中國生活垃圾綜合處理的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
摘要： 分析 了混合垃圾采用單一處理方式存在的 問題 和生活垃圾綜合處理 方法 的優(yōu)勢，明確區(qū)分了國內(nèi)生活垃圾綜合處理系統(tǒng)和綜合處理工藝兩種概念，在此基礎(chǔ)上，分別論述了兩者的 研究 現(xiàn)狀和存在的問題，認為生活垃圾綜合處理系統(tǒng)代表了生活垃圾處理方式的 發(fā)展 方向。
關(guān)鍵詞：生活垃圾 綜合處理 研究現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢
隨著我國 經(jīng)濟 實力和技術(shù)儲備的增強，各種生活垃圾處理處置技術(shù)在我國得到了不同程度、不同范圍的研究和 應(yīng)用 ，很多經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)已經(jīng)建立了 現(xiàn)代 化填埋場、機械化堆肥廠和焚燒廠等多種處理設(shè)施。但對于某一地區(qū)來說，不同處理設(shè)施往往處理同樣的混合生活垃圾。由于每種生活垃圾處理技術(shù)均具有各自的優(yōu)勢和局限性，從技術(shù)本身、經(jīng)濟性和環(huán)境 影響 角度分析，均只適宜處理生活垃圾中的某些組分，因此這種單一處理模式不僅難以滿足數(shù)量日益增長、成分日益復(fù)雜的生活垃圾無害化、減量化、資源化的處理要求，而且使得生活垃圾處理設(shè)施運行效果差，前處理和二次污染控制技術(shù)復(fù)雜，處理費用高。
為了解決這種單一處理方式的不足，生活垃圾需要采取綜合處理方式。所謂綜合處理，就是將多種生活垃圾處理處置技術(shù)以適當(dāng)?shù)姆绞接袡C地結(jié)合在一起，形成完整的處理系統(tǒng)，每種處理技術(shù)或設(shè)施僅處理適宜的生活垃圾組分，從而改善生活垃圾處理的效果，降低生活垃圾處理的費用，在生活垃圾無害化的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)生活垃圾的資源化。
1 單一處理與綜合處理的比較
1.1 衛(wèi)生填埋
衛(wèi)生填埋法由于技術(shù)比較成熟，操作管理簡單，處理量大，投資和運行費用低，是當(dāng)今世界各國主要的垃圾處理方式。但填埋混合垃圾有以下缺點：(1)生活垃圾中的可回收物、可焚燒組分或可堆肥組分等可以實現(xiàn)資源回收的部分被一并填埋，即使考慮填埋氣的回收利用，混合垃圾填埋的資源化水平仍很低。(2)我國混合垃圾含水率和有機物含量都很高，因此滲濾液產(chǎn)生量大，處理成本高;沼氣產(chǎn)生量大，控制其排放也增加了處理成本。因此限制進入填埋場的有機物含量是填埋法的發(fā)展趨勢之一。 目前 歐盟、日本和美國等國家的有關(guān)政策，都提出了進一步限制進入填埋場垃圾有機物含量的規(guī)定[1]。(3)在場址選擇日益困難，填埋費用不斷增加的情況下，混合垃圾會大量占用填埋場的空間資源。
1.2 堆 肥
高溫堆肥可以使生活垃圾中的有機成分成為可供施用的農(nóng)田肥料，同時消除其環(huán)境污染，殺滅垃圾中的病菌，具有無害化和資源化特征。但我國的堆肥廠主要處理混合生活垃圾，其局限性主要表現(xiàn)在：(1)由于我國目前還沒有開展普遍的生活垃圾分類收集，因此入廠垃圾中含有石塊、金屬、玻璃、塑料等多種不可降解組分，這些廢棄物必須分揀出來，另行處理，分選工藝復(fù)雜，費用很高。(2)即使采用了分選工藝，生活垃圾中的不利于堆肥處理的組分也不能完全剔除，許多有毒、有害物質(zhì)會進入堆肥，如農(nóng)田長期大量使用堆肥，可能會造成潛在污染，特別是一些重金屬在土壤中富集將隨食物鏈進入人體。受到堆肥產(chǎn)品成本和質(zhì)量的約束，堆肥產(chǎn)品存在銷路不暢的問題。
1.3 焚 燒
焚燒法具有減量化程度高，處理周期短，占地面積小，選址靈活，燃燒的熱量可用來發(fā)電等優(yōu)點。近年來焚燒法在我國得到了迅速發(fā)展，但焚燒混合垃圾有以下缺陷：(1)我國生活垃圾含水率高，熱值低，需要更多的輔助燃料，此外生活垃圾中灰土含量多也會影響焚燒效果，最終導(dǎo)致焚燒成本上升。我國目前除少數(shù)經(jīng)濟較發(fā)達的城市外，其它城市的混合生活垃圾熱值低，含渣量高，不適宜焚燒。(2)另一方面，由于我國混合垃圾中廚余垃圾較多，含鹽量較高，對煙氣中氯化物貢獻較大，HCl會腐蝕焚燒爐，也增加了煙氣處理的難度和污染控制成本。
1.4 綜合處理
綜合處理方式可以解決混合處理方式出現(xiàn)的問題。采用綜合處理方式后，易腐物和可燃物都得到了利用，故填埋物的量很小，只占總體積的15%～20%，填埋物主要為磚頭、瓦礫等無機垃圾，不會帶來嚴重的二次污染，節(jié)省了填埋空間;綜合處理中僅可燃垃圾進行焚燒，焚燒物易燃，產(chǎn)生的煙氣少，二次污染小;采用綜合處理方式后，堆肥法只處理易腐有機物，成分單一，容易堆腐，而且處理費用低，產(chǎn)品質(zhì)量好。
2 綜合處理的不同概念及研究 內(nèi)容
由于生活垃圾綜合處理的諸多優(yōu)勢，國內(nèi)很多研究者和管理人員對綜合處理系統(tǒng)進行了大量研究，但由于對綜合處理概念理解的不同，其研究方向存在很大區(qū)別。
2.1 生活垃圾綜合處理系統(tǒng)
在發(fā)達國家，生活垃圾綜合處理系統(tǒng)(MSW integrated processing system)的概念是多種處理設(shè)施(收運車輛、轉(zhuǎn)運站、分選中心、回收站、焚燒廠、堆肥廠、填埋場)構(gòu)成的完善的生活垃圾處理體系。對應(yīng)于這一概念，研究者希望通過系統(tǒng)分析方法和數(shù)學(xué)工具的應(yīng)用，提高綜合處理系統(tǒng)運行的效率，減少系統(tǒng)運行的費用，減少系統(tǒng)運行造成的環(huán)境和 社會 影響[2-4]。主要研究內(nèi)容包括：
處理方式的優(yōu)化選擇。在對不同生活垃圾處理方式適用性分析的基礎(chǔ)上，可以針對不同地域的具體情況選取不同的處理方式及其組合。實踐中常采用定性分析的方法，從必要性、可行性等方面對多種生活垃圾處理方式及其組合進行分析。生活垃圾處理方式的選擇本身也是一個如何進行決策的問題，因此一些研究者在實踐中也引入系統(tǒng)決策方法，如層次分析法[5]、模糊數(shù)學(xué)決策方法[6]、多目標動態(tài)模型[7,8]等，其中多目標動態(tài)模型選取的目標是綜合效益最高，費用最小，通過該模型可以得出每年各種生活垃圾處理方式的處理量和比例。
處理設(shè)施的優(yōu)化設(shè)置，包括確定其位置、數(shù)量及規(guī)模。生活垃圾處理設(shè)施的選址一般結(jié)合當(dāng)?shù)?自然 條件、社會經(jīng)濟發(fā)展和現(xiàn)有處理設(shè)施等情況綜合考慮得到，沒有固定的技術(shù)路線。處理設(shè)施的優(yōu)化設(shè)置與生活垃圾處理方式的優(yōu)選結(jié)合緊密，在確定了可能的選址后，依據(jù)確定的生活垃圾處理方式和當(dāng)?shù)氐纳罾a(chǎn)生量、組分可以確定各個處理設(shè)施的類型和規(guī)模，尤其是采用多目標動態(tài)模型后可以確定不同處理方式的最佳處理量，從而為結(jié)合實際情況優(yōu)化設(shè)置處理設(shè)施的數(shù)量和規(guī)模提供了依據(jù)。
垃圾物流的優(yōu)化分配。垃圾物流優(yōu)化分配是綜合處理系統(tǒng)研究的核心內(nèi)容，優(yōu)化手段包括多種規(guī)劃方法和數(shù)學(xué)模型[3]。最常用的垃圾物流優(yōu)化模型為最小費用模型。模型目標為總費用最小，總費用為運輸費用、填埋費用、堆肥費用、焚燒費用、回收費用之和減去回收材料收入、堆肥肥料收入、焚燒能量收入。在實踐中，陳炳祿等[9]對廣州市的生活垃圾物流利用最小費用模型進行了優(yōu)化分配。
由于我國生活垃圾的特點以及混合收集的影響，目前從國外借鑒的一些模型和規(guī)劃成果難以在實踐中應(yīng)用。如在選擇處理方式及其比例時常用的多目標動態(tài)規(guī)劃模型，由于是在垃圾分類的基礎(chǔ)上進行設(shè)計，模型僅按生活垃圾中廚余物的數(shù)量設(shè)計可堆腐參數(shù)，按可燃物的數(shù)量設(shè)計可焚燒參數(shù)，但實際中混合垃圾一般不進行分選，或者僅進行簡單分選，得出的結(jié)果實際意義不大。此外由于模型中存在很多主觀參數(shù)，對市場等因素缺乏考慮，模型結(jié)論也難以在規(guī)劃中實施。
2.2 生活垃圾綜合處理工藝
從20世紀90年代起，我國的研究者為解決單一處理方式的不足從生活垃圾綜合處理的角度進行了研究，提出了多種生活垃圾綜合處理的構(gòu)想，但是這種構(gòu)想?yún)^(qū)別于國外廣泛應(yīng)用的綜合處理系統(tǒng)概念，而是指通過分選等預(yù)處理技術(shù)把不同垃圾組分進行分離，分別進入不同的處理單元，這些處理單元集合在一個廠內(nèi)甚至一條生產(chǎn)線上，希望通過這種方式實現(xiàn)不同垃圾分別采用適宜的處理方式的目的，為了便于區(qū)分，本文稱其為綜合處理工藝(comprehensive treatment technology)。根據(jù)綜合處理工藝采用預(yù)處理技術(shù)的不同，可以分為預(yù)分選合處理工藝、預(yù)堆肥綜合處理工藝、預(yù)消解綜合處理工藝等，其中前者一般采用物理分選技術(shù)，經(jīng)過多次分選將垃圾分為幾類，其分類類別根據(jù)后續(xù)處理工藝確定，而后兩者雖然也有一些分選步驟，但是其預(yù)處理技術(shù)核心為堆肥或消解。此外，綜合處理工藝的能量回用和自給也是其研究方向之一，為了便于說明，本文稱其為能量自給綜合處理工藝。
預(yù)分選綜合處理工藝是指利用物理分選技術(shù)把混合垃圾中的不同組分按處理目的進行分離，使不同組分分別進行處理，這也是應(yīng)用最多的綜合處理工藝，研究重點集中在分選系統(tǒng)[10]。它面臨的問題有：一是我國生活垃圾實行混合收集，在發(fā)達國家由產(chǎn)生者進行的分類工作不得不由廠內(nèi)的分選系統(tǒng)完成，分選系統(tǒng)的投資和運行費用很大;二是目前的生活垃圾綜合處理廠處理規(guī)模均較小，焚燒量和填埋量也很少，在這種情況下，相對于單一焚燒或填埋，綜合處理如何實現(xiàn)經(jīng)濟上的比較優(yōu)勢也是需要重視的問題。
預(yù)堆肥綜合處理工藝。堆肥過程可以降低生活垃圾的有機物含量和含水率，因此可以把堆肥過程作為生活垃圾綜合處理系統(tǒng)的預(yù)處理步驟。對焚燒而言，經(jīng)堆肥處理后垃圾易于燃燒，熱效率高，產(chǎn)生的有害氣體量較小;對填埋而言，經(jīng)堆肥處理后減少了填埋量，降低了滲濾液的產(chǎn)量和處理難度，減少了填埋氣的排放[11]。雖然堆肥預(yù)處理對于綜合處理工藝具有明顯的益處，但是尚未有深入研究，更沒有投入運行的工程項目，此外，堆肥預(yù)處理工藝還存在成本高、堆肥時間長、周邊環(huán)境差等缺點。預(yù)消解綜合處理工藝與預(yù)堆肥綜合處理工藝類似，相對于堆肥預(yù)處理，消解預(yù)處理的最大優(yōu)勢是可以減少堆肥的時間，其環(huán)境影響也較小，但是成本更高。
能量自給綜合處理工藝也是一種結(jié)合多種生活垃圾處理技術(shù)的工藝，它以系統(tǒng)能量的完全自給為目標[12]，因此與垃圾焚燒廠的余熱利用系統(tǒng)不同。系統(tǒng)中的能量一般來自焚燒系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能或電能，也可以利用厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣產(chǎn)熱發(fā)電。國內(nèi)一些研究者已經(jīng)提出了一些設(shè)想，但是缺乏對系統(tǒng)能量流的深入研究和經(jīng)濟性分析，而且由于現(xiàn)有技術(shù)能源利用效率較低，尚不能利用垃圾自身的能量解決工藝過程的高能耗問題，實際生產(chǎn)中難以實現(xiàn)。
總的說來，十多年來大多數(shù)這類綜合處理研究還停留于簡單的構(gòu)想階段，缺乏系統(tǒng)化的深入研究，對綜合處理工藝的組織特性、環(huán)境特性、經(jīng)濟特性等內(nèi)容基本沒有涉及，對于分選垃圾區(qū)別于混合垃圾進行焚燒、填埋的特性也沒有研究。工程實踐中，我國目前運行的綜合處理廠很少，規(guī)模也不大(處理量一般小于300 t/d)，而且限于分選工藝與填埋、焚燒和堆肥的結(jié)合，噸投資一般在20萬元/t以下。由于這種綜合處理廠整體規(guī)模不大，其中的焚燒量、填埋量都很少，焚燒工藝效果較難控制，二次污染控制較差。其次，這些綜合處理廠大多以堆肥或其它制肥工藝為核心，但由于我國堆肥質(zhì)量和市場的原因，堆肥處理在很多地區(qū)面臨困境，這也影響到綜合處理廠的運行效益。另外不同區(qū)域在自然條件、經(jīng)濟實力、社會發(fā)展水平、生活垃圾特性等方面存在差異，適用的生活垃圾處理處置技術(shù)也有所不同，而目前有些地區(qū)盲目照搬發(fā)達國家和其它地區(qū)的經(jīng)驗，使得部分生活垃圾處理處置設(shè)施不能正常運行。由于這些原因，這類綜合處理技術(shù)沒有得到廣泛的應(yīng)用。
3 綜合處理的 發(fā)展 趨勢
對于國內(nèi)提出的綜合處理工藝(comprehensive treatment technology)，雖然現(xiàn)有項目的投資成本較低，但其處理規(guī)模小，運行費用高，二次污染不能得到有效控制。另一方面，雖然垃圾處理的能量回用是資源化的一個重要方面，但是系統(tǒng)的能量自給從 目前 的技術(shù)水平看來難以實現(xiàn)。從生活垃圾處理的 經(jīng)濟 性 分析 ，這種“小而全”的綜合處理工藝難以獲得持久的生命力和廣泛的推廣。
發(fā)達國家生活垃圾處理的 歷史 和經(jīng)驗說明，源頭分類(產(chǎn)生者分類)是最經(jīng)濟有效的垃圾分類手段，在此基礎(chǔ)上建立生活垃圾綜合處理系統(tǒng)，并通過數(shù)學(xué)模型優(yōu)化設(shè)置各種收運處理設(shè)施、分配車輛和垃圾物流，可以實現(xiàn)城市生活垃圾的低成本、高效率管理，并最大限度的實現(xiàn)生活垃圾的資源化。雖然我國目前普遍采用生活垃圾混合收集模式，但分類收集對于垃圾處理、資源回收等的重要意義已經(jīng)得到了廣泛認知，全國很多大中城市開展了分類收集的試點工作，并制定了城市生活垃圾分類收集規(guī)劃。隨著經(jīng)濟實力的增強，生活垃圾收運處理設(shè)施的完善，分類收集和綜合處理系統(tǒng)將互相促進，得到更為廣泛的推廣。
在這一前提下，深入分析城市生活垃圾綜合處理系統(tǒng)的系統(tǒng)特性、運行 規(guī)律 ，提煉 總結(jié) 適應(yīng)我國現(xiàn)階段及發(fā)展需要的系統(tǒng)模型和優(yōu)化 方法 ，將大大提高我國城市生活垃圾的管理水平。我國目前采用混合收集方式，基于這一前提，利用數(shù)學(xué)方法優(yōu)化不同處理設(shè)施的數(shù)量和選址，優(yōu)化生活垃圾物流在不同處理設(shè)施之間的分配都具有重要的意義。
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