《环境学概论》教学辅导—— 固体废物的处理与资源化
一、固体废物的定义、种类及来源
固体废物（ solid waste），亦称废物，一般是指人类在生产、流通、消费以及生活等过程提取有用的组分后，被弃去的固状物质和泥浆状物质。
（一）固体废物的产生和分类
1．固体废物的产生：固体废物大部分来自人类生产活动的许多环节，其中也包括来自各种废物处理设施的排弃物，其余部分则来自人类的生活活动，主要为生活垃圾、粪便的排放，表7-13列出了各类发生源排出的主要固体废物。
据有关资料说明，美国工业固体废物年排出量为 34400×10 4 吨（ 1976年），日本为32000×10 4 吨（ 1982年）。
目前，各工业发达国家工业固体废物的发生量还在以每年 2-4%的速度增加。
在这些国家中，工业固体废物的主要排放源是冶金、煤炭、火力发电三大工业，其次为化工、石油化学等。
由于人们生活水平的不断提高，生活垃圾的排放量也日益增多，其发生量一般约为工业固体废物的 10%。据有关资料反映，美国每年产生城市垃圾18000万吨，苏联4000万吨以上，日本3700万吨。
我国固体废物的产生量， 1982年工业固体废物与城市市政垃圾产生量为5.5亿吨，其中市政垃圾约占20％，1985年，仅工业固体废物的产生量即达5.23亿吨。近几年，我国城市垃圾量平均每年增长速度为9.6％，全国300多个城市每年产生垃圾5183万吨。
2．固体废物的分类：
按其化学性质可分为有机废物和无机废物；
按其危害状况可分为有害废物和一般废物；
按其形状一般可分为固体的（颗粒状、粉状、块状）和泥状的（污泥）。
按来源进行分类，可分为矿业固体废物、工业固体废物、城市垃圾、农业废弃物和放射性废物五类。
矿业废物来自矿物开采和矿物选洗过程；
工业废物来自冶金、煤炭、电力、化工、交通、食品、轻工、石油等工业的生产和加工过程；
城市垃圾主要来自市镇居民的消费、市政建设和维护、商业活动；
农业废弃物主要来自农业生产和禽畜饲养；
放射性废物主要来自核工业和核电的生产、核燃料循环、放射性医疗和核能应用及有关的科学研究等。
（二）固体废物的危害
1．侵占土地：固体废弃物不加利用就需占地堆放，堆积量越大，占地越多，据估算，每堆积一万吨渣，约需占地一亩。
我国仅煤矸石一项存积量就达 10亿吨，侵占农田5万亩，全国有堆肥厂30多个，无害化垃圾处理厂（场）29个，越来越多的城市垃圾还在继续增长。
2．污染土壤：废物堆置，其中的有害组分容易污染土壤。
如果直接利用来自医院、肉类联合厂、生物制品厂的废渣作为肥料施入农田，其中的病菌、寄生虫等，就会使土壤污染。
土壤是许多细菌、真菌等微生物聚居的场所，这些微生物形成了一个生态系统，在大自然的物质循环中担负着碳循环和氮循环的一部分重要任务。
工业固体废物，特别是有害固体废物，经过风化、雨淋，产生高温、毒水或其他反应，能杀伤土壤中的微生物和动物，降低土壤微生物的活动，并能改变土壤的成分和结构，使土壤被污染。
3．污染水体：固体废物随天然降水径流进入河流、湖泊，或因较小颗粒随风飘迁、落入河流、湖泊，造成地面水的被污染；固体废物随渗沥水渗到土壤中，进入地下水，使地下水受污染；废渣直接排入河流、湖泊或海洋，会造成上述水体的污染。
4．污染大气：固体废物一般通过下列途径可使大气受到污染——在适宜的温度和湿度下，某些有机物被微生物分解，释放出有害气体；细粒、粉末受到风吹日晒可以加重大气的粉尘污染，如粉煤灰堆遇到四级以上风力，可被剥离1—1.5厘米，灰尘飞扬可高达20—50米；有些煤矸石堆积过多会发生自燃，产生大量的二氧化硫，采用焚烧法处理固体废物也会使大气污染。
二、固体废物的处理和利用
（一）主要工矿业固体废物的处理和利用
各种工业废渣的处理和利用
1．废石和尾矿的处理和利用
物理法、化学法和生物法等
①物理法，即在细粒的尾矿上喷水，然后再覆盖石头和泥土，以防止尾矿的流失和污染；
②化学法，这是利用化学反应剂与尾矿表面发生化学反应，生成抗水和抗空气作用的外壳的方法；
③生物法，这是在废石或尾矿上栽永久性植物，以起固定废石和尾矿的作用。
有关材料说明，牛毛草可种于铅、锌、钙质尾矿场上，苇草宜种于铅、锌酸性尾矿上。
英国有关单位发现矿山自然生长着一种禾草，这种禾草具有抵抗高金属量和耐低养分的能力，由于扎根深，生长茂密，能起到良好保护尾矿的作用；
④矿山土地复原法，这是将废石和尾矿填充于开采后的矿坑中，待废石和尾矿沉降稳定后，加以平整，然后再覆以一定厚度的好土，并在其上种植植物，使土地得到重新利用。
2．高炉渣和煤灰渣的处理和利用
高炉渣的主要化学成分是钙、硅、铝、镁、锰、硫等的氧化物。
高炉渣 经过缓慢冷却后可生成钙黄长石（ 2CaOSiO 2 Al 2 O 2 ）、硅酸二钙（ 2CaOSiO 2 ）、镁方解石（ 2CaO·MgO·2SiO 2 ）、钙镁橄榄石（ CaO·MgO·SiO 2 ）等的固熔体和玻璃体的矿物。用大量水激冷（水淬）的高炉渣可生成颗粒状玻璃体，用适量水处理的高炉渣可形成浮石状物质，用气体可吹制成渣棉，也可热铸成块，成为有多种用途的材料，例如，我国目前有 60％的高炉新渣制成水渣后作为水泥原料。
煤灰渣 是电厂的主要废弃物，它的主要成分含有氧化铝、氧化硅、氧化铁等。
目前多用来作墙体材料或生产粉煤灰硅酸盐水泥，也有用粉煤灰来筑路的，例如用粉煤灰、石灰按一定配合比混合，加水拌匀，辗压成二灰土，可用于 稳定路基 ，做基底层。这在我国北京、上海等地已有应用。
在农业上，还可以利用粉煤灰改良土壤，将粉煤灰用于粘土，可以起到疏松土壤的作用，用于砂土可起到保水防渗作用，并能起到补充和调节土壤养分的作用；用于 盐碱地 ，可以起到中和盐碱和改良土壤的作用。这是因为粉煤灰有孔隙，透气性好，有利于微生物活动和养分分解，有利于植物吸收，使植物杆桔粗壮，根系发达，同时还含有促进植物生长所必须的微量元素，如磷、钾、氯、铁、钙、锰、硼等。但在农业上使用粉煤灰时，应注意测出其对植物、人体健康的影响。
（二）城市垃圾的处理和利用
据有关资料说明，粪便所含的病菌、病毒等病源体有 100多种，它能通过土壤、地下水、植物等进入食物链，传播疾病，危害人身健康（见图7-12）。
目前世界各国处理城市垃圾所采用的方法有填埋、焚化、堆肥以及用来制作沼气等。
1．填埋法：这是将固体废物铺成有一定厚度的薄层，加以压实，并覆盖土壤。
分为一般填埋和卫生填埋两种。
卫生填埋通常是每天把运到土地填埋场地的废物在限定的区域内铺散成 40—75厘米厚的薄层，然后压实，以减少废物的体积，再在其上覆盖上一层90—120厘米厚的土壤，并种植绿色植物，大约10年之后可使土地复原。但要注意卫生填埋场地的选择，要考虑当地的水文和地形条件，避免污染地下水，要防止浸出液的渗漏和降解气的释放，消除臭味和疾病的传染。
2．堆肥法：这是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，人为地促进可供生物降解的有机物向稳定的腐殖质进行生化转化的微生物学过程。
（ 1）堆肥化原理 堆肥化是在人工控制的条件下，使来源于生物的有机固体废物进行生物稳定作用的过程。按其需氧程度区分，有好气堆肥和厌气堆肥，根据现代化堆肥工艺，基本上都是好气堆肥。固体废物好气堆肥化，实际上是基质微生物的发酵过程，可用下式表示：
好气微生物的发酵过程可包括中温和高温两个阶段。中温范围是 15—45℃，高温范围是45—80℃。现代化堆肥生产全部过程，以高温时间持续最长，故称为高温堆肥化。在中温范围和高温范围活动的微生物，主要分为嗜温性微生物和嗜热性微生物两类。嗜温性微生物包括细菌、真菌和放线菌，所利用的基质有脂类、蛋白质、纤维素等。各种嗜温性微生物适于在15—45℃，即中温发酵阶段活动。现代化堆肥生产的最低温度确定为55℃，这是因为大多数微生物在45—80℃范围内最活跃，最易分解有机物，其中的病原菌和寄生虫大多可被杀死。其发酵过程又可分为前期发酵和后期发酵。堆肥化开始，温度慢慢上升，嗜温菌较为活跃，大量增殖，在转换和利用有机物的化学能过程中，有一部分变成热能，加之堆肥物料本身具有良好的保温作用，温度不断上升，不到一周，即可达到65—70℃或者更高。到达此温度时，嗜温细菌受到抑制，甚至死亡，除残留的和新形成的可溶性有机物质继续分解转化外，复杂的有机物如半纤维素、纤维素和蛋白质也受到分解。有机物经过高温发酵，当温度稳定在40℃左右时，堆肥基本达到稳定，形成腐殖质。上述过程称为前期发酵或动态发酵（时间大约为一周）；然后将基本达到稳定的物质送到发酵室堆积，使其中的有机物腐熟（熟化），这一过程称为后期发酵阶段，亦称静态发酵。静态发酵一般不需通气，每过1—2周，可翻动一次。为了防止具有恶臭的硫醇、甲硫醚、二硫化物及二甲胺等生成物的挥散，需在堆上覆盖一层熟化后的堆肥，厚度约为30厘米。静态发酵时间范围比较宽，大约7—120天。
（ 2）堆肥化方法 固体废物堆肥化方法有间歇堆积法和连续堆制法两种。
间歇堆积法：又叫露天堆积法，这是把新收集的垃圾、粪便、污泥等废物混合分批堆积，一批废物堆积之后不再添加新料，让其中的微生物参与生物化学反应，使废物转变成腐殖土样的产物，然后外运。
前期——约需要 5周，1周要翻动1—2次，
再经过—— 6……10周熟化稳定，全过程需要30—90天。
要求有一个坚实的不透水的场地，并要求确定原料配比。
国外利用城市固体废物生产堆肥的配料方法有三种：纯垃圾堆肥、垃圾—粪便混合（ 7∶3）堆肥、垃圾—污泥混合（7∶3）堆肥。我国露天堆积法一般是采用70—80％垃圾与20—30粪便配比。
连续堆制法：这是使原料在一个专门设计的发酵器或称生物稳定器的设备内完成的动态发酵过程。
通过动态发酵的产物再运往后发酵室堆成堆体，再静态发酵。利用这种方法多采用成套密闭式机械连续堆制系统。这种堆肥方法具有发酵快、堆肥质量高，能防臭，能杀死全部细菌、堆肥粒度整齐、不破坏土壤，有利于作物吸收，成本较低等特点。
（ 3）影响堆肥的因素 在堆肥过程中，应考虑影响发酵过程的各种环境因素，寻求适宜的操作参数。
这些参数是：
• 温度，堆肥的最佳温度在 35—55℃；
• 水分，一般来讲物料的含水率在 50—60％，在用木屑、稻草、秸秆、谷物壳皮作堆肥原料时，其含水率允许高达70％左右。含水率过高，会导致氧源不足，有机物分解效率降低，有硫化氢和硫醇产生，发生恶臭，但含水率过低，也会妨碍微生物的增殖，降低有机物的分解速度；
• C/N比，有机物被微生物分解速度随O/N比而变。微生物自身的C/N比约4—30，用作其营养的有机物C/N比最好也在此数值范围内。各堆肥原料的C/N比是：锯木屑300—1000，秸杆粪70—100，垃圾50—80，人粪6—10，牛粪8—26，猪粪7—15，鸡粪5—10，下水生污泥5—15，活性污泥5—8。
因此，当用秸杆、垃圾进行堆肥时，需添加低 C/N比的废物或加入氮肥，以使C/N比调整到30以下；C/P比，碳和氮对营养微生物的繁殖是必要的，磷也是非常重要的因素，磷的含量对发酵起很大影响，堆肥原料适宜的C/P比为75—150；
• pH值，原料垃圾的pH值是5—8，在露天堆肥时，最初二三天，pH值会下降到5，以后又升高到8.5。成熟的堆肥pH值为7.0—8.0。通常，堆肥发酵时不需要调整pH值。但有的物料pH值偏高时需在露天堆积一段时间或掺入其他堆肥以降低pH值，pH值过高时（如超过8.5），氮会形成氨而使堆肥中氮损耗。
垃圾堆肥化前景
从国外发展趋势看，堆肥化被认为是解决城市垃圾和下水污泥的重要途径。
例如在荷兰和法国堆肥化处理的城市废物占 20％、比利时占9％、美国占5％，德国占3％，前联邦德国政府1982年在一个文件中指出：堆肥化是垃圾处理的“最切合实际的生物处理法”。从我国农业发展的情况看，要求逐年提供大量有机肥料作为土壤改良剂，因而需要生产出优质堆肥，特别是肥效高的放线菌堆肥以满足要求。据有关资料说明，我国年排生活垃圾（1987年）为5000—7000万吨，按利用率60％计算，其中含有相当于240—336万吨有机物和180—250万吨化肥的氮、磷、钾养分。如果能将这些垃圾用于生产堆肥，将会在我国农田培肥、作物增产、调整我国化肥工业氮、磷、钾严重失调上发挥巨大作用。
3．制取沼气：利用有机垃圾、植物秸杆、人畜粪便、污泥等制取。
（ 1）制取沼气的原理 这是有机物中的碳化物、蛋白质、脂肪等在一定的温度、湿度、酸碱度的厌氧环境中经过多种微生物（统称沼气菌）的作用——发酵，而生成的一种可燃气体。
沼气发酵过程可分为液化、产酸和产甲烷三个阶段，可概括为下式：
液化阶段是固体有机物受微生物孢外酶的体外酶解作用，使多糖类水解成单糖，蛋白质转变成肽和氨基酸，脂肪转变成甘油和脂肪酸，都形成可溶性物质；
产酸阶段中，产酸细菌将液化阶段的液化产物降解成低级挥发性脂肪酸、醇、酮、醛、二氧化碳及氢气等，产物 80％为醋酸；
产甲烷阶段中，产甲烷细菌将产酸阶段中产生的挥发性有机物降解成甲烷和二氧化碳，同时利用产酸阶段产生的氢将二氧化碳还原成甲烷。
这三个阶段相互衔接，相互保持动态平衡，基质的组成和浓度、中间产物的浓度相对稳定，相应的有机物的降解速度与产甲烷的速度也随之稳定。如果平衡破坏，产气将停滞，应采取措施使之迅速恢复正常。
（ 2）沼气发酵的主要控制因素
影响沼气发酵的主要控制因素有以下几个方面
①沼气菌种要丰富，一般来讲，人畜粪便、含有机物较多的下水道污泥、腐烂的动物残体、沼气池沉渣、屠宰场、酒厂、味精厂、食品加工厂的污水和污泥中均含有丰富的沼气菌种，为了取得大量的沼气菌种，必须控制原料配比，并控制适宜的碳氮比。
②严格的厌氧环境，有机物分解，在好氧条件下产生 CO 2 ，在厌氧条件下产生 CH 4 。起主要作用的沼气细菌都是严格厌氧的。因此，沼气池必须是严格密封的；
③适宜的发酵原料，沼气菌的繁殖靠碳元素提供能量，靠氮元素构成细胞，因此需要有适当的碳与氮的比例。一般认为适宜的 C/N之比为25—30∶1；
④适宜的干物质浓度，一般来讲，在 50—60℃范围内，均能使沼气发酵。温度愈高，效率愈高，一般可分为高温（47—55℃）、中温（35—38℃）和常温（22—28℃）发酵。我国广大农村普遍采用常温发酵。发酵后的沉渣往往集中大量细菌、病虫卵，需进一步堆沤才可达到无害化；
⑤适宜的 pH值，pH对沼气菌的活动有影响，在发酵过程中，pH值一般由低到高，然后基本恒定，应保持在7—9为宜。
目前在我国农村推广的沼气池，主要是在房前屋后建一座 6—8立方米的沼气池，并与猪圈、厕所连通，一般五口之家和养二头猪的人畜粪便，再加上每天3—4千克秸杆，所产生的沼气可供烧饭、照明之用。
沼气的发展不仅可解决农民的烧柴困难，还为农业机械化、农村电气化提供新能源，同时还增加了有机肥料，改善了土壤，为处理有机垃圾、粪便找到了有利途径，对保护环境亦能起到重大作用。
4．焚化法：为了对垃圾进行无害化处理和减少体积，许多国家对城市垃圾采用焚烧处理方法。
垃圾焚化过程大体可分为干燥、燃烧和烧透三个阶段。
干燥阶段是通过将烟气送经物料层而形成的热辐射和与热空气的热交换两个途径，使垃圾得以干燥。
在燃烧阶段，绝大部分垃圾要燃尽，因此要使垃圾与足够的空气接触，物料必须充分翻动，以保证其充分燃烧。烧透阶段要使难燃料及焦化残渣完全烧透。
这一阶段的必要条件是小风量，对物料层进行深度拔大，垃圾与氧化剂接触良好，具有足够的燃烧时间，炉壁衬砌可靠，以便有效地保持热量。
焚烧产生的热能，可用来生产蒸汽或电能，也可用于供暖或生产的需要。根据国外有些国家的垃圾计算，每 5吨垃圾可节省1吨标准燃料。根据其他国家数据，人口在15000人以上的城市宜采用垃圾焚烧处理方法，使用的焚烧炉的能力大约为一天100吨，可配热能回收装置或者接蒸汽锅炉。如果焚烧炉与住宅区的距离不超过2公里，将蒸汽用于采暖，在经济上是合理的。但是，倘若供热需求不大，或者离用户太远，则垃圾焚烧产生的热能用于发电更为合理。
垃圾焚化的好处是把炉渣和灰分中的可分解性物质降低到最低限度。但另一方面，却向大气排放有毒、有害的物质，并增加了城市的灰尘含量。具体而言，如果垃圾中含有聚氯乙烯之类的塑料，则烟气中 氯化氢 含量会超过 100 毫克每立方米以上，这就必须采用复杂的气体净化装置，以除去其有害气体。