垃圾填埋場(chǎng)礦化垃圾資源化利用研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

郭佳晨，旦增，楊濤，孟德安，周文武，劉麗薇，朱賽紅，萬(wàn)鑫云

（西藏大學(xué) 理學(xué)院，西藏 拉薩 850000）

目前，生活垃圾的主要處理方式有衛(wèi)生填埋、焚燒、以及堆肥等。而衛(wèi)生填埋長(zhǎng)期以來(lái)是處理處置城鄉(xiāng)垃圾最主要的方式。未來(lái)城市和人口進(jìn)一步的發(fā)展和增長(zhǎng)，垃圾產(chǎn)量必將進(jìn)一步擴(kuò)大，這就勢(shì)必需要更大的垃圾處理能力。有條件的城市可以通過(guò)焚燒發(fā)電的方式處理城市生活垃圾，但是沒(méi)有條件的城市以及縣鎮(zhèn)垃圾依舊只能通過(guò)土地填埋方式進(jìn)行處理處置。然而，多數(shù)縣鎮(zhèn)填埋場(chǎng)庫(kù)容幾乎被填滿，服務(wù)周期即將結(jié)束，因此解決后續(xù)城鎮(zhèn)垃圾處置問(wèn)題成為多數(shù)縣鎮(zhèn)面臨的普遍難題。由于多方面原因，建造新的垃圾填埋場(chǎng)以適應(yīng)日益增加的垃圾量是不可能的。解決這一問(wèn)題的另一條重要途徑，就是利用并且開發(fā)穩(wěn)定化的填埋場(chǎng)內(nèi)礦化垃圾實(shí)現(xiàn)填埋場(chǎng)持續(xù)利用，即把填埋場(chǎng)作為垃圾的轉(zhuǎn)運(yùn)地而不是最終目的地。礦化垃圾的資源化利用是處理礦化垃圾的必經(jīng)之路。

1 礦化垃圾及其理化特性

礦化垃圾是指生活垃圾在垃圾填埋場(chǎng)填埋若干年后穩(wěn)定化而形成的垃圾；其表面沉降量不大于10 mm/a，垃圾中有機(jī)質(zhì)含量不大于10%，易降解物質(zhì)完全或接近完全降解，垃圾自身幾乎不再產(chǎn)生滲濾液、填埋氣體和異味[1]。目前，對(duì)于礦化垃圾還沒(méi)有具體確切的定義。其穩(wěn)定化所需時(shí)間受各種因素的影響，如：填埋場(chǎng)地理位置、氣候條件、垃圾成分等；且對(duì)于穩(wěn)定化程度也未制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。所以，礦化垃圾暫時(shí)僅僅是一個(gè)廣義上的概念[2]。

礦化垃圾的主要物理組分為渣土、磚石、可燃組分和少量的重金屬，其中渣土占比最多，重金屬占比較少[3]，重金屬中主要為鉻、銅、鋅、鉛、汞等。塑料、橡膠、草木類和織物是主要的可燃組分，由于多年的降解，其含水量較低，熱值較高[4]。此外，礦化垃圾中含有豐富的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，因而其有良好的土壤肥力。在外觀上，礦化垃圾大部分為土壤狀細(xì)料，少部分為大顆粒無(wú)機(jī)物。

2 礦化垃圾研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

2.1 礦化垃圾理化特性研究進(jìn)展

2.1.1 物理組分及特性

崔文靜[5]對(duì)上海老港垃圾填埋場(chǎng)10年的礦化垃圾組成進(jìn)行分析，礦化垃圾中土含量達(dá)75.48%，石頭、玻璃、瓦片、動(dòng)物骨頭等含量為18.2%, 塑料含量為7.02%，草木類含量為2.47%，織物含量為1.16%，橡膠含量為0.82%，含水率為23.73%。白秀佳等[6]對(duì)北京市某垃圾填埋場(chǎng)礦化垃圾進(jìn)行了研究，得出了相似的結(jié)果，其中腐殖土占比最多，平均占礦化垃圾總量的53.08%，易燃組分共占礦化垃圾的30.46%，磚瓦占比14.9%。由以上研究可知，渣土在礦化垃圾中所占比例最大，其次為磚石和可燃組分。

礦化垃圾不會(huì)產(chǎn)生異味，其含石塊等無(wú)機(jī)物及含較多的難降解有機(jī)物，其余為塊狀土壤類物質(zhì)[4]。趙海濤等[7]對(duì)礦化垃圾的土粒密度、交換性鹽基總量、陽(yáng)離子交換量、pH 值進(jìn)行了研究，研究表明，土壤顆粒密度顯著低于對(duì)照土壤，交換性鹽基總量、陽(yáng)離子顯著大于對(duì)照土壤，pH 值和對(duì)照土壤基本相同。

2.1.2 重金屬

扈靖之[8]對(duì)毛塋子填埋場(chǎng)10年礦化垃圾進(jìn)行了研究，測(cè)量了總鉻、汞、鎘、鉛和砷重金屬平均含量，分別為485．82 mg/kg、0.79 mg/kg、5.75 mg/kg、170.11 mg/kg和7.11 mg/kg。白秀佳[6]測(cè)量出了礦化垃圾腐殖土中各重金屬的元素含量，得到Hg、Pb、Cd、As 和Cr 分別為0.13 mg/kg、13.93 mg/kg、0.23 mg/kg、5.09 mg/kg 和67.38 mg/kg?？傊?，重金屬含量超標(biāo)可對(duì)周邊土壤和地下水造成污染，同時(shí)也會(huì)對(duì)礦化垃圾的開發(fā)利用產(chǎn)生影響。從對(duì)礦化垃圾的研究得出，目前礦化垃圾中重金屬主要為鉻、銅、鋅、鉛、汞等。

2.1.3 有機(jī)質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)元素

趙海濤等[9]對(duì)礦化垃圾中營(yíng)養(yǎng)元素情況進(jìn)行了測(cè)量，填埋齡6年的礦化垃圾中有機(jī)質(zhì)的平均含量在90 g/kg 以上，其有機(jī)質(zhì)含量可達(dá)對(duì)照土壤的15 倍以上，同時(shí)，礦化垃圾的有機(jī)質(zhì)含量隨著時(shí)間和深度的增加而增加，當(dāng)填埋時(shí)間超過(guò)10年時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量隨時(shí)間和深度的變化趨勢(shì)趨于平緩，基本達(dá)到穩(wěn)定。扈靖之[8]對(duì)礦化垃圾有機(jī)質(zhì)含量與深度的關(guān)系進(jìn)行了研究，得出了相似的結(jié)論，有機(jī)質(zhì)含量隨深度增加而變大；深度3 m 時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量基本趨于穩(wěn)定。

董陽(yáng)等[10]研究礦化垃圾的營(yíng)養(yǎng)元素，總氮、總磷（P2O5）和總鉀（K2O）分別為0.53 g/kg、3.1 g/kg 和10.2 g/kg。袁京等[11]研究了填埋齡2～3年的礦化垃圾，研究表明，平均總氮含量為0.58%，總磷（P2O5）為0.28%，總鉀（K2O）為1.61%，有機(jī)質(zhì)含量在16%～29%，符合《城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標(biāo)準(zhǔn)》。以上研究表明，礦化垃圾中具有豐富的營(yíng)養(yǎng)元素，這使得其具有良好的土壤肥力，可適用于農(nóng)業(yè)資源化利用。

2.1.4 可燃組分熱值分析

礦化垃圾的可燃組分主要包括塑料、織物、草木類和橡膠等。白秀佳[6]對(duì)礦化垃圾的熱值進(jìn)行了研究，可燃組分低位平均熱值可達(dá)10 367 kJ/kg，含水率較低，達(dá)到了焚燒要求。

2.2 礦化垃圾資源化利用研究進(jìn)展

目前礦化垃圾的資源化利用研究主要集中在處理廢水、處理廢氣和改良土壤等方面。

2.2.1 礦化垃圾處理廢水

礦化垃圾處理廢水主要依靠其本身強(qiáng)大的吸附和離子交換性能，以及其內(nèi)部的高活性微生物的降解作用[12]。由于礦化垃圾在形成過(guò)程中的特殊性，其微生物經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的自然馴化，對(duì)污染物質(zhì)具有良好的適應(yīng)性，即使高濃度廢水也很難對(duì)整個(gè)礦化垃圾處理系統(tǒng)產(chǎn)生影響；而良好的吸附性能主要?dú)w結(jié)于大量的腐殖質(zhì)，腐殖質(zhì)的疏松海綿狀結(jié)構(gòu)使礦化垃圾產(chǎn)生了較大的比表面積，為廢水中污染物質(zhì)和微生物吸附創(chuàng)造了條件[13]。在兩者共同作用下，可以高性能處理有機(jī)廢水。

礦化垃圾可以用于處理滲濾液，這是由于其特殊性質(zhì)，適合微生物的生長(zhǎng)和發(fā)育，且孔隙率高、水力滲透性能優(yōu)良，可以有效去除滲濾液中的污染物[14]。以礦化垃圾為主要原料可以制成生物反應(yīng)床，李華[15]對(duì)礦化垃圾處理滲濾液進(jìn)行了初步研究，研究表明，厭氧礦化垃圾生物反應(yīng)床對(duì)滲濾液有較好的處理效果；在適當(dāng)?shù)臈l件下，對(duì)滲濾液中COD 的去除率大于85%，BOD、NH-N 的去除率超過(guò)99%，處理效果良好。對(duì)礦化垃圾進(jìn)行篩分、預(yù)處理，將石頭、塑料和玻璃等去除，可以進(jìn)一步改善處理效果。礦化垃圾處理滲濾液有很強(qiáng)的應(yīng)用推廣價(jià)值。

畜禽廢水產(chǎn)生量大，其中氮、磷、有機(jī)質(zhì)等污染物濃度也較高[16]。申海虹[17]使用了4 個(gè)內(nèi)徑為40 cm、有效總高度為160 cm 的塑料圓桶制成了礦化垃圾生物反應(yīng)床實(shí)驗(yàn)裝置，然后向其中加入粒徑小于16 mm 的10年礦化垃圾來(lái)處理畜禽廢水，礦化垃圾來(lái)自上海老港垃圾場(chǎng)填埋場(chǎng)。研究表明，該系統(tǒng)處理畜禽廢水效果穩(wěn)定，其出水水質(zhì)達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該方法相比傳統(tǒng)方法前期投資和運(yùn)行費(fèi)用較低，總體花費(fèi)更少；且在運(yùn)行中便于管理，出水水質(zhì)較好，沒(méi)有二次污染。值得繼續(xù)深入研究，進(jìn)行規(guī)模化應(yīng)用。

印染廢水?dāng)?shù)量龐大，成分復(fù)雜，其中含有高濃度的有機(jī)染料和重金屬離子等，具有很高的毒性，并且還含有一些痕量金屬，會(huì)對(duì)人類健康和環(huán)境造成威脅，難以治理[18]。唐朝春等[19]用亞甲基藍(lán)溶液來(lái)表征印染廢水，研究了在不同條件下，礦化垃圾對(duì)亞甲基藍(lán)溶液吸附處理效果的影響。結(jié)果表明，礦化垃圾對(duì)20 mg/L 的亞甲基藍(lán)溶液處理效果最佳，其脫色率可以達(dá)到98.83%。在適宜的條件下，礦化垃圾生化反應(yīng)床能有效處理模擬印染廢水，其主要靠微生物中的球菌群落專性降解作用。礦化垃圾在處理印染廢水方面有著廣闊的前景。

含酚廢水是一類高毒性、難降解的有機(jī)廢水，其中含有復(fù)雜的有毒物質(zhì)，常規(guī)的生物工藝很難對(duì)其進(jìn)行處理[20]。柴曉利[21]考察了礦化垃圾吸附和降解酚類化合物的機(jī)理及工藝，礦化垃圾吸附酚類化合物是一個(gè)快速過(guò)程，這個(gè)過(guò)程主要是化學(xué)吸附，溫度、pH 值、初始濃度、粒徑及固液比等因素都可以影響其吸附容量；而其降解主要是經(jīng)過(guò)生物降解作用實(shí)現(xiàn)的，并且具有良好的生物降解性能。郭強(qiáng)等[22]研究了其工藝參數(shù)，在進(jìn)水有機(jī)酚質(zhì)量濃度為20 mg/L、連續(xù)配水時(shí)間6 h、濕干比為1∶8 以及配水速率為0.254 cm/min 的條件下,酚類化合物去除效果良好，出水水質(zhì)可達(dá)到或接近國(guó)家三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。礦化垃圾處理含酚廢水具有良好的效果。

焦化廢水的產(chǎn)生及其處理是全球范圍內(nèi)一個(gè)令人擔(dān)憂的問(wèn)題，其主要產(chǎn)生于煉焦工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，焦化廢水產(chǎn)生量較多，且難以處理[23]。目前，國(guó)內(nèi)處理焦化廢水通常使用普通生化法，但在焦化廢水處理中大多數(shù)二級(jí)出水的CODCr、氨氮的去除率較低，處理后水質(zhì)往往達(dá)不到國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)難以回用。王敏等[24]對(duì)礦化垃圾處理焦化廢水的可行性進(jìn)行了研究，采用填埋時(shí)間為8年的礦化垃圾，取1 cm 以下的篩下物，對(duì)單級(jí)礦化垃圾生物反應(yīng)床和兩級(jí)回流礦化垃圾生物反應(yīng)床進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，單級(jí)好氧礦化垃圾生物反應(yīng)床出水水質(zhì)更好，可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)；且在運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)需曝氣，不產(chǎn)生剩余污泥，在出水時(shí)不需要進(jìn)行泥水分離。整體運(yùn)行穩(wěn)定，操作較為簡(jiǎn)單。

2.2.2 礦化垃圾處理廢氣

礦化垃圾中含有大量微生物，在有外加碳源的厭氧條件下，礦化垃圾中的脫氮菌可以大量繁殖，從而可以將NO 廢氣轉(zhuǎn)化為N2，達(dá)到處理廢氣的目的[25]。張華等[25-26]研究了利用礦化垃圾作填料的生物反應(yīng)床處理NO 和NOX，研究表明，停留時(shí)間為7.5 min 時(shí)，其去除率可達(dá)96%；同時(shí)，對(duì)NOX的去除率也比較理想，當(dāng)停留時(shí)間為15 min 時(shí)，氣體的平均去除率為91%。兩種氣體去除率都受停留時(shí)間影響，其停留時(shí)間越長(zhǎng)，去除率越高。

2.2.3 礦化垃圾在土壤中的應(yīng)用

礦化垃圾在填埋8～10年后各層次總體上趨于穩(wěn)定，并且其中富含氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其營(yíng)養(yǎng)元素明顯高于一般綠化土壤，適合植物生長(zhǎng)繁育[27]。但礦化垃圾中重金屬含量超標(biāo)，可以考慮用作添加劑加入土壤中改良土壤，或者用作對(duì)對(duì)人體不產(chǎn)生毒害的草坪土，也可以用作修復(fù)石油污染土壤。

鹽堿地是土壤中鹽類聚集使得土壤中含鹽量升高，從而使作物非正常生長(zhǎng)的一種土地類型，也是土壤鹽堿化的一種表現(xiàn)[28]。對(duì)于鹽堿土的改良，一般采用對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)換土，或者添加土壤改良材料等。而礦化垃圾中含有豐富的微量元素，這些營(yíng)養(yǎng)成分具有很高的利用價(jià)值。但由于礦化垃圾中重金屬元素濃度相對(duì)較高，有可能對(duì)土壤造成二次污染。此外，礦化垃圾在單獨(dú)利用時(shí)還存在保肥能力差、鹽分高等缺陷。董陽(yáng)等[29]利用綠色植物廢棄物和礦化垃圾共同對(duì)鹽堿土的改良進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，在鹽堿土中加入兩者的混合物可以有效降低鹽堿土的鹽分，提高土壤肥力，并且可以降低礦化垃圾潛在的污染風(fēng)險(xiǎn)，在廢物利用的同時(shí)，也可以達(dá)到改良鹽堿土的目的。

草坪是城市綠化中重要的組成部分，可以美化環(huán)境、凈化空氣、改善小氣候等。但為保證草坪種植質(zhì)量，通常會(huì)選用較為肥沃的土壤來(lái)種植草坪，同時(shí)在運(yùn)輸時(shí)又會(huì)帶走大量表層土[30]。按照傳統(tǒng)方法，容易讓農(nóng)田耕地形成大量低洼地，造成土地貧瘠和鹽堿化。因此，將礦化垃圾作為土地添加劑進(jìn)行土地利用可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。且由于礦化垃圾中的重金屬成分以及潛在危險(xiǎn)，更適合改良觀賞草坪。草坪土與食物農(nóng)作物培養(yǎng)土不同，不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生毒害效應(yīng)。劉小芳[35]對(duì)礦化垃圾作為草坪土的應(yīng)用進(jìn)行了一系列研究，改良后的礦化垃圾對(duì)高羊茅的生長(zhǎng)抑制情況明顯減緩，且改良后的礦化垃圾可以避免對(duì)地表水及地下水造成此類重金屬污染問(wèn)題。

土壤中的石油污染物主要包括碳?xì)浠衔铮ㄖ緹N、芳香烴等）、鹵代烴以及其他組分（含氧化合物、含氮化合物、含硫化合物等）[32]。目前，我國(guó)常用的石油污染修復(fù)方法有：物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)。但由于石油成分復(fù)雜，這3 種技術(shù)都有其本身的局限性，單一方法不能清除石油污染物的所有成分和將污染物完全分解。基于這種原因，毛莉莉[33]研究了利用礦化垃圾修復(fù)污染的土壤，結(jié)果表明，在礦化垃圾與土壤質(zhì)量比為6∶4 準(zhǔn)好氧反應(yīng)柱、石油濃度為2%時(shí)，去除率最高。劉慶梅等[34]研究了土壤含水率、溫度、礦化垃圾的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、翻耕頻率以及氧氣條件對(duì)去除率的影響。為礦化垃圾應(yīng)用于石油污染土壤原位修復(fù)提供了技術(shù)支撐。

2.2.4 其他應(yīng)用

礦化垃圾的性質(zhì)決定了它可以用作為一般性的建筑材料。對(duì)礦化垃圾進(jìn)行篩分后，這些精細(xì)組分類似于黑土，具有黑土的特性，是一種適合綠色建筑的介質(zhì)，在細(xì)料中加入凝固劑，可以用作道路路基的原料[35]。李雄等[36]用礦化垃圾中的煤灰、地灰、磚頭、瓦石等經(jīng)粉碎后再與輔料混合，壓制成路面磚；其制作出的路面磚無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)菌，光潔、耐腐蝕、不風(fēng)化，造價(jià)較為便宜，僅是水泥路面磚成本的70%，而且性能質(zhì)量符合《混凝土面磚》（C446—91）標(biāo)準(zhǔn)一等品要求。

垃圾經(jīng)過(guò)預(yù)處理可作為燃料被工業(yè)化利用，一般稱為垃圾衍生燃料。利用垃圾衍生燃料發(fā)電比原生生活垃圾提高了1.3 倍，且可以有效降低污染。礦化垃圾比新鮮的生活垃圾更適合制成垃圾衍生燃料，其熱值較高，水分含量低，并且其制備工藝與成本也更為簡(jiǎn)單與低廉，制成的垃圾衍生燃料具有廣闊的市場(chǎng)前景[37]。

目前，我國(guó)的覆蓋材料一般是采用黏土。但這種覆蓋材料具有施工成本較高、受天氣因素影響大、抗?jié)B及密閉性較差，以及覆蓋層厚度大浪費(fèi)庫(kù)容等缺點(diǎn)。吳軍等[38]對(duì)礦化垃圾作覆蓋材料進(jìn)行了研究，在對(duì)礦化垃圾進(jìn)一步熟化之后，再進(jìn)行一些處理，就可以用作覆蓋材料，這種材料取材方便，可直接在填埋場(chǎng)取材，成本較低，同時(shí)此材料具有生物吸附和脫臭的作用，能夠處理和抑制臭氣的擴(kuò)散，不滋生蚊蠅。

礦化垃圾中重金屬含量比污泥中低，可以在與污泥協(xié)同處理中起到稀釋的作用。田姝[39]探究了礦化垃圾和城市污泥協(xié)同熱解加強(qiáng)重金屬固化效果，研究表明，添加礦化垃圾后更有助于城市污泥中重金屬的固化，并且可以使污泥中的重金屬形態(tài)發(fā)生變化，降低其毒性。Jianwei Zhao[40]將礦化垃圾加入活性污泥廢物中，可以有效提高污泥的厭氧消化，結(jié)果表明，礦化垃圾中各種酶和厭氧菌是促進(jìn)厭氧消化的主要原因。

3 結(jié)論與展望

系統(tǒng)總結(jié)了礦化垃圾理化特性和資源化利用現(xiàn)狀。從理化特性來(lái)看，礦化垃圾可以用來(lái)處理廢、廢氣、改良土壤以及作為一般性建筑材料等，具有多種資源化利用途徑。衛(wèi)生填埋是我國(guó)垃圾處理的主要方式，但由于環(huán)保、土地等一系列的原因，建設(shè)新的垃圾填埋場(chǎng)很難實(shí)現(xiàn)，所以開采礦化垃圾將是解決填埋場(chǎng)空間的重要手段。礦化垃圾的再利用，體現(xiàn)了“以廢治廢”的原則，對(duì)實(shí)現(xiàn)填埋場(chǎng)的可持續(xù)利用有著重要意義。