城市固体废物处理与利用的可持续发展研究.doc

本科生毕业设计（论文）（ 2016 届）设计（论文）题目城市固体废物处理与利用的可持续发展研究 作 者 曹凯杰 分 院 理工分院 专 业 班 级 环境科学1201 指导教师（职称） 李伟东 论 文 字 数 5639 论文完成时间 2014/12/26 杭州师范大学钱江学院教学部制1城市固体废物处理与利用的可持续发展研究环境科学专业环科1201班曹凯杰 指导老师 李伟东摘 要：介绍了几种常用城市固体废物处理技术，分析了各种处理技术的优缺点，并对使用现状和研究进展进行了综述，结合我国城市固体废物的特点，提出了适合我国城市固体废物的处理技术研究和可持续发展方向。关键词：城市固体废物；填埋；焚烧；可持续The sustainable development of urban solid waste treatment and utilization of researchEnvironmental Science, 1201Cao Kaijie Instructor: Li Weidong Abstract: With the development of social economy and urbanization, municipal solid waste（MSW） becomes the main problem of urban environment. The reasonable disposal of municipal solid waste is the way of turning MSW into resources, harmlessness and reduction.In this paper the present ways and the research of municipal solid waste disposition are discussed, and the corresponding advantages, disadvantages and appropriateness are analyzed and inter-compared. By the characteristics of municipal solid waste in China the treatment research and sustainable development of municipal solid waste is put forward.Key words:municipal solid waste；landfill；incineration；sustainable目 录1 引言12 城市固体废物处理的危害及现状12.1城市固体废物的危害12.1.1 对水体污染22.1.2 对大气的污染22.1.3 对土壤的污染23城市固体废物处理的传统方法及其优缺点23.1 填埋33.1.1 填埋技术分类33.1.2 填埋技术应用现状及研究进展33.2 焚烧43.2.1 焚烧技术简介43.2.2 焚烧技术存在的问题及研究进展43.3 堆肥53.3.1 堆肥技术概况53.3.2 堆肥技术研究现状及进展54 小结6参考文献：7城市固体废物处理与利用的可持续发展研究环境科学专业环科1201班曹凯杰 指导老师 李伟东1 引言 固体废物是指在生产、生活和其他活动中产生的丧失原有利用价值或者虽未丧失利用价值但被抛弃或者放弃的固态、半固态和置于容器中的气态的物品、物质以及法律、行政法规规定纳入固体废物管理的物品、物质。城市固体废物又称城市生活垃圾，是指城市居民日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物，按照其来源可分为普通垃圾、商业垃圾、清扫垃圾、建筑垃圾、危险垃圾和其他垃圾。2 城市固体废物处理的危害及现状2.1城市固体废物的危害 城市固体废弃物俗称垃圾，主要包括:食品垃圾、普通垃圾、建筑垃圾、清扫垃圾、危险垃圾。但是不同地方的城市固体废物组成是不一样的，因为它的组成依赖于当地的工业、文化、废物管理和当地的气候等条件，由于组成不同,城市固体废物的处置和处理方法也不同1。其对环境的污染主要包括水体、大气、土壤等3个方面的污染。2.1.1 对水体污染 固体废弃物进入水体影响水生生物的繁殖和水资源的利用!甚至会造成一定水域生物死亡。堆积的废物或垃圾填埋场等，经雨浸淋，其浸出液和滤液也会污染地表水体，影响水生生物、动植物的生长，降低水质和使用价值；甚至渗入地下含水层而导致地下水的污染。其污染物质主要包括有机污染物、重金属和其他有毒物质2。2.1.2 对大气的污染 堆积的固体废物和垃圾中的尘粒随风飞扬，臭气四逸，污染大气，这些粉尘进入大气会降低能见度。此外主要气体污染物主要包括甲烷、氨气、二氧化碳、渗滤液中挥发性有机化合物产生的恶臭或有毒性气体3可能会爆发传染病。2.1.3 对土壤的污染 固体废物无处堆放需要占用大量的土地! 目前我国堆积的固体废物占地超过5亿m2,固体废物经雨雪浸湿后渗出的有毒物质进入土壤会杀死土壤中微生物而破坏其生态平衡,改变土壤结构和土质,影响土壤中微生物的活动,妨碍植物生长;有毒物质也能够通过农作物的富集最终经食物链进入人体而危害人类健康。3城市固体废物处理的传统方法及其优缺点 由于城市固体废物的严重污染,世界各国都在积极探讨处理技术和方法。城市固体垃圾的处理方法很多，目前城市生活垃圾处理处置技术主要有焚烧、填埋、堆肥与垃圾综合处理技术4-5。其中有关资料显示，由于我国城市固体废物中无机类物质占60%70%，有机类物质比例低，所以我国城市固体废物中卫生填埋占处理量的79.2%，堆肥占18.8%，焚烧约占2%6。 3.1 填埋3.1.1 填埋技术分类 固体废物填埋处理分为传统填埋与卫生填埋。传统填埋法已基本不再采用。卫生填埋法是对填埋地进行选址并作防渗漏处理、掩盖压实，以防止地下水和周围大气环境污染的填埋处理方式。卫生填埋主要有厌氧、半好氧和好养3种，其中：厌氧填埋由于填埋场构造简单，建设成本低，还可回收填埋过程中产生的沼气，在欧美国家被广泛采用；好氧和半好氧填埋方式最早是日本提出的，该方式由于垃圾中有机物分解速度快，可以使垃圾稳定化周期大大缩短，且有利于改善渗出液的水质，因此也受到世界各国的重视。3.1.2 填埋技术应用现状及研究进展 目前，我国城市垃圾大多采用填埋处理方法，但由于其占地面积大，随着我国城市规模的扩大和可利用土地的减少，此法在我国东部沿海和经济发达城市已受到限制。另外，大多数填埋场的设计、建设和运营仍存在设计理念比较落后、科技水平低、土地填埋利用率不高、缺乏有效的基础和边坡防渗措施等问题，绝大部分填埋场的填埋气仍处于无组织排放状态，不仅引起了温室效应，导致消防上不安全，也会产生恶臭。采用强制通风的好氧填埋，由于工艺设备复杂，运行成本较高，目前国内外尚没有进入实际运行阶段。在实际运行中，渗出液和填埋场气的处理也一直是防止二次污染的难题。 刘新菊等针对我国固体废物填埋场的处置对象是有机物含量极高的原生混合固体废物，研究了城市固体废物的处理模式，认为我国填埋场的处理对象决定了它应是“反应型”的，填埋场产生的渗滤液和填埋气体对环境的影响一直要延续到填埋垃圾达到稳定化才基本结束7。Matura 等通过对封闭型和衰减型填埋场渗出液中痕量组分的分析，评价填埋场运行情况，结果表明，封闭型填埋场能够更好地防止渗出液中痕量金属离子的迁移8。Saquing 等通过对填埋场合成高分子固体废物降解释放出的甲苯、邻二甲苯和四氯乙烯含量的测定，研究了填埋场中高分子固体废物的降解过程，预测了城市固体废物混合解析率9。Staley等在研究中描述了城市固体废物有机碳成分降解过程中痕量有机物的释放情况，认为应重视填埋场气作为芳烃、氟氯化合物、硅氧烷等痕量有机物释放源的潜在危害性10。Ferrari 等对填埋场渗出液的危害进行了生态毒理学评估，指出了对渗出液处理的必要性11。Garg 等采用湿式催化氧化法处理 pH = 7.82，COD=6400mg/L 渗出液，AOSC值和傅里叶红外检测表明处理过的渗出液中碳以碳酸形式存在，COD 降解率达到90%12。Nayono等采用厌氧消化的方法处理填埋场渗出液，以COD计，有机碳去除率为60%13。3.2 焚烧3.2.1 焚烧技术简介 焚烧是一种城市垃圾高温热化学处理技术，也是热能利用资源化的一种形式。由于焚烧减容效果显著、无害化程度彻底，在垃圾热值较高、处理达到一定规模时，可以回收废热发电，且占地面积小，对周围环境影响较小，近10年来城市固体废物焚烧处理在我国普及很快，特别是在城市化进程快、经济较为发达、人口密集、人均可利用土地资源少的大城市以及南方和沿海地区更是如此。3.2.2 焚烧技术存在的问题及研究进展 直接焚烧系高温和深度氧化的综合过程，存在问题有垃圾成分复杂、难保证充分燃烧，产生的酸性气体、剧毒的含氯高分子化合物(二噁英)、飞灰、灰渣等对环境造成污染，炉内金属部件易腐蚀。热解焚烧法则存在对分选技术要求苛刻、操作条件难以控制、投资多、运行费高等问题。因此，实现高效的焚烧处理需要深入研究焚烧机理和解决预防二次污染问题。 Becidan 等使用热力学平衡分析法，研究了焚烧组分对这些元素产物形态的影响，提出了控制焚烧过程的建议14。Garca-Labiano 等以CuOAl2O3为载体对固体废物进行化学链式置换燃烧，研究了燃烧机理和载体的回收使用，固体废物在燃烧过程中减少了 CO2的排放量15。Kuo 等提出了使用流化床作为热焚烧处理装置处理粉煤灰，研究了焚烧温度、预处理和添加剂的使用等影响因素，有效减少了飞灰中铅的含量16。 Lin 等研究了城市固体废物焚烧灰渣中的潜在毒性和臭味残留有机物的问题，结果表明，灰渣中含有邻苯二甲酸酯、有机磷酸盐、芳香族化合物、喹啉盐、氯和氰基有机物，这些有机物的危害远没有象重金属那样受到重视17。Liu 等采用四硫化钠作为汞捕集剂，运用喷雾干燥技术控制固体废物焚烧烟气中的汞，对烟气里 HgCl2和 HgO 的去除率分别大于 88%和 90%18。Olsson 等研究了利用铜离子选择性电极去除城市固体废物焚烧灰渣中高潜在毒性Cu(II)的问题，结果表明，使用铜离子选择性电极能够使灰渣浸出液中多于95%的铜与溶解有机物结合，以达到去除目的19。Yao 等研究了固体废物焚烧灰渣风化处理对铜浸出行为的影响，结果表明，在酸性环境里，风化处理会增加铜的流动性20。Gao等研究了采用高岭土、蒙脱石、活性炭气相吸附焚烧飞灰中六氯苯，结果表明低成本吸附剂蒙脱石可以有效地减少气相中有机氯化合物含量21。Phongphiphat 等调查研究了城市固体废物焚烧供热厂设备在高温运行情况下的腐蚀情况，结果表明，铝涂层的使用是高温焚烧情况下减少设备腐蚀的有效手段22。3.3 堆肥3.3.1 堆肥技术概况 堆肥是利用自然界广泛分布的微生物，在有控制的情况下，促使固体废物中可降解有机物转化为稳定腐殖质的生物化学过程。根据微生物生长的环境，堆肥处理分为好氧堆肥和厌氧堆肥。 好氧堆肥由于堆肥体温度高(一般在5065)，故又称为高温好氧堆肥，它是将要堆腐的有机物料与填充料按一定比例混合，在适宜条件下堆腐，使微生物繁殖并降解有机质，高温杀死其中的病菌及杂草种子，从而使固体有机废弃物达到稳定化23。厌氧堆肥是在无氧条件下，厌氧微生物分解转化废物中有机物的过程，厌氧微生物对有机物分解速度缓慢，处理效率低，容易产生恶臭，其工艺条件也较难控制。好氧与厌氧之间最大的区别就是好氧降解不会产生甲烷气体，几乎都转化为二氧化碳气体；而厌氧降解产生大约60%的甲烷和40%的二氧化碳气体。3.3.2 堆肥技术研究现状及进展 Mark Mgins 等研究证明，与厌氧生物处理相比，好氧生物降解速度急剧升高，大于50%，BOD5减少了70%，金属和挥发性有机物(VOC)减少了 75%99% (其中铁减少了75%90%)，渗滤液体积减少了86%，甲烷产生量减少了50%90%，废物分解残留物平均减少4.5%24。 有机固体废物固态厌氧消化反应具有多步骤性，有多种微生物参与。现在采用的有单相消化和2相消化工艺。前者简单，能够有效处理20%40%的有机固体废物，已经有多种有效的、能够大规模应用的工艺，如 Dranco工艺、ompogas工艺、Valorga工艺25。Zhang Ruihong等利用厌氧2相消化法研究了稻草固态发酵产沼气的问题26。不过，De Baere L通过对欧洲固体垃圾厌氧消化的调查发现，2相消化工艺所占的比重比单相消化工艺要少得多，原因是2相消化系统需要更多投资以及更为复杂的运转维护27。 由于厌氧消化影响因素较多，因此，Walter 研究了底物组成对固态厌氧消化的影响28，L. M. Palmowski、S. Hasegawa 研究了底物预处理对固态厌氧消化的影响29-30，孙国朝等研究了总固体(TS)含量和接种量对固态厌氧消化的影响31。刘存芳等利用底物降解和微生物生长动力学建立间歇厌氧消化pH值控制模型，根据厌氧消化初始条件预测其最佳pH值，进而通过控制厌氧过程的pH值使单位质量的有机垃圾达到最大的产气量。实验结果表明，该模型对提高城市垃圾转化为生物能源的转化率具有实用性32。赵佳佳等研究了使用促进剂，改善和强化厌氧处理微环境，促进有机质降解的问题，结果表明，促进剂的使用有效地加快堆肥进程，提高堆肥产品品质33。Jensen 等研究了城市固体废物的酶法液化问题，中试试验结果表明，在酶法液化过程中，完成了较大部分有机物的降解过程，酶法处理也有助于未分类城市固体废物中有机物和无机物的分离，并指出研究有助于酶制剂含酶最佳组合的34。Maroun 等研究了厌氧消化处理城市固体废物的最佳工艺条件，探讨了各操作过程对厌氧消化过程的影响，并指明对固体基质的厌氧消化处理将会越来越受到重视35。Orzi 等研究了城市固体废物厌氧消化过程中消化进程与生物稳定性的关系，通过OD20测试和ABP测试，调查了微生物活性和有机物气味释放的关系，结果表明经过消化的处理物的处理程度决定了气味的释放强度，并指出 OD20值的减小可以表明气味的消除程度36。4 小结 固体废物的综合利用已在我国兴起,但仍是刚刚起步。目前,我国固体废物的综合利用率只有40%。在这一点上我们应该向发达国家学习。要的固体废物处理技术各有优缺点,其中共同的缺点是可能对环境造成二次污染,因此我们应开发新工艺、新设备,避免处理时产生新的危害，使城市环境得以可持续发展，虽然这资金耗费高于固体废物处理费用，但在长远的角度来看，这是非常值得和有必要的。参考文献：1 SELIC E,WANG C,BOES N,et al .Biodegradability of leachates from Chinese German municipal solid wasteJ. Journal of Zhejiang University Science B,2007,8(1):14-192 沈耀良，曹晓莹.城市垃圾填埋场渗滤液的回灌处理及作用J.江苏环境科技，2004,17(2);4一6.3 李兵，董志颖，赵勇胜，等.2种MSW好氧生物反应器型填埋方式的对比实验J.环境科学，2005,26(3): 180一185.4 国家科委社会发展科技司.城市垃圾处理技术推一项目M.北京:中国建筑工业出版社，1992.5 廖利，李敏.探讨垃圾填埋场开采回用工程J.江苏环境科技，2006,19(3):32一34.6 吴年龙.浅谈城市生活及工业固体废弃物处理技术J.环境技术，2005,10(5):44一46.7 刘新菊，曲东.城市固体废物处理模式研究进展J.化学工程师，2008(7)：38-40.8 MATURA M, ETTLER V, et al. Association of Trace Elements with Colloidal Fractions in Leachates from Closed and Active Municipal Solid Waste LandfillsJ. Journal of Hazardous Materials, 2010, 183(13): 541-548.9 SAQUING J M, MITCHELL L A, et al. Factors Controlling Alkylbenzene and Tetrachloroethene Desorption from Municipal Solid Waste ComponentsJ. Environmental Science & Technology, 2009, 44(3): 1123-1129.10 STALEY B F, XU F, et al. Release of Trace Organic Compounds during the Decomposition of Municipal Solid Waste ComponentsJ. Environmental Science & Technology, 2006, 40(19): 5984-5991.11 FERRARI B J D, MASFARAUD J F, et al. Predicting Uncertainty in the Ecotoxicological Assessment of Solid Waste LeachatesJ. Environmental Science & Technology, 2006, 40(22): 7012-7017.12 GARG A, MISHRA A. Wet OxidationAn Option for Enhancing Biodegradability of Leachate Derived From Municipal Solid Waste (MSW) LandfillJ. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2010, 49(12): 5575-5582.13 NAYONO S E, WINTER J, et al. Anaerobic Digestion of Pressed off Leachate from the Organic Fraction of Municipal Solid WasteJ. Waste Management, 2010, 30(10): 1828-1833.14 BECIDAN M L, SORUM L, et al. Impact of Municipal Solid Waste(MSW) Quality on the Behavior of Alkali Metals and Trace Elements during Combustion: A Thermodynamic Equilibrium AnalysisJ. Energy & Fuels, 2010, 24(6):3446-3455.15 GARCIA-LABIANO F, Gayn P, et al. Solid Waste Management of a Chemical-Looping Combustion Plant using Cu-Based Oxygen CarriersJ. Environmental Science & Technology, 2007, 41(16): 5882-5887.16 KUO J H, LIN C L, et al. Partitioning and Emission Characteristics of Pb and Organics during Fluidized Bed Thermal Treatment of Municipal Solid Waste Incineration (MSWI) Fly AshJ. Energy & Fuels, 2008, 22(6): 3789-3797.17 LIN Y C, YEN J H, et al. Characteristics of Residual Organics in Municipal Solid Waste Incinerator Bottom AshJ.Journal of Hazardous Materials, 2010, 182(13): 337-345.18 LIU Y, XIE S, et al. Novel Mercury Control Technology for Solid Waste Incineration: Sodium Tetrasulfide(STS) as Mercury Capturing AgentJ. Environmental Science & Technology, 2007, 41(5): 1735-1739.19 OLSSON S, VAN SCHAIK J W J, et al. Copper(II) Binding to Dissolved Organic Matter Fractions in Municipal Solid Waste Incinerator Bottom Ash LeachateJ. Environmental Science & Technology, 2007, 41(12): 4286-4291.20 YAO J, LI W B, et al. Effect of Weathering Treatment on the Fractionation and Leaching Behavior of Copper in Municipal Solid Waste Incinerator Bottom AshJ. Chemosphere, 2010, 81(5): 571-576.21 GAO Y, ZHANG H, et al. Vapor-phase Sorption of Hexachlorobenzene on Typical Municipal Solid Waste(MSW) Incineration Fly Ashes, Clay Minerals and Activated CarbonJ. Chemosphere, 2010, 81(8): 1012-1017.22 PHONGPHIPHAT A, RYU C, et al. Investigation into High-temperature Corrosion in a Large-scale Municipal Waste-to-energy PlantJ. Corrosion Science, 2010, 52(12): 3861-3874.23 黄得扬，陆文静，王洪涛.有机固体废物堆肥化处理的微生物学机理研究J.环境污染治理技术与设备，2004，5(1)：12-18.24 MARK M, JOHN M. In-Situ Municipal Solid Waste Composting Using an Aerobic Landfill SystemJ. American Technologies Inc, 1998, 7: 144-15725 LISSENS G, VANDEVICERE P, DE BAERE L, et al. Solid Waste Digester: Process Performance and Practice for Municipal Solid Waste DigestionJ. Water Sci Tech, 2001, 44 (8): 91-102.26 ZHANG Ruihong, ZHANG Zhiqin. Biogasification of Rice Straw with an Anaerobic-phased Solids Digester SystemJ.Bioresource Technology, 1999, 68(3): 235 - 245.27 DE BAERE L. Anaerobic Digestion of Solid Waste: State-the-artJ. Water Sci Tech, 2000, 41(3): 283-290.28 WALTER J W. Anaerobic Dry FermentationJ. Biotechnology & Bioe