固体废物压实实验

1.　实验目的和意义

随着社会经济的高速发展，我国城市化进程不断加快，城市生活固体废物的数量和体积急剧增加，固体废物的收运方式也随之发生改变。固体废物经压实处理，增加密度并减小体积后，可以提高收集容器与运输工具的装载效率，在填埋处理时也可以提高场地的利用率，从而满足城市固体废物产量日益增加的要求；同时也有助于根本解决城市生活固体废物清运与城市快速发展之间的矛盾，摆脱传统的劳力型环卫作业模式。

本节中通过固体废物的压实实验，使学生了解固体废物压实技术的原理和特点，掌握固体废物压实设备以及压实流程的有关原理和操作知识。

2.　实验原理

压实也称压缩，是利用机械的方法减少固体废物的孔隙率，将其中的空气挤压出来，增加固体废物的聚集程度。

以城市固体废物为例，压实前密度通常在0.1～0.6 t/m3，经过压实器或一般压实机械压实后密度可提高到1 t/m3左右，因此，固体废物填埋前通常需要进行压实处理，尤其对大型废物或中空性废物，事先压碎显得更为必要。压实操作的具体压力大小可以根据处理废物的物理性质（如易压缩性、脆性等）而定。一般开始阶段，随压力的增加，物料的密度会较迅速增加，以后这种变化会逐步减弱，且有一定限度。实践证明，未经破碎的原状城市垃圾，压实密度极限值约为1.1 t/m3。比较经济的办法是先破碎再进行压实，这样可以在很大程度上提高压实效率，即用比较小的压力取得相同的增加密度的效果。目前压实已成为一些国家处理城市垃圾的一种现代化方法。该方法不仅便于运输，而且还具有可减轻环境污染、可快速安全造地和节省填埋或储存场地等优点。

固体废物压实处理后，体积减小的程度叫压缩比。固体废物压缩比决定于固体废物的种类及施加的压力。一般压缩比为3～5。同时，采用破碎与压实技术可使压缩比增加到5～10。

为判断压实效果，比较压实技术与压实设备的效率，常用下述指标来表示固体废物的压实程度：

（1） 孔隙比与孔隙率。固体废物可设想为各种固体物质颗粒及颗粒之间充满空气孔隙共同构成的集合体。由于固体颗粒本身孔隙较大，而且许多固体物料有吸收能力和表面吸附能力，因此固体废物中水分子主要都存在于固体颗粒中，而不存在于孔隙中，不占据体积。从而固体废物的总体积（Vm）就等于包括水分在内的固体颗粒体积（Vs）与孔隙体积（Vv）之和。即：

则废物的孔隙比（e）可以定义为

在实际的生产操作中用的最多的参数是孔隙率（ε），可以定义为

孔隙比或孔隙率越低，则表明压实程度就越高，相应的密度就越大。在这里顺便指出的一点是，孔隙率的大小对堆肥化工艺供氧、透气性及焚烧过程物料与空气接触效率也是重要的评价参数。

（2） 湿密度与干密度。忽略空气中的气体质量，固体废物的总质量（Wh）就等于固体物质质量（Ws）与水分质量（Ww）之和，即：

则固体废物的湿密度（Dw）可以由下式确定：

固体废物的干密度（Dd）可用下式确定：

实际上，固体废物收运及处理过程中测定的物料质量通常都包括了水分，故一般密度均是湿密度。压实前、后固体废物密度值及其变化率大小，是度量压实效果的重要参数，也相对容易测定，因此比较实用。

（3） 体积减小百分比。体积减小的百分比（R）一般用下式表示：

式中　R——体积减小百分比，%；

Vi——压实前固体废物的体积，m3；Vf——压实后固体废物的体积，m3。

（4） 压缩比与压缩倍数压缩比（r）可以定义为

由此可知，n与r互为倒数，n越大，证明压实效果越好。在工程上，一般习惯用n来说明压实效果的好坏。

3.　压实设备与流程

固体废物压缩机有多种类型，根据操作情况分类，可以将压实设备分为固定式和移动式两大类。凡用人工或机械方法（液压方式为主）把固体废物送入压实机械里进行压实的设备称为固定式，而移动式是指在填埋现场使用的轮胎式履带式压土机、钢轮式布料压实机以及其他专门设计的压实机械。

1） 压实设备

以城市垃圾压实机为例，小型的家用压实机可安装在櫥柜下面；大型的压实机可压缩整辆汽车，每日可压缩成千吨的垃圾。不论何种用途的压实机，其构造主要由容器单元和压实单元两部分组成。容器单元接受固体废物；压实单元具有液压或气压操作之分，利用高压使固体废物致密化。移动式压实机一般安装在收集垃圾的车上，接受固体废物后即行压缩，随后送往处理处置场地。固定式压实机一般设在处理固体废物的转运站、高层住宅垃圾滑道底部以及需要压实固体废物的场合。按固体废物种类不同，它可分为金属类废物压实机和城市垃圾压实机两类。

（1） 金属类废物压实机。

金属类废物压实机主要有三向联合式和回转式两种。

①　图5-16所示为三向联合式压实机示意图。它是适合于压实松散金属废物的三向联合式压实机，具有3个互相垂直的压头，金属等被置于容器单元内，而后依次启动1、2、3三个压头，逐渐使固体废物的空间体积缩小、密度增大，最终达到一定尺寸。压后尺寸一般为200～1 000 mm。

图5-16　三向联合式压实机示意图

②　图5-17所示为回转式压实机示意图。固体废物装入容器单元后，先按水平式压头1的方向压缩，然后按箭头的运动方向驱动旋转压头2，最后按水平压头3的运动方向将固体废物压至一定尺寸排出。

图5-17　回转式压实机示意图

（2） 城市垃圾压实机。

①　高层住宅垃圾压实机。图5-18所示为这种压实机的工作示意图，其中，图5-18（a）为开始压缩阶段，从滑道中落下的垃圾进入料斗。图5-18（b）为压臂全部缩回处于起始状态，垃圾充入压缩室内。压臂全部伸展，垃圾被压入容器中，如图5-18（c）所示，垃圾不断充入，最后在容器中压实，并将压实的垃圾装入袋内。

图5-18　高层住宅垃圾压实机工作示意

（a）开始压缩阶段1—垃圾投入口；2—容器；3—垃圾；4—压臂；
（b）压臂全部缩回1—垃圾；2—压臂全部缩回
（c）压臂全部伸出1—已压实的垃圾；2—压臂

②　城市垃圾压实机。城市垃圾压实机常采用与金属类废物压实机构造相似的三向联合式压实机及水平式压实机。其他压实机与装在垃圾收集车辆上的压实机、废纸包装机、塑料热压机等结构基本相似，且原理相同。

2） 工艺流程

图5-19所示为国外城市垃圾压缩处理工艺典型流程。

图5-19　国外城市垃圾压缩处理工艺典型流程

垃圾先装入四周垫有铁丝网的容器中，然后送入压实机压缩，压力为160～200 kgf/cm2（1 kgf≈9.8 N），压缩为原来体积的1/5。压块向上由推动活塞推出压缩腔，送入180～200 ℃沥青浸渍池10 s，涂浸沥青防漏，冷却后经运输皮带装入汽车运往垃圾填埋场。压缩污水经油水分离器入活性污泥处理系统，处理水灭菌后排放。

1972年以来，美国和日本等国家广泛应用了上述流程。日本甲府、横须贺、滨松、大阪等市都已采用此方法，其中以大阪市大正压缩工场为最大，处理量为600 t/d，可处理该市12%的垃圾，从1972年3月月底投产以来运转情况良好。

4.　实验内容及步骤

（1） 实验材料的准备。

典型城市生活垃圾适量、工业垃圾适量、容器2个、实验材料质量、体积测量工具各1组，检查实验仪器的各工作部件运转是否正常。

（2） 实验过程操作并记录。

根据仪器使用说明书，确定实验步骤，并对实验材料进行压缩前和压缩后的质量、体积和实验产物的质量进行详细的记录。

（3） 实验结果计算。

根据实验过程的数据记录，对固体废物压缩前后的孔隙率、湿密度、体积减小百分比、压缩比和压实倍数进行计算。

5.　讨论

（1） 对实验结果进行讨论，分析误差产生原因。

（2） 提出实验改进意见与建议。