中国生活垃圾综合处理的研究现状及发展趋势

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简介： 分析了混合垃圾采用单一处理方式存在的问题和生活垃圾综合处理方法的优势，明确区分了国内生活垃圾综合处理系统和综合处理工艺两种概念，在此基础上，分别论述了两者的研究现状和存在的问题，认为生活垃圾综合处理系统代表了生活垃圾处理方式的发展方向。
关键字：生活垃圾 综合处理 研究现状 发展趋势 随着我国经济实力和技术储备的增强，各种生活垃圾处理处置技术在我国得到了不同程度、不同范围的研究和应用，很多经济发达地区已经建立了现代化填埋场、机械化堆肥厂和焚烧厂等多种处理设施。但对于某一地区来说，不同处理设施往往处理同样的混合生活垃圾。由于每种生活垃圾处理技术均具有各自的优势和局限性，从技术本身、经济性和环境影响角度分析，均只适宜处理生活垃圾中的某些组分，因此这种单一处理模式不仅难以满足数量日益增长、成分日益复杂的生活垃圾无害化、减量化、资源化的处理要求，而且使得生活垃圾处理设施运行效果差，前处理和二次污染控制技术复杂，处理费用高。　　为了解决这种单一处理方式的不足，生活垃圾需要采取综合处理方式。所谓综合处理，就是将多种生活垃圾处理处置技术以适当的方式有机地结合在一起，形成完整的处理系统，每种处理技术或设施仅处理适宜的生活垃圾组分，从而改善生活垃圾处理的效果，降低生活垃圾处理的费用，在生活垃圾无害化的基础上，实现生活垃圾的资源化。　　1  单一处理与综合处理的比较　　1.1 卫生填埋　　卫生填埋法由于技术比较成熟，操作管理简单，处理量大，投资和运行费用低，是当今世界各国主要的垃圾处理方式。但填埋混合垃圾有以下缺点：（1）生活垃圾中的可回收物、可焚烧组分或可堆肥组分等可以实现资源回收的部分被一并填埋，即使考虑填埋气的回收利用，混合垃圾填埋的资源化水平仍很低。（2）我国混合垃圾含水率和有机物含量都很高，因此渗滤液产生量大，处理成本高；沼气产生量大，控制其排放也增加了处理成本。因此限制进入填埋场的有机物含量是填埋法的发展趋势之一。目前欧盟、日本和美国等国家的有关政策，都提出了进一步限制进入填埋场垃圾有机物含量的规定[1]。（3）在场址选择日益困难，填埋费用不断增加的情况下，混合垃圾会大量占用填埋场的空间资源。　　1.2 堆　肥　　高温堆肥可以使生活垃圾中的有机成分成为可供施用的农田肥料，同时消除其环境污染，杀灭垃圾中的病菌，具有无害化和资源化特征。但我国的堆肥厂主要处理混合生活垃圾，其局限性主要表现在：（1）由于我国目前还没有开展普遍的生活垃圾分类收集，因此入厂垃圾中含有石块、金属、玻璃、塑料等多种不可降解组分，这些废弃物必须分拣出来，另行处理，分选工艺复杂，费用很高。（2）即使采用了分选工艺，生活垃圾中的不利于堆肥处理的组分也不能完全剔除，许多有毒、有害物质会进入堆肥，如农田长期大量使用堆肥，可能会造成潜在污染，特别是一些重金属在土壤中富集将随食物链进入人体。受到堆肥产品成本和质量的约束，堆肥产品存在销路不畅的问题。　　1.3 焚　烧　　焚烧法具有减量化程度高，处理周期短，占地面积小，选址灵活，燃烧的热量可用来发电等优点。近年来焚烧法在我国得到了迅速发展，但焚烧混合垃圾有以下缺陷：（1）我国生活垃圾含水率高，热值低，需要更多的辅助燃料，此外生活垃圾中灰土含量多也会影响焚烧效果，最终导致焚烧成本上升。我国目前除少数经济较发达的城市外，其它城市的混合生活垃圾热值低，含渣量高，不适宜焚烧。（2）另一方面，由于我国混合垃圾中厨余垃圾较多，含盐量较高，对烟气中氯化物贡献较大，HCl会腐蚀焚烧炉，也增加了烟气处理的难度和污染控制成本。　　1.4 综合处理　　综合处理方式可以解决混合处理方式出现的问题。采用综合处理方式后，易腐物和可燃物都得到了利用，故填埋物的量很小，只占总体积的15%～20%，填埋物主要为砖头、瓦砾等无机垃圾，不会带来严重的二次污染，节省了填埋空间；综合处理中仅可燃垃圾进行焚烧，焚烧物易燃，产生的烟气少，二次污染小；采用综合处理方式后，堆肥法只处理易腐有机物，成分单一，容易堆腐，而且处理费用低，产品质量好。　　2  综合处理的不同概念及研究内容　　由于生活垃圾综合处理的诸多优势，国内很多研究者和管理人员对综合处理系统进行了大量研究，但由于对综合处理概念理解的不同，其研究方向存在很大区别。　　2.1 生活垃圾综合处理系统　　在发达国家，生活垃圾综合处理系统（MSW integrated processing system）的概念是多种处理设施（收运车辆、转运站、分选中心、回收站、焚烧厂、堆肥厂、填埋场）构成的完善的生活垃圾处理体系。对应于这一概念，研究者希望通过系统分析方法和数学工具的应用，提高综合处理系统运行的效率，减少系统运行的费用，减少系统运行造成的环境和社会影响[2-4]。主要研究内容包括：　　处理方式的优化选择。在对不同生活垃圾处理方式适用性分析的基础上，可以针对不同地域的具体情况选取不同的处理方式及其组合。实践中常采用定性分析的方法，从必要性、可行性等方面对多种生活垃圾处理方式及其组合进行分析。生活垃圾处理方式的选择本身也是一个如何进行决策的问题，因此一些研究者在实践中也引入系统决策方法，如层次分析法[5]、模糊数学决策方法[6]、多目标动态模型[7,8]等，其中多目标动态模型选取的目标是综合效益最高，费用最小，通过该模型可以得出每年各种生活垃圾处理方式的处理量和比例。　　处理设施的优化设置，包括确定其位置、数量及规模。生活垃圾处理设施的选址一般结合当地自然条件、社会经济发展和现有处理设施等情况综合考虑得到，没有固定的技术路线。处理设施的优化设置与生活垃圾处理方式的优选结合紧密，在确定了可能的选址后，依据确定的生活垃圾处理方式和当地的生活垃圾产生量、组分可以确定各个处理设施的类型和规模，尤其是采用多目标动态模型后可以确定不同处理方式的最佳处理量，从而为结合实际情况优化设置处理设施的数量和规模提供了依据。　　垃圾物流的优化分配。垃圾物流优化分配是综合处理系统研究的核心内容，优化手段包括多种规划方法和数学模型[3]。最常用的垃圾物流优化模型为最小费用模型。模型目标为总费用最小，总费用为运输费用、填埋费用、堆肥费用、焚烧费用、回收费用之和减去回收材料收入、堆肥肥料收入、焚烧能量收入。在实践中，陈炳禄等[9]对广州市的生活垃圾物流利用最小费用模型进行了优化分配。　　由于我国生活垃圾的特点以及混合收集的影响，目前从国外借鉴的一些模型和规划成果难以在实践中应用。如在选择处理方式及其比例时常用的多目标动态规划模型，由于是在垃圾分类的基础上进行设计，模型仅按生活垃圾中厨余物的数量设计可堆腐参数，按可燃物的数量设计可焚烧参数，但实际中混合垃圾一般不进行分选，或者仅进行简单分选，得出的结果实际意义不大。此外由于模型中存在很多主观参数，对市场等因素缺乏考虑，模型结论也难以在规划中实施。　　2.2 生活垃圾综合处理工艺　　从20世纪90年代起，我国的研究者为解决单一处理方式的不足从生活垃圾综合处理的角度进行了研究，提出了多种生活垃圾综合处理的构想，但是这种构想区别于国外广泛应用的综合处理系统概念，而是指通过分选等预处理技术把不同垃圾组分进行分离，分别进入不同的处理单元，这些处理单元集合在一个厂内甚至一条生产线上，希望通过这种方式实现不同垃圾分别采用适宜的处理方式的目的，为了便于区分，本文称其为综合处理工艺（comprehensive treatment technology）。根据综合处理工艺采用预处理技术的不同，可以分为预分选合处理工艺、预堆肥综合处理工艺、预消解综合处理工艺等，其中前者一般采用物理分选技术，经过多次分选将垃圾分为几类，其分类类别根据后续处理工艺确定，而后两者虽然也有一些分选步骤，但是其预处理技术核心为堆肥或消解。此外，综合处理工艺的能量回用和自给也是其研究方向之一，为了便于说明，本文称其为能量自给综合处理工艺。　　预分选综合处理工艺是指利用物理分选技术把混合垃圾中的不同组分按处理目的进行分离，使不同组分分别进行处理，这也是应用最多的综合处理工艺，研究重点集中在分选系统[10]。它面临的问题有：一是我国生活垃圾实行混合收集，在发达国家由产生者进行的分类工作不得不由厂内的分选系统完成，分选系统的投资和运行费用很大；二是目前的生活垃圾综合处理厂处理规模均较小，焚烧量和填埋量也很少，在这种情况下，相对于单一焚烧或填埋，综合处理如何实现经济上的比较优势也是需要重视的问题。　　预堆肥综合处理工艺。堆肥过程可以降低生活垃圾的有机物含量和含水率，因此可以把堆肥过程作为生活垃圾综合处理系统的预处理步骤。对焚烧而言，经堆肥处理后垃圾易于燃烧，热效率高，产生的有害气体量较小；对填埋而言，经堆肥处理后减少了填埋量，降低了渗滤液的产量和处理难度，减少了填埋气的排放[11]。虽然堆肥预处理对于综合处理工艺具有明显的益处，但是尚未有深入研究，更没有投入运行的工程项目，此外，堆肥预处理工艺还存在成本高、堆肥时间长、周边环境差等缺点。预消解综合处理工艺与预堆肥综合处理工艺类似，相对于堆肥预处理，消解预处理的最大优势是可以减少堆肥的时间，其环境影响也较小，但是成本更高。　　能量自给综合处理工艺也是一种结合多种生活垃圾处理技术的工艺，它以系统能量的完全自给为目标[12]，因此与垃圾焚烧厂的余热利用系统不同。系统中的能量一般来自焚烧系统产生的热能或电能，也可以利用厌氧发酵产生的沼气产热发电。国内一些研究者已经提出了一些设想，但是缺乏对系统能量流的深入研究和经济性分析，而且由于现有技术能源利用效率较低，尚不能利用垃圾自身的能量解决工艺过程的高能耗问题，实际生产中难以实现。　　总的说来，十多年来大多数这类综合处理研究还停留于简单的构想阶段，缺乏系统化的深入研究，对综合处理工艺的组织特性、环境特性、经济特性等内容基本没有涉及，对于分选垃圾区别于混合垃圾进行焚烧、填埋的特性也没有研究。工程实践中，我国目前运行的综合处理厂很少，规模也不大（处理量一般小于300 t/d），而且限于分选工艺与填埋、焚烧和堆肥的结合，吨投资一般在20万元/t以下。由于这种综合处理厂整体规模不大，其中的焚烧量、填埋量都很少，焚烧工艺效果较难控制，二次污染控制较差。其次，这些综合处理厂大多以堆肥或其它制肥工艺为核心，但由于我国堆肥质量和市场的原因，堆肥处理在很多地区面临困境，这也影响到综合处理厂的运行效益。另外不同区域在自然条件、经济实力、社会发展水平、生活垃圾特性等方面存在差异，适用的生活垃圾处理处置技术也有所不同，而目前有些地区盲目照搬发达国家和其它地区的经验，使得部分生活垃圾处理处置设施不能正常运行。由于这些原因，这类综合处理技术没有得到广泛的应用。　　3  综合处理的发展趋势　　对于国内提出的综合处理工艺（comprehensive treatment technology），虽然现有项目的投资成本较低，但其处理规模小，运行费用高，二次污染不能得到有效控制。另一方面，虽然垃圾处理的能量回用是资源化的一个重要方面，但是系统的能量自给从目前的技术水平看来难以实现。从生活垃圾处理的经济性分析，这种“小而全”的综合处理工艺难以获得持久的生命力和广泛的推广。　　发达国家生活垃圾处理的历史和经验说明，源头分类（产生者分类）是最经济有效的垃圾分类手段，在此基础上建立生活垃圾综合处理系统，并通过数学模型优化设置各种收运处理设施、分配车辆和垃圾物流，可以实现城市生活垃圾的低成本、高效率管理，并最大限度的实现生活垃圾的资源化。虽然我国目前普遍采用生活垃圾混合收集模式，但分类收集对于垃圾处理、资源回收等的重要意义已经得到了广泛认知，全国很多大中城市开展了分类收集的试点工作，并制定了城市生活垃圾分类收集规划。随着经济实力的增强，生活垃圾收运处理设施的完善，分类收集和综合处理系统将互相促进，得到更为广泛的推广。　　在这一前提下，深入分析城市生活垃圾综合处理系统的系统特性、运行规律，提炼总结适应我国现阶段及发展需要的系统模型和优化方法，将大大提高我国城市生活垃圾的管理水平。我国目前采用混合收集方式，基于这一前提，利用数学方法优化不同处理设施的数量和选址，优化生活垃圾物流在不同处理设施之间的分配都具有重要的意义。　　参考文献　　1  张　益.国外垃圾处理技术现状及发展.见：张　益，陶　华主编. 垃圾处理处置技术及工程实例. 北京：化学工业出版社，2002.106～114　　2  Barlishen K D, Baetz B W.Development of decision support system for municipal solid waste management systems planning.Waste Management & Research，1996，14(1)：71～86　　3  Everett J W.Optimal regional scheduling or solid waste systemsⅠ：model development. Journal of Environmental Engineering，1996，122(9)：785～792　　4  Modak A R，Everett J W.Optimal regional scheduling of solid waste systems Ⅱ：model solutions.Journal of Environmental Engineering，ASCE，1996，122(9)：793～799　　5  郭广寨，陆正明，石　峰.城市生活垃圾综合处置系统的选择.上海环境科学，2001，20（1）：37～40　　6  陈绍伟，郭广寨，陆正明.模糊数学决策法的改进及在生活垃圾处理方式评价中的应用.上海环境科学，2002，21（7）：426～428　　7  陈炳禄，王志刚，陈新庚.广州市生活垃圾处理方式及物流管理方案优化.上海环境科学，2000，19（11）：511～515　　8  刘常青，陈健飞.福州市城市生活垃圾处理系统优化设计及规划.资源科学，2003，25（4）：68～72　　9  陈炳禄，王志刚，陈新庚.广州市生活垃圾处理方式及物流管理方案优化.上海环境科学，2000，19（11）：511～515　　10  刘克鑫.城市生活垃圾综合处理的实践与探讨.见：张　益，陶　华主编.垃圾处理处置技术及工程实例.北京：化工出版社，2002.253～258　　11  陈朱蕾，黎小保，周　磊，等.堆肥化技术对生活垃圾预处理效果的研究.环境卫生工程，2004，12（1）：11～13　　12  李海滨，吴创之，陈 勇.能量自给型生活垃圾堆肥系统.能源工程，2000，（1）：22～25　　（收到修改稿日期：2004-12-14）
--------------------------------------------------------------------------------　　[1]第一作者：李　欢，男，1979出生，博士研究生，主要研究方向为固体废弃物管理与资源化。