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)境造成了嚴重的二次污染。能否妥善解決垃圾問題，是關系到國計民生的一件大事。
關鍵字：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)境造成了嚴重的二次污染。能否妥善解決垃圾問題，是關系到國計民生的一件大事。

　　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開發(fā)基礎上，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；易腐有機物的堆肥處理；高熱值不易腐有機物的能量利用；灰渣的固化處理，實現(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物，降低垃圾復合有機肥的生產(chǎn)成本，另一方面由于選取較小的發(fā)電裝機容量還可以使系統(tǒng)的建設成本大大降低，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)濟效益都將是相當可觀的。

　　1.前言

　　目前，我國垃圾的歷年堆存量已達到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)境造成了嚴重的二次污染。能否妥善解決垃圾問題，是關系到國計民生的一件大事。

　　2.垃圾處理技術概述

　　解決垃圾問題的目標是將垃圾減容、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。以下對這幾種技術作一簡單比較。

　　1）填埋技術

　　填埋技術的特點是操作簡單，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及爆炸隱患，排放到大氣中又會產(chǎn)生溫室效應。近年來有的城市已經(jīng)認識到這一問題，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，但建設投資大，運行費用（包括規(guī)范的填埋、滲出液處理及甲烷收集利用等）高。最關鍵的是填埋廠處理能力有限，服務期滿后仍需投資建設新的填埋場，進一步占用土地資源。以北京為例，如果采用現(xiàn)在的技術，將北京市12000噸/日的垃圾進行衛(wèi)生填埋處理，單建設投資就高達7.2億元人民幣（不含征地費用），而且填埋場的壽命也只有12年?；谝陨显颍瑖鈴?0年代以來，衛(wèi)生填埋設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），設計處理能力為3500噸/日（李坑1500噸/日，設計填埋厚度52米，實際已達62米；大田山2000噸/日，設計填埋厚度70米），而實際處理量在5000噸/日左右，在近兩年內(nèi)都將填滿，有關部門正在計劃建設新的垃圾填埋場，新的垃圾填埋場預計占地近1200畝，但遠離市區(qū)，運輸距離將超過40km；中山市投入巨資興建的具有國內(nèi)先進水平的垃圾衛(wèi)生填埋場目前尚能消納每天1000余噸的城市生活垃圾，但其運行費用高達300萬元/年（不包括垃圾收集、清運費用），而且只剩大約7年的服務期；另外，有些城市如江門，正準備投資上億元建設現(xiàn)代化的垃圾衛(wèi)生填埋場。

　　2）焚燒技術

　　對垃圾進行焚燒處理減容、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會存在煙氣污染問題，且設備投資巨大。國外目前通過改進焚燒系統(tǒng)工藝及強化尾氣處理等手段已經(jīng)較好地解決了尾氣污染問題，但投資也相應增加。如果引進國外技術進行垃圾焚燒發(fā)電，每處理100噸/日垃圾的建設成本接近1億元人民幣，我國的地方財政難以承受。而吸收國外先進經(jīng)驗，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)電技術和設備，其投資依然高達近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)電建設費用8000萬元，如果再加上從收集、清運到焚燒發(fā)電裝置的運行費用，地方財政勢必會不堪重負。

　　另一方面，垃圾焚燒發(fā)電的經(jīng)濟性也值得進一步探討。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%，遠低于燃煤發(fā)電的水平。另一方面，我國的垃圾熱值遠低于發(fā)達國家，低位熱值通常在4000kJ/kg左右，而美國、日本等國垃圾熱值可達10000kJ/kg以上，因此我國相同重量的垃圾發(fā)電量尚不能達到發(fā)達國家的一半。如果垃圾熱值為5000kJ/kg，按15%的發(fā)電效率計算，每100噸/日垃圾處理量配套的裝機容量不超過1000kW， 1000噸/日處理量的垃圾電廠實際發(fā)電量不超過9000kW，與燃煤電廠相比這個規(guī)模實在是太小了，勢必會導致運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政補貼，垃圾電廠將不能維持運行，當然也就談不上產(chǎn)生多少經(jīng)濟效益了。

　　表1 北美生活垃圾組成

　　*：平均含水量25%；平均無機物含量約20%；有機物灰份5%

　　表2廣東省內(nèi)的垃圾電廠

　　為降低建設成本，省內(nèi)許多地方已相繼建設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、運輸費用）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?shù)氐睦鴨栴}，但長遠來看，由于其垃圾爐的結(jié)構設計不合理（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，導致維護工作量巨大，年運轉(zhuǎn)負荷率較低。

　　3）堆肥技術

　　堆肥技術的工藝也比較簡單，適合于易腐有機質(zhì)含量較高的垃圾處理，對垃圾中的部分組分進行資源利用，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。堆肥技術在歐美國家起步較早，目前已經(jīng)達到工業(yè)化應用的水平。但引進國外技術投資巨大，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)達國家由于生活垃圾中的易腐有機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質(zhì)（主要是廚余）含量都在50%左右，因此采用堆肥技術可以達到比較好的處理效果。

　　但堆肥技術也存在明顯的缺點：不能處理不可腐爛的有機物和無機物，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相去甚遠，因為在這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)后就當作肥料出售。實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，危害人體健康。因此，堆肥技術必須是將新鮮的垃圾首先進行分類后再將易腐有機組分進行發(fā)酵，才能有效地防止重金屬的滲入，從而保證有機肥產(chǎn)品達到國家標準，真正實現(xiàn)無害化和資源化。

　　4）其他技術

　　衛(wèi)生填埋—自然發(fā)酵—沼氣收集—燃氣發(fā)電。該技術已于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（不含征地費用），裝機容量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)濟效益。該工藝的優(yōu)點是對垃圾進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隱患。但該工藝也存在明顯的缺點：

　　由于只對填埋氣體進行資源化利用，因此資源化利用程度低；

　　對填埋工藝要求（如防水、覆土、壓實）高；

　　需封場或部分封場進行抽氣，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，減免稅收）及財政補助，以維持正常的運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勁。

　　廣東省是我國經(jīng)濟較為發(fā)達的省份。隨著經(jīng)濟的發(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：

　?。?）從垃圾組成來看，無機物含量較低，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（基本達到90%以上），因此在生活垃圾中無機物（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物的含量甚至達到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%。

　　（2）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物含量高，一方面導致垃圾的容重較小（不到300kg/m3，而全國其他許多城市則達到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)。

　　（3）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)量達到9000噸，而1999年春節(jié)期間垃圾日產(chǎn)量甚至達到11000噸。這與廣東人的過年習俗密切相關。廣州是中國著名的花城，春節(jié)前人們習慣買花，而過完春節(jié)鮮花枯萎后就變成了垃圾，導致春節(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)售電時機還不成熟。而且，垃圾熱值低，焚燒發(fā)電裝機容量較小，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，這一點已成為人們的共識。因此，單純地“處理”垃圾是不科學的，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)點進行綜合利用，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；

　　易腐有機物的堆肥處理；

　　高熱值不易腐有機物的能量利用；

　　灰渣的固化處理，實現(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)運行成本高，技術含量低，不利于產(chǎn)業(yè)化推廣。發(fā)展垃圾綜合利用系統(tǒng)，應以系統(tǒng)能量自給為目標，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)電裝機容量還可以使系統(tǒng)的建設成本大大降低，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)濟效益都將是相當可觀的。

　　5.能量自給型城市生活垃圾堆肥系統(tǒng)中需解決的關鍵問題

　　1.堆肥工藝的進一步改進包括四個方面的內(nèi)容：

　　分選技術、設備的改進

　　開發(fā)新菌種，縮短發(fā)酵周期，減少投資和占地

　　簡便造肥技術的研究與開發(fā)

　　微生物脫臭技術的研究應用

　　 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，以及相應工藝過程和設備的研究開發(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。