVC塑料等)进入垃圾中。
(二)减少炉内形成焚烧炉燃烧室应保持足够的燃烧温度及气体停留时间，确保废气中具有适当的氧含量(最好在6％～12％之间)，达到分解破坏垃圾内含有的PCDDs/PCDFs，避免产生氯苯及氯酚等物质的目标。
控制燃烧温度抑制PCDDs/PCDFs，促使NOx浓度升高，但若降低燃烧温度来避免NOx产生时，废气中的CO浓度便会随之升高。此外，由于炉内蓄热增加提高了锅炉出口废气温度，因此可能促使PCDDs/PCDFs在后续除尘设备内再合成。故欲同时控制PCDDs/PCDFs及NOx时，应先以燃烧控制法降低由炉内形成的PCDDs/PCDFs及其先驱物质，再于炉内喷入NH3或尿素的无触媒脱氮系统(SNCR)，或于空气污染防制设备末端加装触媒脱硝系统(SCR)以降低可能增加的NOx浓度。
(三)避免炉外低温再合成
PCDDs/PCDFs炉外再合成现象，多发生在锅炉内(尤其在节热器的部位)或在粒状污染物控制设备前。有些研究指出，主要的生成机制为铜或铁的化合物在悬浮微粒的表面催化了二恶英的先驱物质；因此在近年来，工程上普遍采用半干式洗气塔与布袋除尘器搭配的方式，同时控制粒状污染物控制设备入口的废气温度不低于232℃。
在干式处理流程中，最简单的方法为喷入活性炭粉或焦炭粉，以吸附及去除废气中的PCDDs/PCDFs。活性炭粉虽然单价较高，但因其活性大，用量少，且蒸汽活化安全性高，同时对汞金属亦具较优的吸附功能，是较佳的选择。喷入的位置依除尘设备的不同而异。使用布袋除尘器时吸附作用可发生在滤袋的表面，能为吸附物提供较长的停留时间，活性炭粉或焦炭粉直接喷入除尘器前的烟道内即可。使用静电除尘器时，因无停滞吸附作用，故活性炭喷入点应提前至半干式或干式洗气塔内(或其前烟管内)，以增大吸附作用时间。利用吸附作用去除PCDDs/PCDFs的方法，除活性炭粉喷入法外，也可直接在静电除尘器或布袋除尘器后端加设一含有焦炭或活性炭固定床吸附过滤器，但因过滤的速度慢(0.1～0.2m/s)，体积大，焦炭或活性炭滤层可能有自燃或尘爆的危险。
在湿式处理流程中，因湿式洗气塔仅扮演吸收酸性气体的角色，而PCDDs/PCDFs的水溶性甚低，故其去除效果不大。但在不断循环的洗涤液中，氮离子浓度持续累积，造成毒性较低的PCDDs/PCDFs(毒性仅为2，6，7，8—TCDD的千分之一)占有率较高，虽对总浓度或许影响不大，也不失为一种控制PCDDs/PCDFs毒性富量浓度的方法；若欲进一步将PCDDs/PCDFs去除，可在洗气塔低温段加入去除剂，但此种控制方式仍需进行进一步研究。
Chap 8 固体废物的热解
固体废物中有机物可分为天然的和人工合成的两类。天然的有橡胶、木材，纸张，蛋白质，淀粉、纤维素、麦杆，废油脂和污泥等。人工合成的有塑料，合成橡胶、合成纤维等。随着现代工业发展和人民生活水平的提高，人们的衣、贪、住、行中应用到有机高分子材料的机会增多，因此，在固体废物中有机物质的组分不断增加。这些废物都具有可燃性，能通过焚烧回收能量。
一、热解概念固体废物热解是利用有机物的热不稳定性，在无氧或缺氧条件下受热分解的过程。热解法与焚烧法相比是完全不同的二个过程，焚烧是放热的，热解是吸热的，焚烧的产物主要是二氧化碳和水，而热解的产物主要是可燃的低分子化合物：气态的有氢、甲烷、一氧化碳，液态的有甲醇，丙酮、醋酸，乙醛等有机物及焦油，溶剂油等，固态的主要是焦炭或碳黑。焚烧产生的热能量大的可用于发电，量小的只可供加热水或产生蒸汽，就近利用。而热解产物是燃料油及燃料气，便于贮藏及远距离输送。
二，热解原理
固体废物热解过程是一个复杂的化学反应过程。包含大分子的键断裂，异构化和小分子的聚合等反应，最后生成各种较小的分子。热解过程可以用通式表示如下：
有机固体废物＋热量→H2、CH4、CO、CO2)气体＋(有机酸、芳烃、焦油)有机液体＋炭黑＋炉渣
例如，纤维素热解3(C6H10O5) →8H2O＋C6H8O＋2CO+2CO2＋CH4＋H2＋7C
其中：C6H8O代表液态的油品。
Chap 9 可生化降解固体废物的处理与利用教学目标,
1.掌握堆肥化概念和好氧堆肥原理；
2.了解并掌握堆肥化过程；
3.熟悉好氧堆肥程序、工艺、装置并掌握好氧堆肥的影响因素；
4.掌握有机物的厌氧发酵过程；
5.理解并掌握厌氧发酵的工艺条件及其控制；
6.熟悉发酵装置－水压式沼气池并掌握其设计计算。
教学重点：好氧堆肥的影响因素；厌氧发酵的工艺条件及其控制教学难点：厌氧发酵的工艺条件及其控制学时安排：6学时
生物处理法是最主要的污水处理方法之一，人们对有机固体废物生物转换技术也进行了深入的研究。
（一）生物转换理论基础。
1.微生物的代谢作用
微生物同所有生物一样，在生命活动过程中从周围环境吸取养料，并在体内不断进行物质转化和交换作用，这种过程称之为新陈代谢，简称代谢。代谢作用大体上分二大类：物质分解及提供能量的代谢称为分解代谢；消耗能量合成生物体的代谢称为合成代谢。两种代谢是不可分割、互为依存的。
2.微生物的种类在固体废物生物处理过程中，有各种微生物与发挥作用。微生物种类繁多，大致可以作如下分类：


对于所有微生物来说，凡是生活时需要氧气的都可以称为好氧微生物，只有在无氧环境中才能生长的称为厌氧微生物，在无氧和有氧的环境中都能生活的统称为兼氧性微生物。
3.生物处理方法
根据在处理过程中起作用的微生物对氧气要求的不同，生物处理可分为好氧生物处理和厌氧生物处理两类。
(1)好氧生物处理法 这是一种在提供游离氧的条件下，以好氧微生物为主使有机物降解、稳定的无害化处理方法。固体废物存在的各种有机物(相对分子质量大、能位高)作为微生物的营养源，经过一种生化反应，逐级释放能量，最终转化成相对分子质量小、能位低物质而稳定下来，达到无害化的要求，以便利用或进一步妥善处理，使其回到自然环境中去。
(2)厌氧生物处理化 这是在没有游离氧的情况下，以厌氧微生物为主对有机物进行降解、稳定的一种无害化处理。在这种厌氧生物处理过程中，复杂的有机化合物被降解，转化为简单、稳定的化合物，同时释放能量。其中，大部分能量以甲烷形式出现，这是一种可燃气体，可回收利用。同时，仅少量有机物被转化、合成为新的细胞组成部分。
(二)固体废物生物转换技术的应用
1.堆肥化
利用有机固体废物生产堆肥，已有几千年历史。随着生产力发展和科技进步，堆肥化技术已得到不断改进。一方面，人工堆肥是有机肥，对改善土壤性能与提高肥力维持农作物长期的优质高产都是有益的，是农业、林业生产需要的；另一方面，各国有机固体废物数量逐年增加，需要对其处理的卫生要求也日益严格，从节省资源与能源角度出发，有必要把实现有机固体废物资源化作为固体废物无害化处理、处置的重要手段。有机固体废物的堆肥化能同时满足上述两方面要求，所以得到各国应有的重视。
2.沼气化
有机固体废物沼气化是另一种成熟的生物转换技术。沼气亦称生物气，是有机物质在隔绝空气和保持一定的水分、温度、酸碱度条件下，经过多种微生物的发酵分解作用产生的以甲烷为主的气体混合物。污泥厌氧消化过程产生的消化气体、城市固体废物填埋场生物降解过程中产生的生物气以及广大农村用农业废物厌氧发酵收集的气体都是沼气。因此，沼气化技术应用面十分广泛。
沼气是一种比较清洁且热值较高的气体燃料，固体废物的沼气化对节约能源、增加有机肥料、改善环境卫生都有重要作用，因而是一种经济而理想的生物转换技术。
§1 好氧生物降解制堆肥一、堆肥化概述
（一）堆肥化概念堆肥化(composting)是在控制条件下，使来源于生物的有机废物，发生生物稳定作用(Biostablization)的过程。这一定义强调，堆肥原料来自生物界，堆制过程需在人工控制下进行，不同于卫生填埋、废物的自然腐烂与腐化，堆制过程的实质是生物化学过程。
废物经过堆肥化处理，制得的成品叫做堆肥(compost)。它是一类腐殖质含量很高的疏松物质，故也称为“腐殖土”。废物经过堆制，体积一般只有原体积的50～70％。按照堆制过程的需氧程度可分为好氧法和厌氧法。
（二）好氧法堆肥原理
自然界中有很多微生物具有氧化、分解有机物的能力，而城市有机废物则是堆肥化微生物赖以生存、繁殖的物质条件。根据生物处理过程中起作用的微生物对氧气要求不同，可以把固体废物堆肥分为好氧堆肥化和厌氧堆肥化。前者是在通风条件下，有游离氧存在时进行的分解发酵过程，由于堆肥温度高，一般在55～65℃，有时高达80℃，故亦称高温堆肥化。后者是利用厌氧微生物发酵造肥。
由于好氧堆肥化具有发酵周期短、无害化程度高、卫生条件好、易于机械化操作等特点，故国内外用垃圾、污泥、人畜粪尿等有机废物制造堆肥的工厂，绝大多数都采用好氧堆肥化。下面重点对好氧堆肥化原理及过程进行说明。
好氧堆肥化是在有氧条件下，依靠好氧微生物(主要是好氧细菌)的作用来进行的。在堆肥化过程中，有机废物中的可溶性有机物质可透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物直接吸收；而不溶的胶体有机物质，先被吸附在微生物体外，依靠微生物分泌的胞外酶分解为可溶性物质，再渗入细胞。微生物通过自身的生命代谢活动，进行分解代谢(氧化还原过程)和合成代谢(生物合成过程)，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并放出生物生长、活动所需要的能量，把另一部分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，可用反应式分别表示为：
1.有机物的氧化不含氮有机物（CxHyOz）的氧化


含氮有机物（CsHtNuOv·aH2O）的氧化

2.细胞质的合成（包括有机物的氧化，并以NH3作氮源）

3.细胞质的氧化




(二)堆肥化过程好氧堆肥化从废物堆积到腐热的微生物生化过程比较复杂，但大致可分为以下三个阶段。
(1)中温阶段(亦称产热阶段) 堆肥初期，堆层基本呈中温，嗜温性微生物较为活跃，并利用堆肥中可溶性有机物旺盛繁殖。它们在转换和利用化学能的过程中，有一部分变成热能，由于堆料有良好的保温作用，温度不断上升。此阶段微生物以中温、需氧型为主，通常是一些无芽胞细菌。适合于中温阶段的微生物种类极多，其中最主要是细菌、真菌和放线菌。细菌特别适应水溶性单糖类，放线菌和真菌对于分解纤维素和半纤维素物质具有特殊功能。
(2)高温阶段 当肥堆温度升到45℃以上时，即进入高温阶段。在这阶段，嗜温性微生物受到抑制甚至死亡，嗜热性微生物逐渐代替了嗜温性微生物的活动，堆肥中残留的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在活动；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。
与细菌的生长繁殖规律一样，可将微生物在高温阶段生长过程细分为三个时期，即对数生长期、减速生长期和内源呼吸期。在高温阶段微生物活性经历了三个时期变化后，堆积层内开始发生与有机物分解相对应的另一过程，即腐殖质的形成过程，堆肥物质逐步进入稳定化状态。
(3)腐熟阶段 在内源呼吸后期，只剩下部分较难分解及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。在此阶段嗜温微生物又占优势，对残余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。降温后，需氧量大大减少，含水量也降低，堆肥物孔隙增大，氧扩散能力增强，此时只须自然通风。
二.好氧堆肥程序、工艺、装置和影响因素
(一)堆肥程序现代化堆肥生产，通常由前(预)处理、主发酵(亦可称一次发酵、一级发酵或初级发酵)、后发酵(亦可称二次发酵、二级发酵或次级发酵)、后处理、脱臭及贮存等工序组成。
1.前处理当以城市生活垃圾为主要原料时，由于其中往往含有粗大垃圾和不可堆肥化物质，这些物质会影响垃圾处理机械的正常运行，并降低发酵仓容积的有效使用，且使堆温难以达到无害化要求．从而影响堆肥产品的质量，因此，需要用破碎、分选等预处理方法去除粗大垃圾和降低不可堆肥化物质含量，并使堆肥物料粒度和含水率达到一定程度的均匀化。颗粒变小，物料表面积增加，便于微生物繁殖，可以促进发酵过程。但颗粒也不能太小，因为要考虑到保持一定程度的孔隙率与透气性能，以便均匀充分地通风供氧。适宜的粒径范围是12～60mm，最佳粒径需视物料物理性质而定。当以人畜粪便、污水污泥饼等为主要原料时，由于其含水率太高等原因，前处理的主要任务是调整水分和碳氮比，有时需添加菌种和酶制剂，以促进发酵过程正常进行。
降低水分、增加透气性、调整碳氮比的主要方法是添加有机调理剂和膨胀剂。
①调理剂是指加进堆肥化物料中干的有机物，借以减少单位体积的质量并增加与空气 的接触面积，以利于好氧发酵，也可以增加物料中有机物数量。理想的调理剂是干燥的，较轻而易分解的物料。常用的有木屑、稻壳、禾杆、树叶等。
②膨胀剂是指有机的或无机的三维固体颗粒，当它加入湿堆肥化物料中时，能有足够的尺寸保证物料与空气的充分接触．并能依靠粒子间接触起到支撑作用。普遍使用的膨胀剂是干木屑、花生壳、厂矿成粒状的轮胎、小块岩石等物质。
2.主发酵
主发酵主要在发酵仓内进行，靠强制通风或翻堆搅拌来供给氧气，供给空气的方式随发 酵仓种类而异。
在发酵仓内，由于原料和土壤中存在的微生物作用而开始发酵，首先是易分解物质分 解，产生二氧化碳和水，同时产生热量使堆温上升。这时微生物吸取有机物的碳、氮等营养成分，在合成细胞质自身繁殖的同时，将细胞中吸收的物质分解而产生热量。
发酵初期物质的分解作用是靠嗜温菌(生长繁殖最适宜温度为30～40C)进行的。随着堆温的升高，最适宜温度45～65C的嗜热菌取代了嗜温菌，能进行高效率的分解。氧的供应情况与保温床的良好程度对堆料的温度上升有很大影响。
如堆肥化过程原理中所述，后面将进入降温阶段。通常将温度升高到开始降低为止的阶段，称为主发酵期，以城市生活垃圾为主体的城市固体废物好氧堆肥化的主发酵期约为4～ 12天。
3.后发酵经过主发酵的半成品被送去后发酵。在主发酵工序尚未分解的易分解及较难分解的有机 物可能全部分解，变成腐植酸、氨基酸等比较稳定的有机物，得到完全成熟的堆肥成品。后发酵也可以在专设仓内进行，但通常把物料堆积到1～2m高度，进行敞开式后发酵，此时要有防止雨水的设施。为提高后发酵效率，有时仍需进行翻堆或通风。
后发酵时间的长短，决定于堆肥的使用情况。例如堆肥用于温床(能利用堆肥的分解热)时，可在主发酵后直接利用。对几个月不种作物的土地．大部分可以使用不进行后发酵的堆肥，即直接施用堆肥；而对一直在种作物的土地，则有必要使堆肥的分解进行到能不致夺取土壤中氮的稳定化程度(即充分腐热)。后发酵时间通常在20～30天以上。
显然，不进行后发酵的堆肥，其使用价值较低。
4.后处理经过二次发酵后的物料中，几乎所有的有机物都变细碎和变了形，数量也减少了。然而，在城市固体废物发酵堆肥时，在前处理工序中还没有完全去除的塑料、玻璃、陶瓷、金属、小石块等杂物依然存在，因此，还要经过一道分选工序以去除杂物，可以用回转式振动筛、振动式回转筛、磁选机、风选机、惯性分离机、硬度差分离机等预处理设备分离去除上述杂质，并根据需要(如生产精制堆肥)进行再破碎。
净化后的散装堆肥产品，既可以直接销售给用户，施于农田、菜园、果园，或作土壤改良剂，也可以根据土壤的情况、用户的需要，在散装堆肥中加入N、P、K添加剂后生产复合肥，做成袋装产品，既便于运输，也便于贮存，而且肥效更佳。有时还需要固化造粒以利贮存。
后处理工序除分选、破碎设备外，还包括打包装袋、压实选粒等设备，在实际工艺过程中，根据实际需要来组合后处理设备。
5.脱臭在堆肥化工艺过程中，每个工序系统有臭气产生，主要有氨、硫化氢、甲基硫醇、胺类等，必须进行脱臭处理。去除臭气的方法主要有化学除臭剂除臭；水、酸、碱水溶液等吸收剂吸收法；臭氧氧化法；活性炭、沸石、熟堆肥等吸附剂吸附法等。其中，经济而实用的方法是堆肥氧化吸附除臭法。将源于堆肥产品的腐熟堆肥置入脱臭器，堆高约0.8～1.2m，将臭气通入系统，使之与生物分解和吸附及时作用，氨、硫化氢的去除效率均可达到98％以上。也可用特种土壤(如鹿沼土、白垩土等)代替堆肥，此种设备称土壤脱臭过滤器。
6.贮存堆肥的供应期多半是集中在秋天和春天(中间隔半年)。因此．一般的堆肥化工厂有必要设置至少能容纳6个月产量的贮藏设备。堆肥成品可以在室外堆放，但此时必须有不透雨水的覆盖物。
贮存方式可直接堆存在二次发酵仓内，或袋装后存放。加工、造粒、包装可在贮藏前也可在贮存后销售前进行。要求包装袋干燥而透气，如果密闭和受潮会影响堆肥产品的质量。
(二)发酵工艺与装置
1.间歇式发酵工艺与装置
(1)间歇式发酵工艺：间歇式发酵工艺是将原料一批一批地发酵，一批原料堆积之后不再添加新料，待完成发酵成为腐殖质运出。由于该艺的一次发酵周期只需10天左右，故可加快发酵池的周转，建池数量可比周期30天的一次发酵方式减少2/3，还由于第一次发酵后将非堆腐物排除，可使堆肥体积减少l/2，此外，因堆肥由一次发酵转入二次发酵时，经过机械翻倒，故加快了腐熟化进程，缩短了发酵周期。
(2)间歇式发酵装置：间歇式发酵装置有长方形池式发酵仓、倾斜床式发酵仓、立式圆筒形发酵仓等，并各配设通风管，有的还配设搅拌装置。
2.连续发酵工艺与装置
连续发酵工艺采取连续进料和连续出料方式发酵，原料在一个专设的发酵装置内完成中温和高温发酵过程。这种系统除具有发酵时间短，能杀灭病源微生物外，还能防止异味，成品质量比较高，已在美国、日本、欧洲广为采用。
连续发酵装置有多种类型，但基本上可分为立式和卧式两大类。以丹诺发酵器和桨叶式发酵塔为代表。
(三)影响因素影响堆肥化过程(特别是主发酵)的因素很多，对于快速高温二次发酵堆肥工艺来说，通风供氧、堆料含水率、温度是最主要的发酵条件，其他尚有有机质含量、碳氮比、碳磷比、pH值等。
1.通风的作用及控制
a.微生物氧化分解有机物需要氧气通风供氧是好氧堆肥化生产的基本条件之一，在机械堆肥生产系统里，要求至少有50％的氧渗入到堆料各部分，以满足微生物氧化分解有机物的需要。
堆层中氧的浓度和耗氧速率能表征微生物活动的强弱和有机物的分解程度。下图是用有机物含量不同的生活垃圾制堆肥时，耗氧速率变化的典型曲线。由图可知，微生物的耗氧速率一般在发酵反应的60～80小时达到峰值，在200小时左右时进入初步稳定阶段，耗氧速率变化缓慢。曲线还表明，堆肥原料中有机物含量不同，其耗氧速率也不同，有机物含量越高，耗氧速率上升越快，到达峰值的时间越短。


有关研究指出，堆肥过程适宜的氧浓度为14～17％，最低不应小于10％，一旦低于此限，好氧发酵将会停止，此外，由于氧气转变成为当量的CO2，故也可用CO2的生成速率来表征堆肥的耗氧速率。
通风量主要决定于堆肥原料有机物含量、挥发度(％)，可降解系数(分解效率％)等，可用下式推算出理论上氧化分解需要的氧气量，再折算成理论空气量。为便于估算需氧化量包括供料可降解度，提出如下的化学计量式：


式中，r=0.5[b-nx-3(c-ny)]；
s=a-nw；n为降解效率(摩尔转化率<1)；
CaHbNcOd和CwHxHyOx分别代表堆肥原料和堆肥产物的成分。
例题,用一种成分为C31H50NO26的堆肥物料进行实验室规模的好氧堆肥化试验。试验结果，每1000kg堆料在完成堆肥化后仅剩下200kg，测定产品成分为CllHl4NO4，试求每1000kg物料的化学计算理论需氧量。
解 (1)计算出堆肥物料C31H50NO26千摩尔质量为852kg，则参加过程的有机物摩尔数=(1000/852)kmol=1.173kmol；
(2)堆肥产品CllHl4NO4的千摩尔质量为224kg，可算出每摩尔参加过程的残余有机物摩尔数即n=200/(1.173×224)=0.76；
(3)由已知条件：a=31，b=50，c=1，d=26，w=11，x=14，z=1，y=4。可以算出
r=0.5[50-0.76×14-3(1-0.76×1)]=19.32
S=31-0.76×11=22.64
(4)所需的氧量为：
W=[0.5(0.76×4+2×22.64+19.32-26) ×1.173×32]kg=781.5kg
实际的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。主发酵强制通风的经验数据如下：静态堆肥取0.05～0.2m3/(min·m3)堆料，动态堆肥则依生产性试验确定。
b.通风方法与控制
常用的通风方式有：①自然通风供氧；②向肥堆内插入通风管(主要用在人工土法堆肥工艺)；③利用斗式装载机及各种专用翻推机横翻堆通风；④用风机强制通风供氧。后两者是现代化堆肥厂主要采用方式。
2.含水率及其调节与控制微生物需要从周围环境中不断吸收水分以维持其生长代谢活动，微生物体内水及流动状态水是进行生化反应的介质，微生物只能摄取溶解性养料，水分是否适量直接影响堆肥发酵速度和腐熟程度，所以含水率是好氧堆肥化的关键因素之一。下图是垃圾含水率与细菌生长和氧摄人量的关系曲线，其中微生物的生长和对氧的要求均在含水率为50～60％时达到峰值。故在用生活垃圾制堆肥时，一般以含水率55％为最佳。通常，生活垃圾的含水率均低于此值，可添加粪便或污水污泥等进行调节。添加的调节剂与垃圾的重量比，可根据下式求出：


式中,M－调节剂与垃圾的重量(湿重)比；
Wm、Wc、Wb－分别为混合原料含水率、垃圾含水率，调节剂含水率。


当以城市垃圾为主要堆肥原料时，有时含水率偏低，常可配以粪水或污泥来调节水分，也可用一定量的回流堆肥来进行调节。堆肥物料的水分调节可根据采用回流堆肥工艺的物料平衡进行。下图是好氧堆肥化物料平衡图。图中：Xc－城市垃圾原料的湿重；Xp－堆肥产物的湿重；Xr－回流堆肥产物的湿重；Xm－进入发酵混合物料的总湿重；Sc－原料中固体含量(质量分数)，％；Sp=Sr－堆肥产物和回流堆肥的固体含量(质量分数)，％；Sm－进入发酵仓混合物料的固体含量(质量分数)，％。


作物料平衡计算如下：
湿物料平衡式 Xc+Xr=Xm (1)
干物料平衡式 ScXc+SrXr=SmXm (2)
将式(1)代入式(2)中，得关系式
ScXc+SrXr=Sm(Xc+Xr) (3)
令Rw为回流产物湿重与垃圾原料湿重之比，称为回流比率，则
Rw=Xr/Xc (4)
由式(3)变形得 Xr(Sr-Sm)=Xc(Sm-Sc)
即 Xr/Xc=(Sm-Sc)/(Sr-Sm)
故 Rw=Xr/Xc=(Sm-Sc)/(Sr-Sm) (5)
如令Rd为回流产物的干重与垃圾原料干重之比，则
Rd=SrXr/(ScXc) (6)
将式(3)变形，方程两边各除以ScXc，得
1+Rd=SmXc/(ScXc)+SmXr/(ScXc)=Sm/Sc+SmXr/(ScXc)×(Sr/Sr)
=Sm/Sc+Sm/Sr×Rd
即 Rd(1-Sm/Sr)=Sm/Sc-1
可整理得关系式
Rd=(Sm/Sc-1)/(1-Sm/Sr) (7)
方程式(5)或式(7)能用来计算所需要的以干重或湿重为条件的回流比率。
当以脱水污泥滤饼等湿度大的物料为主要原料时，回流堆肥调节水分是常用的方法。其计算例题如下。
例题 拟采用堆肥化方法处理脱水污泥滤饼，其固体含量Sc为30％，每天处理量为10t(以干物料基计算)，采用回流堆肥(其Sr为70％)起干化物料作用，要求混合物Sm为40％，试用两种基准计算回流比率，并求出每天需要处理的物料总量为多少吨?
解 (1)由前述式(7)可计算干基回流比率：


(2)由前述式(5)可计算湿基回流比率：


(3)可根据Rd或Rw算出每天需处理物料的总量(湿)。
总量＝污泥饼量+回流堆肥量由Rd：总量=[(10÷0.30)+(10×0.777)÷0.30]t/d=44.4t/d
由Rw：总量=[(10÷0.30)+(10×0.333)÷0.33]t/d=44.4t/d
可见，两种方法算出物料总量是一致的。
对堆肥化混合物进行水分控制时，无论是否使用回流堆肥都可以掺加调理剂。干调理剂对控制湿度较有利。如只用调理剂而不用堆肥回流时，则前述物料平衡及计算关系式只需要用Xa、Sa取代Xr及Sr即可求解。但往往消耗大量调理剂(Xa—有机调理剂总湿重；Sa－调理剂的固体含量，质量分数，％)。下面是同时使用回流堆肥调理剂及单独使用调理剂的计算例题。
例题 设污泥饼中加入回流堆肥和调理剂以控制湿度。选用的有机调理剂是锯末，其固体含量Sa为70％，脱水泥饼和回流堆肥中分别含25％和60％的固体。污泥饼、堆肥和调理剂按比例1：0.5：0.5湿重混合。试求混合物的固体含量(质量分数)。
解 (1)按污泥饼的单位质量加入混合物，在混合物中相应的固体和水分含量：
固体＝l×0.25+0.5×0.60+0.5×0.70＝0.9
水＝1×0.75+0.5×0.40+0.5×0.30＝1：1
因此，混合物的总重为2.0g/g(污泥饼)，混合物的固体含量为：
Sm=0.9÷(1.1+0.9)=0.45
(2)若不用回流堆肥，要得到相同的混合物固体含量所需调理剂量可由下述方程来确定：
Rw=(Sm-Sc)/(Sr-Sm)
由于没有使用回流堆肥物，可用Sa取代Sr得到：
Rw=Xa/Xc=(Sm-Sc)/(Sa-Sm)=(0.45-0.25)/(0.70-0.45)=0.80
因此，污泥饼和调理剂将按湿基重1：0.8的比例混合。
3.有机物的含量
堆肥物料适宜的有机物含量为20～80％，有机物含量过低，不能提供足够的热能，影响嗜热菌生长，难以维持高温发酵过程。有机物含量大于80％时，堆制过程要求大量供氧，实践中常因供氧不足而发生部分厌氧过程。
4.碳氮比
微生物每利用30份碳就需要1份氮，故初始物料的碳氮比为30：1合乎堆肥需要，其最佳值在26：1～35：1之间。成品堆肥的适宜碳氮比为10：1～20：1之间。由于初始原料的碳氮比一般都高于前述最佳值，故应加入氮肥水溶液、粪便、污泥等调节剂，使之调到30以下。当有机原料的碳氮比为已知时(可通过分析测出)，可按下式计算所需添加的氮源物质的数量：


式中：K—混合原料的碳氮比，通常取最佳范围值，配合后为35：1；
C1、C2、N1、N2—分别为有机原料和添加物料的碳、氮含量
5.温度
下图是堆温与CO2生成速率的关系曲线。从中可知，整个堆肥过程的较佳温度是35～55℃。有机物含量对堆肥温度有一定影响。据报导，当有机物含量由20％上升到50％时，相应地初堆时间(以55℃为界)，可由原来的60小时缩短到44小时，而55℃以上的稳定时间可由56小时延长到72小时。
6.pH
好氧堆肥初期，pH值一般可下降为5～6，尔后又开始上升，发酵完成前可达8.5～9.0，最终成品达到7.0～8.0对用石灰调节再经真空过滤或加压脱水得到的污泥滤饼，其pH值一般可高达12，当采用此种污泥滤饼作堆肥原料时，需作pH值调整。
堆肥过程对上述各影响因素，特别是耗氧速率，水分和有机物含量三项理论参数的控制特别重要。


6.碳磷比（C/P）
碳和氮对营养微生物的繁殖是必要的。此外，磷也是非常必要的元素，磷的含量对发酵起很大的影响。有时在垃圾发酵时，添加污泥的原因之一就是污泥含有丰富的磷。堆肥适宜的C/P为75～150。
三.堆肥质量四.堆肥的农业效用
§2 厌氧发酵制沼气一.有机物的厌氧发酵过程有机物厌氧发酵依次分为液化、产酸、产甲烷三个阶段(如图所示)，每一阶段各有其独特的微生物类群起作用。液化阶段起作用的细菌称为发酵细菌，包括纤维素分解菌，脂肪分解菌，蛋白质水解菌。产酸阶段起作用的细菌是醋酸分解菌。这两个阶段起作用的细菌统称为不产甲烷菌。产甲烷阶段起作用的细菌是甲烷细菌。


在液化阶段，发酵细菌利用胞外酶对有机物进行体外酶解，使固体物质变成可溶于水的物质，然后，细菌再吸收可溶于水的物质，并将其酵解成为不同产物。
在产酸阶段，产氢、产醋酸细菌把前一阶段产生的一些中间产物丙酸、丁酸、乳酸，长链脂肪酸、醇类等进一步分解成醋酸和氢。
在产甲烷阶段，甲烷菌利用H2/CO2醋酸以及甲醇、甲酸、甲胺等C1类化合物为基质，将其转化成甲烷。其中，H2/CO2和醋酸是主要基质。一般认为，甲烷的形成主要来自H2还原CO2和醋酸的分解。根据对中间产物转化成甲烷的过程所作的研究发现醋酸是厌氧发酵中最重要的中间产物。
二.发酵原料堆肥原料都可以作沼气发酵原料。
(一)常见沼气发酵原料的理论产气量计算沼气发酵原料的理论产气量，可先分别测定每种发酵厨料中碳水化合物、蛋白质、脂类化合物的含量，然后依据下式计算甲烷的产量(E)；
E=0.37A+0.49B+1.04C
式中E－每克发酵原料的理论产甲烷量，L；
A、B、C－分别为每克发酵原料中碳水化合物、蛋白质、脂类化合物的重量g。
然后，再依下式计算二氧化碳的理论产量(D)
D=0.37A+0.49B+0.36C
式中：D-每克发酵原料的理论二氧化碳产量，L；
通过测定和用上式计算得出常用沼气发酵原料的组分和理论产气量列于教材p247表9－5中。
(二)原料的产气率和甲烷含量沼气发酵原料产生率是指单位重量的原料在发酵过程中产生的沼气量。我国通常用原料所含总固体(TS)的量作原料单位表示原料的产气量。教材p248表9－6中列出了常用沼气发酵原料以及原料中主要化学成分(碳水化合物，蛋白质和脂类)的沼气产气率和甲烷含量。
(三)原料的总固体百分含量和总固体量原料的总固体百分含量和总固体量可按下式计算：


式中：MTS－发酵原料总固体百分含量，
W1—发酵原料样品重量，
W2—样品在105土2℃条件下烘干衡重量，
W—发酵原料重量，
WTS—发酵原料所含总固体量。
例题：有1000kg猪粪，从中称取10g样品，在105℃烘至恒重后的量为1.95g，求其总固体百分含量和总固体量。
解：

（四）原料的碳氮比厌氧发酵原料的适宜碳氮比为20：1～30：1，碳氮比达到35：1时，产气量明显下降。为了使发酵过程有一个较高的产气量，可以降原料适当配合，形成适宜厌氧发酵的混合原料。
1.混合原料碳氮比的计算依据下式可以计算混合原料的碳氮比，或者按要求的碳氮比计算搭配原料的数量。


式中：K－混合原料的碳氮比；
C、N－分别为原料中碳、氮含量，％；
X－原料的重量，kg。
例题：人粪和猪粪各100kg，配合成碳氮比为25：1的混合发酵原料，需要多少稻草？
解：设稻草为X1kg，查表可知稻草中C1为42％，N1为0.63％；人粪中C2为2.5％，N2为0.85％，猪粪中C3为7.8％，N3为0.6％，则：


2.发酵料浆的配制计算原料配制成料浆，可根据料浆中所要求的总固体百分含量，计算加水量。


式中：MTS－沼气发酵料浆中总固体百分含量；
X－各种原料（包括水）的重量；
M－各种原料总固体的百分含量。
例题：人粪100kg，含总固体量20％；猪粪100kg，含总固体量20％；稻草98.9kg，含总固体量90％。将其配置成总固体含量为6％的发酵料浆，需加多少水（W）？
解：根据上式有：


W＝1851kg。
三、厌氧发酵的工艺条件及其控制
(一)厌氧条件
厌氧发酵是一个生物学的过程，它最显著的一个特点是有机物质在无氧的条件下被某些微生物分解，最终转化成甲烷和二氧化碳。产酸阶段的不产甲烷微生物大多数是厌氧菌，需要在厌氧的条件下，把复杂的有机物质分解成简单的有机酸等。而产气阶段的产甲烷细菌更是专性厌氧菌，不仅不需要氧，氧对产甲烷细菌反而有毒害作用，因此，必须创造厌氧的环境条件。
有学者研究指出，甲烷菌的生长需要严格的厌氧环境，在有氧的环境中，甲烷茵不增长而受到抑制，但并不死亡。
消化池中除产甲烷菌以外，还有大量的不产甲烷细菌。不产甲烷细菌中有好氧菌、厌氧菌和兼性厌氧菌。这些菌构成了一个复杂的生态系。因此，游离态氧对产甲烷细菌的影响就不像纯粹培养产甲烷细菌时那样严重。沼气池中原来存在的以及装料时带入的一些空气对沼气发酵并没有什么危害，因为只要沼气池不漏气，这点空气(氧气)很快就会被其他一些好氧菌和兼性厌氧菌利用掉，并为产甲烷细菌创造良好的厌氧环境。
(二)温度
沼气发酵与温度有密切的关系。一般来讲，池内发酵液温度在10℃以上，只要其他条件配合得好(如酸碱度适宜、发酵菌多)就可以开始发酵，产生沼气。不过在一定范围内，温度愈高微生物活性愈强。多年的试验结果表明，代谢速度在35～38℃有一个高峰，50～65℃有另一高峰。一般厌氧发酵常控制在这两个温度内，以获得尽可能高的降解速度。前者称为中温发酵，后者称为高温发酵，低于20℃的称为常温发酵。对于高浓度的发酵浆料(如城市污水污泥、粪便等)，为了提高发酵速度、缩小厌氧发酵设备体积和改善卫生效果，对浆料、沼气池进行加热和保温可能是合理的，也常为生产者所采用。
甲烷菌对温度的急剧变化非常敏感，即使温度只降低2℃，也能立即产生不良影响，产气下降，温度再次上升才又开始慢慢恢复其活性。另一方面，如果温度上升过快，当出现很大温差时会对产气量产生不良影响。因此，厌氧发酵过程还要求温度相对稳定，一天内的变化范围在2℃以内为宜。
就农村沼气生产而言，在我国一般都是在常温下进行，这样做不仅可以减少能耗，而且设备简单。但是温度对生产能力的影响十分明显。据研究，中国沼气池由于置于地面以下，直接影响发酵温度的因素是地温，而不是气温，气温仅仅是间接影响。地温是随气温总的变化趋势而逐步地、有规律地变化。因而，沼气池的发酵温度与地温变化相对应，也是有规律地进行变化。急剧的气温变化仅仅对近地表面的土壤温度有影响，距地表愈深，影响愈小。发酵温度的变化与所处位置的地温变化基本一致。值得注意的是冬季距地表面愈深，地温愈高。因此，建池于地面以下有利于保温。
(三)pH值
厌氧发酵微生物细胞内细胞质的pH一般呈中性反应，同时，细胞具有保持中性环境、进行自我调节的能力。因此，厌氧发酵菌可以在较广的pH范围内生长，在pH5～10范围内均可发酵．不过以pH7～8为最适(称之为最适pH)。过酸或过碱则开始产气的时间来得缓慢，产气量少。pH起始不同(5～10)，经沼气发酵以后都有变化，终止pH都接近中性或微碱性。
厌氧发酵过程中，pH值也有规律地变化。发酵初期大量产酸，pH值下降；随后，由于氨化作用的进行而产生氨，氨溶于水，形成氢氧化铵，中和有机酸使pH回升，使pH保持在一定的范围之内，维持pH环境的稳定。在正常的厌氧发酵中，pH有一个自行调节的过程，无需随时调节。这是由于发酵过程中碳水化合物转化成等体积的二氧化碳和甲烷气体，反应式如下：
(C6H10O5)+xH2O→xC6H12O6→3xCH4+3xCO2
不过，产生的二氧化碳不是作为气体释放，而是与水反应：
CO2+HOH→H2CO3→H++HCO3
另外，由于微生物的脱氨作用，从蛋白质中脱下胺基形成氨，氨与水反应，形成氢氧化铵
NH3+HOH→NH4++OH-
铵离子与碳酸氢根离子作用，形成碳酸氢铵(NH4HCO3)。碳酸氢铵具有缓冲能力，使发酵液保持中性。
另外，在人畜粪便和其他有机废弃物中常含有许多具有缓冲作用的物质。因此，在发酵过程中，一般不需要进行调节。
为了顺利地进行厌氧发酵，使产气早，产气量(率)高，须调节好启动的pH值，以调到pH值为7.5～7.8左右为好。发酵过程中，除一次添加过量的新鲜作物秸秆或青草等易产酸的原料，造成发酵液酸化，pH值下降，需要及时调节pH值以外，一般来讲，在发酵过程中，无需调节pH值。即使在某些废水处理中，原料的pH值不在7～8之间，只要发酵运行正常，流出液pH值在7～8范围之内，每天添加少量新料时，也无需调节。
在大中型消化器投料时，应根据pH值来控制投料量。若投料量过多，形成冲击负荷，容易引起产酸菌过分发展，使pH值过低，抑制甲烷菌的生命活动。投料前的pH值应以7.5～7.8为宜，投料后pH值不应低于6.5。如低于6.0，则应停止进料，并调节池内pH值。
调节pH值，可在过酸时用石灰乳进行调节。石灰乳调节的好处为价廉，同时钙离子对沼气发酵的毒性比钠和钾离子为小，并能与产生的二氧化碳作用，形成不溶性的碳酸钙沉淀。pH值高于8时可适当加牛、马粪便(牛、马粪便呈酸性，pH5～6)，并加水冲淡。
(四)搅拌搅拌的目的是使发酵原料分布均匀，增加微生物与发酵基质的接触，也使发酵的产物及时分离，从而提高产气量。
四.发酵装置－水压式沼气池
厌氧发酵装置是微生物分解转化废物中有机质的场所，是厌氧发酵工艺中的主体装置，亦称为消化器。消化器品种繁多，设计布局变化无穷，没有一种简单的类型是完全理想的。这是因为有许多因素影响其结构和设计方案，还必须考虑特殊情况和环境条件。但是消化器的设计有着基本要求，并且常见类型在设计原理和应用范围方面还有着基本的区别。
消化器基本设计要求
厌氧发酵处理废物的不同，因而厌氧发酵工艺也不相同，但消化器和消化工艺应满足下列基本要求：
(1)应最大限度地满足沼气微生物的生活条件，要求消化器内能保留大量的微生物；
(2)应具有最小的表面积，有利于保温增温，使其热损失量最少；
(3)要使用很少的搅拌动力，使整个消化器混合均匀；
(4)易于破除浮渣，方便去除器底沉积污泥；
(5)要实现标准化、系列化、工厂化生产；
(6)能适应多种原料发酵，且滞留期短；
(7)占地面积少，且便于施工。
(一).结构与工作原理
(二)设计
1.设计参数设计水压式沼气池时，需掌握的主要参数如下：
(1)气压：7480Pa(即80cm水柱)为宜。
(2)池容产气率：池容产气率系指每立方米发酵池容积1昼夜的产气量，单位为m3沼气/(m3池容·d)。我国通常采用的池容产气率包括0.15、0.2、0.25和0.3几种。
(3)贮气量：贮气量系指气箱内的最大沼气贮存量。农村家用水压式沼气池的最大贮气量以12小时产气量为宜，其值与有效水压间的容积相等。
(4)池容：池容系指发酵问的容积。农村家用水压式沼气池的池容积有4、6、8、10m3等几种。
(5)投料率；投料率系指最大限度投入的料液所占发酵间容积的百分比，一般在85～95％之间为宜。
2.发酵间的设计水压式沼气池发酵间的设计可按下列步骤进行：
(1)确定池容

(1)
(2)确定贮气量

(2)
(3)计算圆筒形发酵间容积：圆筒形发酵间由池盖、池身、池底组成（如图所示）。三部分的容积计算公式如下：



(3)

(4)

(5)
式中：V1、V2、V3－分别是池盖容积、池底容积、池身容积；
f1、f2－分别为池盖矢高、池底矢高；
r1－池盖曲率半径，它与其他尺寸的关系为：

(6)
r2－池底曲率半径，它与其他尺寸的关系为：

(7)
R－池体内径；
H－池身高度；
综合圆形沼气池的内力结构计算、材料用量计算和施工、管理、使用技术等各种因素，一般认为，当池盖矢跨比
，池底矢跨比
和池身高
（对于4、6、8、10m3容积的小型沼气池可取H＝1m）时，沼气池的尺寸比较合理。
这样，一旦发酵间某一尺寸被确定以后，可算出其他部分的尺寸。
例题：已知：D＝2.4m，求f1、f2，H等尺寸。
解：





有了以上尺寸，池容就不难求出了。
此外，还可以用合理的尺寸比例，来确定已知池容的发酵间各部分尺寸。
例题：已知某圆形发酵间容积为10m3，试用合理尺寸确定f1、f2、D、R、H等的尺寸。
解：将
分别代入式(4)(5)(6)后进行整理，得：










(4)确定进出料管安装位置：水压式沼气池进出料管的水平位置一般都确定在发酵间直径的两端。
进出料管的垂直位置一般都确定在发酵间的最低设计液面高度处。该位置的计算方法如下：
①计算死气箱拱的矢高：即池盖拱顶点到发酵间的最高液面O-O位置的距离，如图所示。其中死气箱拱的矢高（f死）可按下式计算。




式中：h1－池盖拱顶点到活动盖下缘平面的距离(计算过程略去)，对65cm直径的活动盖，该值在10～15cm之间；
h2－导气管下露出长度，取3～5cm；
h3一导气管下口到O—O液面距离，一般取20--30cm。
②计算死气箱客积(V死)


式中：V死、f死、r1－分别为死气箱容积、死气箱矢高，池盖曲率半径。
③求投料率：根据死气箱容积，可计算出沼气池投料率，公式是：


式中V、V死－分别为沼气池容积和死气箱容积m3。
④计算最大贮气量(V贮)


⑤计算气箱总容积(V气)
V气＝V死+V贮
式中：V气、V死、V贮－分别为沼气池气箱总容积。死气箱容积和有效气箱容积(最大贮气量)。
⑥计算池盖容积(V1)


式中V1、f1、R--分别为池盖容积，池盖矢高和池体内径。
⑦计算发酵间最低液面位A－A
对一般沼气池来说，V气均大子V1，也就是说，A--A液面位置在圆筒形池身范围内。此时，要确定进、出料管的安装位置，应按下式先算出气箱在圆筒形池身部分的容积(V筒)：
V筒＝V气－V1
由于

因此

式中：h筒－圆筒形池身内气箱部分的高度，
R—圆筒形池身半径。
A－A液面位在池盖与池身交接平面以下h筒的位置上。这个位置也就是进出料管的安装位置。
例题,有一口6m3圆筒形水压式沼气池，D＝2.4m，f1＝0.48m，r1＝1.73m，池容产气率为0.35m3沼气/(m3池容·d)，求进出料管的竖直安装位置。
解：①计算死气箱拱的矢高
设h1＝12cm，h2＝5cm，h3＝25cm，
则f死＝h1+h2+h3 =42(cm)
②求死气箱容积(V死)


③求投料率


④求最大贮气量(V贮)


⑤求气箱总容积(V气)
V气＝V死+V贮 ＝0.88＋1.05＝1.93（m3）
⑥计算池盖容积(V1)

，因此，A－A液面位置在池身内。
⑦求A－A液面位置
V筒＝V气－V1＝1.93－1.14＝0.79(m3)


此即A－A液面位置，也即进出口料管安装位置在圆筒池身墙下0.175m处。
3.水压间的设计水压间的设计包括确定以下三个尺寸：
(1)水压间的底面标高：此标高应确定在发酵间初始工作状态时的液面位置O－O水平。
(2)水压间的高度(ΔH)：此高度应等于发酵间最大液位下降值(H1)与水压间液面最大上升值(H2)之和，即ΔH＝H1+H2
(3)水压间容积：此容积等于池内最大贮气量。
五、城市污水污泥与粪便的厌氧发酵处理
(一)污水污泥厌氧消化处理本世纪20年代，一些工业发达国家，为提高污水沉淀和污泥厌氧发酵效率，研究出将沉淀与发酵装置分建的工艺，发展起来污泥消化池。它的结构、工作原理和容积设计计算等，在水污染控制工程中介绍。
(二)粪便厌氧发酵处理城市粪便，根据人口聚居状况，有两种厌氧发酵处理工艺：化粪池处理和厌氧发酵池处理。
(1)化粪池：化粪池也叫腐化池，是上个世纪末发展起来的粪便发酵处理系统。由于粪便发酵产生难闻臭气，故只在农村分散孤立的建筑中使用。由于它管理方便，不需要消耗能源，故近年来，又受到城镇的关注，用来处理粪便和污水。
①化粪池的工作原理：它兼有污水沉淀和污泥发酵双重作用。粪水流入化粪池后，速度减慢。在一个标准化粪池中，粪水停留时间为12～24小时,比重大的悬浮固体下沉到池底。化粪池大约可将70％的悬浮固体抑留下来。被抑留的悬浮固体受厌氧菌的分解作用，产生气体上浮，将分解后的疏松物质牵引到液面，形成一层浮渣皮。浮渣中的气体逸散后，悬浮团体再次下沉成为污泥。如此反复分解、消化，浮渣和污泥逐渐液化，最终，容积只有原悬浮固体的1％。
②化粪池容积及其计算公式：化粪池容积按其应接纳的粪便污水量和污水在池内的停留时间计算确定。目前，化粪池的发展是趋向大型化，最小者不小于4吨，液体容量不小于2.8吨。其容积(V)可根据下式求算；


式中：E--服务人口，人，
Q－每人每天污水量，L；
Tq－污水在池内停留时间，一般取0.5－1.0d；
S－每人每天污泥量，一般取0.8－1.0L；
Ts－清泥周期，一般按100—360d；
C－污泥消化体积减小系数，一般为0.7；
PW－生污泥含水率，一般为95％；
PW'－池内污泥含水率，上部下部平均取95％。
习题5：要求池容50m3，求发酵间各部分的尺寸，进出料管位置。
解：将
分别代入式(4)(5)(6)后进行整理，得：










计算死气箱拱的矢高
设h1＝15cm，h2＝5cm，h3＝30cm，
则f死＝h1+h2+h3 =50(cm)
求死气箱容积(V死)


求投料率


求最大贮气量(V贮)


求气箱总容积(V气)
V气＝V死+V贮 ＝2.610＋8.75＝11.36（m3）
计算池盖容积(V1)

，因此，A－A液面位置在池身内。
A－A液面位置
V筒＝V气－V1＝11.36－9.230＝2.13(m3)


此即A－A液面位置，也即进出口料管安装位置在圆筒池身墙下0.117m处。
Chap 10 固体废物的最终处置教学目标,
1.了解常用的固体废物处置方法；
2.掌握卫生土地填埋的应用条件及其污染物产生和控制措施；
3.安全土地填埋应用条件及其污染物产生和控制措施，安全卫生填埋场的设计；
教学重点：卫生土地填埋的应用条件及其污染物产生和控制措施教学难点：卫生土地填埋中污染物的产生及其控制措施学时安排：2学时
§1 处置方法概述固体废物的最终处置主要分为海洋处置和陆地处置两大类。海洋处置主要分两类：一是海洋倾倒，另外是远洋焚烧；陆地处置最主要的是土地填埋、深井灌注等。
§2 卫生土地填埋一.土地填埋处置技术的分类固体废物的土地填埋是一项最终处置技术，也是固体废物最终处置的一种主要方法。土地填埋处置根据废物种类及有害物质释放出需要控制的水平分为4类。即安全土地填埋、工业土地填埋、卫生土地填埋和惰性填埋。
惰性填埋是土地填埋处置的一种最简单的方法。主要用于将建筑废石等惰性废物直接埋入地下。
工业废物土地填埋适于处置工业无害废物，因此场地的设计操作原则不如安全土地填埋那样严格，如场地下部土壤的渗透率仅要求为10-5cm/s。
卫生土地填埋是处置一般固体废物，而不会对公众健康及环境安生造成危害的一种方法，主要用来处置城市垃圾。
安全土地填埋是一种改进的卫生土地填埋方法，还称为化学土地填埋或安全化学土地填埋。安全土地填埋主要用来处置有害废物，因此对场地的建造技术要求更为严格。如衬里的渗透系数要小于10－8cm/s，浸出液要加以收集和处理，地表径流要加以控制等。
目前采用较多的是卫生土地填埋，安全土地填埋。
二.场地的选择
(一)基本方法卫生土地填埋是把运到土地填埋场地的废物在限定的区域内铺成40～75cm的薄层，然后压实以减少废物的体积，并在每天操作之后用一厚15～30cm的土壤覆盖，压实。废物层和土壤覆盖层共同构成一个单元，称填筑单元。具有同样高度的一系列相互衔接的填筑单元构成一个升层。完成的卫生土地填埋场是由一个或多个升层组成的。当土地填埋达到最终的设计高度之后，再在该填埋层之上覆盖一层90～120cm的土壤，压实后就成为一个完整的卫生土地填埋场。
卫生土地填埋主要分厌氧，好氧和半好氧三种。广泛采用的是厌氧式填埋，它具有操作简单，施工费用低，并可回收甲烷气体。好氧和半好氧式填埋温度高，降解速度快，但工艺复杂，费用较高，尚未实际应用。
(二)场地选择场地的选择是卫生土地填埋场全面规划的第一步，需要考虑以下因素：
(1)废物：依据废物的来源、种类、性质和数量确定场地的规模；
(2)地形：要便于施工操作，避开洼地，泄水能力强，可处置至少20年填埋的废物量；
(3)土壤：要容易取得覆盖土壤，土壤容易压实，防溶能力强；
(4)水文：地下水位应尽量低，距最下层填埋物至少1.5m；
(5)气候：要蒸发大于降雨，避开高寒区；
(6)噪声：要使运输及操作设备噪声不影响附近居民的工作和休息；
(7)交通：要方便，具有能够在各种气候下运输的全天候公路；
(8)土地征用：要容易征得，且比较经济；
(9)开发：要便于开发利用。
(三)场地的设计,
1.场地的面积和容量
卫生土地填埋场地的面积和容量与城市的人口数量、垃圾的产率、填埋场的高度、垃圾与覆盖材料量之比，以及填埋后的压实密度有关。通常，覆土和填埋垃圾之比为1：4或1：3，填埋后废物的压实密度为500～700kg/m3，场地的容量至少供使用20年。
每年填埋的废物体积可按下式计算,


式中：V为一年填埋的垃圾体积m3；W为垃圾产率kg/人·天；P为城市人口数；D为填埋后废物压实密度kg/m3；C为覆土体积，m3。
如果已知填埋高度为H，则每年所需土地面积为：
A＝V/H
设计实例：一个10万人口的城市，平均每人每天产生垃圾1kg，采用卫生土地填埋法处置，覆土与垃圾之比为1：4，填埋后废物压实密度为600 kg/m3，求一年填埋垃圾的体积。
解：

预定填埋高度为7.5m，每年占地面积为A1＝76041/7.5=10138.8(m2)
设计场地运营20年，则填埋场面积为A20＝10138.8×20＝202776（m2）
场地的总容量为V20＝76041×20＝1520820（m3）
2.地下水保护系统
（1）浸出液（渗滤液）的生成卫生土地填埋场内会产生一定数量的浸出液，其数量和性质与许多因素有关。浸出液的主要来源如下：
(a)降水：降水包括降雨和降雪，它是浸出液产生的主要来源，影响浸出液产生数量的降雨特性有降雨量、降雨强度、降雨频率、降雨持续时间等。降雪和浸出液生成量的关系受降雪量，升华量．融雪量等影响。在积雪地带，还受融雪时期或融雪速度的影响。一般，降雪量的十分之一相当于等量的降雨量。确切数量可根据当地的气象资料确定。
(b)地表径流：地表径流是指来自场地表面上坡方向的径流水，对浸出液的产生数量也影响较大。具体数量取决于填埋场地周围的地势、覆土材料的种类及渗透性能，场地的植被情况及有无排水设施等。
(c)地下水；如果填埋场地的底部在地下水位以下，地下水就可能渗入填埋场内，浸出液的数量和性质与地下水同垃圾的接触量、接触时间及流动方向有关。如果在设计施工中采取防渗措施，即可避免地下水的渗入。
(d)垃圾含水；除垃圾自身含水外，垃圾中的有机组分在填埋场内经厌氧分解会产生水分，其产生量与垃圾的组成，pH，温度和菌种等因素有关。
此外，浸出液量还与填埋操作方式有关。例如与污泥混合填埋时，不管污泥的种类及保水能力如何，通过一定程度的压实，污泥中总有相当量的水分变成浸出液而流出。
浸出液的产生量可根据填埋场水的收支平衡关系来确定。下图为土地填埋场水的平衡示意图。由图可以看出，作为输入的流入水，有降雨、地表径流流入水、地下涌出水及废物含水和分解水；作为输出的流出水有地表径流流出水、蒸发散失水、地下渗出水和浸出液。


地表径流流出水为从场地流出的地表径流水，其数量取决于场地的地势、植被、植被面积、坡度等封场条件。
地下渗出水为从填埋场渗入到地下的水分，其中包括通过衬里释入地下的水量。
蒸发散失水为由填埋表面蒸发和植物蒸散作用而散发逸出的水分。土壤表面蒸发与土壤的种类、温度、湿度、风速、大气压及水质等因素有关。影响植物蒸散的因素是植物的种类和植被率。蒸发量受季节、温度、日照量、相对湿度、风速、土壤等环境条件制约。例如，季节不同，树叶的温度也有所差异，95％的蒸散发生在日出和日落之间。
浸出液的产生量确切估算是比较困难的，因此，一般采用经验公式计算，比较简便的计算公式为：


式中：Q－日平均浸出液量，m3/d;
C－流出系数，％；
I－平均降雨量，mm/d；
A－填埋场集水面积，m2。
流出系数(C)与填埋场表面特性、植被、坡度等因素有关，一般为0.2～0.8。
浸出液的精确计算为：


式中：Q－日平均浸出液量，m3/d;
Kr－流出系数，％；
In－日平均降雨量，mm/d；
Ss－场地周围集水面积，m2；
Sa－填埋场地面积，m2；
λ－表面流出率（0.2～0.8）；
d－场地外地表径流流入率；
D－集水区中心到集水管的平均时间，d；
1/N－降水频率。
(2).浸出液的性质卫生土地填埋浸出液的性质与垃圾的种类、性质及填埋方式等许多因素有关。据报道，在填埋初期，浸出液中有机酸浓度较高，挥发性有机酸约占l％：随着时间的推移，挥发性有机酸的比例将增加，浸出液中有机物浓度降低的速度，好氧填埋比厌氧填埋快。对于普遍采用的厌氧填埋，浸出液的性质一般为：
(a)色味；呈淡茶色或暗褐色，色度在2000～4000之间，有较浓的腐败臭味。
(b)pH值：填埋初期pH值为6～7，呈弱酸性，随着时间的推移，可提高到7～8，呈弱碱性。
(c)BOD5：随着时间和微生物活动的增加，浸出液中的BOD5也逐渐增加。一般填埋6个月至2.5年，达到最高峰值，此时BOD5多以溶解性为主，随后BOD5开始下降，到6～15年填埋场稳定化为止。
(d)COD：填埋初期COD略低于BOD5，随着时间的推移，BOD5急速下降，而COD下降缓慢，从而COD略高于BOD5。浸出液中生化反应的能力可用BOD5/COD之比来反映。当BOD5/COD=0.5时，则认为浸出液较易生物降解；当BOD5/COD<0.1时，则认为浸出液难于降解。
(e)TOC：浓度一般为265～2800mg/L。BOD5/TOC可反映浸出液中有机物氧化状态。填埋初期，BOD5/TOC值高；随着时间推移，填埋场趟于稳定化，浸出液中的有机碳以氧化态存在，则BOD5/TOC值降低。
(f)溶解总固体：浸出液中溶解固体总量随填埋时间推移而变化。填埋初期，溶解性盐的浓度可达10000mg/L，同时具有相当高的钠、钙、氯化物、硫酸盐和铁。填埋6～24个月达到峰值，此后随时间的增长无机物浓度降低。
(g)SS：一般多在800mg/L以下。
(h)氮化物：氨氨浓度较高，以氨态为主，一般为0.4mg/L左右，有时高达lmg/L，有机氨占总氮的10%。
(i)P：浸出液中几乎不含磷，但生物处理时，必须添加与BOD5相当的磷。
(j)重金属：生活垃圾单独填埋时，重金属含量很低，不会超过环保标准。但与工业废物或污泥混埋时，重金属含量会增加，可能超标。
(3).地下水保护措施
地下水保护措施很多，除按照场地选择标准合理选址外，还可以从设计、施工方案以及填埋方法上采取措施来实现。
(a)设置防渗衬里：衬里分人造和天然衬里两类，人造有机衬里有沥青、橡胶和塑料等，天然衬里主要是粘土，渗透系数小于10－7cm/s，厚度至少为lm。填埋场内所积聚的浸出液要及时排出处理。
(b)设置导流渠或导流坝，减少地表径流进人场地。
(c)选择合适的覆盖材料，防止雨水渗入。
有关衬里材料的选择标准、衬里的设置方式、覆盖材料的选择及封场要求见安全、土地填埋场的设计。
3.气体的产生及控制
(1).气体的生成垃圾填埋后，由于微生物的生化降解作用，会产生气体。垃圾的分解分为好氧和厌氧两个阶段。填埋初期，垃圾中的有机物进行好氧分解，时间可持续数天，此阶段的气体特征产物是二氧化碳、水和氨；当填埋区内氧被耗尽时，垃圾中的有机物生化反应进入厌氧阶段。有机物厌氧分解生成的气体中含有甲烷、二氧化碳、氨和水，如无特殊工业废物混入，硫化氢和氨一般很少，在分解的旺盛期产生的气体，可以认为是甲烷和二氧化碳的混合气体。此时气体中的甲烷占30～70％，二氧化碳占15～30％。卫生土地填埋场不同时间产生的气体成分见下图。


卫生土地填埋场气体的产生量和产生速度与处置的垃圾种类有关。气体的产生量可采用经验公式推算或通过现场实际测量得出。气体的产生量虽然因垃圾中的有机物种类而有所差异，但主要与有机物中可能分解的有机碳成比例。同此，通常可采用下式推算气体产生量：


式中：G－气体产生量，L；
Cg－可能分解(气化)的有机碳量，g；
C－有机物中的碳量，g。
根据Weiss Samuel在卫生土地填埋场地907天的现场观测结果，每立方米的垃圾可产生1.5m3的气体。如果按此产率计算，一座容量为5×l06m3的中型卫生土地填埋场，可产生7.5×106m3的气体，数量足比较可观的。
如前所述，卫生土地填埋所产生的气体主要含有甲烷和二氧化碳，此外还可能含有硫化氢或其他有害或具有恶臭味的气体，众所周知，当有氧存在时，甲烷的浓度达到5～15％就可能发生爆炸。而另一种气体—二氧化碳，由于其密度较大，大约为空气的1.5倍，为甲烷的2.8倍，因此会逐步向填埋场下部迁移，使填埋场地势较低的区域二氧化碳的浓度增大，进而通过填埋场基础薄弱环节释出，且沿地层下移而与地下水接触。由于二氧化碳较易溶于水，不仅会使水的pH值降低，而且会使地下水的硬度及矿物质含量增加。因此，必须对填埋场产生的气体加以收集控制，或排出烧掉，或作为能源加以利用。
(2).气体控制
对于卫生土地填埋场产生的气体控制，除在选择场地时要考虑场地的位置以及土壤的渗透性能外，主要在工程设计上采取适当的措施。常用的方法有可渗透性排气和不可渗透阻挡层排气两种。
可渗透性排气是控制土地填埋场产生气体水平方向运动的一个有效的方法。典型的方法是在填埋场内利用比周围土堆容易透气的烁石等物质做为填料建造排气孔道，排气孔道的间隔与填筑单元的宽度有关，一般为20m以上，砾石层的厚度为30～40cm，这样即使发生沉降也能维持畅通排气。控制气体水平运动的渗透性排气系统见p377。
阻挡层排气是在不透气的顶部覆盖层中安装排气管。排气管与设置在浅层砾石排气通道或设置在填埋废物顶部的多孔集气支管相连接，还可用竖管燃烧甲烷气体。如果填埋场地与住宅相距较近，竖管耍高出建筑物。
国外卫生土地填埋场的运营实践表明，填埋场可持续产气10～15年。甲烷经脱水、预热，去除二氧化碳后可作为能源使用。
有害气体卫生防护距离的计算：
根据《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》(GB/T13201-91)的有关规定，确定无组织排放源的卫生防护距离，可由下式计算：


式中：Qc－污染物的无组织排放量，kg/h；
Cm－污染物的标准浓度限值，mg/m3；
L－卫生防护距离，m；
r－生产单元的等效半径，m；
A、B、C、D－计算系数，从GB/T13201-91中查取。
依据城市生活垃圾焚烧处理工程产生的焚烧气体污染物的排放源强，以及对应的环境标准和当地气象资料，按(GB/T13201-91)中规定的卫生防护距离划分原则，工程排放的NOx卫生防护距离不少于Xm，SO2的卫生防护距离不少于Ym，工程项目卫生防护距离应确定为最大值，在此范围内无民居及其它敏感设施。
三.卫生土地填埋方法
1.沟槽法
2.地面法
3.斜坡法
§3 安全土地填埋一、概述
(一)安全土地填埋概念
安全土地填埋实际上是一种改进的卫生土地填埋。各国的定义不尽相同，一般都是按下面的设计和操作标准来进行安全填埋的。
土地填埋场必须设置人造成天然衬里，下层土壤或土壤同衬里相结合渗透率小于10-8cm/s，最下层的土地填埋物要位于地下水位之上，要采取适当的措施控制和引出地表水；要配备浸出液收集，处理及监测系统，如果需要，还要采用覆盖材料或衬里以防止气体释出，要记录所处置废物的来源，性质及数量，把不相容的废物分开处置。
(二)适于安全土地填埋处置的废物
从理论上讲，如果处置前对废物进行稳态化预处理，则安全土地填埋可以处置一切有害和无害的废物。在实际上，除特殊情况外，土地填埋场地不应处置易燃性废物，反应性废物、挥发性废物和大多数液体、半固体和污泥，土地填埋场也不应处置互不相容的废物，以免混合以后发生爆炸，产生或释出有毒、有害气体或烟雾。
(三)安全土地填埋场地设计原则
为了防止有毒有害物质释出，减少对环境的污染，土地填埋场地的设计、建造及操作必须符合有关的技术规范。土地填埋场地的规划设计原则如下；
1.处置系统应是一种辅助性设施，不应妨碍工厂的正常生产；
2.处置场的容量应足够大，至少能容纳一个工厂(或地区)产生的全部废物，并应考虑到将来场地的发展和利用；
3.要有容量波动和平衡措施，以适应生产和工艺变化所造成的废物性质和数量的变化；
4.系统要满足全天候操作要求；
5.处置场地所在地区的地质结构合理，环境适宜，可以长期使用；
6.处置系统符合现行法律和制度上的规定，满足有害废物土地填埋处置标准。
(四)安全土地填埋场的基本构成
安全土地填埋场的功能是接收、处理和处置有害废物，一个完整的安全土地填埋场地主要由填埋场，辅助设施和未利用的空地组成。为确保填埋场对有害废物进行安全处置，场地的设计和规划应注意的主要问题是①废物处置前的预处理，②浸出液的收集及处理，③地下水保护，④场地及其周围地表径流水的控制管理等。
(五)安全土地填埋场地设计规划和管理程序
安全土地填埋场地设计规划程序主要包括：场地的选择与勘察、环境影响评价、场地的设计、场地的建造与施工、土地填埋操作、封场，场地的维护及监测等。
二.场地的选择与勘察
(一)场地的选择
1.场地的选择标准
2.场地选择原则
主要遵循两条原则，一是从防止污染的角度考虑的安全原则，二是从经济方面考虑的经济合理原则。
安全土地填埋场是有害废物的“坟墓”，目的是为了使废物与生物圈隔离，以消除污染、保护环境。因此，安全原则是场地选择要遵循的基本原则。维护场地的安全性，要防止场地对大气的污染、地表水的污染，尤其是要防止浸出液的释出对地下水的污染。因此，地下水是场地选择时考虑的重点。
场地的经济问题是一个比较复杂的问题，它与场地的规模、容量、征地费用、施工费用、运输费、操作费等多种因素有关。合理的选址可充分利用场地的天然地形条件，尽可能减少挖掘土方量，降低场地施工造价。
(二)场地的勘察
场地的勘察包括现场调查和实地勘测两个方面，勘察的步骤为：①根据现有资料对场地所在地区进行初步调查，②在初步调查的基础上进行实地考察，③通过钻探或挖掘技术进行场地水文地质勘测；④勘察资料整理，绘制较详细的处置场地地图。
在进行场地选择时，首先要进行现场调查。这个阶段的主要工作是文献资料调研和现场实地考察，以了解场地的地形、地貌、水文地质、工业布局、人口分布等情况，同时进行初步分析，判断该地区是否适合建造填埋场地。现场调查的内容包括：①地区性质：人口密度、工业布局，地区开发前景。②废物：来源、性质、数量。③气象：年降水量和月降水量、风向风力、气温、日照量。④自然灾害：地震、滑坡、山崩。⑤地形地质：地形图、地质构造走向、地下水位、流速、流向。⑥水系：地表河流的流量、水质、流向，开发利用情况。⑦交通运输：运输方法、路线及交通量。⑧场地容量。⑨生态：重要的植物群体、稀有动物生息情况。⑩文化古迹有关的环境保护法律及标准。
在现场调查的基础上，还要通过测量和钻探技术对场地进行实地勘测。测量目的是要搞清场地的实际面积。对于山谷和洼地地区，要测量出实际的宽度、高度，坡度等，此外还要测定距通往场地道路的距离、走向及距其他特定设施的距离。
实地勘测的主要工作是通过钻探对场地的水文地质情况进行研究。目的是要了解场地的地质结构、地层岩性、地下水的埋藏深度、分布情况及走向、隔水层性质及厚度等。钻孔的深度—般要钻到第二含水层，要分层采集土样和水样。通过土壤试验测量土壤的岩性、孔隙度、渗透系数等，以便绘制地层柱状图，地质剖面图和岩石颗粒级配图。同时对取得的地下水样进行分析，测定地下水的本底值。钻孔的数目、深度及位置可根据场地的条件确定。
三.环境影响评价四.填埋场的结构：主要分为人造托盘式、天然洼地式和斜坡式三种。
五.填埋场地面积的确定（按卫生填埋场的计算确定）
土地填埋场地实际占地面积确定之后，还要考虑场地周围土地的使用，如预处理等辅助设施的占地等。要注意保留适当的缓冲区，以便根据相应的标准确定场地的边界。确定边界的原则如下：
1.场地边界距饮用水井的距离必须大于150m；
2.土地填埋场地同边界至少保留15m的距离；
3.除边界缓冲区外，还要保留5～10％的辅助操作面积；
4.确定所需面积的同时，还要考虑废物现场暂存的容量。
六.地下水保护系统
地下水保护措施很多。除按照场地选择标准进行合理选址外，还可以从设计、施工方案以及填埋方法上来实现。采用防渗衬里、建立浸出液收集监测处理系统是从设计施工方面保护地下水的方法。做土地填埋场的衬里材料主要分两大类，一类是无机材料，一类是有机材料。常用的无机材料有粘土，水泥等；常用的有机材料有沥青、橡胶、聚乙烯、聚氯乙烯等。衬里材料的选择与许多因素有关，如待处置废物的性质、场地的水文地质条件、场地的级别、场地的运营期限、材料的来源以及建造费用等。无论选择哪种衬里材料，预先都必须做与废物相容性试验、渗透性试验，抗压强度试验及密度试验等。
七.地表径流控制
地表径流控制的目的是把可能进入场地的水引走，防止场地排水进入填埋区内，以及接收来自填埋区的排水。通常采用的方法有导流渠、导流坝、地表稳态化和地下排水四种。
(一)导流渠
导流渠一般环绕整个场地挖掘，这样使地表径流汇集到导流渠中，并经土地填埋场下坡方向的天然水道排走。导流渠的尺寸，构造形式及结构材料可根据场地的特点来确定。导流渠起码要能积聚排除正常条件下的地表径流水。常用的结构材料有植草的天然土壤、土衬沥青，碎石混凝土等。
(二)导流坝
导流坝是在场地四周修筑堤坝，以拦截地表径流，从场地引出流入排水口。导流堤坝一般用土壤修筑，用机械压实。
(三)地表稳态化
地表稳态化是用压得很密实的细粒土壤作为覆盖材料，以控制地表径流的速度，减少天然降水的渗入，减少表面覆盖层的冲刷侵蚀。地表稳态化土壤的选择和施工要结合封场统一考虑。
(四)地下排水
地下排水是在填埋物之上覆盖层之下铺设一层排水层或一系列多孔管，使已经渗透过表面覆盖层的雨水通过排水层进入收集系统排走。
八.气体控制九.填埋操作十.封场
封场是土地填埋设计操作的最后一环。封场是指在填埋的废物之上建造—个与下部填埋场结构配套的顶部覆盖系统，以实观对处置废物的封隔。封场的目的是：①使废物同环境隔离；②调节场地表面地表排水，减少降水的渗入；③减少场地表面的侵蚀。因此，封场要同场地基础结构、地表径流控制、浸出液的收集、气体的控制措施等结合起来考虑。
Chap 11 煤系固体废物的处理与利用教学目标,
1.了解粉煤灰的来源；
2.掌握粉煤灰的成分组成；
3.理解并掌握粉煤灰的活性概念及其激发原理；
4.了解并熟悉粉煤灰的资源化利用途径；
5.了解煤矸石的来源、分类和排率及组成；
6.理解并掌握煤矸石活性及其激发原理；
7.了解并熟悉煤矸石的资源化利用途径。
教学重点：粉煤灰的活性激发原理；粉煤灰的资源化利用途径；煤矸石活性激发原理；煤矸石的资源化利用途径。
教学难点：粉煤灰的活性激发原理；粉煤灰的资源化利用途径学时安排：4学时
煤系固体废物主要来源于煤的开采、加工和利用过程，其中排出量最大最集中的是燃煤电厂的灰渣和煤炭工业的矸石。
§1 粉煤灰
1.来源
煤在炉膛燃烧时的烟气带出的粉状残留物，称为飞灰，少量的煤粉粒子在燃烧过程中由于碰撞凝结成块，沉积于炉底，由底部排出的称为底灰。底灰占10～20％，粉煤灰占80～90％。
在1300℃左右，煤粉中的灰分熔融成液滴，受湍流作用，悬浮在烟气中，受多种气体成分作用迅速膨胀，运动至低温段，同时在外界气压的作用下，其表面承受很大的表面张力，形成球状。小液滴冷却速度快，形成玻璃体；大液滴冷却速度慢，在内部形成晶体；有些液滴受气体夹裹，形成空心球，当冷却过快时，薄壁空心球体能破裂成碎片。最后形成的粉煤灰是外观相近，颗粒较细但并不均匀的多相混合物。
粉煤灰的排输方法分为干法和湿法。
2.粉煤灰的成分组成
（1）化学组成粉煤灰的化学组成类似粘土的化学组成，主要包括SiO2（40～60％）、Al2O3（15～35％）、Fe2O3（2～15％）、CaO（1～10％）和未燃尽炭以及有害元素和微量元素。成分受煤的产地、煤种、燃烧方式和燃烧程度等影响。
粉煤灰的化学成分被认为是评价粉煤灰质量高低的重要技术参数。
CaO>20％称为高钙灰，我国多为低钙灰。
（2）矿物组成粉煤灰中的矿物来源于母煤。母煤中含有铝硅酸盐类粘土矿和氧化硅、黄铁矿、赤铁矿、磁铁矿、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、氯化物等，而以铝硅酸盐类粘土矿和氧化硅为主。其中，铝硅酸盐类矿物主要是高岭土矿和页岩矿。
粉煤灰的矿物组分十分复杂，主要可形成无定形相和结晶相两大类。
无定形相：主要为玻璃体50～80％和未燃尽炭粒。
结晶相：莫来石、石英、云母、长石、磁铁矿、赤铁矿和少量的钙长石、方镁石、硫酸盐矿物、石膏、方解石等。这些结晶相大都在燃烧区形成，又往往被玻璃相包裹。
粉煤灰的矿物组分对粉煤灰的性质和应用具有重要的意义。低钙粉煤灰的活性主要取决于无定形玻璃相矿物，而不取决于结晶相矿物。这一点与水泥不同。水泥的化学活性主要取决于结晶的熟料矿物。低钙粉煤灰的玻璃体矿物中夹裹的结晶矿物，常温下呈现惰性。所以从矿物组分看，低钙灰的玻璃体含量越高，粉煤灰的化学活性越好。高钙粉煤灰中富钙玻璃体含量多，且又有较多的氧化钙结晶和水泥熟料的一些矿物结晶组分，而高钙粉煤灰的化学活性均高于低钙灰，这表明，高钙灰的性质既与其玻璃相有关，又与其结晶相有关。
（3）粉煤灰的颗粒组成主要由球形颗粒、不规则多孔颗粒（多孔炭粒和多孔铝硅玻璃体）以及碎片组成。
3.粉煤灰的物理性质
（1）外观和颜色
粉煤灰外观象水泥，组分中的含炭量使其有由乳白到灰黑等不同颜色，含炭量越高，颜色越深。炭粒存在于粉煤灰的粗颗粒中。粉煤灰的颜色可在一定程度上反映粉煤灰的细度。在商品粉煤灰的质量评定和生产控制中，颜色是一项重要指标，颜色越深，质量越低。
（2）比重和容重
低钙灰比重一般为1.8～2.8，高钙灰的比重可达2.5～2.8。粉煤灰的松散干容重变化范围为600～1000kg/m3，压实容重为1300～1600kg/m3，湿粉煤灰在一定范围内随含水量增加，压实容重也有增加。低钙粉煤灰的最佳含水范围为15～35％，最大压实容重可达1700kg/m3。
（3）细度
粉煤灰的颗粒粒径极限为0.5～300um。其中，玻璃微珠粒径为0.5～l00um，大部分在45um以下，平均为10～30um，漂珠粒径往往大于45um，我国规定以45um筛余百分数为细度指标，其测定方法按GBl46－90《规范》的规定进行。
（4）需水量比
在水泥或混凝土中掺入粉煤灰，一般可以降低水泥或混凝土的用水量，这是粉煤灰的一个明显的优越性。但若掺用含炭量较高的粉煤灰，则又会明显地增加用水量。这个用水量，称作粉煤灰的需水量。在粉煤灰标准规范中，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。它是粉煤灰的一项重要品质指标。一般情况下，低需水量的粉煤灰测定值为22～30％，中等需水量为30～40％，高需水量可达50～60％。
二.粉煤灰的活性
(一)粉煤灰的活性概念
粉煤灰的活性也叫“火山灰活性”。火山灰活性是指火山灰、凝灰岩、浮石、硅藻土等天然火山灰类物质所具有的这样一些性能：①其成分中以SiO2和A12O3为主(75～85％)，且含有相当多的玻璃体或其他无定形物质；②其本身无水硬性；③在潮湿环境，能与Ca(OH)2等发生反应，生成一系列水化产物—凝胶，④上述水化产物不论在空气中，还是在水中都能硬化产生明显的强度。烧粘土、烧页岩、煤矸石烧渣、燃料灰渣等属人工火山灰类物质，粉煤灰便是其中的一种，同样具有上述性能。
(二)粉煤灰活性的激发
粉煤灰的活性是潜在的，需用激发剂激发，才能发挥出来。其主要激发方法和机理分述如下。
1.以石灰和石膏作激发剂的蒸汽养护方法在激发剂中，以石灰为主料的约占80％，其反应系统包括粉煤灰中的活性氧化硅与Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙(CSH)凝胶，称为碱性激发：
mCa(OH)2+SiO2+(n－1)H2O→mCaO·SiO2·nH2O （二次水化反应）
粉煤灰中的活性氧化铝与Ca(OH)2反应，生成水化铝酸钙(CAH)凝胶：
mCa(OH)2+Al2O3+(n－1)H2O→mCaO·Al2O3·nH2O （二次水化反应）
CAH强度比较低，在有石膏(常用水泥中均掺有石膏)存在下，可加速反应生成三硫型水化硫铝酸钙(3CaO·Al2O3·3CaSO4·3H2O)，通常称为钙矾石，简称E盐：
mCaO·Al2O3·nH2O+CaSO4·2H2O→mCaO·Al2O3·3CaSO4·(n+2)H2O
在石膏量不足时，生成单硫型水化硫铝酸钙(3CaO·A12O3·CaSO4·12H2O)，简称M盐。上述过程称硫酸盐激发。
石灰—石膏—粉煤灰胶凝系统，如处于常温，水化产物的形成需28～90天，制品强度才能达到要求值，如果采取800～900℃的高温蒸汽养护，则水化反应过程可以加快，制品只需8～12小时，便能达到预期强度，这时生成的矿物除CSH、E盐、M盐外，还有水榴子石(2CaO·Al2O3·SiO2·(6－2n)H2O)。
2.以石灰和水泥为激发剂的蒸压养护方法
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4个系统：①CaO—SiO2—H2O；②CaO—Al2O3—H2O；③CaO—A12O3—SiO2—H2O；④CaO—A12O3—CaSO4—H2O。特别是③④两个系统对于利用粉煤灰等工业废渣生产硅酸盐制品具有重要意义。因为这类制品的生产，常用石膏作激发剂和调节剂。
在高温高压和蒸汽养护环境，粉煤灰中的活性氧化物溶解度大为提高，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，其中大部分结晶完整，在大气中比较稳定。
3.以水泥熟料和石膏为激发剂的常温激发方法水泥熟料中含有约75％的硅酸三钙(C3S)和硅酸二钙(C2S)以及一部分铝酸三钙(C3A)，遇水时，C3S、C2S便迅速水化生成水化硅酸三钙(C3SH)和水化硅酸二钙(C2SH)凝胶，同时析出Ca(OH)2，称为一次水化反应。
m[3CaO·SiO2]+nH2O→3CaO·SiO2·H2O 水化凝胶(C3SH)
m[2CaO·SiO2]+nH2O→2CaO·SiO2·H2O 水化凝胶(C2SH)
其后，粉煤灰中的活性SiO2和活性A12O3在水泥水化析出的Ca(OH)2激发下发生二次水化反应生成CSH和CAH；
mCa(OH)2+SiO2+(n—1)H2O→mCaO·SiO2·nH2O CSH（二次水化反应）
mCa(OH)2+Al2O3+(n－1)H2O→mCaO·Al2O3·nH2O CAH（二次水化反应）
在Ca(OH)2存在下，CAH继续与石膏生成E盐，mCaO·Al2O3·nH2O+CaSO4·2H2O→mCaO·Al2O3·3CaSO4·(n+2)H2O，在石膏量不足时，生成单硫型水化硫铝酸钙(3CaO·A12O3·CaSO4·12H2O)，简称M盐。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。
在粉煤灰的综合利用方面，水制品都是利用火山灰的活性，也是其主要的利用方面。
(三)粉煤灰活性的评定比较常用的评定方法有石灰吸收法、溶出度试验法、砂浆强度试验法（是迄今国内外公认的粉煤灰活性的最佳评定方法）。
三.粉煤灰的资源化利用途径
（一）选炭、铁、空心微珠
1.选炭
（1）浮选脱炭，适于湿排灰，加煤油、柴油作捕收剂，用松油，醇油作起泡剂。炭粒疏水，聚集在泡沫层，灰分亲水，下沉成尾渣。
（2）电选脱炭，适于干排灰，高压电场中，灰分、炭粒导电性不同而分离。滚筒（正极）、钢丝、钢带（负极），通电两极间产生电晕，炭粒落下，灰吸附在滚筒上。用刷子刷下。
2.磁选选铁
3.选空心微珠风选－干灰；浮选－湿灰。空心微珠可以作为隔热保温材料；可以作为填料；可以作炼油用的裂化催化剂等。
往往采用组合工艺：筛分（>1mm舍弃），电选（炭粒），磁选（磁珠），风选（漂珠），风选分级（一、二、三、四级沉珠）。
（二）生产建材及制品
1.粉煤灰生产水泥
（1）部分代替粘土 7～12％（节约土和煤）。
（2）水泥混合材 20～40％。
（3）无熟料水泥 掺石灰、石膏→石灰粉煤灰水泥炉内加石灰石→高钙灰，即纯粉煤灰水泥。
2.粉煤灰混凝土粉煤灰+水泥、砂石经过养护成混凝土，制成制品是砖、砌块
3.粉煤灰建材制品
利用粉煤灰的活性：蒸制砖、泡沫保温砖、砌块、加气混凝土、轻质保温砖。
（三）农肥、作土壤改良剂
磁化肥、复合肥，利用可溶的SiO2。改良土壤，改善可耕性，保墒、提高地温，增肥。
（四）污水处理的吸附剂
多孔、比表面积大，带有活性基团使其具有较强的吸附能力，可以作为吸附剂。但是重金属溶出比较厉害。
（五）化工产品
1.提取氧化铝熟料烧成：Al2O3+CaO→5CaO·3Al2O3 易溶于碳酸钠溶液
SiO2+ CaO→2CaO·SiO2 难溶于碳酸钠溶液熟料自粉化：冷却到650℃以下，C2S由β相→γ相，自身膨胀、自粉。
溶出,5CaO·3Al2O3 +5NaCO3+2H2O→5CaCO3↓+6NaAlO2+4NaOH
脱硅：提纯碳分：CO2和NaAlO2反应生成Al(OH)3
煅烧：Al(OH)3 →Al2O3
2.制分子筛
NaCO3 +Al(OH)3+粉煤灰，煅烧（850℃）粉碎，水热合成（90℃）水洗、干燥。
3.拒水粉：防水、防泄漏材料，加固化剂和乳化剂。
4.高分子材料填料主要是表面改性剂：硅烷、钛酸酯、铝酸酯→亲油疏水。
5.饰面板：微晶玻璃；熔融、核化、晶化。
6.油毡填料:代替滑石粉，防水
§2 煤矸石一.概述
(一)煤矸石的来源、分类和排率
煤矸石是与煤伴存的岩石。在煤的采掘进和煤的洗选过程，都有煤矸石排出。0.1～0.2t煤矸石/t原煤。
在煤矿的上，中、底层的页岩，挖掘煤层之间的巷道时排出的砂岩、石灰岩以及其他岩类都属煤矸石之列。
煤矸石依其所含矿物组分可分为碳质页岩、泥质页岩和砂质页岩；
依其来源可分为掘进矸石，开采矸石和洗选矸石。煤矸石堆放过程，其中的可燃组分缓慢氧化、自燃，故又有自燃矸石与未燃矸石的区分。
（二）组成矿物组成：粘土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石）、石英、方解石、黄铁矿。
化学组成：氧化物SiO2+Al2O3占60～90％。
（三）煤矸石的活性
煤矸石经过燃烧，烧渣属人工火山灰类物质而具有活性。
1.煤矸石活性的来源
煤矸石受热矿物相发生变化，是产生活性的根本原因。
（1）高岭石的变化高岭石在500～600℃脱水，晶格破坏，形成无定形偏高岭土，具有火山灰活性：
Al2O3·2SiO2·2H2O（高岭石） Al2O3·2SiO2（偏高岭土）+2H2O
在900～1000之间，偏高岭土又发生重结晶，形成非活性物质。
2(Al2O3·2SiO2)（偏高岭土） 2Al2O3·3SiO2（硅类晶石）+SiO2（无定型）
（2）水云母矿的变化
水云母矿(K2O·5 Al2O3·14SiO2·4 H2O)在100～200℃脱去层间水；1450～1600℃失去分子结晶水，但仍保持原晶格结构；在600℃以上才逐渐分解，晶体逐渐破坏，开始出现具有活性的无定形物质，达到900～1000℃时，分解完毕，具有较高的活性，而在1000～1200℃时，又出现重结晶，向晶质转变，活性降低。
（3）石英的变化一般石英矿物在升温和降温过程，其结晶态呈可逆反应：
β石英 α石英 α鳞石英 α方石英而在成分复杂的煤矸石中，石英的含量随温度升高而降低。这种变化，可能产生这样一些效应：①生成无定形SiO2，提高煤矸石烧渣的火山灰活性：②生成石英变体，仍属非活性物质；③生成莫来石晶体，活性降低。
（4）莫来石的生成
煤矸石煅烧过程中，一般在1000℃左右便有莫来石(3Al2O3·2SiO2) 生成，到1200℃以上，生成量显著增加。莫来石的大量生成，降低了煤矸石的活性。
（5）黄铁矿的变化黄铁矿是可燃物质，随煤矸石一起燃烧，晶体相应地发生变化，生成α赤铁矿，对煤矸石活性无补：
4FeS2+llO2 2Fe2O3+8SO2
基于上述分析，可以得出结论：作为煤矸石主要矿物组分的粘土类矿物和云母类矿物的受热分解与玻璃化是煤矸石活性的主要来源。
2.煅烧煤矸石的最佳温度
如前所述，煤矸石的活性依赖于其煅烧温度，当共受热到某一温度时，晶体就会破坏，变成非晶质而具有活性。但是，物质往往在非晶质化的同时，伴随着重结晶的开始，随着新结晶相的增多，非品质相应减少，活性又逐渐降低。因此，煅烧温度过高或过低，受热时间过长或过短，都不能得到最佳活性。从理论上说，这个温度应该是使煤矸石中的粘土类矿物尽可能多地分解成为无定形物质，而新生成的结晶相又最少。人们根据粘土类矿物受热过程的物相变化，—般认为产生活性有两个温度区域：一个在600～950℃，为中温活性区，一个在1200～1700℃，为高温活性区。对于煤矸石来说，由于共一般只煅烧到1100～1200℃，尚未出现高温活性区，故通常主要利用中温活性区。实际生产中，由于矸石所含矿物组分、燃料粒径、炉膛温度不同等因素影响，实际煅烧温度比理论值略高一些。对于以高岭石为主的煤矸石，最佳煅烧温度为600～950℃，对于以云母矿为主的煤矸石，最佳煅烧温度为1000～1050℃。
3.煤矸石的强度活性煤矸石强度活性概念：煤矸石的强度活性是指煤矸石作为某种胶凝材料的一个组分时，该胶凝材料所具有的强度。这一概念，有两个含义：一是以制品的强度表征煤矸石的活性，二是必须根据应用途径，确定相应的试件配方和养护条件。
二.煤矸石的资源化途径
（一）煤矸石生产水泥
1.生产普通硅酸盐水泥煤矸石的化学成分与粘土相似，可代替部分粘土配成生料与石灰石、铁粉等磨细、成球、烧成熟料（1400℃），掺量10～15％，还可替代一定量的煤。
根据Al2O3和CaO选择配方。低铝（Al2O320％）较好，中铝（Al2O330％）、高铝（Al2O340％）不宜生产普通硅酸盐水泥，因生成的C3A多，水泥凝结快，强度低，烧成温度高。
2.生产特种水泥利用高铝特点，生产快硬、早强的特种水泥及普通水泥的早强掺和料和膨胀剂。主要是生成硫酸铝酸钙、氟铝酸钙。
3.生产少熟料水泥（砌筑水泥）（不煅烧）
利用自燃矸石60～70％，熟料30％和石膏5％左右。
4.生产无熟料水泥（不煅烧）
自燃矸石或者煅烧矸石60～80％，生石灰15～25％，石膏5％左右或者矸石30％左右，高炉水渣30％左右，生石灰2％左右，石膏10％左右。
（二）生产建筑材料
1.烧结砖粉碎：二级破碎，粗破（鄂破）、细破（锤破或球磨）1mm以下占65％以上，3mm以上占5％以下。
成型：水15～20％，塑性挤压成型成为泥条，切割成坯。常常搅拌两次。
干燥：利用烟气的余热或者自然干燥。
焙烧：900～1100℃，炉窑的形式有轮窑和隧道窑。
控制CdO、MgO<3％，S<1％。
2.轻骨料工艺：烧结机生产多孔烧结料
回转窑生产膨胀陶粒破碎、磨细、加水搅拌、成球、干燥、焙烧（1200℃）、冷却
3.生产微孔吸音砖煤矸石、白云石、半水石膏、硫酸、锯末制成泥浆，注模、焙烧，反应生成气泡。用来隔声、保温等。
4.岩棉煤矸石（泥岩、页岩）、白云岩在冲天炉中1200～1400℃熔融，吹棉（风机吹成棉絮）后加入粘结剂，压制成保温、隔热材料，但是工人在生产过程中容易致癌。
（三）代替燃料
1000～3000千卡/千克
1.化铁：煤矸石+焦炭代替焦炭，用来化铁铸造。
2.烧锅炉：主要用于沸腾炉，用来供热、发电。
3.烧石灰
4.回收煤炭煤矸石中含煤炭大于20％，经过洗选后回收煤炭。
5.利用煤矸石造气采用回转式自动排渣混合煤气发生炉生产混合煤气（半水煤气）
（1）碳与氧反应：空气通过高温燃烧层，生成CO、CO2。
C+O2→CO2+0.4MJ
2C+O2→2CO+0.24MJ
2CO +O2→2CO2+0.57MJ
C+CO2→2CO－0.16MJ
（2）碳与蒸汽的反应：热碳与水蒸气中的H还原。
C+2H2O（汽）→CO2+2H2－0.08MJ
C+H2O（汽）→CO+H2－0.12MJ
（四）煤矸石生产化工产品
1.结晶氯化铝（AlCl36H2O）
破碎、焙烧、磨碎、酸浸（20％HCl）、渣液分离（沉淀、浓缩、脱水）、浓缩结晶、真空吸滤后得到产品（浅黄色），渣作水泥混合材料。要求矸石中三氧化二铝含量高，二氧化三铁含量低。
2.生产固体聚合铝结晶氯化铝热解析出HCl和水成为粉末状碱式氯化铝，然后聚合（聚合氯化铝），易溶于水，混凝效果好。
3.生产水玻璃
提走铝后的浸渣，主要成分是二氧化硅。
42％氢氧化钠水 加热碱溶解→固液分离后液体主要成分是NaSiO3→浓缩→产品酸浸渣
4.制氨水造气炉造气，脱焦除尘、冷却后尾气排放，同时制得氨水。
5.生产硫酸铵利用煤矸石中FeS2高温分解SO2，再氧化成SO3，SO3遇水生成硫酸，与氨气反应生成硫酸氨。
焙烧、粉碎、酸浸、中和、浓缩结晶、干燥。