生活垃圾處理前沿技術(shù)

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1、垃圾處理在已工業(yè)化的三大技術(shù)——衛(wèi)生填埋、生化處理和焚燒的基礎(chǔ)之上，通過多年發(fā)展及技術(shù)更新，逐漸涌現(xiàn)出一批具有前瞻性、先導(dǎo)性和探索性的技術(shù)。例如生物反應(yīng)器填埋技術(shù)、生化處理的厭氧消化技術(shù)、生物干化、機(jī)械——生物處理和垃圾衍生燃料等預(yù)處理技術(shù)以及熱解氣化、等離子體焚燒等終端處理技術(shù)。下面就這些前沿技術(shù)的工藝、成熟度、可行性及適用性進(jìn)行分析比較。 生物反應(yīng)器填埋技術(shù) 生物反應(yīng)器填埋場按操作方式不同分為厭氧型、好氧型和準(zhǔn)好氧型三類。厭氧型生物反應(yīng)器填埋采取了滲濾液回灌等措施，具有加速填埋垃圾穩(wěn)定、降低滲濾液濃度、可回收利用沼氣等優(yōu)點(diǎn)，但其滲濾液氨氮濃度很高、后期COD濃度降解緩慢。好氧生物反應(yīng)

2、器填埋場在回灌滲濾液的同時鼓入空氣，使填埋場內(nèi)部保持有氧反應(yīng)的狀態(tài)，大大加快了填埋場的穩(wěn)定化過程，但因強(qiáng)制鼓風(fēng)造成運(yùn)行成本高，一般很少采用。準(zhǔn)好氧型生物反應(yīng)器填埋是通過自然通風(fēng)手段保持填埋場的局部好氧狀態(tài)，比厭氧型穩(wěn)定速率高，滲濾液氨氮濃度低，同時不需要通風(fēng)設(shè)備和消耗能源，但直接排放的氣體中甲烷含量仍然較高，易造成二次污染。 與傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋滲濾液簡單回灌不同，生物反應(yīng)器填埋中滲濾液回灌是可控的，為微生物大量繁殖提供了一個最優(yōu)的生存空間，因此可以達(dá)到較高的降解速率，實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定化。滲濾液回灌可以促進(jìn)垃圾中有機(jī)化合物的降解，縮短產(chǎn)沼時間，增加填埋場的有效庫容量。與常規(guī)無控制的衛(wèi)生填埋方法相比，

3、垃圾填埋氣產(chǎn)量提高75%%，減容率增加約4倍，且滲濾液穩(wěn)定快。 自20世紀(jì)70年代起，歐美地區(qū)及日本、澳大利亞等國相繼開始了生物反應(yīng)器填埋場的研究。威立雅在法國的LaVergne中試填埋場實(shí)施生物反應(yīng)器填埋技術(shù)，經(jīng)過8個月的運(yùn)營，填埋氣體的產(chǎn)量比普通填埋場高出3～4倍。相關(guān)的工程規(guī)模集成研究報道在我國國內(nèi)尚未有。同濟(jì)大學(xué)承擔(dān)的生活垃圾厭氧型生物反應(yīng)器填埋成套技術(shù)及示范項(xiàng)目于2008年12月通過了教育部科技發(fā)展中心組織的鑒定。 生物反應(yīng)器填埋技術(shù)與傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢，但是在持久有效性、壓實(shí)度、結(jié)構(gòu)特性、氧化——還原環(huán)境和費(fèi)用——效益分析等因素還存在一些不確定性，需要進(jìn)一步研

4、究。此外，受厭氧填埋場特性的限制，回灌并不能完全消除滲濾液，且回灌后的滲濾液氨氮含量高，仍需要進(jìn)一步處理后才能排放。 厭氧消化技術(shù) 厭氧消化又稱為沼氣發(fā)酵、厭氧發(fā)酵和甲烷發(fā)酵，是指有機(jī)物在厭氧條件下通過厭氧菌及兼性菌的分解代謝達(dá)到穩(wěn)定化，同時釋放出甲烷和二氧化碳的生物化學(xué)過程。厭氧消化是處理有機(jī)固體廢棄物的有效途徑之一，能夠在解決環(huán)境污染問題的同時，產(chǎn)生清潔能源生物氣和高品質(zhì)有機(jī)肥料。 厭氧消化具有以下特點(diǎn)：①經(jīng)厭氧消化后產(chǎn)生清潔能源——沼氣，可用于取暖、發(fā)電和制化學(xué)品;②消化最終物可作為高質(zhì)量的有機(jī)肥料和土壤改良劑；③在有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成甲烷的過程中實(shí)現(xiàn)了垃圾的減量化；④與好氧過程相

5、比，厭氧消化無需氧氣，降低動力消耗，運(yùn)行成本低;⑤厭氧消化減少了溫室效應(yīng)氣體的排放量。因此厭氧消化是處理有機(jī)廢物較理想的方法。 由于厭氧消化的諸多優(yōu)勢，有機(jī)垃圾的厭氧消化處理成為有機(jī)垃圾處理的一種新的趨勢。近年來，該技術(shù)在發(fā)達(dá)國家得到積極開發(fā)并獲得應(yīng)用。有機(jī)垃圾厭氧消化系統(tǒng)在德國、瑞士、奧地利、芬蘭、瑞典等國家發(fā)展較為迅速，在美國也有一定的應(yīng)用。在國內(nèi)，厭氧消化在高濃度有機(jī)廢水、污泥、糞便及農(nóng)業(yè)秸稈處理等領(lǐng)域已經(jīng)有比較成熟的經(jīng)驗(yàn)，全國各地有較多工程應(yīng)用。但是生活垃圾不同于以上各種固體廢棄物，特別是現(xiàn)階段垃圾采用混合收集，成分和性質(zhì)復(fù)雜，其基質(zhì)的發(fā)酵條件、微生物生長條件及分解代謝等還有待深入

6、研究。同時，由于我國垃圾不同于其他國家的生活垃圾，因此不能機(jī)械照搬國外厭氧消化技術(shù)和設(shè)備，需要針對我國垃圾性質(zhì)研究并開發(fā)適合的垃圾分類和分選技術(shù)及設(shè)備。隨著垃圾分類工作的順利開展，廚余垃圾等有機(jī)垃圾與無機(jī)垃圾分開收集后，將對厭氧消化的應(yīng)用和推廣產(chǎn)生積極的推動作用。 熱分解氣化焚燒技術(shù) 熱分解是利用有機(jī)物的熱不穩(wěn)定性，在缺氧條件下加熱使分子量大的有機(jī)物產(chǎn)生裂解，轉(zhuǎn)化為分子量小的燃料氣、液體（油、油脂等）。熱分解的生成物，因分解反應(yīng)條件不同而有所不同。 熱分解與焚燒不同，焚燒只能回收熱能，而熱分解可以從廢物中回收可以儲存、輸送的能源（油或燃料氣等），是熱分解的一大優(yōu)點(diǎn)。但廢物的熱分解因

7、廢物的種類多、變化大、成分復(fù)雜，要穩(wěn)定連續(xù)熱分解，在技術(shù)上和運(yùn)轉(zhuǎn)操作上要求都十分嚴(yán)格。因此，熱分解設(shè)備費(fèi)用和處理成本也較高，熱分解的經(jīng)濟(jì)性就成了能否實(shí)用化的一個關(guān)鍵。 熱分解處理系統(tǒng)主要有兩種：一種是以回收能源為目的的處理系統(tǒng)，另一種是以減少焚燒造成的二次污染和需要填埋處理的廢物量、以無公害型處理系統(tǒng)的開發(fā)為目的的處理系統(tǒng)。其中，對于前者，由于城市垃圾的物理化學(xué)成分極其復(fù)雜且變化較大，如果將熱解產(chǎn)物作為資源回收，要保持產(chǎn)品具有穩(wěn)定的質(zhì)和量有較大的困難。即使對成分復(fù)雜、破碎性能各異的城市垃圾增加破碎、分選等預(yù)處理技術(shù)，不僅需要消耗大量的動力和極其復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，且總效率又非常低。對于后者，將

8、熱分解作為焚燒處理的輔助手段，利用熱分解產(chǎn)物進(jìn)一步燃燒廢物，在改善廢物燃燒特性、減少尾氣對大氣環(huán)境造成的二次污染等方面，卻是較為可行的，許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)取得了成功的經(jīng)驗(yàn)。 迄今為止，國際上已工業(yè)化應(yīng)用的熱分解或氣化技術(shù)還十分有限，尤其是在城市垃圾處理上。大部分熱分解氣化研究局限在實(shí)驗(yàn)室階段，很多技術(shù)面臨著技術(shù)環(huán)節(jié)和經(jīng)濟(jì)效益等難題的阻礙。美國和日本結(jié)合本國城市垃圾的特點(diǎn)，開發(fā)了許多工藝流程，有些已達(dá)實(shí)用階段。由于垃圾組分的不同，有些流程在美國適用，但對日本不適用。同樣，我國的城市垃圾成分又不同于美國和日本，這些工藝過程能否用于我國還有待研究。 等離子體焚燒 等離子體焚燒是一種全新的

9、垃圾焚燒方法,它沒有傳統(tǒng)的鍋爐,而是模擬地層中的化工過程，將垃圾氣化。 簡單地說,就是用高壓電弧產(chǎn)生高于太陽表面溫度的高溫焚燒垃圾。在這樣的高溫下,任何東西都會變成氣態(tài)或者液態(tài)，實(shí)際上叫等離子體。 等離子體焚燒火炬中心溫度可高達(dá)攝氏一萬度,邊緣溫度也可達(dá)到千度左右。它的處理過程為廢料的分解和再重組過程,工作原理是在一個密閉空間里,通過強(qiáng)大的電弧,使空氣電離產(chǎn)生等離子體,然后在另一個缺氧的密閉空間里,有待產(chǎn)生的等離子體對城市固體廢料進(jìn)行超高溫加熱。在無氧化條件下,垃圾混合物中的無機(jī)物迅速玻璃化,最后產(chǎn)生的無害熔渣可作為建筑材料。 該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)：垃圾焚燒徹底，不污染空氣、水源及周邊

10、環(huán)境。由于爐膛溫度大于1200℃，有機(jī)物包括傳染性病毒、病菌及其他有毒有害物質(zhì)都全部裂解分解，產(chǎn)生的氣體、灰燼無毒害；垃圾燃燒后的灰燼體積量大大減少，大約為傳統(tǒng)爐燃灰體積的1/5，而排放的氣體無黑煙，不需煙囪。裝置的主要優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較簡單，小型化，占地面積??；不用煤、燃油、天然氣作燃料，只使用電，潔凈、衛(wèi)生；操作運(yùn)行費(fèi)用低；操作簡單、啟動停機(jī)快、可全部實(shí)現(xiàn)自動控制、安全、可靠。 機(jī)械——生物處理（MBT） 生活垃圾的機(jī)械——生物處理技術(shù)是現(xiàn)代生物技術(shù)在垃圾處理方面應(yīng)用的典范。在歐洲（特別是德國）應(yīng)用已有近15年的歷史。近年來，MBT技術(shù)在南美、東南亞等發(fā)展中國家也相繼得到了應(yīng)用。

11、德國每年采用MBT技術(shù)處理的生活垃圾600多萬噸。德國的第一代MBT處理工藝可去除20%～30%的有機(jī)垃圾，剩余70%左右的垃圾至填埋場填埋。第二代的處理工藝帶有物質(zhì)分揀系統(tǒng)，垃圾處理后僅為進(jìn)料量的25%～50%。 垃圾機(jī)械——生物處理技術(shù)的原理就是利用機(jī)械的分選設(shè)備，把垃圾中的高熱值的物質(zhì)、金屬和玻璃等有用物質(zhì)分離出來加以利用，垃圾中的有機(jī)質(zhì)部分經(jīng)過生物的好氧或厭氧處理后實(shí)施填埋。 垃圾機(jī)械——生物處理技術(shù)的應(yīng)用，極大地減少了垃圾填埋場的占地面積，減少了垃圾填埋場的氣體和滲濾液的產(chǎn)量。因此該技術(shù)的應(yīng)用，在垃圾的減量化、資源化和無害化處理中起到了很大的作用。 MBT技術(shù)包括機(jī)械和生

12、物處理兩個部分，可以分別獨(dú)立地用于垃圾處理，也可以與其他的垃圾處理技術(shù)如焚燒、填埋等結(jié)合在一起，共同完成垃圾的處理。在德國及歐洲，MBT技術(shù)已成為生活垃圾管理和處理處置系統(tǒng)的重要組成部分。 MBT中的機(jī)械部分主要利用分選和篩分等設(shè)備對生活垃圾中的高熱值的組分（塑料、紙張、木材等）進(jìn)行分離；生物處理部分依賴好氧降解、厭氧發(fā)酵或兩者結(jié)合的技術(shù)工藝對生活垃圾中的易腐有機(jī)質(zhì)進(jìn)行降解。 生物干化 生物干化(Biodrying)最早是由美國康奈爾大學(xué)Jewell等人于1984年提出，也叫做生物干燥、生物穩(wěn)定。通常，生物干化即通過過程控制手段，利用微生物高溫好氧發(fā)酵過程中有機(jī)物降解所產(chǎn)生的生物能，

13、配合強(qiáng)制通風(fēng)促進(jìn)水分的蒸發(fā)去除，從而實(shí)現(xiàn)快速干化。 其特點(diǎn)在于無需外加熱源，干化所需能量來源于微生物的好氧發(fā)酵活動，屬于物料本身的生物能，因此是一種非常經(jīng)濟(jì)節(jié)能的干化技術(shù)，這也是生物干化與其他干化工藝(如熱干化)的最大區(qū)別。 作為現(xiàn)代化的工業(yè)技術(shù)，生物干化的另一個特點(diǎn)是加入了人為控制策略，對物料進(jìn)行強(qiáng)制鼓風(fēng)，從而促進(jìn)整個干化過程，縮短干化周期。同時具備這兩點(diǎn)才能算真正意義上的生物干化工藝。 由于好氧堆肥過程對物料也有一定的生物干燥作用，很多研究工作者將好氧堆肥等同于生物干化，而實(shí)際上兩者在工藝目的和工藝參數(shù)上有很大的差別。 生物干化的目的是在盡可能短的時間內(nèi)去除盡可能多的水分，

14、實(shí)現(xiàn)脫水干化和減容減量。其產(chǎn)物一般不以土地農(nóng)用為目的，而是填埋處置或焚燒回收熱值，因此不需要達(dá)到高度腐熟。在以焚燒為最終處置目標(biāo)時甚至要求適當(dāng)限制微生物的降解能力，盡量保持產(chǎn)物中的有機(jī)組分，從而提高產(chǎn)物熱值。 由于不進(jìn)行土地農(nóng)用，生物干化產(chǎn)物只需達(dá)到部分穩(wěn)定化和無害化，滿足短期保存和運(yùn)輸即可，因此對高溫保持時間和腐熟期沒有要求。相比好氧堆肥處理，生物干化的發(fā)酵周期更短，約為好氧堆肥周期的1/2-1/3，因此其占地面積和單位產(chǎn)量投資成本大幅度減少，具有很強(qiáng)的工藝技術(shù)優(yōu)勢。 垃圾衍生燃料 垃圾衍生燃料（RDF），是指將垃圾中的可燃物(塑料、纖維、橡膠、木頭、食物廢料等)破碎、干燥后，加入添加劑，壓縮成所需形狀的固體燃料。 RDF的技術(shù)最早是由英國于1980年提出并用于實(shí)踐。美國是世界上利用RDF發(fā)電最早的國家，已有發(fā)電站多達(dá)37座,占垃圾發(fā)電站的21.6%。 日本政府于20世紀(jì)90年代開始支持該技術(shù)的引進(jìn)和研發(fā)工作。目前日本興起了建設(shè)RDF的熱潮,近幾年已有十幾家大公司對RDF工藝投入大量資金進(jìn)行資源化研究和開發(fā)。 最近，由中國科學(xué)院廣州能源研究所與日本名古屋大學(xué)、豐田汽車公司共同研制的垃圾衍生燃料中試熱態(tài)試驗(yàn)裝置，在廣州能源所五山園區(qū)建成，為我國推廣RDF技術(shù)成功地邁出了重要一步。