城市垃圾的处理及其能源化利用

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(南京林业大学 材料科学与工程学院，南京 210037)

0 引 言

随着城市人口的增长和城镇化进程的加快，我国城市垃圾产量急剧增加，目前每年已达2亿多吨，且每年正以8%～10%的速度增长着。据报道，在全国的600多座城市当中已有200座城市处于垃圾围城之中，历年城市生活垃圾的累积堆存量已超过70亿吨，占地约5万hm2。据统计2004年我国城市垃圾年产量为1.55亿吨，到2010年已达到2.64亿吨，由此预测2030年城市垃圾年产量将达4.09亿吨，而到2050年时将达到5.28亿吨。城市垃圾的大量堆积，若不加以处理处置不仅占有大量的土地面积，浪费了资源，同时长期堆积产生的不良后果将严重影响城市美观和人们的日常生活，如何合理，有效的处理城市生活垃圾是目前迫在眉睫的问题[1-3]。

1 我国城市的垃圾处理方法

我国城市垃圾处理起步较晚，当今社会垃圾的主要处理方法有：卫生填埋，堆肥法和焚烧法。国内外应用最广的处理技术为卫生填埋法，约占到整个垃圾处理的70%左右，其次为高温堆肥法为20%，垃圾焚烧技术占有的份额最小。目前我国城市垃圾处理的技术对策是：以卫生填埋和高温堆肥技术为主，提倡有条件的城市特别是沿海经济发达地区发展焚烧技术[4-5]。

1.1 卫生填埋

上世纪30年代由美国加利福尼亚州的专家首先提出了卫生填埋的概念。卫生填埋是指将城市生活垃圾在选定的合适场地先做好底部防渗、沼气收集、垃圾渗沥液及污水处理等设施后进行填埋，填埋到一定高度后，加上覆盖材料，让其经过长期的物理、化学和生物作用达到稳定状态的一种处理方法。我国城市垃圾卫生填埋技术起始于上世纪80年代，由清华大学牵头设计了我国首座人工强化处理非天然状态下填埋垃圾处理厂。与其他方法相比，由于填埋法技术相对比较成熟，操作管理方便，投资少等优点成为国内外垃圾处理的主要方法。

垃圾是地球上唯一不断增长的资源，垃圾中含有大量的有机物和营养成分，填埋过程中使得大量的资源被浪费。垃圾卫生填埋场不仅仅占用了大量的土地资源，对周围的环境也造成了长远的影响，比如对空气、土壤和水源等各方面。此外，对垃圾填埋技术的要求高，对于填埋产生的大量渗滤液需要进过处理才能排入水体中。

1.2 混合堆肥

20世纪70年代后，垃圾堆肥迅速成为环保领域内的一个研究热点。城市垃圾中含有丰富的有机物质和营养元素，通过增加营养和改善环境条件的方法，利用堆制原料中本源微生物来降解有机污染物，在高温的条件下可以产生有机肥料。

然而堆肥法占有了大量的土地面积，同时堆肥产生的有机肥料肥效低，堆肥过程中产生的较难处理的废气废液等直接限制了它的发展。

近几年生活垃圾与污水污泥混合堆肥是当今的研究热点。城市垃圾中的有机质含量和含水率较低，但炭和氮的比值与空隙率却较高而污水污泥恰恰与之相反。因此它们之间具有互补性，适合混合堆肥处理，是进行资源回收利用及变废为宝的一个好的出路。

王涛在生活垃圾与污水污泥混合堆肥的实验表明，生活垃圾与污水污泥混合堆肥的方法是可行的。通过实验研究发现，混合堆肥过程无论在温度方面还是含水率的大小都适宜微生物的生存，生产的肥料完全满足要求[6]。

曲颂华等在城市垃圾与污水厂污泥的混合堆肥研究表明，城市垃圾与污水污泥混合堆肥稳定时的最佳耗氧速率为0.02%/min，混合堆肥的最佳温度为55～65 ℃。混合堆肥的最佳配比为4∶7，如果在混合堆肥中污泥所占的比例过少，则混合堆肥物料中的有机质含量就过低，这样微生物的活性低，腐熟所用时间延长。若污泥所占比例过高，则混合物料中的含水率大，导致孔隙率小，影响微生物对氧的利用。此外，导致有机质含量过高，有机质含量过高直接引起堆肥周期延长[7]。

金梁等通过对垃圾堆肥资源化若干问题研究进展中研究发现影响垃圾堆肥的主要因素有环境温度，碳氮比，堆料的成份和通风量。温度的高低直接影响有机质的降解，使得堆肥过程难以进行。合适的碳氮比为微生物的生长提供了合适的营养条件。充足的氧气是微生物分解有机质的必要条件[8]。

城市垃圾与污水污泥混合堆肥技术不仅解决了垃圾与污水污泥各种隐患，同时生产的肥料满足了农业所需，这种处置方法对于我国固体废弃物处置行业来说，具有现实而又深远意义。

1.3 焚烧法

垃圾焚烧技术起步于上世纪80年代早期，由于对焚烧技术要求高等原因直到现在还处于起步阶段，且垃圾中可燃物含量少燃烧时产生的发热量低也限制了垃圾焚烧的发展。垃圾焚烧处理是使垃圾中分捡出的可燃成分在高温(800～1 000 ℃)条件下与空气中的氧气进行燃烧反应，最终成为稳定的惰性残渣的过程。据统计我国城市垃圾中有机物与无机物的构成为15%～51%和42%～81%。垃圾焚烧处理是实现垃圾减量化，资源化和无害化处理的有效方法，通过焚烧垃圾能做到减容80%～90%。经高温焚烧处理的垃圾其含有的有害有毒物质在高温下能被彻底杀死，焚烧的余热同时还可以用来发电[9-10]。

当前制约我国城市垃圾进一步发展的原因是：垃圾焚烧的条件是垃圾中物质的热值必须大于4 127 KJ/kg才能焚烧；垃圾中含有大量的有机物和营养成分，焚烧使垃圾中的可利用资源被销毁，造成了资源的浪费；焚烧过程中产生的热能很难被回收利用，产生的热能大约有30%被大量的烟气带走，排出的烟气还需净化，一次性投资大，运行成本高；燃烧产生的二次污染如SO2，HCL，HF，NOX等酸性气体及二噁英都会对空气造成影响[11-12]。

2 城市垃圾能源化利用方式

目前处理城市垃圾的主要方法都有其较难克服的弊端，因此，城市生活垃圾的能源化利用已成为解决垃圾堆积问题和缓解能源危机的重要途径。

2.1 垃圾衍生燃料(RDF)

垃圾衍生材料就是首先对垃圾进行分选，分类后，将其中的可燃成分进行干燥破碎、添加助剂、挤压成型等处理过程，制成固体形态燃料[13-14]。

对RDF的研究最早开始于上世纪70～80年代由欧美一些发达国家开始尝试，并相继建成一批示范工厂。之后迅速发展起来并开始大量使用，产生了良好的环保和经济效益。

RDF具有尺寸均匀、燃烧稳定、易于运输和储存、经加工制造后无腐烂现象，无臭味、热值高达12 560～18 841 kJ/kg，相当于低品位的煤炭等特点广泛应用于普通锅炉、工业锅炉以及食品加工业的辅助燃料使用，还可以作为垃圾焚烧炉的燃料进行燃烧，用于供热、制冷及发电等领域[15]。

2.2 热解气化

垃圾热解是指隔绝空气加热的条件下，有机垃圾发生大分子断裂，产生小分子气体、热解溶液和碳渣的过程[16]。

城市生活垃圾热解处理最早始于美国。1929年美国对垃圾进行了高温热解试验，1967 年经实验室研究发现垃圾热解气体可以作为锅炉燃料。城市生活垃圾气化是将垃圾中有机成分在还原气氛下与气化剂(空气、O2、水蒸气等)反应生成燃气(H2、CO、CH4等)焦油和灰渣的过程。通过部分燃烧反应放热或外加热提供气化所需的热量，在常压或加压情况下，使垃圾中有机物转化成燃气，剩下的焦油和灰渣排出[17]。

热解气化产生的可燃气体经过除尘和冷却净化后作为燃料向系统外输出。焦油可以制作原料油或作为化工原料。垃圾热解残留物水蒸气在高温下发生“水煤气”化反应生成一氧化碳和氢气，剩下的不能分解的无机物质(炉渣)从炉渣出口排入到水封槽。热解实现了垃圾无害化的处理，是很有前途的垃圾处理技术。

2.3 利用城市垃圾填埋制气

垃圾填埋气体又称填埋气，是垃圾在填埋后主要为生物质降解过程中产生的气体。它的主要成分为甲烷、二氧化碳、氮气、氧气、氨气、硫化氢、氢气等。产生的填埋气经加工后可以直接用于燃烧，供给工业或温室用户等。此外收集后的填埋气经压缩机加压输送至内燃机组，经燃烧转化成电能，不仅直接减少了温室气体甲烷和二氧化碳的排放，而且通过利用填埋气发电可以减少火力发电所带来的温室气体的排放[18]。

2012年亚洲最大的垃圾填埋气发电项目上海老港垃圾填埋气发电项目正式并网。据介绍，此项目并网后每年可向上海电网输送“绿色电力”约1.1亿kW·h，解决约10万户居民的日常用电，为缓解上海电网高峰时段供电压力发挥作用。该项目日处理生活垃圾接近1亿t，占全市垃圾产出量的50%以上。有效的实现了垃圾资源化、减容化和无害化的垃圾处理。

2.4 垃圾焚烧发电技术

垃圾中含有大量的废纸、塑料、纤维和其它有机物质，经专家测定其中有机物含量达60%～70%，当城市垃圾完全燃烧时，它的低位发热量大约在4 300～6 560 kJ/kg之间，含有的热值较高，我国许多城市基本上已具备了垃圾焚烧发电的条件。最早利用垃圾焚烧发电的国家是英国，并且在1874年建成世界上第一座垃圾焚烧发电厂，此后美国德国等一些西方国家纷纷效防。经研究表明，在一些发达国家大约每两顿垃圾的热值就相当于一吨煤的热值[19-20]。

垃圾在焚烧过程中产生的热能与火力发电厂联网发电，不仅具有极大的社会效益和经济效应，而且可以避免燃煤发电带来的一系列问题。既节约了大量燃料，又解决了垃圾处理问题，有利于人类的生存与发展。

3 结 语

随着科技的发展和人们环保意思的增强，这就要求人们快速的提高垃圾无害化，资源化和减量化的处理能力。人们应该充分的认识到垃圾只是放错资源的地方，垃圾的处理与能源化利用是解决垃圾问题的直接方法。

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