能量自給型城市生活垃圾堆肥系統(tǒng)

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簡介： 目前，我國垃圾的歷年堆存量已達(dá)到60億噸，全國200多座城市已陷入垃圾圍城之中。1997年，全國的垃圾產(chǎn)量達(dá)到了1.4億噸，而且還在以每年8-10%的速度增長。在國內(nèi)的一些大城市，如北京、上海，垃圾日產(chǎn)量已超過12000噸。1998年夏，上海市的城市生活垃圾日產(chǎn)量曾達(dá)到14000噸。兩地占地50平方米以上的"垃圾山"超過6000座。迄今為止，我國絕大多數(shù)城市生活垃圾仍以露天堆放、填埋為主，不僅占用了寶貴的土地資源，而且對環(huán)境造成了嚴(yán)重的二次污染。能否妥善解決垃圾問題，是關(guān)系到國計(jì)民生的一件大事。
關(guān)鍵字：能量自給型城市 生活垃圾 堆肥系統(tǒng)

目前，我國垃圾的歷年堆存量已達(dá)到60億噸，全國200多座城市已陷入垃圾圍城之中。1997年，全國的垃圾產(chǎn)量達(dá)到了1.4億噸，而且還在以每年8-10%的速度增長。在國內(nèi)的一些大城市，如北京、上海，垃圾日產(chǎn)量已超過12000噸。1998年夏，上海市的城市生活垃圾日產(chǎn)量曾達(dá)到14000噸。兩地占地50平方米以上的“垃圾山”超過6000座。迄今為止，我國絕大多數(shù)城市生活垃圾仍以露天堆放、填埋為主，不僅占用了寶貴的土地資源，而且對環(huán)境造成了嚴(yán)重的二次污染。能否妥善解決垃圾問題，是關(guān)系到國計(jì)民生的一件大事。

　　根據(jù)垃圾是資源，資源要利用這一原則，在長期的垃圾堆肥及垃圾能源利用的研究和技術(shù)開發(fā)基礎(chǔ)上，提出了能量自給型城市生活垃圾堆肥系統(tǒng)，即：可用物資（廢紙、金屬、玻璃等）的回收再生利用；易腐有機(jī)物的堆肥處理；高熱值不易腐有機(jī)物的能量利用；灰渣的固化處理，實(shí)現(xiàn)灰渣的材料化。該系統(tǒng)一方面可以大大利用垃圾中易腐有機(jī)物，降低垃圾復(fù)合有機(jī)肥的生產(chǎn)成本，另一方面由于選取較小的發(fā)電裝機(jī)容量還可以使系統(tǒng)的建設(shè)成本大大降低，避免垃圾發(fā)電上網(wǎng)問題。該系統(tǒng)適合國情，擁有廣闊的市場前景，由此產(chǎn)生的社會和經(jīng)濟(jì)效益都將是相當(dāng)可觀的。

　　1.前言

　　目前，我國垃圾的歷年堆存量已達(dá)到60億噸，全國200多座城市已陷入垃圾圍城之中。1997年，全國的垃圾產(chǎn)量達(dá)到了1.4億噸，而且還在以每年8~10%的速度增長。在國內(nèi)的一些大城市，如北京、上海，垃圾日產(chǎn)量已超過12000噸。1998年夏，上海市的城市生活垃圾日產(chǎn)量曾達(dá)到14000噸。兩地占地50平方米以上的“垃圾山”超過6000座。迄今為止，我國絕大多數(shù)城市生活垃圾仍以露天堆放、填埋為主，不僅占用了寶貴的土地資源，而且對環(huán)境造成了嚴(yán)重的二次污染。能否妥善解決垃圾問題，是關(guān)系到國計(jì)民生的一件大事。

　　2.垃圾處理技術(shù)概述

　　解決垃圾問題的目標(biāo)是將垃圾減容、減量、資源化、能源化及無害化處理。目前主要有三種方法：衛(wèi)生填埋、堆肥及焚燒處理。以下對這幾種技術(shù)作一簡單比較。

　　1）填埋技術(shù)

　　填埋技術(shù)的特點(diǎn)是操作簡單，可以處理所有種類的垃圾。但占地面積大，同時存在嚴(yán)重的二次污染，例如垃圾滲出液會污染地下水及土壤，垃圾堆放產(chǎn)生的臭氣嚴(yán)重影響場地周邊的空氣質(zhì)量，另外，垃圾發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷氣體既是火災(zāi)及爆炸隱患，排放到大氣中又會產(chǎn)生溫室效應(yīng)。近年來有的城市已經(jīng)認(rèn)識到這一問題，建立了一批具有較高水平的衛(wèi)生填埋廠，較好地解決了二次污染問題，但建設(shè)投資大，運(yùn)行費(fèi)用（包括規(guī)范的填埋、滲出液處理及甲烷收集利用等）高。最關(guān)鍵的是填埋廠處理能力有限，服務(wù)期滿后仍需投資建設(shè)新的填埋場，進(jìn)一步占用土地資源。以北京為例，如果采用現(xiàn)在的技術(shù)，將北京市12000噸/日的垃圾進(jìn)行衛(wèi)生填埋處理，單建設(shè)投資就高達(dá)7.2億元人民幣（不含征地費(fèi)用），而且填埋場的壽命也只有12年?；谝陨显?，國外從80年代以來，衛(wèi)生填埋設(shè)施有逐漸減少的趨勢，成為其它處理工藝的輔助方法，用來處理不能再利用的物質(zhì)。

　　目前在廣東省填埋仍是最主要的垃圾處理方式，如廣州1998年 日產(chǎn)垃圾4800噸，完全采用衛(wèi)生填埋方式處理，兩大垃圾填埋場占地740畝（李坑370畝，大田山380畝），設(shè)計(jì)處理能力為3500噸/日（李坑1500噸/日，設(shè)計(jì)填埋厚度52米，實(shí)際已達(dá)62米；大田山2000噸/日，設(shè)計(jì)填埋厚度70米），而實(shí)際處理量在5000噸/日左右，在近兩年內(nèi)都將填滿，有關(guān)部門正在計(jì)劃建設(shè)新的垃圾填埋場，新的垃圾填埋場預(yù)計(jì)占地近1200畝，但遠(yuǎn)離市區(qū)，運(yùn)輸距離將超過40km；中山市投入巨資興建的具有國內(nèi)先進(jìn)水平的垃圾衛(wèi)生填埋場目前尚能消納每天1000余噸的城市生活垃圾，但其運(yùn)行費(fèi)用高達(dá)300萬元/年（不包括垃圾收集、清運(yùn)費(fèi)用），而且只剩大約7年的服務(wù)期；另外，有些城市如江門，正準(zhǔn)備投資上億元建設(shè)現(xiàn)代化的垃圾衛(wèi)生填埋場。

　　2）焚燒技術(shù)

　　對垃圾進(jìn)行焚燒處理減容、減量及無害化都很高，焚燒過程產(chǎn)生的熱量用來發(fā)電可以實(shí)現(xiàn)垃圾的能源化，是一種較好的垃圾處理方法。但對焚燒條件控制不當(dāng)會存在煙氣污染問題，且設(shè)備投資巨大。國外目前通過改進(jìn)焚燒系統(tǒng)工藝及強(qiáng)化尾氣處理等手段已經(jīng)較好地解決了尾氣污染問題，但投資也相應(yīng)增加。如果引進(jìn)國外技術(shù)進(jìn)行垃圾焚燒發(fā)電，每處理100噸/日垃圾的建設(shè)成本接近1億元人民幣，我國的地方財(cái)政難以承受。而吸收國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)自己的垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)，投資可以大大降低，僅為完全引進(jìn)的五分之一左右，比較適合國情。但即便如此，單純依靠垃圾焚燒來解決問題的投資也還是相當(dāng)巨大的。以廣州市為例，目前日產(chǎn)垃圾4800噸，如果采用基本國產(chǎn)焚燒發(fā)電技術(shù)和設(shè)備，其投資依然高達(dá)近10億元人民幣，而且垃圾產(chǎn)量正逐年以8%左右的速度增長，意味著每年新增垃圾焚燒發(fā)電建設(shè)費(fèi)用8000萬元，如果再加上從收集、清運(yùn)到焚燒發(fā)電裝置的運(yùn)行費(fèi)用，地方財(cái)政勢必會不堪重負(fù)。

　　另一方面，垃圾焚燒發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性也值得進(jìn)一步探討。同常規(guī)燃煤發(fā)電相比，垃圾焚燒電廠的發(fā)電裝機(jī)容量都很小，而且由于腐蝕問題，目前垃圾焚燒發(fā)電的效率一般不超過15%，遠(yuǎn)低于燃煤發(fā)電的水平。另一方面，我國的垃圾熱值遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家，低位熱值通常在4000kJ/kg左右，而美國、日本等國垃圾熱值可達(dá)10000kJ/kg以上，因此我國相同重量的垃圾發(fā)電量尚不能達(dá)到發(fā)達(dá)國家的一半。如果垃圾熱值為5000kJ/kg，按15%的發(fā)電效率計(jì)算，每100噸/日垃圾處理量配套的裝機(jī)容量不超過1000kW， 1000噸/日處理量的垃圾電廠實(shí)際發(fā)電量不超過9000kW，與燃煤電廠相比這個規(guī)模實(shí)在是太小了，勢必會導(dǎo)致運(yùn)行成本的大幅度提高。電價無法同火電競爭，如果不依靠政府的財(cái)政補(bǔ)貼，垃圾電廠將不能維持運(yùn)行，當(dāng)然也就談不上產(chǎn)生多少經(jīng)濟(jì)效益了。

　　表1 北美生活垃圾組成

　　*：平均含水量25%；平均無機(jī)物含量約20%；有機(jī)物灰份5%

　　表2廣東省內(nèi)的垃圾電廠

　　為降低建設(shè)成本，省內(nèi)許多地方已相繼建設(shè)了一些小型的垃圾焚燒裝置。如東莞市厚街鎮(zhèn)目前已投資2000萬元，建成了400噸/日規(guī)模的固體廢物焚燒裝置。其共同的特點(diǎn)是單臺爐的處理能力較小，一般在50噸/日左右，而且無能量回收裝置，處理成本（不含收集、運(yùn)輸費(fèi)用）通常在50元/噸左右，有的甚至超過100元/噸。這些裝置在一定程度上解決了當(dāng)?shù)氐睦鴨栴}，但長遠(yuǎn)來看，由于其垃圾爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理（基本都是由臥式燃煤鍋爐簡單改造而成），沒有充分考慮垃圾與煤在性質(zhì)上的巨大差異，因此尾氣排放中必然含有大量的污染物。另外，直接照搬燃煤鍋爐的爐排，導(dǎo)致維護(hù)工作量巨大，年運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷率較低。

　　3）堆肥技術(shù)

　　堆肥技術(shù)的工藝也比較簡單，適合于易腐有機(jī)質(zhì)含量較高的垃圾處理，對垃圾中的部分組分進(jìn)行資源利用，且處理相同質(zhì)量的垃圾投資比單純的焚燒處理大大降低。堆肥技術(shù)在歐美國家起步較早，目前已經(jīng)達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用的水平。但引進(jìn)國外技術(shù)投資巨大，不適合我國國情。針對這一情況，我國一些研究單位和企業(yè)已經(jīng)開始了這方面的工作，并取得了一定的成績。

　　發(fā)達(dá)國家由于生活垃圾中的易腐有機(jī)物含量大大低于我國的一般水平，因此靠堆肥只能處理15%（表1）左右的垃圾組分，這在一定程度上阻礙了堆肥技術(shù)的推廣。但就廣東省的具體情況來看，生活垃圾中的易腐有機(jī)質(zhì)（主要是廚余）含量都在50%左右，因此采用堆肥技術(shù)可以達(dá)到比較好的處理效果。

　　但堆肥技術(shù)也存在明顯的缺點(diǎn)：不能處理不可腐爛的有機(jī)物和無機(jī)物，因此減容、減量及無害化程度低。因此僅僅依靠堆肥處理仍然不能徹底解決垃圾問題。

　　目前在廣東省的一些地方，簡單的垃圾“堆肥”已經(jīng)在一些填埋場應(yīng)用，并產(chǎn)生了一定的效益。但是這與我們所講的垃圾堆肥技術(shù)相去甚遠(yuǎn)，因?yàn)樵谶@些地方僅僅是將生活垃圾填埋，靠自然發(fā)酵，若干年后再挖掘出來，篩去其中的塑料等不腐爛的物質(zhì)后就當(dāng)作肥料出售。實(shí)際上用這種肥料種植果樹、蔬菜及糧食是危險的，原因是由于垃圾中不易腐有機(jī)組分（紙、塑料、布、橡膠等）的重金屬（Pb,Cd,Hg等）含量很高，占垃圾中重金屬總量的85%以上，如果這類物質(zhì)與易腐有機(jī)物長期共同埋于地下，加上雨水的作用，重金屬必然會滲入最終的有機(jī)肥產(chǎn)品中，用這種肥種出來的食品重金屬的含量必然超標(biāo)，危害人體健康。因此，堆肥技術(shù)必須是將新鮮的垃圾首先進(jìn)行分類后再將易腐有機(jī)組分進(jìn)行發(fā)酵，才能有效地防止重金屬的滲入，從而保證有機(jī)肥產(chǎn)品達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，真正實(shí)現(xiàn)無害化和資源化。

　　4）其他技術(shù)

　　衛(wèi)生填埋—自然發(fā)酵—沼氣收集—燃?xì)獍l(fā)電。該技術(shù)已于1998年10月在杭州天子嶺廢棄物處理總場建成投產(chǎn)，外方總投資350萬美元（不含征地費(fèi)用），裝機(jī)容量1940kW，平均功率1800kW，發(fā)電并入華東電網(wǎng)，已產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效益。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是對垃圾進(jìn)行了部分資源化利用，并減少了填埋場溫室氣體的排放，減少了填埋場的火災(zāi)隱患。但該工藝也存在明顯的缺點(diǎn)：

　　由于只對填埋氣體進(jìn)行資源化利用，因此資源化利用程度低；

　　對填埋工藝要求（如防水、覆土、壓實(shí)）高；

　　需封場或部分封場進(jìn)行抽氣，所需垃圾的填埋量在100萬立方米以上，因此只適合于大型或超大型的衛(wèi)生填埋場；

　　對正在填埋中的工作面產(chǎn)生的沼氣無法利用；

　　同垃圾焚燒發(fā)電工藝一樣，也需要政府政策上的優(yōu)惠（合理的收購電費(fèi)，減免稅收）及財(cái)政補(bǔ)助，以維持正常的運(yùn)行及保證合理的投資回報率。

　　 3.廣東省垃圾情況概述

　　1997年，廣東省的城市生活垃圾的產(chǎn)量達(dá)到740萬噸，基本上呈逐年上升的趨勢。以廣州市為例，城市生活垃圾的產(chǎn)量從1990年的105萬噸增加到1996年的176萬噸，平均年增長率超過10%，不過近兩年來廣州市的城市生活垃圾產(chǎn)量增加的速度已明顯減慢。然而在廣東省的一些城市，生活垃圾增長的勢頭依然強(qiáng)勁。

　　廣東省是我國經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的省份。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人民生活水平的提高，近年來垃圾組成及性質(zhì)已發(fā)生了明顯的變化?？偟膩碚f廣東省的城市生活垃圾有以下幾個特點(diǎn)：

　　（1）從垃圾組成來看，無機(jī)物含量較低，塑料、廢紙及廚余的比例較高。

　　表3是廣東省幾個城市的垃圾組成分析結(jié)果。由于廣東省民用燃料氣化率很高（基本達(dá)到90%以上），因此在生活垃圾中無機(jī)物（不含玻璃、金屬）的含量比國內(nèi)許多城市要低（重慶31.6%，石家莊38.5%，大連26.3%，太原36%，一些燃煤為主的城市無機(jī)物的含量甚至達(dá)到70-80%以上），而廢紙、塑料含量高（重慶17.0%，石家莊7.9%，大連8.4%，太原6.1%）。

　　表3 廣東省城市生活垃圾的組成分析*

　　*：廣州市垃圾組成數(shù)據(jù)為1998年平均值；中山垃圾為1999年3月填埋場取樣值；深圳垃圾為1999年3月深圳某區(qū)取樣值；新會市垃圾為1999年4月居民區(qū)垃圾中轉(zhuǎn)站取樣值。垃圾水分范圍為40-60%。

　?。?）從物化性質(zhì)上看，由于廣東城市生活垃圾中灰渣含量低、紙和塑料等易燃有機(jī)物含量高，一方面導(dǎo)致垃圾的容重較小（不到300kg/m3，而全國其他許多城市則達(dá)到500kg/m3 左右），另一方面使得垃圾的熱值較高，廣東?。ㄓ绕涫侵榻侵薜貐^(qū)）城市生活垃圾低位熱值通常在4000-5500kJ/kg范圍內(nèi)。

　?。?）垃圾產(chǎn)量的季節(jié)性變化。就城市生活垃圾而言，廣東省內(nèi)各城市一年中垃圾的產(chǎn)量有一定的變化規(guī)律。如廣州市1998年通常垃圾產(chǎn)量4800噸/日，但在春節(jié)期間垃圾的產(chǎn)量大大高于這個數(shù)值。1998年春節(jié)期間，垃圾日產(chǎn)量達(dá)到9000噸，而1999年春節(jié)期間垃圾日產(chǎn)量甚至達(dá)到11000噸。這與廣東人的過年習(xí)俗密切相關(guān)。廣州是中國著名的花城，春節(jié)前人們習(xí)慣買花，而過完春節(jié)鮮花枯萎后就變成了垃圾，導(dǎo)致春節(jié)后垃圾產(chǎn)量猛增。

　　4.發(fā)展能量自給型城市生活垃圾堆肥系統(tǒng)，解決垃圾問題

　　綜上所述，單純地依靠某種技術(shù)來處理城市生活垃圾都不是適合國情的解決垃圾問題的根本方法。

　　就目前情況來看，由于我國對垃圾焚燒發(fā)電電力上網(wǎng)方面的政策尚不完善，因此靠垃圾焚燒發(fā)電，工廠自用電以外剩余電力上網(wǎng)售電時機(jī)還不成熟。而且，垃圾熱值低，焚燒發(fā)電裝機(jī)容量較小，發(fā)電成本高，與常規(guī)發(fā)電相比電價也沒有競爭力。從經(jīng)濟(jì)性角度來講，垃圾焚燒發(fā)電并不是垃圾資源化利用的最佳出路。

　　垃圾是資源，這一點(diǎn)已成為人們的共識。因此，單純地“處理”垃圾是不科學(xué)的，必須因地制宜，針對垃圾中組分的多樣性，以資源、能源回收為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行綜合利用，即建立能量自給型城市生活垃圾堆肥系統(tǒng)。包括以下幾個方面的內(nèi)容：

　　可用物資（廢紙、金屬、玻璃等）的回收再生利用；

　　易腐有機(jī)物的堆肥處理；

　　高熱值不易腐有機(jī)物的能量利用；

　　灰渣的固化處理，實(shí)現(xiàn)灰渣的材料化。

　　目前國內(nèi)已有單位開始了這方面的嘗試，但是由于技術(shù)上的問題，資源、能源的利用效率低，還不能利用垃圾自身的能量解決工藝過程的高能耗問題，系統(tǒng)運(yùn)行成本高，技術(shù)含量低，不利于產(chǎn)業(yè)化推廣。發(fā)展垃圾綜合利用系統(tǒng)，應(yīng)以系統(tǒng)能量自給為目標(biāo)，一方面可以大大降低生產(chǎn)成本，另一方面由于選取較小的發(fā)電裝機(jī)容量還可以使系統(tǒng)的建設(shè)成本大大降低，更適合國情，擁有廣闊的市場前景，由此產(chǎn)生的社會和經(jīng)濟(jì)效益都將是相當(dāng)可觀的。

　　5.能量自給型城市生活垃圾堆肥系統(tǒng)中需解決的關(guān)鍵問題

　　1.堆肥工藝的進(jìn)一步改進(jìn)包括四個方面的內(nèi)容：

　　分選技術(shù)、設(shè)備的改進(jìn)

　　開發(fā)新菌種，縮短發(fā)酵周期，減少投資和占地

　　簡便造肥技術(shù)的研究與開發(fā)

　　微生物脫臭技術(shù)的研究應(yīng)用

　　 2.能量利用系統(tǒng)

　　無論用那種垃圾能利用方式（熱解、氣化或燃燒），能量的高效、穩(wěn)定的利用要求垃圾原料的物化性質(zhì)盡可能穩(wěn)定，而原生垃圾很難達(dá)到這個要求。另外，垃圾直接熱處理會產(chǎn)生大量的HCl，不僅會造成設(shè)備的腐蝕，而且污染環(huán)境。而RDF（垃圾衍生燃料）是解決這些問題的最佳出路。RDF的熱解、氣化、燃燒特性及其制造工藝，以及相應(yīng)工藝過程和設(shè)備的研究開發(fā)，可以從根本上解決腐蝕問題、提高能量利用效率，最大限度地降低能量利用過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染。