垃圾填埋场矿化垃圾资源化利用研究现状及进展

郭佳晨，旦增，杨涛，孟德安，周文武，刘丽薇，朱赛红，万鑫云

（西藏大学 理学院，西藏 拉萨 850000）

目前，生活垃圾的主要处理方式有卫生填埋、焚烧、以及堆肥等。而卫生填埋长期以来是处理处置城乡垃圾最主要的方式。未来城市和人口进一步的发展和增长，垃圾产量必将进一步扩大，这就势必需要更大的垃圾处理能力。有条件的城市可以通过焚烧发电的方式处理城市生活垃圾，但是没有条件的城市以及县镇垃圾依旧只能通过土地填埋方式进行处理处置。然而，多数县镇填埋场库容几乎被填满，服务周期即将结束，因此解决后续城镇垃圾处置问题成为多数县镇面临的普遍难题。由于多方面原因，建造新的垃圾填埋场以适应日益增加的垃圾量是不可能的。解决这一问题的另一条重要途径，就是利用并且开发稳定化的填埋场内矿化垃圾实现填埋场持续利用，即把填埋场作为垃圾的转运地而不是最终目的地。矿化垃圾的资源化利用是处理矿化垃圾的必经之路。

1 矿化垃圾及其理化特性

矿化垃圾是指生活垃圾在垃圾填埋场填埋若干年后稳定化而形成的垃圾；其表面沉降量不大于10 mm/a，垃圾中有机质含量不大于10%，易降解物质完全或接近完全降解，垃圾自身几乎不再产生渗滤液、填埋气体和异味[1]。目前，对于矿化垃圾还没有具体确切的定义。其稳定化所需时间受各种因素的影响，如：填埋场地理位置、气候条件、垃圾成分等；且对于稳定化程度也未制定统一标准。所以，矿化垃圾暂时仅仅是一个广义上的概念[2]。

矿化垃圾的主要物理组分为渣土、砖石、可燃组分和少量的重金属，其中渣土占比最多，重金属占比较少[3]，重金属中主要为铬、铜、锌、铅、汞等。塑料、橡胶、草木类和织物是主要的可燃组分，由于多年的降解，其含水量较低，热值较高[4]。此外，矿化垃圾中含有丰富的氮、磷、钾等营养元素，因而其有良好的土壤肥力。在外观上，矿化垃圾大部分为土壤状细料，少部分为大颗粒无机物。

2 矿化垃圾研究现状及进展

2.1 矿化垃圾理化特性研究进展

2.1.1 物理组分及特性

崔文静[5]对上海老港垃圾填埋场10年的矿化垃圾组成进行分析，矿化垃圾中土含量达75.48%，石头、玻璃、瓦片、动物骨头等含量为18.2%, 塑料含量为7.02%，草木类含量为2.47%，织物含量为1.16%，橡胶含量为0.82%，含水率为23.73%。白秀佳等[6]对北京市某垃圾填埋场矿化垃圾进行了研究，得出了相似的结果，其中腐殖土占比最多，平均占矿化垃圾总量的53.08%，易燃组分共占矿化垃圾的30.46%，砖瓦占比14.9%。由以上研究可知，渣土在矿化垃圾中所占比例最大，其次为砖石和可燃组分。

矿化垃圾不会产生异味，其含石块等无机物及含较多的难降解有机物，其余为块状土壤类物质[4]。赵海涛等[7]对矿化垃圾的土粒密度、交换性盐基总量、阳离子交换量、pH 值进行了研究，研究表明，土壤颗粒密度显著低于对照土壤，交换性盐基总量、阳离子显著大于对照土壤，pH 值和对照土壤基本相同。

2.1.2 重金属

扈靖之[8]对毛茔子填埋场10年矿化垃圾进行了研究，测量了总铬、汞、镉、铅和砷重金属平均含量，分别为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]测量出了矿化垃圾腐殖土中各重金属的元素含量，得到Hg、Pb、Cd、As 和Cr 分别为0.13 mg/kg、13.93 mg/kg、0.23 mg/kg、5.09 mg/kg 和67.38 mg/kg。总之，重金属含量超标可对周边土壤和地下水造成污染，同时也会对矿化垃圾的开发利用产生影响。从对矿化垃圾的研究得出，目前矿化垃圾中重金属主要为铬、铜、锌、铅、汞等。

2.1.3 有机质及营养元素

赵海涛等[9]对矿化垃圾中营养元素情况进行了测量，填埋龄6年的矿化垃圾中有机质的平均含量在90 g/kg 以上，其有机质含量可达对照土壤的15 倍以上，同时，矿化垃圾的有机质含量随着时间和深度的增加而增加，当填埋时间超过10年时，有机质含量随时间和深度的变化趋势趋于平缓，基本达到稳定。扈靖之[8]对矿化垃圾有机质含量与深度的关系进行了研究，得出了相似的结论，有机质含量随深度增加而变大；深度3 m 时，有机质含量基本趋于稳定。

董阳等[10]研究矿化垃圾的营养元素，总氮、总磷（P2O5）和总钾（K2O）分别为0.53 g/kg、3.1 g/kg 和10.2 g/kg。袁京等[11]研究了填埋龄2～3年的矿化垃圾，研究表明，平均总氮含量为0.58%，总磷（P2O5）为0.28%，总钾（K2O）为1.61%，有机质含量在16%～29%，符合《城镇垃圾农用控制标准》。以上研究表明，矿化垃圾中具有丰富的营养元素，这使得其具有良好的土壤肥力，可适用于农业资源化利用。

2.1.4 可燃组分热值分析

矿化垃圾的可燃组分主要包括塑料、织物、草木类和橡胶等。白秀佳[6]对矿化垃圾的热值进行了研究，可燃组分低位平均热值可达10 367 kJ/kg，含水率较低，达到了焚烧要求。

2.2 矿化垃圾资源化利用研究进展

目前矿化垃圾的资源化利用研究主要集中在处理废水、处理废气和改良土壤等方面。

2.2.1 矿化垃圾处理废水

矿化垃圾处理废水主要依靠其本身强大的吸附和离子交换性能，以及其内部的高活性微生物的降解作用[12]。由于矿化垃圾在形成过程中的特殊性，其微生物经过了长期的自然驯化，对污染物质具有良好的适应性，即使高浓度废水也很难对整个矿化垃圾处理系统产生影响；而良好的吸附性能主要归结于大量的腐殖质，腐殖质的疏松海绵状结构使矿化垃圾产生了较大的比表面积，为废水中污染物质和微生物吸附创造了条件[13]。在两者共同作用下，可以高性能处理有机废水。

矿化垃圾可以用于处理渗滤液，这是由于其特殊性质，适合微生物的生长和发育，且孔隙率高、水力渗透性能优良，可以有效去除渗滤液中的污染物[14]。以矿化垃圾为主要原料可以制成生物反应床，李华[15]对矿化垃圾处理渗滤液进行了初步研究，研究表明，厌氧矿化垃圾生物反应床对渗滤液有较好的处理效果；在适当的条件下，对渗滤液中COD 的去除率大于85%，BOD、NH-N 的去除率超过99%，处理效果良好。对矿化垃圾进行筛分、预处理，将石头、塑料和玻璃等去除，可以进一步改善处理效果。矿化垃圾处理渗滤液有很强的应用推广价值。

畜禽废水产生量大，其中氮、磷、有机质等污染物浓度也较高[16]。申海虹[17]使用了4 个内径为40 cm、有效总高度为160 cm 的塑料圆桶制成了矿化垃圾生物反应床实验装置，然后向其中加入粒径小于16 mm 的10年矿化垃圾来处理畜禽废水，矿化垃圾来自上海老港垃圾场填埋场。研究表明，该系统处理畜禽废水效果稳定，其出水水质达到了国家标准。该方法相比传统方法前期投资和运行费用较低，总体花费更少；且在运行中便于管理，出水水质较好，没有二次污染。值得继续深入研究，进行规模化应用。

印染废水数量庞大，成分复杂，其中含有高浓度的有机染料和重金属离子等，具有很高的毒性，并且还含有一些痕量金属，会对人类健康和环境造成威胁，难以治理[18]。唐朝春等[19]用亚甲基蓝溶液来表征印染废水，研究了在不同条件下，矿化垃圾对亚甲基蓝溶液吸附处理效果的影响。结果表明，矿化垃圾对20 mg/L 的亚甲基蓝溶液处理效果最佳，其脱色率可以达到98.83%。在适宜的条件下，矿化垃圾生化反应床能有效处理模拟印染废水，其主要靠微生物中的球菌群落专性降解作用。矿化垃圾在处理印染废水方面有着广阔的前景。

含酚废水是一类高毒性、难降解的有机废水，其中含有复杂的有毒物质，常规的生物工艺很难对其进行处理[20]。柴晓利[21]考察了矿化垃圾吸附和降解酚类化合物的机理及工艺，矿化垃圾吸附酚类化合物是一个快速过程，这个过程主要是化学吸附，温度、pH 值、初始浓度、粒径及固液比等因素都可以影响其吸附容量；而其降解主要是经过生物降解作用实现的，并且具有良好的生物降解性能。郭强等[22]研究了其工艺参数，在进水有机酚质量浓度为20 mg/L、连续配水时间6 h、湿干比为1∶8 以及配水速率为0.254 cm/min 的条件下,酚类化合物去除效果良好，出水水质可达到或接近国家三级排放标准。矿化垃圾处理含酚废水具有良好的效果。

焦化废水的产生及其处理是全球范围内一个令人担忧的问题，其主要产生于炼焦工业生产过程，焦化废水产生量较多，且难以处理[23]。目前，国内处理焦化废水通常使用普通生化法，但在焦化废水处理中大多数二级出水的CODCr、氨氮的去除率较低，处理后水质往往达不到国家规定的排放标准难以回用。王敏等[24]对矿化垃圾处理焦化废水的可行性进行了研究，采用填埋时间为8年的矿化垃圾，取1 cm 以下的筛下物，对单级矿化垃圾生物反应床和两级回流矿化垃圾生物反应床进行了比较，结果表明，单级好氧矿化垃圾生物反应床出水水质更好，可达到排放标准；且在运行过程中，无需曝气，不产生剩余污泥，在出水时不需要进行泥水分离。整体运行稳定，操作较为简单。

2.2.2 矿化垃圾处理废气

矿化垃圾中含有大量微生物，在有外加碳源的厌氧条件下，矿化垃圾中的脱氮菌可以大量繁殖，从而可以将NO 废气转化为N2，达到处理废气的目的[25]。张华等[25-26]研究了利用矿化垃圾作填料的生物反应床处理NO 和NOX，研究表明，停留时间为7.5 min 时，其去除率可达96%；同时，对NOX的去除率也比较理想，当停留时间为15 min 时，气体的平均去除率为91%。两种气体去除率都受停留时间影响，其停留时间越长，去除率越高。

2.2.3 矿化垃圾在土壤中的应用

矿化垃圾在填埋8～10年后各层次总体上趋于稳定，并且其中富含氮、磷、钾等营养物质，其营养元素明显高于一般绿化土壤，适合植物生长繁育[27]。但矿化垃圾中重金属含量超标，可以考虑用作添加剂加入土壤中改良土壤，或者用作对对人体不产生毒害的草坪土，也可以用作修复石油污染土壤。

盐碱地是土壤中盐类聚集使得土壤中含盐量升高，从而使作物非正常生长的一种土地类型，也是土壤盐碱化的一种表现[28]。对于盐碱土的改良，一般采用对其进行适当换土，或者添加土壤改良材料等。而矿化垃圾中含有丰富的微量元素，这些营养成分具有很高的利用价值。但由于矿化垃圾中重金属元素浓度相对较高，有可能对土壤造成二次污染。此外，矿化垃圾在单独利用时还存在保肥能力差、盐分高等缺陷。董阳等[29]利用绿色植物废弃物和矿化垃圾共同对盐碱土的改良进行了试验研究，结果表明，在盐碱土中加入两者的混合物可以有效降低盐碱土的盐分，提高土壤肥力，并且可以降低矿化垃圾潜在的污染风险，在废物利用的同时，也可以达到改良盐碱土的目的。

草坪是城市绿化中重要的组成部分，可以美化环境、净化空气、改善小气候等。但为保证草坪种植质量，通常会选用较为肥沃的土壤来种植草坪，同时在运输时又会带走大量表层土[30]。按照传统方法，容易让农田耕地形成大量低洼地，造成土地贫瘠和盐碱化。因此，将矿化垃圾作为土地添加剂进行土地利用可以很好地解决这个问题。且由于矿化垃圾中的重金属成分以及潜在危险，更适合改良观赏草坪。草坪土与食物农作物培养土不同，不会对人体产生毒害效应。刘小芳[35]对矿化垃圾作为草坪土的应用进行了一系列研究，改良后的矿化垃圾对高羊茅的生长抑制情况明显减缓，且改良后的矿化垃圾可以避免对地表水及地下水造成此类重金属污染问题。

土壤中的石油污染物主要包括碳氢化合物（脂肪烃、芳香烃等）、卤代烃以及其他组分（含氧化合物、含氮化合物、含硫化合物等）[32]。目前，我国常用的石油污染修复方法有：物理修复、化学修复和生物修复。但由于石油成分复杂，这3 种技术都有其本身的局限性，单一方法不能清除石油污染物的所有成分和将污染物完全分解。基于这种原因，毛莉莉[33]研究了利用矿化垃圾修复污染的土壤，结果表明，在矿化垃圾与土壤质量比为6∶4 准好氧反应柱、石油浓度为2%时，去除率最高。刘庆梅等[34]研究了土壤含水率、温度、矿化垃圾的质量分数、翻耕频率以及氧气条件对去除率的影响。为矿化垃圾应用于石油污染土壤原位修复提供了技术支撑。

2.2.4 其他应用

矿化垃圾的性质决定了它可以用作为一般性的建筑材料。对矿化垃圾进行筛分后，这些精细组分类似于黑土，具有黑土的特性，是一种适合绿色建筑的介质，在细料中加入凝固剂，可以用作道路路基的原料[35]。李雄等[36]用矿化垃圾中的煤灰、地灰、砖头、瓦石等经粉碎后再与辅料混合，压制成路面砖；其制作出的路面砖无毒、无味、无菌，光洁、耐腐蚀、不风化，造价较为便宜，仅是水泥路面砖成本的70%，而且性能质量符合《混凝土面砖》（C446—91）标准一等品要求。

垃圾经过预处理可作为燃料被工业化利用，一般称为垃圾衍生燃料。利用垃圾衍生燃料发电比原生生活垃圾提高了1.3 倍，且可以有效降低污染。矿化垃圾比新鲜的生活垃圾更适合制成垃圾衍生燃料，其热值较高，水分含量低，并且其制备工艺与成本也更为简单与低廉，制成的垃圾衍生燃料具有广阔的市场前景[37]。

目前，我国的覆盖材料一般是采用黏土。但这种覆盖材料具有施工成本较高、受天气因素影响大、抗渗及密闭性较差，以及覆盖层厚度大浪费库容等缺点。吴军等[38]对矿化垃圾作覆盖材料进行了研究，在对矿化垃圾进一步熟化之后，再进行一些处理，就可以用作覆盖材料，这种材料取材方便，可直接在填埋场取材，成本较低，同时此材料具有生物吸附和脱臭的作用，能够处理和抑制臭气的扩散，不滋生蚊蝇。

矿化垃圾中重金属含量比污泥中低，可以在与污泥协同处理中起到稀释的作用。田姝[39]探究了矿化垃圾和城市污泥协同热解加强重金属固化效果，研究表明，添加矿化垃圾后更有助于城市污泥中重金属的固化，并且可以使污泥中的重金属形态发生变化，降低其毒性。Jianwei Zhao[40]将矿化垃圾加入活性污泥废物中，可以有效提高污泥的厌氧消化，结果表明，矿化垃圾中各种酶和厌氧菌是促进厌氧消化的主要原因。

3 结论与展望

系统总结了矿化垃圾理化特性和资源化利用现状。从理化特性来看，矿化垃圾可以用来处理废、废气、改良土壤以及作为一般性建筑材料等，具有多种资源化利用途径。卫生填埋是我国垃圾处理的主要方式，但由于环保、土地等一系列的原因，建设新的垃圾填埋场很难实现，所以开采矿化垃圾将是解决填埋场空间的重要手段。矿化垃圾的再利用，体现了“以废治废”的原则，对实现填埋场的可持续利用有着重要意义。