垃圾填埋場礦化垃圾資源化利用研究現狀及進展

郭佳晨，旦增，楊濤，孟德安，周文武，劉麗薇，朱賽紅，萬鑫云

（西藏大學 理學院，西藏 拉薩 850000）

目前，生活垃圾的主要處理方式有衛生填埋、焚燒、以及堆肥等。而衛生填埋長期以來是處理處置城鄉垃圾最主要的方式。未來城市和人口進一步的發展和增長，垃圾產量必將進一步擴大，這就勢必需要更大的垃圾處理能力。有條件的城市可以通過焚燒發電的方式處理城市生活垃圾，但是沒有條件的城市以及縣鎮垃圾依舊只能通過土地填埋方式進行處理處置。然而，多數縣鎮填埋場庫容幾乎被填滿，服務周期即將結束，因此解決后續城鎮垃圾處置問題成為多數縣鎮面臨的普遍難題。由于多方面原因，建造新的垃圾填埋場以適應日益增加的垃圾量是不可能的。解決這一問題的另一條重要途徑，就是利用并且開發穩定化的填埋場內礦化垃圾實現填埋場持續利用，即把填埋場作為垃圾的轉運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填埋若干年后穩定化而形成的垃圾；其表面沉降量不大于10 mm/a，垃圾中有機質含量不大于10%，易降解物質完全或接近完全降解，垃圾自身幾乎不再產生滲濾液、填埋氣體和異味[1]。目前，對于礦化垃圾還沒有具體確切的定義。其穩定化所需時間受各種因素的影響，如：填埋場地理位置、氣候條件、垃圾成分等；且對于穩定化程度也未制定統一標準。所以，礦化垃圾暫時僅僅是一個廣義上的概念[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、鉀等營養元素，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料，少部分為大顆粒無機物。

2 礦化垃圾研究現狀及進展

2.1 礦化垃圾理化特性研究進展

2.1.1 物理組分及特性

崔文靜[5]對上海老港垃圾填埋場10年的礦化垃圾組成進行分析，礦化垃圾中土含量達75.48%，石頭、玻璃、瓦片、動物骨頭等含量為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]對北京市某垃圾填埋場礦化垃圾進行了研究，得出了相似的結果，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。

礦化垃圾不會產生異味，其含石塊等無機物及含較多的難降解有機物，其余為塊狀土壤類物質[4]。趙海濤等[7]對礦化垃圾的土粒密度、交換性鹽基總量、陽離子交換量、pH 值進行了研究，研究表明，土壤顆粒密度顯著低于對照土壤，交換性鹽基總量、陽離子顯著大于對照土壤，pH 值和對照土壤基本相同。

2.1.2 重金屬

扈靖之[8]對毛塋子填埋場10年礦化垃圾進行了研究，測量了總鉻、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。總之，重金屬含量超標可對周邊土壤和地下水造成污染，同時也會對礦化垃圾的開發利用產生影響。從對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 有機質及營養元素

趙海濤等[9]對礦化垃圾中營養元素情況進行了測量，填埋齡6年的礦化垃圾中有機質的平均含量在90 g/kg 以上，其有機質含量可達對照土壤的15 倍以上，同時，礦化垃圾的有機質含量隨著時間和深度的增加而增加，當填埋時間超過10年時，有機質含量隨時間和深度的變化趨勢趨于平緩，基本達到穩定。扈靖之[8]對礦化垃圾有機質含量與深度的關系進行了研究，得出了相似的結論，有機質含量隨深度增加而變大；深度3 m 時，有機質含量基本趨于穩定。

董陽等[10]研究礦化垃圾的營養元素，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%，有機質含量在16%～29%，符合《城鎮垃圾農用控制標準》。以上研究表明，礦化垃圾中具有豐富的營養元素，這使得其具有良好的土壤肥力，可適用于農業資源化利用。

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]對礦化垃圾的熱值進行了研究，可燃組分低位平均熱值可達10 367 kJ/kg，含水率較低，達到了焚燒要求。

2.2 礦化垃圾資源化利用研究進展

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大的吸附和離子交換性能，以及其內部的高活性微生物的降解作用[12]。由于礦化垃圾在形成過程中的特殊性，其微生物經過了長期的自然馴化，對污染物質具有良好的適應性，即使高濃度廢水也很難對整個礦化垃圾處理系統產生影響；而良好的吸附性能主要歸結于大量的腐殖質，腐殖質的疏松海綿狀結構使礦化垃圾產生了較大的比表面積，為廢水中污染物質和微生物吸附創造了條件[13]。在兩者共同作用下，可以高性能處理有機廢水。

礦化垃圾可以用于處理滲濾液，這是由于其特殊性質，適合微生物的生長和發育，且孔隙率高、水力滲透性能優良，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床，李華[15]對礦化垃圾處理滲濾液進行了初步研究，研究表明，厭氧礦化垃圾生物反應床對滲濾液有較好的處理效果；在適當的條件下，對滲濾液中COD 的去除率大于85%，BOD、NH-N 的去除率超過99%，處理效果良好。對礦化垃圾進行篩分、預處理，將石頭、塑料和玻璃等去除，可以進一步改善處理效果。礦化垃圾處理滲濾液有很強的應用推廣價值。

畜禽廢水產生量大，其中氮、磷、有機質等污染物濃度也較高[16]。申海虹[17]使用了4 個內徑為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床實驗裝置，然后向其中加入粒徑小于16 mm 的10年礦化垃圾來處理畜禽廢水，礦化垃圾來自上海老港垃圾場填埋場。研究表明，該系統處理畜禽廢水效果穩定，其出水水質達到了國家標準。該方法相比傳統方法前期投資和運行費用較低，總體花費更少；且在運行中便于管理，出水水質較好，沒有二次污染。值得繼續深入研究，進行規模化應用。

印染廢水數量龐大，成分復雜，其中含有高濃度的有機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，會對人類健康和環境造成威脅，難以治理[18]。唐朝春等[19]用亞甲基藍溶液來表征印染廢水，研究了在不同條件下，礦化垃圾對亞甲基藍溶液吸附處理效果的影響。結果表明，礦化垃圾對20 mg/L 的亞甲基藍溶液處理效果最佳，其脫色率可以達到98.83%。在適宜的條件下，礦化垃圾生化反應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、難降解的有機廢水，其中含有復雜的有毒物質，常規的生物工藝很難對其進行處理[20]。柴曉利[21]考察了礦化垃圾吸附和降解酚類化合物的機理及工藝，礦化垃圾吸附酚類化合物是一個快速過程，這個過程主要是化學吸附，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；而其降解主要是經過生物降解作用實現的，并且具有良好的生物降解性能。郭強等[22]研究了其工藝參數，在進水有機酚質量濃度為20 mg/L、連續配水時間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，出水水質可達到或接近國家三級排放標準。礦化垃圾處理含酚廢水具有良好的效果。

焦化廢水的產生及其處理是全球范圍內一個令人擔憂的問題，其主要產生于煉焦工業生產過程，焦化廢水產生量較多，且難以處理[23]。目前，國內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二級出水的CODCr、氨氮的去除率較低，處理后水質往往達不到國家規定的排放標準難以回用。王敏等[24]對礦化垃圾處理焦化廢水的可行性進行了研究，采用填埋時間為8年的礦化垃圾，取1 cm 以下的篩下物，對單級礦化垃圾生物反應床和兩級回流礦化垃圾生物反應床進行了比較，結果表明，單級好氧礦化垃圾生物反應床出水水質更好，可達到排放標準；且在運行過程中，無需曝氣，不產生剩余污泥，在出水時不需要進行泥水分離。整體運行穩定，操作較為簡單。

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 廢氣轉化為N2，達到處理廢氣的目的[25]。張華等[25-26]研究了利用礦化垃圾作填料的生物反應床處理NO 和NOX，研究表明，停留時間為7.5 min 時，其去除率可達96%；同時，對NOX的去除率也比較理想，當停留時間為15 min 時，氣體的平均去除率為91%。兩種氣體去除率都受停留時間影響，其停留時間越長，去除率越高。

2.2.3 礦化垃圾在土壤中的應用

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

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的一種土地類型，也是土壤鹽堿化的一種表現[28]。對于鹽堿土的改良，一般采用對其進行適當換土，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，這些營養成分具有很高的利用價值。但由于礦化垃圾中重金屬元素濃度相對較高，有可能對土壤造成二次污染。此外，礦化垃圾在單獨利用時還存在保肥能力差、鹽分高等缺陷。董陽等[29]利用綠色植物廢棄物和礦化垃圾共同對鹽堿土的改良進行了試驗研究，結果表明，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險，在廢物利用的同時，也可以達到改良鹽堿土的目的。

草坪是城市綠化中重要的組成部分，可以美化環境、凈化空氣、改善小氣候等。但為保證草坪種植質量，通常會選用較為肥沃的土壤來種植草坪，同時在運輸時又會帶走大量表層土[30]。按照傳統方法，容易讓農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行土地利用可以很好地解決這個問題。且由于礦化垃圾中的重金屬成分以及潛在危險，更適合改良觀賞草坪。草坪土與食物農作物培養土不同，不會對人體產生毒害效應。劉小芳[35]對礦化垃圾作為草坪土的應用進行了一系列研究，改良后的礦化垃圾對高羊茅的生長抑制情況明顯減緩，且改良后的礦化垃圾可以避免對地表水及地下水造成此類重金屬污染問題。

土壤中的石油污染物主要包括碳氫化合物（脂肪烴、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，我國常用的石油污染修復方法有：物理修復、化學修復和生物修復。但由于石油成分復雜，這3 種技術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污染的土壤，結果表明，在礦化垃圾與土壤質量比為6∶4 準好氧反應柱、石油濃度為2%時，去除率最高。劉慶梅等[34]研究了土壤含水率、溫度、礦化垃圾的質量分數、翻耕頻率以及氧氣條件對去除率的影響。為礦化垃圾應用于石油污染土壤原位修復提供了技術支撐。

2.2.4 其他應用

礦化垃圾的性質決定了它可以用作為一般性的建筑材料。對礦化垃圾進行篩分后，這些精細組分類似于黑土，具有黑土的特性，是一種適合綠色建筑的介質，在細料中加入凝固劑，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、瓦石等經粉碎后再與輔料混合，壓制成路面磚；其制作出的路面磚無毒、無味、無菌，光潔、耐腐蝕、不風化，造價較為便宜，僅是水泥路面磚成本的70%，而且性能質量符合《混凝土面磚》（C446—91）標準一等品要求。

垃圾經過預處理可作為燃料被工業化利用，一般稱為垃圾衍生燃料。利用垃圾衍生燃料發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單與低廉，制成的垃圾衍生燃料具有廣闊的市場前景[37]。

目前，我國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、抗滲及密閉性較差，以及覆蓋層厚度大浪費庫容等缺點。吳軍等[38]對礦化垃圾作覆蓋材料進行了研究，在對礦化垃圾進一步熟化之后，再進行一些處理，就可以用作覆蓋材料，這種材料取材方便，可直接在填埋場取材，成本較低，同時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同熱解加強重金屬固化效果，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發生變化，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，結果表明，礦化垃圾中各種酶和厭氧菌是促進厭氧消化的主要原因。

3 結論與展望

系統總結了礦化垃圾理化特性和資源化利用現狀。從理化特性來看，礦化垃圾可以用來處理廢、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。衛生填埋是我國垃圾處理的主要方式，但由于環保、土地等一系列的原因，建設新的垃圾填埋場很難實現，所以開采礦化垃圾將是解決填埋場空間的重要手段。礦化垃圾的再利用，體現了“以廢治廢”的原則，對實現填埋場的可持續利用有著重要意義。