填埋场矿化垃圾的资源化利用技术
填埋场矿化垃圾的资源化利用技术
作者：李彤彤 王雷 翟天恩 高志永 邵凯
来源：《中国新技术新产品》2020年第14期
        摘; 要：我国填埋场矿化垃圾量大面广，现存土地占有问题严重，且持久对环境造成危害，并引发了垃圾填埋存量过度积聚，新生垃圾无处填埋的问题。基于此，该文对填埋场矿化垃圾的资源化利用方法进行分析研究，进而为提高矿化垃圾资源再利用，减少填埋库存释放填埋土地提供参考。
        关键词：吸附填料;矿化垃圾;日覆盖材料
        中图分类号：TG156; ; ; ; 文献标志码：A
        全国填埋、堆肥和焚烧处理的比例分别占56.6%、1.9%（其中包括综合处理厂数据）和12.9%，其余为堆放和简易填埋处理[1]。由此可知，垃圾填埋这一处理方式在我国的垃圾处理领域占据比较重要的地位。广大学者及研究人员经过深入的研究发现，填埋场封场数年（在上海一般至少在8～10年以上，北方地区10～15年以上）后，垃圾中易降解物质完全或接近完全降解，此时的垃圾填埋场可以认为达到稳定化状态，所形成的垃圾称为矿化垃圾。
        目前，关于矿化垃圾的应用，许多学者及研究人员已经进行了大量的深入研究。由于我国绝大部分的垃圾填埋场均建于市郊，随着城市的发展，几乎每个城市的垃圾产生量都在增加，所需的填埋场的面积越来越大;另外，随着经济的发展，市郊地价迅速上升，尤其是东部和南方各大中型城市，市郊周围人口密度高，征地费用也随之升高，要不断地提供新的填埋场以满足需要是非常困难的，亟需开发矿化垃圾的处理和资源再利用技术和方法。
        1 作为吸附填料
        与一般土壤相比，矿化垃圾容重较小，因此孔隙率高。呈弱碱性，其阳离子交换容量CEC比一般土壤大，表明其吸附和交换能力强，有机质含量高。矿化垃圾中含有种类繁多的微生物，具有很强的生存和降解能力，因此是一种良好的生物介质。唐朝春等人對以矿化垃圾为吸附剂来处理印染废水进行了研究，考察了不同条件下矿化垃圾对亚甲基蓝溶液吸附处理效果的影响，20 mg/L亚甲基蓝脱率可达 98.83%，发生的是单分子吸附。众所周知，垃圾渗滤液一直是限制垃圾填埋这一技术应用的因素之一，而垃圾渗滤液由于其成分复杂，一直是污水处理领域的难题。陶正望等人研究了以矿化垃圾为填料处理渗滤液，矿化垃圾细料对渗滤液的处理效果要显著好于土壤[1]。邵芳等人借助于矿化垃圾处理畜禽污水试验，畜禽
污水中度、SS、COD、氨氮和总磷的平均去除率分别为64.7%、54.29%、88.71%、94.55%和99.83%，反应器运行6个月以来，运转良好[2]。
        2 作为新型土壤
        矿化垃圾是一种含有丰富的有机质和多种植物营养元素的腐殖土，可作为营养土，培植花草树木，也可作为终场绿化的营养土。为了确定矿化垃圾能否作为农业资源被重新利用，赵海涛等人对自江都市城市生活垃圾填埋场中经填埋6 年、8 年、10年后得到的矿化垃圾基本物化性状变化特征进行分析，矿化垃圾的理化性状在填埋8～ 10年后总体趋于稳定，可以开采后作为植物生长基质、土壤改良剂等农业资源化利用[3]。
        为防止出现重金属累积效应，应尽量避免种植产物进入食物链，可将矿化垃圾用于绿化、林地和城市园林区、棉、麻、竹产区，施用于园林花卉、草皮、绿地，上海市就是利用垃圾堆场中的矿化垃圾作为市区绿化的土壤，种植植物后基本上无须施肥。华东师范大学应邀于1992年开始在上海市老港填埋场进行种植花卉苗木实验，经过3年的试验，1999年在小试的基础上，进行中试，扩大种植面积和种植品种。中试结果证明棉花、夹竹桃、女贞、黄杨、柏类等长势最佳。同济大学赵由才等与上海老港填埋场合作试验，在填埋时间为6年以
中国城市人口密度榜上的填埋单元进行花卉和树苗培植试验，取得了成功，种植品种包括葱兰、麦冬、黄杨、海桐、紫薇、棕榈、丝兰、合欢、女贞以及香樟等，成活率均较高。不仅明显地改善了封场填埋单元的生态环境，而且取得了一定的经济效益，目前年产值为60万元。
        董阳等利用矿化垃圾和绿植物废弃物在上海临港新城进行盐碱土现场改良试验，结果表明在盐碱土中分别加入矿化垃圾、绿植物废弃物或2者混合加入能明显降低盐碱土的盐分，提高土壤的肥力，达到改良盐碱土的目的;各处理土壤溶液中重金属变化趋势基本一致：Cu浓度低于《地下水质量标准》（GB/T 14848—93）中Ⅲ类标准，Cr浓度均在GB/T 14848—93中Ⅳ类标准内，不存在Cu和Cr污染可能;个别点土壤溶液中偶尔出现Zn和Pb浓度超过GB/T 14848—93中Ⅴ类标准，大部分基本在GB/T 14848—93中Ⅳ类标准内[4]。
        3 作为建筑材料
        稳定后的矿化垃圾可用作铺路等一般性的建筑材料。填埋场矿化垃圾筛分后的细料，加入凝固剂作为道路路基原料。用矿化垃圾代替自然土，操作方便，工艺成本低。矿化垃圾中的煤渣和碎石经粉碎后与425号水泥、黄沙掺合后制作大型砖块，用作建筑材料。用矿化垃圾代替泥土作制砖原料，有利于保护耕地，减少泥土使用量。上海老港填埋场建立的垃圾制
砖生产线，用矿化垃圾中的煤灰、地灰、砖头和瓦石等经粉碎后与辅料混合，压制成路面砖。路面砖无毒、无味、无菌，表面光洁，耐腐蚀，不风化，抗压强度≥25 MPa，抗折强度≥3.5 MPa，耐磨性35 mm，吸水率9%，抗冻性：强度损失25%。其性能质量达到JC 446—91标准一等品要求，而造价仅是水泥路面砖的70%[5]。
        4 作为生物反应器填埋场日覆盖材料
        目前，国内填埋场主要采用黏土作为日覆盖材料，易造成库容及运行成本等经济上的浪费，同时在技术实施上也存在问题。于是出现了将各类技术上可行、低成本的废弃物作为替代覆盖材料的新研究方向，包括污泥、焚烧底渣、矿化垃圾等多种新型材料。其中，矿化垃圾作为一类典型的废弃物得到了越来越多的关注和研究。如王罗春等对比黏土和矿化垃圾作填埋场覆盖物的试验结果表明，稳定垃圾分选的细粒物满足生物反应器填埋场对临时覆盖材料的渗透性要求。吴军等研究表明，这种材料不仅有就地取材，成本低廉的优势，同时还有不滋生苍蝇，有生物吸附和脱臭的作用，能处理和抑制臭气的扩散。李启彬等建议，生物反应器填
        埋场在运营前期采用粉质砂土、黄土或轻亚黏土作临时覆盖材料，后期采用稳定垃圾分
选的细粒物作临时覆盖材料，在雨季时可配合使用塑料布防止过多的降水进入场内。ClaireHurs等将陈垃圾用作覆盖材料防治恶臭的研究中发现，除臭速率随垃圾堆积密度的提高而增加。由此可见，矿化垃圾除了满足日覆盖材料的常规要求外，还能满足生物反应器填埋场对渗透能力和均衡渗滤液流动的要求[6]。由于矿化垃圾具有巨大的比表面积和多孔结构，同时具有优良的物理化学性质和水力性质，用作日覆盖材料时，还具有降低渗滤液中污染物的能力[7]。
        为了确定矿化垃圾对渗滤液中污染物的去除效果，张丽梅等测定了矿化垃圾的基本性质并进行了矿化垃圾对渗滤液中污染物的去除能力的研究。通过测定不同粒度的矿化垃圾的渗透系数，发现渗透系数K20主要为10-5cm/s级，只有d<10.00 mm粒度的矿化垃圾的K20为10-4cm/s级。尽管生物反应器填埋场在选择日覆盖材料时，要求渗透系数应大于1.16×10-4 cm/s，但选择10-5cm/s级的粒度的矿化垃圾均衡回灌渗滤液流动的能力更强，可以使回灌渗滤液在场内得到更相对均匀地分配，从而使填埋垃圾得到更为均匀地降解和稳定。矿化垃圾的pH值为8.41，呈弱碱性，可以调节填埋场渗滤液的pH值，使之有利于微生物的活动。此外，在弱碱性环境中，可以促使填埋场早期酸性环境中溶解的重金属形成沉淀和络合物，降低渗滤液中重金属离子的含量，减少渗滤液对周围环境水体的危害。反应6.0 h、24.0 h时粒
度为d<1.00 mm的矿化垃圾对COD的去除效果较好，24.0 h时去除率可达40%以上。粒度为d<1.00 mm的矿化垃圾对NH4+-N的去除效果较好，去除率随粒度的增大而减小。
        5 作为垃圾衍生燃料（RDF）
        将城市生活垃圾制备成垃圾衍生燃料（RDF）不仅可以有效地提高热值，且其发电效率比原生生活垃圾提高了1.3倍 （原生垃圾的发电效率为10%左右）。而且燃烧时造成的二次污染程度明显下降。研究表明，使用RDF代替垃圾直接焚烧后烟气中NOx、SOx、HCl、CO及二恶英的浓度都有所减少。国外对RDF的研究起步较早，美国是世界上利用RDF发电最早的国家，已有发电站37座，占垃圾发电站的21%。
        日本政府于20世纪90年代开始支持该技术的引进和研发工作，近几年已有十几家大公司对RDF工艺投入大量资金进行RDF资源化研究和开发。国内对这方面的研究起步较晚，且大多数研究集中利用新鲜的生活垃圾制备RDF及研究制成的RDF燃烧特性和热解动力学机理，但对矿化垃圾的研究较少。从矿化垃圾的成分和性质分析看，矿化垃圾的可燃组分热值较高，将其破碎、压缩成固体燃料，回收能源是完全可行的。
        矿化垃圾水分含量低，热值较高，更适合制成RDF，而新鲜的生活垃圾中可腐有机物含量高，水分含量也高，热值低，制备RDF时尚需要加热耗能。用矿化垃圾制备的RDF的热值估算约为24 807 kJ/kg，高于用生活垃圾直接制成的RDF（21 000 kJ/kg），几乎与优质煤的热值相当。用RDF燃烧，其热量的利用形式有供热、发电和热电联供。燃烧RDF的发电效率可达20%～30%，目前我国燃煤发电效率根据发电方式和技术的不同在40%～60%，现在平均每吨垃圾可以发电350 kWh。在日本每吨RDF的售价为16 000日元（其重油为40 000日元/t），相当于1 096元人民币。在我国每吨煤的平均售价为500元左右，且有上涨趋势。山西、华东地区的煤价略高，精煤售价达600元左右;中南、西北、西南地区略低一些。
        用矿化垃圾制备RDF工艺较为简单，成本较低，制成的RDF燃料的价格大约在180元/t～320元/t，具有广阔的市场前景。此外，矿化垃圾的使用还降低了煤的开采量，节约了有限的不可再生资源。垃圾中的二次能源如有机可燃物等，所含的热值高，焚烧2 t垃圾产生的热量大约相当于1 t煤。如果我国能将垃圾充分有效地用于发电，每年将节省煤炭5 000万t～6 000万t。由于矿化垃圾是可持续开挖的，一般南方地区填埋场封场后8年～10年可以开挖，北方地区10年～15年可以开挖。也可以在填埋场中设计适当的开挖条块，实现边填埋、边开挖。开采矿化垃圾不仅具有燃料价值，所腾出的土地价值更是无法估计的。这些空间可再应
用于新的垃圾填埋，这样在一定程度上缓解了土地资源。
        6 结语
        矿化垃圾再利用方面研究起步较晚，但是经过10余年的探索，进步迅速，未来一段时间内，我国城市生活垃圾的处置仍将以填埋法为主，垃圾量逐年增长，但是土地、环保等因素使建设新的填埋场越来越困难，不断探索矿化垃圾的利用潜力，增加利用方式提升利用率是解决填埋场矿化垃圾的好方法，也是建设资源节约、环境友好两型社会的重要手段。

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