生活垃圾处理前沿技术

垃圾处理在已工业化的三大技术卫生填埋、生化处理和焚烧的基础之上，通过多年发展及技术更新，逐渐涌现出一批具有前瞻性、先导性和探索性的技术。例如生物反应器填埋技术、生化处理的厌氧消化技术、生物干化、机械生物处理和垃圾衍生燃料等预处理技术以及热解气化、等离子体焚烧等终端处理技术。下面就这些前沿技术的工艺、成熟度、可行性及适用性进行分析比较。生物反应器填埋技术 生物反应器填埋场按操作方式不同分为厌氧型、好氧型和准好氧型三类。厌氧型生物反应器填埋采取了渗滤液回灌等措施，具有加速填埋垃圾稳定、降低渗滤液浓度、可回收利用沼气等优点，但其渗滤液氨氮浓度很高、后期COD浓度降解缓慢。好氧生物反应器填埋场在回灌渗滤液的同时鼓入空气，使填埋场内部保持有氧反应的状态，大大加快了填埋场的稳定化过程，但因强制鼓风造成运行成本高，一般很少采用。准好氧型生物反应器填埋是通过自然通风手段保持填埋场的局部好氧状态，比厌氧型稳定速率高，渗滤液氨氮浓度低，同时不需要通风设备和消耗能源，但直接排放的气体中甲烷含量仍然较高，易造成二次污染。 与传统卫生填埋渗滤液简单回灌不同，生物反应器填埋中渗滤液回灌是可控的，为微生物大量繁殖提供了一个最优的生存空间，因此可以达到较高的降解速率，实现快速稳定化。渗滤液回灌可以促进垃圾中有机化合物的降解，缩短产沼时间，增加填埋场的有效库容量。与常规无控制的卫生填埋方法相比，垃圾填埋气产量提高75%，减容率增加约4倍，且渗滤液稳定快。 自20世纪70年代起，欧美地区及日本、澳大利亚等国相继开始了生物反应器填埋场的研究。威立雅在法国的LaVergne中试填埋场实施生物反应器填埋技术，经过8个月的运营，填埋气体的产量比普通填埋场高出34倍。相关的工程规模集成研究报道在我国国内尚未有。同济大学承担的生活垃圾厌氧型生物反应器填埋成套技术及示范项目于2008年12月通过了教育部科技发展中心组织的鉴定。 生物反应器填埋技术与传统卫生填埋技术相比具有明显优势，但是在持久有效性、压实度、结构特性、氧化还原环境和费用效益分析等因素还存在一些不确定性，需要进一步研究。此外，受厌氧填埋场特性的限制，回灌并不能完全消除渗滤液，且回灌后的渗滤液氨氮含量高，仍需要进一步处理后才能排放。 厌氧消化技术 厌氧消化又称为沼气发酵、厌氧发酵和甲烷发酵，是指有机物在厌氧条件下通过厌氧菌及兼性菌的分解代谢达到稳定化，同时释放出甲烷和二氧化碳的生物化学过程。厌氧消化是处理有机固体废弃物的有效途径之一，能够在解决环境污染问题的同时，产生清洁能源生物气和高品质有机肥料。 厌氧消化具有以下特点：经厌氧消化后产生清洁能源沼气，可用于取暖、发电和制化学品;消化最终物可作为高质量的有机肥料和土壤改良剂；在有机物质转变成甲烷的过程中实现了垃圾的减量化；与好氧过程相比，厌氧消化无需氧气，降低动力消耗，运行成本低;厌氧消化减少了温室效应气体的排放量。因此厌氧消化是处理有机废物较理想的方法。 由于厌氧消化的诸多优势，有机垃圾的厌氧消化处理成为有机垃圾处理的一种新的趋势。近年来，该技术在发达国家得到积极开发并获得应用。有机垃圾厌氧消化系统在德国、瑞士、奥地利、芬兰、瑞典等国家发展较为迅速，在美国也有一定的应用。在国内，厌氧消化在高浓度有机废水、污泥、粪便及农业秸秆处理等领域已经有比较成熟的经验，全国各地有较多工程应用。但是生活垃圾不同于以上各种固体废弃物，特别是现阶段垃圾采用混合收集，成分和性质复杂，其基质的发酵条件、微生物生长条件及分解代谢等还有待深入研究。同时，由于我国垃圾不同于其他国家的生活垃圾，因此不能机械照搬国外厌氧消化技术和设备，需要针对我国垃圾性质研究并开发适合的垃圾分类和分选技术及设备。随着垃圾分类工作的顺利开展，厨余垃圾等有机垃圾与无机垃圾分开收集后，将对厌氧消化的应用和推广产生积极的推动作用。 热分解气化焚烧技术 热分解是利用有机物的热不稳定性，在缺氧条件下加热使分子量大的有机物产生裂解，转化为分子量小的燃料气、液体（油、油脂等）。热分解的生成物，因分解反应条件不同而有所不同。 热分解与焚烧不同，焚烧只能回收热能，而热分解可以从废物中回收可以储存、输送的能源（油或燃料气等），是热分解的一大优点。但废物的热分解因废物的种类多、变化大、成分复杂，要稳定连续热分解，在技术上和运转操作上要求都十分严格。因此，热分解设备费用和处理成本也较高，热分解的经济性就成了能否实用化的一个关键。 热分解处理系统主要有两种：一种是以回收能源为目的的处理系统，另一种是以减少焚烧造成的二次污染和需要填埋处理的废物量、以无公害型处理系统的开发为目的的处理系统。其中，对于前者，由于城市垃圾的物理化学成分极其复杂且变化较大，如果将热解产物作为资源回收，要保持产品具有稳定的质和量有较大的困难。即使对成分复杂、破碎性能各异的城市垃圾增加破碎、分选等预处理技术，不仅需要消耗大量的动力和极其复杂的机械系统，且总效率又非常低。对于后者，将热分解作为焚烧处理的辅助手段，利用热分解产物进一步燃烧废物，在改善废物燃烧特性、减少尾气对大气环境造成的二次污染等方面，却是较为可行的，许多工业发达国家已经取得了成功的经验。 迄今为止，国际上已工业化应用的热分解或气化技术还十分有限，尤其是在城市垃圾处理上。大部分热分解气化研究局限在实验室阶段，很多技术面临着技术环节和经济效益等难题的阻碍。美国和日本结合本国城市垃圾的特点，开发了许多工艺流程，有些已达实用阶段。由于垃圾组分的不同，有些流程在美国适用，但对日本不适用。同样，我国的城市垃圾成分又不同于美国和日本，这些工艺过程能否用于我国还有待研究。等离子体焚烧 等离子体焚烧是一种全新的垃圾焚烧方法,它没有传统的锅炉,而是模拟地层中的化工过程，将垃圾气化。 简单地说,就是用高压电弧产生高于太阳表面温度的高温焚烧垃圾。在这样的高温下,任何东西都会变成气态或者液态，实际上叫等离子体。 等离子体焚烧火炬中心温度可高达摄氏一万度,边缘温度也可达到千度左右。它的处理过程为废料的分解和再重组过程,工作原理是在一个密闭空间里,通过强大的电弧,使空气电离产生等离子体,然后在另一个缺氧的密闭空间里,有待产生的等离子体对城市固体废料进行超高温加热。在无氧化条件下,垃圾混合物中的无机物迅速玻璃化,最后产生的无害熔渣可作为建筑材料。 该技术的主要优点：垃圾焚烧彻底，不污染空气、水源及周边环境。由于炉膛温度大于1200，有机物包括传染性病毒、病菌及其他有毒有害物质都全部裂解分解，产生的气体、灰烬无毒害；垃圾燃烧后的灰烬体积量大大减少，大约为传统炉燃灰体积的1/5，而排放的气体无黑烟，不需烟囱。装置的主要优点：结构比较简单，小型化，占地面积小；不用煤、燃油、天然气作燃料，只使用电，洁净、卫生；操作运行费用低；操作简单、启动停机快、可全部实现自动控制、安全、可靠。 机械生物处理（MBT） 生活垃圾的机械生物处理技术是现代生物技术在垃圾处理方面应用的典范。在欧洲（特别是德国）应用已有近15年的历史。近年来，MBT技术在南美、东南亚等发展中国家也相继得到了应用。 德国每年采用MBT技术处理的生活垃圾600多万吨。德国的第一代MBT处理工艺可去除20%30%的有机垃圾，剩余70%左右的垃圾至填埋场填埋。第二代的处理工艺带有物质分拣系统，垃圾处理后仅为进料量的25%50%。 垃圾机械生物处理技术的原理就是利用机械的分选设备，把垃圾中的高热值的物质、金属和玻璃等有用物质分离出来加以利用，垃圾中的有机质部分经过生物的好氧或厌氧处理后实施填埋。 垃圾机械生物处理技术的应用，极大地减少了垃圾填埋场的占地面积，减少了垃圾填埋场的气体和渗滤液的产量。因此该技术的应用，在垃圾的减量化、资源化和无害化处理中起到了很大的作用。 MBT技术包括机械和生物处理两个部分，可以分别独立地用于垃圾处理，也可以与其他的垃圾处理技术如焚烧、填埋等结合在一起，共同完成垃圾的处理。在德国及欧洲，MBT技术已成为生活垃圾管理和处理处置系统的重要组成部分。MBT中的机械部分主要利用分选和筛分等设备对生活垃圾中的高热值的组分（塑料、纸张、木材等）进行分离；生物处理部分依赖好氧降解、厌氧发酵或两者结合的技术工艺对生活垃圾中的易腐有机质进行降解。 生物干化 生物干化(Biodrying)最早是由美国康奈尔大学Jewell等人于1984年提出，也叫做生物干燥、生物稳定。通常，生物干化即通过过程控制手段，利用微生物高温好氧发酵过程中有机物降解所产生的生物能，配合强制通风促进水分的蒸发去除，从而实现快速干化。 其特点在于无需外加热源，干化所需能量来源于微生物的好氧发酵活动，属于物料本身的生物能，因此是一种非常经济节能的干化技术，这也是生物干化与其他干化工艺(如热干化)的最大区别。 作为现代化的工业技术，生物干化的另一个特点是加入了人为控制策略，对物料进行强制鼓风，从而促进整个干化过程，缩短干化周期。同时具备这两点才能算真正意义上的生物干化工艺。 由于好氧堆肥过程对物料也有一定的生物干燥作用，很多研究工作者将好氧堆肥等同于生物干化，而实际上两者在工艺目的和工艺参数上有很大的差别。 生物干化的目的是在尽可能短的时间内去除尽可能多的水分，实现脱水干化和减容减量。其产物一般不以土地农用为目的，而是填埋处置或焚烧回收热值，因此不需要达到高度腐熟。在以焚烧为最终处置目标时甚至要求适当限制微生物的降解能力，尽量保持产物中的有机组分，从而提高产物热值。 由于不进行土地农用，生物干化产物只需达到部分稳定化和无害化，满足短期保存和运输即可，因此对高温保持时间和腐熟期没有要求。相比好氧堆肥处理，生物干化的发酵周期更短，约为好氧堆肥周期的1/2-1/3，因此其占地面积和单位产量投资成本大幅度减少，具有很强的工艺技术优势。 垃圾衍生燃料 垃圾衍生燃料（RDF），是指将垃圾中的可燃物(塑料、纤维、橡胶、木头、食物废料等)破碎、干燥后，加入添加剂，压缩成所需形状的固体燃料。 RDF的技术最早是由英国于1980年提出并用于实践。美国是世界上利用RDF发电最早的国家，已有发电站多达37座,占垃圾发电站的21.6%。 日本政府于20世纪90年代开始支持该技术的引进和研发工作。目前日本兴起了建设RDF的热潮,近几年已有十几家大公司对RDF工艺投入大量资金进行资源化研究和开发。 最近，由中国科学院广州能源研究所与日本名古屋大学、丰田汽车公司共同研制的垃圾衍生燃料中试热态试验装置，在广州能源所五山园区建成，为我国推广RDF技术成功地迈出了重要一步。