一種農村垃圾治理方案的探索
——分布式垃圾熱解碳化模塊化處理設備的應用探討

唐 杰

中鐵市政環境建設有限公司 上海 200331

在國家政策的指導下，從十五計劃開始，生活垃圾治理領域，在引進國外技術的同時積極探索和實踐，先后進行了衛生填埋、垃圾焚燒發電的推廣應用，在處置技術和工藝裝備方面取得了巨大的進步。在此基礎上，推行垃圾分類回收、再生資源利用實現綜合處理，處理技術向精細化更進一步，提高資源利用率的同時，我國垃圾處理“減量化、資源化、無害化”水平也逐步提高。目前已經建成的一大批符合國家相關標準的衛生填埋場和焚燒發電廠對垃圾治理和環境保護發揮了巨大作用。但是這些技術對于農村垃圾的治理是不適用的，農村垃圾的治理還缺乏一種針對性強，兼具實效性和長效性的方法，從根本上解決農村垃圾的系列問題。

1 農村垃圾的現狀和特點

農村生活垃圾產生量和堆積量逐年增多，“垃圾圍村”現象嚴重，與城市垃圾相比，農村地域面積廣，垃圾產生源分散，農村所采用的分散式就地消納處理方式已經不能適應形勢發展的需要。隨著中國經濟的發展和“美麗鄉村”戰略的提出，廣大農村的環境問題愈發凸出。每年近2億t的農村生活垃圾，尚無有效處置方式，隨意丟棄、掩埋造成了巨大環境隱患。近年來，農村生活垃圾的污染與治理正逐漸引起社會越來越廣泛的關注。國家不斷出臺政策來健全農村垃圾收運處置體系。2017年黨的十九大報告指出“繼續改善人居環境，其中垃圾和污水處理應列為當前的難點和亟須解決的重點問題”，2021年2月21日的中央一號文件指出“建設一批有機廢棄物綜合處置利用設施。健全農村人居環境設施管護機制”，2022年2月中央一號文件《中共中央國務院關于做好2022年全面推進鄉村振興重點工作的意見》再次指出“扎實有序做好鄉村發展、鄉村建設、鄉村治理重點工作”。相關政策持續的出臺，表明農村生活垃圾治理的嚴重性和緊迫性。

響應政府號召，同時為了實現農村人居環境與農村經濟協調發展的目標，需要對農村客觀條件進行精準把握，研發一種適應農村地區垃圾處理的工藝設備和技術。隨著城鄉差距的拉近，農村生活垃圾處理相關問題與城市存在一定的共性，又有著鮮明的特性，需要針對性的展開分析研究制定對策。農村垃圾和客觀環境主要有五個方面顯著的特點：

1.1 農村生活垃圾趨向城市化

隨著城市化的發展，農村和城市之間人口流動頻繁，商品供應充足加上物流便捷，農村生活垃圾成分呈現城市化的趨勢。

1.2 垃圾分布范圍廣

農村土地面積占國土面積90%，常住農村人口占總人口42%，農村人口以村落的形式分布，垃圾點多面廣，集中收儲成本高。

1.3 人口空心化

青壯年勞動力外流，常住人口以50歲以上中老年人和18歲以下的學齡人口為主，專業技術人員較少，操作維護工藝復雜設備的勞動力資源不足。

1.4 垃圾成分差異性大、熱值低，產量波動較大

由于地域特點不同，農村產業結構呈現多樣化的特點。因此垃圾成分差別較大，再加上農村地面硬化率低，在垃圾收集、處理的過程中不可避免混入渣土，總體上相對城市垃圾而言有機質含量較低，綜合熱值低。另外因為垃圾產量是和人口相伴而生的，垃圾產量隨著人口的波動而波動。如開農村特色旅游經濟活躍的鄉村，平時垃圾產量少，節假日垃圾產量大；農閑時，垃圾產量少，農忙時，在外務工人員返鄉，垃圾產量增大。而連續穩定運行的垃圾處理系統對垃圾的熱值、垃圾供應的規模和穩定性都有要求[1]。

相對而言，城市生活垃圾比較容易集中，收運體系成熟，運輸半徑小，垃圾產量比較平穩，適合集中規模化處理。而農村垃圾點多面廣，集中收儲成本高；現有垃圾處理技術，工藝復雜專業性要求較高，而在空心化的鄉村缺乏專業技術人員，運行維護難度大，違規排放風險高。而且由于農村垃圾產量的波動性，也要求處理設備運行具有一定靈活性。同時，絕大部分農村的財政能力，無法承受規模較大的建設和運行成本。

因此針對農村垃圾分布特點和客觀條件，開發一種工藝簡便，排放達標，運行安全，投資少的農村垃圾處理設備，才能更契合農村生活垃圾處理的實際，在真正意義上實現技術落地。

2 垃圾治理技術的現狀

現有生活垃圾處理技術主要以衛生填埋和焚燒發電為主，另外還有垃圾氣化和垃圾熱解碳化等技術。

垃圾填埋分為原生垃圾集中收運以后的直接填埋，和對其他處理方法處理以后形成的產物的最終填埋。衛生填埋的占地面積大、且容易造成二次污染，不適合用于農村垃圾處理。2020年7月31日，國家發改委、住建部、生態環境部聯合印發《城鎮生活垃圾分類和處理設施補短板強弱項實施方案》中指出“2023年基本實現原生生活垃圾零填埋。原則上地級以上城市以及具備焚燒處理能力的縣(市、區)，不再新建原生生活垃圾填埋場”，所以在未來的發展中，生活垃圾直接填埋在農村將不可持續的。

垃圾焚燒發電技術通過對垃圾分類，對熱值較高的垃圾成分進行焚燒，產生的熱量轉化為高溫蒸汽，驅動渦輪機帶動發電機進行發電，優點是占地少，減量化程度高，通過發電實現了資源化利用；但是投資規模大，工藝設施復雜，需要專業的技術人員進行操作、維護和管理，而農村既缺少資金，也缺少相關的技術和管理人才，為了保障垃圾焚燒發電系統正常運行，穩定集中的垃圾供應也是至關重要的環節，對于垃圾點多面廣的農村，垃圾集中收運的代價將十分巨大[2]。

所謂垃圾氣化技術，是指采用氣化的方法，在高溫狀態下將垃圾氣化熔融和分解，垃圾中的有機物可以轉化為合成氣（主要為CO和H2），而無機物則可以轉化為玻璃體灰渣。由于垃圾氣化技術相對于其他垃圾處理技術要復雜，投資明顯較高，同時由于一般垃圾水分含量較高、無機物較多、熱值較低，導致采用垃圾氣化技術建設的項目經濟性一般不好。因此，垃圾氣化技術項目的經濟性問題成為了當前制約垃圾氣化技術推廣和應用的主要因素。

碳化熱解技術，該技術起源于木炭制作，現在仍然用于從煤、木材、油頁巖中提煉出可燃的氣體、液體和固體。國外也有將該項及時應用到遠洋船舶上的垃圾處理的案例。其原理在無氧狀態下加熱，利用高溫使生活垃圾中有機高分子的化學鍵發生斷裂，釋放出各種揮發份的反應過程。在熱解過程中，中間產物存在著兩種變化趨勢：一是從大分子變成小分子的裂解過程；二是小分子聚合成較大分子的縮聚過程。熱解產物主要有以下幾種：熱解氣，包括一些低分子碳氫化合物如氫氣、甲烷、一氧化碳等；熱解油，這里一部分熱解油可作為燃料油使用，它們在常溫下為液態，主要有乙酸、丙酮、甲醇化合物；熱解油氣組分是熱值豐富的可燃氣體，是熱解過程重要的能源補充。熱解炭：熱解炭大部分以炭黑形式存在，此外還存在一些無機物質，基本實現了有機物的穩定化無害化[3]。

反應原理如下：

有機固體廢物→（H2、CH4、CO、CO2等）氣體+（有機酸、焦油等）有機液體+炭黑+灰渣

垃圾熱解碳化工藝的主要優點在于：熱解碳化反應是吸熱反應，對物料無熱值要求，適應性廣；在缺氧條件下分解，溫室氣體——二氧化碳排放少；廢物中的硫、重金屬等有害成分大部分被固定在固體炭黑中；熱解過程中產生的可燃氣體可以回收為反應過程提供熱源，處理產物得到無害化和資源化利用；由于在熱解過程中保持了還原環境，氮氧化物等污染物產出量少，也限制了劇毒物質二噁英的生成。

綜合以上對各種垃圾處理工藝的對比，結合農村生活垃圾成分地區差異大、季節性影響大、分布面積廣、資金短缺、專業技術人員少等諸多因素，城市垃圾處理的工藝和設備難以移植到農村。因此根據農村垃圾的分布和自身特點，我們選擇熱解碳化作為工藝路線，在結構和功能上進行量身定做，研發了農村垃圾碳化熱解成品化裝備。

3 以垃圾熱解碳化成品化裝備為核心的農村垃圾處理方案

以垃圾熱解碳化成品化裝備為核心，在前端與預處理單元組合，垃圾經過收儲、破碎、篩分和堆濾后，再送入熱解設備中進行處理，形成一套完整的農村垃圾處理方案（如圖1所示）。

圖1 農村垃圾處理方案

在預處理單元，生活垃圾經過地磅稱重后送至儲料區，再通過輸送機進入破碎篩分裝置。經過篩分后的篩上物主要是有機物和可燃物（廚余、塑料、橡膠、廢紙、竹木和皮革等），并送入多床層熱解爐中熱解。分離出的無機殘渣（碎玻璃、石塊、磚頭等）集中外運填埋，廢金屬進行資源回收。垃圾產生的臭氣優先送入熱解爐作為助燃空氣，剩余部分送入尾氣凈化系統，去除尾氣中臭氣等污染物后達標排放。該預處理工藝設備全程封閉、數字化控制，且機械化、自動化程度較高，很大程度上減少了人員配置。

3.1 垃圾熱解碳化成品化裝備

碳化熱解設備時整套方案的核心，工藝過程為：裝料—加熱升溫—熱解排出高溫氣—剩余固體物出料。系統組成包括：熱解爐膛及反應釜、裝卸料裝置、輻射管燃燒器及供熱系統、尾氣處理系統以及控制系統等功能部分組成（如圖2所示）。

圖2 設備組成

熱解爐膛是一個相對封閉的空間，由鋼結構和保溫隔熱材料組成，內部支架收納由耐熱材料制作的反應釜，反應釜是裝載垃圾的容器，具有導熱性能良好，膨脹系數小的特點；供熱系統由輻射管燃燒器、天然氣管路、助燃空氣管路、熱解氣管路等組成。

設備的運行過程如下，首先將垃圾通過反應釜裝入爐膛，關閉爐門和密封裝置。啟動程序運行。在熱解反應開始以前，首先經過干燥環節。即物料中的外部水分和毛細結構吸附的水分被首先加熱蒸發，將物質中的結構水除去，水分析出結束且物料達到一定溫度后，進入熱解階段，熱解本身是一個復雜且同時發生多種化學反應的過程。包含有機大分子的鍵斷裂，有機分子的異構化和小分子的聚合等反應，最后生成各種較小的分子。在垃圾處理過程中，根據不同溫度條件下的反應特點，優化工藝參數，過程中按照溫度-時間曲線精確控制，提高熱解氣轉化率，盡量依靠物料熱解燃氣，提供熱能維持后續熱解反應直至完成，達到減少外部能源消耗，實現最大的能源利用效率。

該設備具有以下特點：

垃圾減量比率超過80%；采用序批式處理工藝不受物料產量限制，通過設置儲料池調節垃圾產量波動和一次處理能力之間的關系；爐膛采用固定床——反應釜加熱，對物料不產生擾動，減少飛灰生成；采用模塊化設計，撬裝式集成，可根據處理能力需要不同進行靈活配置，方便安裝，減少土建投資，可實現快速安裝，降低項目實施成本；利用熱解產生的高熱值可燃物，維持反應直至結束，降低外部能源消耗；系統通過程序控制，操作簡便，對人的依賴少；廢氣廢水達標排放；廢渣可直接進行填埋，也可根據當地條件進行資源化利用。利用物聯網技術，實現遠程調試，后續運營期可望通過云監管，流動維保的管理方式，提升專業技術人員的工作效率[4]。

3.2 典型工程應用案例

我們在山東汶上縣建設了一套日處理能力為20t的農村生活垃圾處理站（如圖3所示），完成了熱解碳化設備各項性能的試驗。通過對進場垃圾、垃圾最終產物進行稱重，獲得垃圾的減量比率，同時邀請第三方檢測機構在反應各個階段對產生的廢氣、廢渣和廢水進行取樣，檢測分析，不同批次垃圾處理減量比率在80～90%范圍波動，檢出物的濃度均低于相關污染控制標準。該工程投資成本約為255萬元，通過在不同時段對不同批次垃圾處理能耗統計，垃圾電耗31.7kwh/t，液化氣平均消耗18.3kg/t，如果按照電費0.6元/kwh、液化氣7元/kg計算，平均處理成本約合147元/t。

圖3 農村生活垃圾處理站

4 前景預測

根據國家統計局的數據“截止2019年底，鄉村常住人口55162萬人，2019年農村生活垃圾產生量約2億t。”可以推算農村地區每天產生垃圾總數約55萬t。每人每天的垃圾產量約為1kg。

考慮農村地區差異性因素，城市周邊和遠離城市的農村差異（城鄉結合地區可以建立城鄉一體化的生活垃圾管理系統）；考慮項目經濟支持能力差異；人口密集的農村和人口稀少的農村。綜合這些因素，初步考慮50%的農村地區有條件應用垃圾碳化處理技術，約有27.5萬t/天的垃圾需要進行處理。按照處理能力20t/天的設備估算，需要1.4萬套農村垃圾處理站同時正常工作才能消納新生垃圾。考慮設備利用率90%，設備完好率90%，市場需要1.7萬套農村垃圾處理站[5]。

結合研發過程掌握的數據進行估算，如果一套垃圾碳化處理設備投資成本約200萬元，一套垃圾處理站總投資約為260萬元。進而推算出建設投資市場規模在442億元人民幣，設備銷售市場容量在340億元。如果政策扶持引導，引入社會資本投資運營，參照垃圾填埋和焚燒的收費標準，垃圾處理運營市場容量約在250億元人民幣。這是三個百億級的市場。

目前農村垃圾處置相關技術，運營方式仍處在探索階段，行業集中度不高，競爭尚不充分。目前我們已經完成農村垃圾熱解碳化成品化裝備研發，并成功應用于農村垃圾處理示范站項目中。知識產權方面，申請發明專利4項，已授權2項，實用新型專利授權12項。

5 結語

十九大報告強調鄉村振興戰略，提出“產業興旺、生態宜居、鄉風文明、治理有效、生活富裕”的總體要求。2021年脫貧攻堅戰取得全面勝利，中國步入從扶貧到振興的新奮斗起點。隨著農村經濟和生活水平持續提高，環境問題越來越受到社會各界的關注。

提升農村人居環境，對垃圾進行治理必須立足于農村實際，同時達到綠色環保的排放要求，才能具有實效性和長效性。相信為農村量體定制的分布式垃圾碳化熱解模塊化處理設備，經過后續技術迭代提升，一定會創造可觀的經濟效益，社會效益和生態效益，為農村環境提升發揮重要作用。