城市垃圾的處理及其能源化利用

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(南京林業大學 材料科學與工程學院，南京 210037)

0 引 言

隨著城市人口的增長和城鎮化進程的加快，我國城市垃圾產量急劇增加，目前每年已達2億多噸，且每年正以8%～10%的速度增長著。據報道，在全國的600多座城市當中已有200座城市處于垃圾圍城之中，歷年城市生活垃圾的累積堆存量已超過70億噸，占地約5萬hm2。據統計2004年我國城市垃圾年產量為1.55億噸，到2010年已達到2.64億噸，由此預測2030年城市垃圾年產量將達4.09億噸，而到2050年時將達到5.28億噸。城市垃圾的大量堆積，若不加以處理處置不僅占有大量的土地面積，浪費了資源，同時長期堆積產生的不良后果將嚴重影響城市美觀和人們的日常生活，如何合理，有效的處理城市生活垃圾是目前迫在眉睫的問題[1-3]。

1 我國城市的垃圾處理方法

我國城市垃圾處理起步較晚，當今社會垃圾的主要處理方法有：衛生填埋，堆肥法和焚燒法。國內外應用最廣的處理技術為衛生填埋法，約占到整個垃圾處理的70%左右，其次為高溫堆肥法為20%，垃圾焚燒技術占有的份額最小。目前我國城市垃圾處理的技術對策是：以衛生填埋和高溫堆肥技術為主，提倡有條件的城市特別是沿海經濟發達地區發展焚燒技術[4-5]。

1.1 衛生填埋

上世紀30年代由美國加利福尼亞州的專家首先提出了衛生填埋的概念。衛生填埋是指將城市生活垃圾在選定的合適場地先做好底部防滲、沼氣收集、垃圾滲瀝液及污水處理等設施后進行填埋，填埋到一定高度后，加上覆蓋材料，讓其經過長期的物理、化學和生物作用達到穩定狀態的一種處理方法。我國城市垃圾衛生填埋技術起始于上世紀80年代，由清華大學牽頭設計了我國首座人工強化處理非天然狀態下填埋垃圾處理廠。與其他方法相比，由于填埋法技術相對比較成熟，操作管理方便，投資少等優點成為國內外垃圾處理的主要方法。

垃圾是地球上唯一不斷增長的資源，垃圾中含有大量的有機物和營養成分，填埋過程中使得大量的資源被浪費。垃圾衛生填埋場不僅僅占用了大量的土地資源，對周圍的環境也造成了長遠的影響，比如對空氣、土壤和水源等各方面。此外，對垃圾填埋技術的要求高，對于填埋產生的大量滲濾液需要進過處理才能排入水體中。

1.2 混合堆肥

20世紀70年代后，垃圾堆肥迅速成為環保領域內的一個研究熱點。城市垃圾中含有豐富的有機物質和營養元素，通過增加營養和改善環境條件的方法，利用堆制原料中本源微生物來降解有機污染物，在高溫的條件下可以產生有機肥料。

然而堆肥法占有了大量的土地面積，同時堆肥產生的有機肥料肥效低，堆肥過程中產生的較難處理的廢氣廢液等直接限制了它的發展。

近幾年生活垃圾與污水污泥混合堆肥是當今的研究熱點。城市垃圾中的有機質含量和含水率較低，但炭和氮的比值與空隙率卻較高而污水污泥恰恰與之相反。因此它們之間具有互補性，適合混合堆肥處理，是進行資源回收利用及變廢為寶的一個好的出路。

王濤在生活垃圾與污水污泥混合堆肥的實驗表明，生活垃圾與污水污泥混合堆肥的方法是可行的。通過實驗研究發現，混合堆肥過程無論在溫度方面還是含水率的大小都適宜微生物的生存，生產的肥料完全滿足要求[6]。

曲頌華等在城市垃圾與污水廠污泥的混合堆肥研究表明，城市垃圾與污水污泥混合堆肥穩定時的最佳耗氧速率為0.02%/min，混合堆肥的最佳溫度為55～65 ℃。混合堆肥的最佳配比為4∶7，如果在混合堆肥中污泥所占的比例過少，則混合堆肥物料中的有機質含量就過低，這樣微生物的活性低，腐熟所用時間延長。若污泥所占比例過高，則混合物料中的含水率大，導致孔隙率小，影響微生物對氧的利用。此外，導致有機質含量過高，有機質含量過高直接引起堆肥周期延長[7]。

金梁等通過對垃圾堆肥資源化若干問題研究進展中研究發現影響垃圾堆肥的主要因素有環境溫度，碳氮比，堆料的成份和通風量。溫度的高低直接影響有機質的降解，使得堆肥過程難以進行。合適的碳氮比為微生物的生長提供了合適的營養條件。充足的氧氣是微生物分解有機質的必要條件[8]。

城市垃圾與污水污泥混合堆肥技術不僅解決了垃圾與污水污泥各種隱患，同時生產的肥料滿足了農業所需，這種處置方法對于我國固體廢棄物處置行業來說，具有現實而又深遠意義。

1.3 焚燒法

垃圾焚燒技術起步于上世紀80年代早期，由于對焚燒技術要求高等原因直到現在還處于起步階段，且垃圾中可燃物含量少燃燒時產生的發熱量低也限制了垃圾焚燒的發展。垃圾焚燒處理是使垃圾中分撿出的可燃成分在高溫(800～1 000 ℃)條件下與空氣中的氧氣進行燃燒反應，最終成為穩定的惰性殘渣的過程。據統計我國城市垃圾中有機物與無機物的構成為15%～51%和42%～81%。垃圾焚燒處理是實現垃圾減量化，資源化和無害化處理的有效方法，通過焚燒垃圾能做到減容80%～90%。經高溫焚燒處理的垃圾其含有的有害有毒物質在高溫下能被徹底殺死，焚燒的余熱同時還可以用來發電[9-10]。

當前制約我國城市垃圾進一步發展的原因是：垃圾焚燒的條件是垃圾中物質的熱值必須大于4 127 KJ/kg才能焚燒；垃圾中含有大量的有機物和營養成分，焚燒使垃圾中的可利用資源被銷毀，造成了資源的浪費；焚燒過程中產生的熱能很難被回收利用，產生的熱能大約有30%被大量的煙氣帶走，排出的煙氣還需凈化，一次性投資大，運行成本高；燃燒產生的二次污染如SO2，HCL，HF，NOX等酸性氣體及二噁英都會對空氣造成影響[11-12]。

2 城市垃圾能源化利用方式

目前處理城市垃圾的主要方法都有其較難克服的弊端，因此，城市生活垃圾的能源化利用已成為解決垃圾堆積問題和緩解能源危機的重要途徑。

2.1 垃圾衍生燃料(RDF)

垃圾衍生材料就是首先對垃圾進行分選，分類后，將其中的可燃成分進行干燥破碎、添加助劑、擠壓成型等處理過程，制成固體形態燃料[13-14]。

對RDF的研究最早開始于上世紀70～80年代由歐美一些發達國家開始嘗試，并相繼建成一批示范工廠。之后迅速發展起來并開始大量使用，產生了良好的環保和經濟效益。

RDF具有尺寸均勻、燃燒穩定、易于運輸和儲存、經加工制造后無腐爛現象，無臭味、熱值高達12 560～18 841 kJ/kg，相當于低品位的煤炭等特點廣泛應用于普通鍋爐、工業鍋爐以及食品加工業的輔助燃料使用，還可以作為垃圾焚燒爐的燃料進行燃燒，用于供熱、制冷及發電等領域[15]。

2.2 熱解氣化

垃圾熱解是指隔絕空氣加熱的條件下，有機垃圾發生大分子斷裂，產生小分子氣體、熱解溶液和碳渣的過程[16]。

城市生活垃圾熱解處理最早始于美國。1929年美國對垃圾進行了高溫熱解試驗，1967 年經實驗室研究發現垃圾熱解氣體可以作為鍋爐燃料。城市生活垃圾氣化是將垃圾中有機成分在還原氣氛下與氣化劑(空氣、O2、水蒸氣等)反應生成燃氣(H2、CO、CH4等)焦油和灰渣的過程。通過部分燃燒反應放熱或外加熱提供氣化所需的熱量，在常壓或加壓情況下，使垃圾中有機物轉化成燃氣，剩下的焦油和灰渣排出[17]。

熱解氣化產生的可燃氣體經過除塵和冷卻凈化后作為燃料向系統外輸出。焦油可以制作原料油或作為化工原料。垃圾熱解殘留物水蒸氣在高溫下發生“水煤氣”化反應生成一氧化碳和氫氣，剩下的不能分解的無機物質(爐渣)從爐渣出口排入到水封槽。熱解實現了垃圾無害化的處理，是很有前途的垃圾處理技術。

2.3 利用城市垃圾填埋制氣

垃圾填埋氣體又稱填埋氣，是垃圾在填埋后主要為生物質降解過程中產生的氣體。它的主要成分為甲烷、二氧化碳、氮氣、氧氣、氨氣、硫化氫、氫氣等。產生的填埋氣經加工后可以直接用于燃燒，供給工業或溫室用戶等。此外收集后的填埋氣經壓縮機加壓輸送至內燃機組，經燃燒轉化成電能，不僅直接減少了溫室氣體甲烷和二氧化碳的排放，而且通過利用填埋氣發電可以減少火力發電所帶來的溫室氣體的排放[18]。

2012年亞洲最大的垃圾填埋氣發電項目上海老港垃圾填埋氣發電項目正式并網。據介紹，此項目并網后每年可向上海電網輸送“綠色電力”約1.1億kW·h，解決約10萬戶居民的日常用電，為緩解上海電網高峰時段供電壓力發揮作用。該項目日處理生活垃圾接近1億t，占全市垃圾產出量的50%以上。有效的實現了垃圾資源化、減容化和無害化的垃圾處理。

2.4 垃圾焚燒發電技術

垃圾中含有大量的廢紙、塑料、纖維和其它有機物質，經專家測定其中有機物含量達60%～70%，當城市垃圾完全燃燒時，它的低位發熱量大約在4 300～6 560 kJ/kg之間，含有的熱值較高，我國許多城市基本上已具備了垃圾焚燒發電的條件。最早利用垃圾焚燒發電的國家是英國，并且在1874年建成世界上第一座垃圾焚燒發電廠，此后美國德國等一些西方國家紛紛效防。經研究表明，在一些發達國家大約每兩頓垃圾的熱值就相當于一噸煤的熱值[19-20]。

垃圾在焚燒過程中產生的熱能與火力發電廠聯網發電，不僅具有極大的社會效益和經濟效應，而且可以避免燃煤發電帶來的一系列問題。既節約了大量燃料，又解決了垃圾處理問題，有利于人類的生存與發展。

3 結 語

隨著科技的發展和人們環保意思的增強，這就要求人們快速的提高垃圾無害化，資源化和減量化的處理能力。人們應該充分的認識到垃圾只是放錯資源的地方，垃圾的處理與能源化利用是解決垃圾問題的直接方法。

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