第二节 城市固体废弃物的性质
一、城市固体废弃物的物理特性
单一物质都有特定的外部特征，如密度、形状等，但对于城市生活垃圾这种多样物质的混合体而言，由于无特定的内部结构，也就不存在特定的物理性质。城市生活垃圾的物理性质是随着其构成物的性质及比例的改变而变化的。在城市生活垃圾的管理中，常涉及的物理性质主要包括物质构成、容重、空隙率、含水率、粒度等指标。
1.物质构成
按惯例城市生活垃圾的物质构成一般分为有机物、无机物、可回收物和其他垃圾四大类。其中，可回收物包括玻璃、金属、废纸、塑料、纤维等，这部分物质可通过收运、处理和分类重新进入生产领域。
城市生活垃圾构成成分复杂，因而难以对其理化特性进行定性和定量描述，这也给城市生活垃圾的处理和管理带来了许多困难。因此，在城市生活垃圾管理及研究过程中可根据不同的目的对城市生活垃圾进行分类。
2.容重
容重是单位体积垃圾的质量。表1-5是城市生活垃圾及其主要成分的容重。从表中可见，对于城市垃圾，其容重随着垃圾的构成、生化降解的程度以及清运处理方式的不同而变化。因此，垃圾的容重又分为自然容重、垃圾车装载容重和填埋容重等。
表1-5 城市生活垃圾及其主要成分的容重
注：1lb=0.453592kg，1yd=91.44cm。
自然容重是将垃圾堆成圆锥体的自然形状时，单位体积垃圾的质量，该表示方法常用于垃圾调查分析。垃圾车装载容重是指在对垃圾进行装填垃圾车作业时，由于人为的压实作用使垃圾容重增加，此时的垃圾容重就用垃圾车装载容重来表示。填埋容重是指在垃圾填埋过程中，由于人为的压实所产生的容重，填埋容重随着不同的填埋压实比和垃圾自然沉降过程也会发生变化。
在垃圾管理中，垃圾数量的常用量化单位是质量而不是体积，而在设计垃圾转运站、安排清运车次、设计垃圾处理设施及计算最终填埋处置场地面积时，常用的量化单位又是体积，必须确定垃圾在不同管理环节中的容重。
3.空隙率
空隙率是垃圾中物料之间的空隙占垃圾堆积容积的比例，它是垃圾通风间隙（通风能力）的表征参数，并与垃圾的容重相互关联。容重越小，垃圾的空隙率一般也越大，物料之间的空隙越大，物料的通风断面积越大，空气的流动阻力相应越小，越有利于垃圾的通风。因此，空隙率广泛应用于堆肥供氧通风、焚烧炉内垃圾强制通风的阻力计算和通风风机参数的确定。
影响空隙率的因素主要是物料尺寸、物料强度及含水率。由于空隙率是物料之间空隙的数量和空隙平均容积的乘积与垃圾总堆积容积的比值，物料尺寸越小，空隙数就越多，物料结构强度越好，空隙平均容积就越大，这就导致空隙总容积和空隙率增加。含水率对空隙率的影响在于，水会占据物料之间的空隙并影响物料结构强度，最终导致空隙率减少。
4.含水率
垃圾中所含的水可分为两部分，即内在水分和外在水分。外在水分是以机械方式附着于物料表面的水分，这部分水分易受外界环境，特别是气候的影响。雨天，物料的内在水分会明显增加。一般认为，垃圾放在温度为20℃、湿度为65%的环境中约24h，所失去的水分为垃圾的外在水分。当环境温度较高、湿度较低时，毛细管内水蒸气分压大于环境蒸汽分压，此时，水蒸气就会通过毛细管向外扩散直到内、外蒸汽分压平衡。一般认为，在105℃的烘箱内停留1h，垃圾所失掉的水分就是毛细管吸附水。分子结合水是以键能的形式连接于有机物分子结构上的水，难以在上述条件下析出，必须经破碎细化才能析出，这种水分是蔬菜、瓜果类所含的主要水分类型。
5.粒度与粒度分布
城市生活垃圾的几何尺寸对垃圾的处理和利用会产生非常大的影响，特别是对筛分和分选（磁选、电选等），每种工艺和设备能处理的物质的粒度都是一定的。
物质颗粒的大小用其在空间范围内所占据的线性尺寸表示。球形颗粒的直径就是粒径。非球形颗粒的粒径则可用球体、立方体或长方体的代表尺寸表示，以规则物体（如球体）的直径表示不规则颗粒的粒径，称为当量直径。
城市生活垃圾主要成分的粒度范围如图1-3所示。
图1-3 城市生活垃圾主要成分的粒度范围
注： 1in=0.0254m
城市生活垃圾是一种混合物，其各组分尺寸并不相同。因此，仅用粒度难以对特定垃圾的物理尺寸有准确的反映。通常采用粒度分布来表征混合垃圾的粒度，即垃圾中各平均粒度的物料占整个垃圾的质量分数（出率）。
二、城市固体废弃物的化学性质
城市生活垃圾的化学性质除了可以用工业分析指标和元素组成表征外，垃圾的灰熔点和垃圾的热值对城市生活垃圾的能源化利用工艺过程也有很大的影响。
1.灰熔点
（1）概念
在规定条件下测得的随加热温度而变化的垃圾灰锥变形、软化和流动的特性。
垃圾灰熔点影响垃圾能源化利用的工艺与设备。例如，一些固定床热处理设备（焚烧、气化）的热处理温度取决于灰熔点，若床层的温度过高，垃圾灰渣会熔融结块，进而恶化工艺条件，甚至造成设备停车的事故。
（2）垃圾灰熔融性的测定
由于垃圾成分的多样性和含量的多变性，垃圾灰是一种成分与含量变化极大的混合物，没有固定的熔融温度。采用灰锥法测定垃圾灰的熔融性的步骤如下。将定量的垃圾灰与糊精混合，制成一定形状的角锥；把角锥置于特定的加热设备中，在一定的气氛下以一定的加热速度升温，观察角锥形状的变化过程，确定垃圾灰的熔融性。
灰锥法可测出以下几个特征温度：变形温度（Deformation Temperature，DT），垃圾灰锥体尖端开始弯曲或变圆时的温度；软化温度（softening temperature，ST），垃圾灰锥体弯曲至锥尖触及底板变成球形或半球形时的温度；流动温度（flow temperature，FT），垃圾灰锥体完全熔化展开成高度小于1.5mm薄层时的温度。一般以垃圾灰的软化温度（ST）作为衡量垃圾灰熔融性的指标，即灰熔点。灰锥法测定垃圾的灰熔点如图1-4所示。
图1-4 灰锥法测定垃圾的灰熔点
垃圾灰中Al2O3的含量越高，ST越高；Fe2O3、K2O、Na2O、MgO的含量越高，ST越高；SiO2的含量在45%～60%时，含量越高，ST越低。在氧化、弱还原和强还原气氛下，ST不同，原因是某些元素是多价态的，在不同气氛下形成不同的氧化物。
2.热值
（1）概念
单位质量的垃圾完全燃烧时所产生的全部热量，称为垃圾的热值或发热量。常用的热值单位是kJ/kg、MJ/kg和kcal/kg。
垃圾的热值指标主要用于评价垃圾工艺性质，根据垃圾的热值可以计算垃圾焚烧过程中的热平衡、垃圾耗量、热效率等，也是垃圾焚烧炉设计中估算理论空气量、烟气量、可达到的理论燃烧温度的依据。
热值是衡量垃圾可燃性的重要参数。从理论上来说，只要垃圾的热值大于3700kJ/kg，不需要辅助燃料，垃圾焚烧也不存在困难。在我国城市垃圾可燃性的认识上，许多人都只从我国城市混合垃圾的特性进行分析，认为其特点是高灰、高水、热值低，不适于焚烧处理。实际上，如果将原生混合垃圾除去大量灰分后，其热值可达4600kJ/kg左右。如再进行入炉前的干燥或脱水，使其含水量从60%降到30%，则其热值还能进一步提高，据初步计算，我国城市混合垃圾干燥后甚至可达到日本焚烧炉入炉垃圾的热值（约8000kJ/kg）。
（2）垃圾热值的测定
城市生活垃圾的热值一般采用弹筒法测定。先把垃圾制成分析样品弹筒发热量，将定量分析垃圾样置于充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧产物组成为氧气、氮气、二氧化碳、各种酸（主要是盐酸、硝酸、硫酸）、液态水以及固态灰，此时单位质量的垃圾样品所放出的热量称为垃圾的弹筒发热量（分析基弹筒发热量，Qb，ad）。通常以恒容低位热值（Qnet，v，ar）反映城市生活垃圾在实际焚烧过程中能释放出的有效能量。
三、城市固体废弃物的生化性质
城市生活垃圾的生物转化是指借助于自然界中微生物的生物能，对生活垃圾进行生物处理，实现有机生活垃圾稳定化、无害化、资源化的技术。根据处理过程中起作用的微生物对氧气要求不同，生物处理可分为好氧生物处理（堆肥化）和厌氧生物处理（沼气化）。
城市生活垃圾的生化性质可从两方面分析：一方面是城市生活垃圾本身所具有的生化性质及对环境的影响；另一方面则是城市生活垃圾不同组成进行生物处理的性能，即所谓可生化性。
1.城市生活垃圾生化性质的含义
由于城市生活垃圾成分的复杂性，特别是在人畜粪便、生活污水处理后的污泥中含有非常复杂的有机生物体，其中有不少生物性污染物。城市生活垃圾中腐化的有机物也含有各种有害的病原微生物，还含有植物虫害、草籽、昆虫和昆虫卵，造成生物污染。在生活污水、污泥与粪便污泥中会发现更多病原细菌、病毒、原生动物及后生动物，尤其是肠道病原生物体。垃圾中存在的真菌生物体中还有许多致病菌，它们能在一定条件下传染人体引起疾病。粪便也存在着生物性污染的可能。未经处理的粪便可进入水体，造成水体生物性污染，进而有可能引起传染病的爆发流行并能传播多种疾病。
城市生活垃圾的组成及其满足微生物基本存活条件的事实，也给城市固体废弃物的生物处理提供了可能性。
城市生活垃圾中含大量有机物，它能给生物体提供碳源和能源，是进行生物处理的物质基础。存在于动植物中的有机物大致分为碳水化合物、脂肪、蛋白质。各类物质的生化分解速度及分解产物也有所不同。以污泥厌氧消化为例，脂肪产气量最大，且产气中甲烷含量很高；蛋白质产气量较少，但产气中甲烷含量高；碳水化合物产量及甲烷含量均较低。就分解速度而言，碳水化合物最快，其次是脂肪，蛋白质的分解速度最慢。城市生活垃圾中碳水化合物含量较多，且主要是纤维素，因其含大量的纸、布、素菜等。碳水化合物中的单糖、二糖类化合物最容易被生物降解。多糖类中的淀粉极易分解，其分子组成为（C6H10O5）100；纤维素较难分解，其分子组成为（C6H10O5）200；木质素则更难分解。即纤维素的总降解率为34.7%～68.2%，且高温阶段纤维素降解率占总降解率的63.3%～88.5%。
2.城市生活垃圾生化性质的表征
城市生活垃圾生化性质的表征一般采用下列两类方法。
① 由于垃圾中的有机物是进行生物反应的物质基础，在适宜的条件下，微生物对其具有强大的降解与转化作用。因此，城市生活垃圾的可生化性可简单地利用垃圾中易腐有机物的含量来表示，主要包括食品垃圾、植物等的含量。
② 此外还可借鉴工业废水生物处理可行性的评价方法来表征城市生活垃圾的生化性质。通过测定废水BOD5与COD的比值，可大体了解废水中可生物降解的那部分有机物占全部有机物的比例。