（环境工程专业论文）城市有机垃圾循环处理的技术研究与经济分析.pdf

i 摘摘 要要 城市生活垃圾是我国城市环境主要污染源之一，随着城市化的快速发展和人民 生活水平的提高，垃圾产生量也迅速增加，环境污染日趋严重。基于循环经济“3r” 原则的城市生活垃圾处理处置技术是一项新兴的垃圾处理理念和系统，目前正日益 成为研究热点。 本文首先在循环经济理论的框架基础之上，针对我国垃圾有机成分含量高的特 点，以城市有机垃圾为重点研究对象，提出了城市有机垃圾循环处理的技术思路和 工艺路线，即以家庭为单位，每日产生的厨余垃圾与粪便由真空收运系统收集，再 逐步经过阶段化多相厌氧消化系统、污水处理系统、沼渣的无害化与资源化系统后 实现垃圾的源头减量和资源再利用。 通过小试试验研究表明，在不同温度的情况下，35时的减量化、无害化效率 分别达到35.3,37.4,资源化效率则为114.2 ml/gts。 在不同原料组分的情况下， c/n 为 25： 1 时的减量化、 无害化效率分别达到 35.1,39,资源化效率则为 165.1 ml/gts，均为各自平行组最高。 在小试试验基础之上， 研制开发了一套处理量为 0.2t/d 的中试装置， 经过大约 35 天的试运行之后， 厌氧消化装置的减量化、 无害化效率分别达到 36.1,33.8, 资源化效率则为 126.7 ml/gts，污水处理装置的出水浓度可稳定在 300400mg/l 左右，并且制出的菌肥经初步肥效试验证明肥效显著，考虑到运行期间存在实验条 件不能严格满足的情况下，这一系列结果表明装置的处理效果还是比较理想的，值 得进一步运行来完善方案并优化装置设计。 最后通过费用效益分析表明： 处理系统规模达 100 户时即有收益， 规模越大， 投资回收期越短，其中规模为 5000 户时，irr 达 45.00%，npv 达 2555.91 万元。 此外，引入了绿色投入产出核算体系作为城市有机垃圾处置的技术经济分析工具， 并提出了 moc 的估算方法。 关键词：关键词： 城市有机垃圾 循环处理 减量化 资源化 绿色投入产出核算体系 ii abstract municipal solid waste is the main pollution in our country. the output of msw is rapidly increased with the improvement of peoples living standard every year. the new technology of treatment & disposal of msw based on the principle of circular economy becomes the hot research topic as a newly improved idea and system. this paper firstly worked out a technical plan of cycling municipal organic waste according to the characteristic of high content of organic component in msw, in which organic waste was transferred by the vacuum collection system, deposited in a pot designed especially, then pumped into staged multiphase anaerobic digestion system(smads) periodically and the sewage treatment unit. the technical plan realized the source reduction and recycling of municipal organic waste. the lab-scale trial shows that under the different temperature, the efficiency of reduction and harmfulness in 35 is 35.3 and 37.4, the efficiency of recycling is 114.2 ml/gts. besides, under the different c/n of raw material, the efficiency of reduction and harmfulness in 25:1 of c/n is 35.1 and 39, the efficiency of recycling is 165.1 ml/gts. this is the highest between all the parallel trials. a device which can disposal 0.2t per day was developed based on the trial data of lab-scale. after 35 days trial run, the efficiency of reduction and harmfulness of the anaerobic digestion unit is 36.1 and 33.8, the efficiency of recycling is 126.7 ml/gts. the output concentration is between 300400mg/l in the sewage disposal unit, and the bacterial fertilizer was proved effective. the results are encouraging considering that all the reaction condition can not be strictly met. the whole device worth running furthermore in order to complete the plan and layout. the cost-benefit analysis demonstrated that the system could make profit at the scale iii of 100 households. the more the scale is, the shorter the durance to get back the investment. when it had reached 5000 households, irr is 45%, npv is 25.5591 million yuan. besides, green input-output checking system was involved as a new tool of technical and economic analysis. key words: municiple organic waste cycling disposal, reduction, recycling, green input-output checking system 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密囗 ，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 6 1 绪绪 论论 1.1 课题来源课题来源 1）国家“十五”科技攻关计划课题城镇水环境关键技术子课题：家畜废弃物生物处理 技术及设备(2002ba806b04-01b)； 2）武汉市科技攻关计划重点项目： “有机垃圾和粪便分类收集处理及资源化成套技术与设 备” （20026002095） ； 3）湖北省循环经济发展战略研究子课题。 1.2 研究背景研究背景 城市生活垃圾是中国城市环境主要污染源之一，随着城市化的快速发展和人民生活水平的 提高，垃圾产生量也迅速增加，环境污染日趋严重。尽管近年来随着垃圾处理设施建设的快速 发展， “垃圾围城”现象有所缓解，但是，目前仍有许多城市缺乏必要的垃圾处理设施，而且大 部分已建成的城市生活垃圾处理设施的技术标准也还不高，有些地方存在严重的二次污染。在 这样一种背景下，一方面需要继续加大垃圾处理设施的建设力度，另一方面要加强垃圾源头管 理，提高垃圾管理水平和管理效率。垃圾的管理从末端治理向着前端减量化和资源化的方向发 展，在各国垃圾管理中已有广泛的实践。这同样也是我国城市生活垃圾管理中迫切需要解决的 重要问题。 减量化、资源化和再利用是当前社会所普遍关注的循环经济研究的三大重要原则，垃圾的 减量化便涵盖了源头削减和回收再利用两个方面，因此用循环经济的思路来指导城市垃圾问题 的解决就是要在一定经济条件下，寻找垃圾源头避免和垃圾再生利用以及最终处理三者之间的 合理比例关系。它从更高层面诠释了城市垃圾这一传统问题的解决思路，应该具有较大的研究 潜力和空间。 目前,国际社会都在以促进循环经济的发展理念思考和实施城市生活垃圾污染防治。 在发达 国家,以城市生活垃圾管理为重点,促进循环经济的发展,已经成为一股潮流和趋势,都在以立法 的方式、加大科技投入、动员公众广泛参与积极推进。综观国内外生活垃圾处理和管理中的理 论探索与实践经验，不难发现都经历过从以工程技术措施为主的末端处理，到以减量化、资源 化利用为重心的全过程管理的转变过程 1 。 针对我国垃圾有机成分含量高的特点，应对城市有机垃圾加强源头控制，并以有机垃圾的 资源潜力为前提，研究开发各种可行技术路线，相应提高管理水平，循序渐进地构筑城市有机 7 垃圾循环处理新体系的可行方案。 1.3 研究目的及意义研究目的及意义 有机垃圾是城市生活垃圾的主体，约占城市生活垃圾总量的 60左右。由于种种原因，目 前我国城市生活垃圾基本仍为混装收集，其中厨余垃圾比例高达 3762%，有机质占干物质的 95%以上，水分含量达 8590% 2。混合垃圾焚烧和填埋处理时热值较低，填埋场渗滤液污染浓 度高，从而导致焚烧和填埋处理出现相应问题。因此如果将厨余垃圾在源头上分离出来，进行 单独收集与处理利用，不但可以实现城市垃圾减量化，减少中转和运输费用，而且有利于城市 垃圾的焚烧和填埋处理，还可以对垃圾中的有机质回收利用。 本文从理论和实践两方面着手，首先深入剖析循环经济的核心原则和理念，探讨循环经济 在推进生活垃圾处置和管理领域中的实践和应用情况，认为促进垃圾的减量化应是垃圾管理的 优先目标，然后以城市居民家庭产生的厨余垃圾和粪便为具体研究对象来研究实现城市有机垃 圾减量化的有效途径，从而为缓解日益增长的城市垃圾产生量和仍旧还很不完善的社区生活垃 圾处理系统之间的矛盾提供新的思路和借鉴，同时也是探索性的为循环经济思想在城市生活垃 圾管理系统中的落实提供理论支持和技术支撑体系。 从技术角度而言，本文研究的意义在于根据课题组自行研制开发的小试及中试实验装置探 索出不同于农业废弃物和工业废弃物的社区混合有机垃圾现场处理及资源化的技术路线，不仅 从从源头上控制了家庭粪便和厨余垃圾带来的严重环境问题，而且为实现生活垃圾的减量化和 资源化提供了有效途径。 从理论角度而言，本文研究的意义在于发展以“减量化、无害化、资源化”为原则和以“循 环经济”理论为指导的城市有机垃圾处理系统新模式。循环经济是对物质闭环流动型经济的简 称，从物质流动的方向看是一种“资源产品再生资源再生产品”的反馈式或闭环 流动的经济系统。这个系统并非简单地通过循环来利用废物，实现废弃物的资源化，而是强调 在优先减少资源消耗和减少废物产生的基础上，综合运用 3r 原则，即“减量化（reduce）”、 “再利用(reuse)”、“再循环(recycle)”，其实质是减少投入，增加产出。目前在中国，废物回 收和再循环水平还比较低，已经造成重大的资源浪费和环境污染，急需尽快加强对垃圾产生的 全过程管理，以促进废物的资源化和再利用，推动循环经济的发展。 深入探讨了循环经济在推进城市垃圾全过程管理过程中的作用及方法，探索性地提出了以 循环经济理论为指导的城市有机垃圾循环处理途径。 以居民日常产生厨余垃圾与粪便为研究对象，结合各种工艺设计了一套现场处理城市有机 8 垃圾的技术工艺，在瓶试试验及之后的中试装置联合调试基础之上，通过不同的指标对该技术 方案进行研究与探索。 对有机垃圾的现场处理工艺和传统工艺进行对比，分别做了费用效益分析和详细的投资 估算与经济分析，从经济的角度分析了方案的可实施性。 1.4 国内外研究进展概况国内外研究进展概况 1.4.1 城市有机垃圾处理处置工艺概况城市有机垃圾处理处置工艺概况 对于城市有机垃圾,传统的及近几年来发展起来的处理处置技术主要有：焚烧、大中型集中 化好氧堆肥、厌氧消化、加工制饲料、定点式小型好氧消化、小型家庭堆肥以及通过粉碎机粉 碎进入下水管道与污水合并处理等措施 3。 我国大中型城市多为高密度的城市化地区,缺乏小型家庭堆肥的应用环境。 而城市污水系统 尚在建设或已趋饱和,目前并不具备有机垃圾通过粉碎机破碎,直接进入下水道的条件。 现将各种 处理处置技术的特性进行比较。 1）焚烧 技术成熟稳定，体积减量率达 90，质量减量率达 70，能处理几乎所有的固体 废物，但在处理有机垃圾时会因其高含水率的特点而增加相应燃料的消耗，增加处理成本，此 外还会增加产生二恶英的风险。 2）大中型集中式好氧堆肥 技术成熟，基建和运行成本低，最终产物为堆肥，可实现资源 的回收，但对进料纯度要求高，即分类收集要求高。为了消纳产物，维持物流的平衡，必须建 立和稳定堆肥市场，而其本身堆肥产品的品质问题又会妨碍这一市场的形成与成熟。 3）厌氧消化 特点是自动化程度高，需要人力少；密闭型工程，容易控制恶臭的散发；最 终产物为甲烷及肥料，实现资源和能源的回收，从而最大限度地利用城市有机垃圾这一“潜在 矿藏” 。但是对进料纯度要求相对较高，且技术相对复杂，难以控制，对工艺路线要进行尽可能 地优化组合。 4）加工饲料化 技术简易，设备投资小，资源回收率高，但同样对进料纯度要求高，且存 在食物链风险，会造成居民对副产物肥料的信赖度下降，若畜牧业不景气，还会引起处理不均 衡。 5）定点式好氧消化 城市有机垃圾产生后可直接处理，减少存放的时间和空间，从而减少 因腐败发臭额招致蚊蝇的可能， 优化卫生环境， 减少运输费用以及运输过程中二次污染的可能， 实现源头处理和就地利用，减量率和资源化率都较高，但是设备费用和运行费用高，用户经济 负担较重，有机垃圾中的油分会阻碍生物处理过程的稳定进行，此外，肥料质量也不是十分稳 9 定。 与此同时，相应实践方式与手段的组合和创新也在不断地进行着，以下便是这方面的一些 尝试。 1）分类收集：是实现城市垃圾减量化和资源化的基本措施，也是当前衡量一个国家或城市 管理水平的标志。城市垃圾的来源复杂，成分变化大。每个城市垃圾处理的方式不一样，不可 能千篇一律采用同一种分类收集方法。国外通常有两种决定分类收集方法的做法：一是按照产 生源进行分类收集，如学校、机关、写字楼以回收纸和废办公用品为主；餐饮业、集市、超市 等以回收易腐有机物和包装物为主；二是按照城市垃圾的处理方法来决定分类收集，只有填埋 场的城市可按可回收物、不可回收物和有害物（如电池）三类分开收集；设有焚烧厂的城市可 按可回收物、宜焚烧物和不宜焚烧物等分类。以此类推，可以有多种分类的方法，有条件的还 可分多种类别。德国环保部门规定，生活垃圾必须分类收集。因此，德国人的家里通常有 4-5 个垃圾桶，分别装生态垃圾（蔬菜、瓜果），化学垃圾（废电池），可回收垃圾（玻璃、纸张） 和普通垃圾（又分为可燃、不可燃两类）。 2）打包：分类收集的垃圾可以直接送打包机进行压缩、捆扎。没有分类的垃圾一般应进行 分拣后再进行压缩、捆扎。混合垃圾经打包后容重在 1 吨/立方米左右。捆扎的体积可根据需要 选型、设定。分类回收的物质经打包后便于存放、运输和管理。那些不回收，需要送到处理处 置场的部分不仅仅便于存放和运输，还能防止垃圾飞扬；减少占地；简化运输作业工具；在填 埋场还能减少渗沥液的产生，便于沼气的收集。 3）现场处理：根据社区条件和需要，部分垃圾可以进行现场的处理。国内目前能见到的一 是易腐垃圾经处理转化成堆肥。居民将自家的厨房垃圾送到社区垃圾处理站，通过一个小型的 堆肥处理设备，将这些垃圾转化成堆肥，可用于种植花木和庭院绿化。宾馆酒店也有配备；二 是食物垃圾经破碎后排入下水道；三是筛分破碎建筑垃圾，制作建筑材料如行道砖。 以上任意一种工艺用于处理城市有机垃圾都存在技术、经济和环境三方面的制约问题，而 且对于不同性质的有机垃圾适应性也不同，因此，需要针对城市有机垃圾的产生和组成特点， 进一步探索和完善处理工艺，以期达到三者综合效果的最优化。 1.4.2 城市生活垃圾循环经济研究进展概况城市生活垃圾循环经济研究进展概况 国外实施垃圾循环经济管理与分析的研究始于 20 世纪 70 年代后期， 随着 90 年代垃圾管理 实践的不断丰富而迅速发展。国外的研究者一般通过建立分析模型，对各种垃圾减量政策的作 用机制进行理论推导，同时还通过大量的经验研究不断获得可供借鉴的实践经验 4。例如大量 的经验研究用来估计垃圾管理经济政策对居民垃圾处理行为的影响，进而探讨垃圾管理经济政 10 策对垃圾减量的作用；还有部分研究主要从理论上分析和比较各种垃圾管理经济政策及政策组 合对垃圾减量管理的经济效率等。 kenneth l. wertz 5最早研究计量用户收费对居民垃圾排放数量的影响。他对已执行计量用 户收费制的旧金山市与没有实行该制度的美国其他城市平均垃圾排放数量进行了比较，推导出 计量用户收费额每提高 1能够减少 0.15的垃圾排放量。1993 年 robin r. jenkins 6运用较为 复杂的计量经济学分析技术和丰富的数据对计量用户收费制的效率作出了进一步的分析，非常 有代表性。此外，许多学者对计量用户收费制的具体实施问题也做过大量研究。 近年来，垃圾管理各项经济政策的组合设计也是国外研究的主要内容之一。在对各种政策 的比较研究中，曾得出过一些初步结论。例如 margaret walls 和 karen palmer 等人开展了垃圾 管理综合政策研究，其中有 2 篇美国未来资源研究所工作报告： “扩大的产品责任：几种可供选 择政策的经济评价” 7以及“上游污染，下游废物处理，综合环境政策的设计” 8代表着进一 步的研究方向。 就国内研究现状而言，1979 年城建部门正式接管城市环境卫生工作，中国对垃圾管理问题 的研究由此开始。在首卷中国城市建设年鉴（19861987） 中总结了 19491986 年底中国 垃圾管理的发展历程。 进入 20 世纪 90 年代，垃圾问题逐渐引起广泛关注，中国对垃圾问题的研究内容逐渐丰富 起来。且除了已垃圾处理技术为主的研究外，有关垃圾管理对策方面的研究开始增多。例如科 学出版社于 2003 年出版了城市生活垃圾资源化 9以及城市固体废物管理10等以垃圾管 理为核心的系列著作，使得这一领域的研究更加系统化。此外，有关垃圾资源化利用、再生资 源产业发展方面的专门论述也大量出现，比如金丹阳等人从理论和各个实践领域等不同角度对 再生资源的产业化发展进行了较为全面的探讨。近年来，随着循环经济理念的逐步推广，在垃 圾综合管理方面的研究得以更深入地开展。例如，同济大学何德文 11专门针对垃圾收运系统管 理的优化问题进行研究，对垃圾混合收集、分类收集等多种方案进行全面比较，并研制了相应 的软件为决策系统提供技术支持。中山大学许冠英 12深入探讨了生命周期评价方法运用于城市 垃圾管理的理论和方法，并以广州市为例，用具体的分析模型评价四种垃圾处理选择，为垃圾 综合管理决策提供了重要依据。 总体上看，目前国内在垃圾管理方面所涉及的研究范围日益广泛，且随着研究工作的不断 深入，研究方向正在从对中国垃圾处理现状、存在问题与提出对策的综合论述，向着更为具体 的和可操作性的专门讨论发展，并且在许多方面已获得很有价值的研究成果，为今后进一步深 化该领域的研究打下了很好的基础。 11 值得注意的是，目前大量的现有文献多为宏观性政策原则的讨论，缺乏具体的，有针对性 以及可操作性的分析与研究，同时容易造成简单照搬国外的经验，忽视中国的实际国情和具体 条件，使得研究结果产生偏差，实施效果大打折扣。事实上，对垃圾处理的技术路线和设计方 案进行系统研究，并从经济学的视角进行深入分析，是垃圾减量化、资源化、无害化目标顺利 进行的必要前提。但就目前来看，这方面的研究还比较薄弱。 1.5 本文主要工作本文主要工作 本论文的主要工作由三部分组成，即理论综述、技术研究及经济分析，其主要研究内容如 下： 1）在循环经济理论的框架基础之上，结合城市有机垃圾处理现状的调查，提出了城市有机 垃圾循环处理的技术思路和工艺路线； 2）对循环处理的工艺进行阶段性的小试试验，重点研究使得工艺减量化、无害化、资源化 效率最大的工艺参数条件； 3）对中试装置进行联合调试运行，从厌氧消化装置、污水处理装置及菌肥肥效等方面对工 艺减量化、无害化、资源化效果进行检验； 4） 与传统处理方法进行费用效益分析的比较， 并引入绿色投入产出核算体系作为城市有 机垃圾处置的技术经济分析工具，提出了 moc 的估算方法。 12 2 城市有机垃圾特性分析城市有机垃圾特性分析 城市生活垃圾的组成成分比较复杂，一般包括：易腐性有机垃圾（厨余、草木） 、灰土泥沙、 纸类、塑料、金属、玻璃、织物等。不同的垃圾产生源，成分有所区别。 而粪便是人体消化系统和泌尿系统的生理排泄物,含有丰富的有机物和氮、磷、钾成分。 一般来讲，垃圾与粪便的处理、处置与管理系统是相互平行的，但不容忽视的是垃圾与粪 便在某种程度上具有相近的污染特质， 它们其中的有机物和氮、 磷等物质若直接排放,会造成水 体污染,散发含氨、硫化氢、硫醇、硫醚等恶臭成分的有害气体。 因此，如果将以厨余垃圾为主的易腐性有机垃圾和城市粪便界定为为城市有机垃圾，并按 照减量化、无害化和资源化的原则进行处置，具有非常重要的现实意义。 2.1 易腐性有机垃圾特性易腐性有机垃圾特性 易腐性有机垃圾主要指食品加工和饮食消费过程中产生的易腐败、易生物降解的废弃物。 一般在食品加工过程中产生的食物残余称为“厨余” ，而在饮食消费后的食物残余称为“泔脚” 。 前者成分主要为菜叶、果皮,碳水化合物含量高（干基：约 50 ） ；后者以淀粉、蛋白质、脂肪 为主，同时还表现出高含盐量（湿基：0.81.5） 、游离态脂肪（干基：2030）比重 大的特点。易腐性有机垃圾易为微生物利用，含水率高（6595） 13。其主要产生源包括 以下 4 个方面： （1） 城市居民家庭、城市公共场所和旅游景点的垃圾收集点等； （2） 各类食品批发和零售市场； （3） 宾馆、饭店和各类小吃店等； （4） 政府机关、企事业单位和学校等单位的食堂等。 目前，针对易腐性有机垃圾尚未形成一套规范的管理系统，只有部分进入城市生活垃圾收 集运输系统，因此对环境具有较大的危害和污染性。 居民日常产生的有机垃圾绝大部分为厨余垃圾，其特征表现在 14： （1）感观性状上，表现为油腻、湿淋淋，对人和周围环境造成不良影响，影响人的视觉和 嗅觉等的舒适感和生活卫生； （2）含水率高，对收集、运输和处理都带来难度。厨余垃圾渗沥水可通过地表径流和渗透 作用，污染地表水和地下水； （3）易腐性。有机物含量高，在温度较高的条件下，能很快腐烂发臭，引发新的污染； 13 （4）存有病毒、致病菌和病原微生物。如不加以适当的处理而直接利用，会造成病原菌的 传播和感染等； （5）富含有机物、氮、磷、钾、钙以及各种微量元素。适当处理后，是良好的动物饲料； （6）组成较简单，有毒有害物质（如重金属等）含量少，有利于再利用。 厨余垃圾的典型特性值见下表。 表 21 厨余垃圾的典型特性值 含水率 （） 有机物含量（干基）c/n 容重（kg/m3） 大于 80 大于 95 2534/1600800 2.2 城市粪便特性城市粪便特性 2.2.1 公厕化粪池粪渣和楼房化粪池污泥性质的取样研究公厕化粪池粪渣和楼房化粪池污泥性质的取样研究 对公厕化粪池粪渣和楼房化粪池污泥进行了取样测定 15， 结果汇总在表 22 和表 23 中。 数据分析表明：不同采样点的样品性质离散值大，其中尤以 cod、bod5、总氮、磷、钾 及生物性卫生学指标为甚；bod5/ cod 可生化性系数较低，18 个样品的平均值为 0.32；有机 物浓度高， 公厕化粪池粪渣总固体中有机物含量平均值达 63.5%， 若以湿基计则平均值达 9.3%； 生物性污染指标高。 表 22 公厕化粪池粪渣性质 项目 样本数 量 最高值最低值 平均值 标准差 可靠性(95%) ph 9 7.8 6.7 7.1 0.4 6.87.4 含水率(%) 9 91.5 78.9 86.4 3.9 82.388.5 灼热减量(%) 9 77.1 51.4 63.5 70 56.770.3 cod(mg/l) 9 63,658 21,566 41,093 14,302 37,40644,780 bod5(mg/l) 9 26,740 7,964 15,044 6,076 10,09019,998 总氮(mg/l) 6 7,100 3,100 4,717 1,335 3,1826,252 磷(mg/l) 6 1,100 400 700 239 426974 钾(mg/l) 6 2,100 600 1,383 471 88421,924 细菌总数(个/ml) 6 2.2*1071.1*103 5.0*106 粪大肠菌值 5 3.0*10-61.2*10-3 4.0*10-4 蛔虫卵数(个/ml) 6 1,380 3 580 479 291,131 14 表 23 高、中层住宅楼化粪池污泥性质 项目 样本数量 最高值 最低值平均值标准差 可靠性(95%) ph 15 8.0 6.9 7.4 0.3 7.27.6 含水率(%) 15 95.6 86.6 92.0 2.5 90.593.5 灼热减量(%) 15 67.5 40.8 53.0 7.3 48.857.2 cod (mg/l) 9 50,120 15,424 25,289 9,829 17,27633,302 bod5 (mg/l) 9 18,605 4,284 8,076 4,014 4,80411,348 总氮 (mg/l) 6 8,400 4,100 6,133 1,546 4,3567,910 磷 (mg/l) 6 2,100 600 1,217 505 6371,797 钾 (mg/l) 6 1,300 400 800 316 4361,164 细菌总数(个/ml) 6 1.3*107 2.8*1032.2*106 粪大肠菌值 5 1.5*107 4.3*10-31.0*10-3 蛔虫卵数(个/ml) 6 880 15 432 294 95769 2.2.2 我国城市粪便性质参数变化范围我国城市粪便性质参数变化范围 在编制城市粪便处理厂设计规范和城市粪便处理厂运行、维护及安全技术规程时， 曾抽样测定了不同类型城市收运的粪便性质，通过数理统计，提出了城市粪便含水率为 95%99%范围三种浓度时性质参数变化值作为设计参考 16，见表 24。 表 24 我国城市粪便性质参数变化范围参考值 浓度 项目 高 中 低 含水率（%） 9597 9798 9899 ph 79 79 79 ss(mg/l) 2000023000 1500020000 900018000 cod (mg/l) 2000030000 1100020000 c/n 13/115/1 13/115/1 13/115/1 磷(mg/l) 5001000 200800 钾(mg/ l) 10002000 5001500 细菌总数(个/m l) 1031010 107109 104107 粪大肠菌值 10-310-10 10-510-8 10-510-7 15 蛔虫卵数(个/m l) 80200 40100 510 2.3 分析与比较分析与比较 据统计我国城市垃圾增长率大于 10%，超过全世界 8.42%的年平均增长速度。并且我国大 城市垃圾成分的变化总体趋势是无机含量，尤其是灰渣含量大幅减少，而易腐垃圾和废品的含 量则持续增长。 一项研究曾经调查收集了中国近 20 个城市的生活垃圾组成情况， 得到中国城市 生活垃圾成分有如下变化趋势。 （1）垃圾中的有机物（主要是厨余垃圾）由 19851990 年的平均 27.54，迅速上升至 1996 年的 57.15，但近年上升势头减缓，约占 50左右； （2） 垃圾中的无机物 （灰土砖瓦石块等） 与垃圾中的有机物成分变化相反， 呈下降的趋势， 近几年的平均值为 23.34； （3） 垃圾中的可回收废物的比例有大幅度的增长， 平均值由 1991 年的 11.7， 提高到 2000 年的 26.6，增长了一倍以上； （4）垃圾中可燃物成分增加，垃圾的热值略有提高。其中，塑料橡胶类增长最快，平均值 由 1991 年的 2.77增长到 11.49，增长了 3 倍以上；其次是废纸，平均值 2.85增长到 6.64 ，也增长了一倍以上；织物、木竹的含量变化相对较小。 值得注意的是， 目前我国城市垃圾处理的最主要方式仍然是集中填埋， 约占处置总量的90% 以上；集中高温堆肥和集中焚烧不足 10%。但是我国城市生活垃圾基本为混装收集，其中厨余 垃圾比例高达 3762%，有机质占干物质的 95%以上，水分含量达 8590%。由于混合垃圾具 有有机物含量高、含水率高、极易腐败变质等特点，带来的相应问题是 17： （1）收运过程中，经过压缩有液体渗出，非常容易泄漏，造成二次污染； （2） 填埋处置的有机垃圾极易腐败， 是填埋场恶臭的主要产生源； 垃圾中的有机物含量高， 导致垃圾渗滤液浓度高、难以处理；填埋气产量增加，给没有回收利用填埋气设施的填埋场增 加了处理难度，而且还存在一定的安全隐患； （3）在焚烧处理过程中，由于含水率过高致使热值较低，大部分情况需要增添辅助燃料或 需要进行生物预处理。 而且由于垃圾中有机组分比例的持续上升，这些问题不仅得不到解决，而且愈加严重，严 重影响了居民的生活环境和生活质量。 16 2.4 小结小结 从垃圾成分变化的趋势可以预见城市有机垃圾所占的组分越来越大，如果仍利用传统处理 处置方式将会带来一系列问题，但假如我们换一种思路来看待的话，随着经济发展、居民消费 水平的提高，目前城市生活垃圾中有机物质有所增加，因而通过再利用和资源化来减少垃圾数 量的潜力越来越大，同时还可以带来一定的经济效益。例如，由于粪便及厨余垃圾这一类有机 垃圾具有含丰富的有机质和氮磷钾等营养元素的特性， 适当的比例混合可以调节到较佳的 c/n， 是混合发酵制取沼气的较好原料，同时沼渣也可加工制成菌肥利用。因此城市有机垃圾的得当 处理有可能为我国垃圾事业的可持续发展作出重要贡献。 17 3. 城市有机垃圾循环处理的理论基础城市有机垃圾循环处理的理论基础 循环经济一词是对物质闭环流动型经济的简称， 其与传统经济发展的线性模式有很大不同。 传统经济通过对资源粗放的使用，以及不加回收地大量排放废弃物的方式来实现经济的数量型 增长，构成了一种“资源产品废物排放”的物质单向流动的经济模式，它造成资源短缺、 环境污染和社会经济的不可持续发展。而循环经济倡导的是“资源产品再生资源”的物质 反复循环流动的经济发展模式。它充分利用自然资源，在生产和消费过程中最大限度地降低污 染，减少废弃物，并且通过回收提高废物的再生利用水平。在循环经济的发展模式下，物质和 能源在不断进行的经济循环中得到合理和持久的利用，既达到经济增长的目标，同时又能够从 根本上解决环境和发展之间的尖锐矛盾。 循环经济理论运用到城市垃圾处理与处置领域中便应运而生出垃圾的循环处理这一概念。 人类从地球上获取资源，在对其进行利用的过程中，产品不断生产出来。如果多数产品在使用 后被丢弃，那么资源将不断减少，垃圾则相应增加。这种大量生产、大量消费、大量丢弃的“自 然资源 产品 垃圾”的开环式经济模式显然不符合可持续发展的理念。与此相 反，循环处理则是一种由“自然资源产品资源”的物质闭环式流程，其中所有的原料 和能源能在适度进行的循环中得到合理利用，从而把人类活动对自然环境的影响控制在尽可能 小的程度，因此循环的物流是一种排放量足够小的物流。它既不有悖于发展，又不危害环境， 真正在技术层面、社会层面和生态层面体现了可持续化。 3.1 理念与思路理念与思路 随着循环经济理论的不断发展， 人们提出了一系列诸如 “零排放工厂” “产品生命周期” “为 环境而设计”等体现循环经济思想的理念，并形成了物质闭环型经济的三种关键性思路。 （1）生态经济效益的理念和实践 其本质是要求组织企业生产层次上物料和能源的循环， 从而达到污染排放的最小量化。为此应该做到：减少产品和服务的物料使用量；减少产品和服 务的能源使用量；减少有毒物质的排放；加强物质的循环使用能力；最大限度可持续利用再生 资源等等。在共同的生态经济效益理念下，有力推动了循环经济在企业层次上的实践。 （2）工业生态系统的理念和实践 提出了生态工业园区的新概念，要求在企业与企业之间 形成废弃物的输入输出关系，其实质是运用循环经济思想组织企业共生层次上的物质和能源的 循环。 （3） 生活垃圾资源化再利用的理念和实践 上世纪 90 年代， 发达国家生活垃圾处理的工作 18 重点开始从无害化转向减量化和资源化，这实际上是要在更广阔的社会范围内或在消费过程中 和消费过程后层次上组织物质和能源的循环。1991 年，德国首先按照循环经济的思路要求对于 所有用过的包装，首先要避免其产生，其次要对其回收利用，以大幅度减少包装废物填埋与焚 烧的数量。1996 年，德国将更为系统的物质闭路循环思想从包装问题推广到所有的生活垃圾管 理中。并提出应该以再利用和再循环为基础，建立一个以再生资源为主导的世界经济 18。 3.2 操作原则操作原则 在循环经济的指导下，循环处理垃圾模式的建立依赖于一组以“减量化、再利用、再循环” 为内容的行为原则（简称 3r 原则） ，每一个原则对模式的成功实施都是必不可少的。其中，减 量化原则属于输入端方法，再利用原则属于过程性方法，资源化原则是输出端方法。目的是使 废弃物再次变成资源以减少最终处理量。 （1）减量化原则 是循环经济的第一法则，即预防废弃物的产生，而不是产生后治理。 （2）再利用原则 即尽可能多次以及尽可能多种方式地使用。通过再利用，防止物品过早 成为垃圾。 （3） 资源化原则 即尽可能多地再生利用或资源化。 充分利用垃圾中有资源化价值的成分， 减少对垃圾最终处置的压力。 废物资源化仅仅是循环处理的一个方面，实际上循环处理的根本目标是要求在流程中系统 地避免和减少废物，而废物再生利用只是减少废物最终处置量的方式之一。对待废物的优先顺 序为避免产生循环利用最终处置。这种预防为主的方式在循环处理垃圾中有一个分层 次的目标：首先采取各种方式在源头上减少垃圾的产生量；其次尽可能地利用垃圾中有资源化 价值的成分，使之实现再利用和资源化的最大化；最后对于无法满足减少、再利用、再循环目 标后剩下的垃圾予以填埋等最终处置。 综合运用 3r 原则是资源利用的最优方式 19。在人们经济活动中，对资源的不同认识可以 导致形成三种不同的资源使用方式，一是线性经济与末端治理相结合的传统“用完就扔”方式； 二是仅仅让再利用和再循环原则起作用的资源恢复方式；三是包括整个 3r 原则且强调避免废 物优先的低排放甚至零排放方式。显然，只有第三种资源利用方式才是循环经济所推崇的废物 循环处理方式。其目的，不是仅仅减少待处理的废物的体积和重量，使得诸如填埋场等可以用 得时间长一些。相反，它是要从根本上减少自然资源的耗竭，减少由线性经济引起的环境退化。 19 3.3 生命周期评价方法（生命周期评价方法（lca） 为了使城市垃圾的处置纳入循环经济的轨道，必须首要研究生命周期评价理论 20。在众多 的评估分析技术工具中，生命周期评价（life-cycle assessment, lca）有时也称为“生命周期 分析” 、 “生命周期方法” ， “从摇篮到坟墓” 、 “生态衡算”等。是对产品“由摇篮到坟墓” （from cradle to grave）的产品生命周期全过程较完整分析的一个方法 21。同理，生命周期评价也可以 用于城市垃圾的生成、运输处置、再利用的生命周期全过程的分析研究 22。 图 31 msw 的生命周期分析研究路线图 23 3.4 绿色投入产出核算体系绿色投入产出核算体系 经济核算是一切经济分析、研究、预测、评价的前提，没有合理、准确的核算体系，就无 法获得研究分析城市生活垃圾处置过程中各种真实准确的费用及成本体系。就无法对不同城市 生活垃圾处置技术进行经济效益比较。 传统的评价城市生活垃圾处置技术的方法是基于投入产出的基本原理。将不同的处置技术 国内外 msw 管理与处理处置技术研究 国内外 msw 的生命周期评价理论与实践 msw 的生命周期评价方法体系的建立 msw 的生命周期评价实例分析 研究目标与范围的确定 清单分析与计算模型的建立 影响评价及方法选择 命 周 期 解 释 命 周 期 解 释 信 生 命 周 期 清 单 数 据 20 在各个处置活动环节中所消耗（投入）的生产要素和各种物质产品（如原材料，辅助材料、燃 料、 动力等） ， 以及各个处置活动环节所占用的固定资产价值货币化， 按价格计量， 并进行汇总， 计算出这种城市生活垃圾处置技术的总费用。 进一步解析后就得出这种城市生活垃圾处置技术， 每处置单位（吨）垃圾的成本费用。 绿色投入产出核算体系即在原来的投入产出核算基础上，加进环境外部性问题，目的是为 了能够更全面真实的描述各种垃圾处置技术在对垃圾处置过程中所带来的外部不经济性，满足 符合可持续发展战略决策的技术经济分析，具体地说就是在各种城市生活垃圾处置技术的比较 分析中，除考虑各项消耗、占用费用外，还需考虑由各种城市生活垃圾处置技术在处置过程中 对自然资源的损耗和环境污染之值。绿色投入产出核算体系是基于现代边际机会成本（moc） 理论 24，是基于资源与环境经济学观点从技术经济一体化角度对城市生活垃圾处置技术处置过 程中带来的外部不经济后果进行抽象和度量。并做出对环境的影响评价，使项目投资决策既要 考虑项目技术的可行性，经济的合理性，更要考虑项目与环境之间的关系，项目与环境协调发 展的可持续性 25。 3.5 小结小结 本章从几个主要方面对循环经济理论展开综述，并从中找出与研究城市有机垃圾处理处置 领域交叉的方向，以期对接下来更深入的城市有机垃圾循环处理技术研究提供理论基础。 21 4 城市有机垃圾的循环处理技术研究城市有机垃圾的循环处理技术研究 4.1 技术思路技术思路 如前所述，目前我国城市生活垃圾基本仍为混装收集，其中厨余垃圾比例高达 3762%， 有机质占干物质的 95%以上，水分含量达 8590%。与此同时，粪便与垃圾正在成为城市生活环 境中主要的污染源 1。据有关资料统计，城市居民人均每天排放的生活垃圾、粪便约 2kg 左右。 垃圾、粪便里含有大量的有机废物、各种化学污染物质及病源微生物。但是如果将厨余垃圾和 粪便直接当作废物来处理，不仅需要巨大的投入和昂贵的运转费用，同时其中所富含的营养元 素没有利用也是一种巨大的浪费 26。 考虑到城市生活垃圾主要来源于食品消费，其本源为土壤生态体系，之所以会造成污染， 主要是由于流量过大且过度集中 （源于城市人口集中） 和未充分资源化造成对生态环境的冲击。 解决的技术关键是堆肥化或厌氧消化，此类处理可使有机质加速腐熟化并大大缩减其流量，既 节省了占垃圾总量 6070的垃圾流处置费用，亦可提供绿地和农田生态体系所需的腐殖 质。同时有机垃圾部分分流后的城市生活垃圾主要由废品组成，具有较高的回收价值，这将使 垃圾的资源化循环具有经济上的可行性，可贡献于节约资源与创造新的经济价值 27。具体实施 上，在垃圾产生源头，如城市居民社区内形成一套以厨余垃圾和粪便为主的有机垃圾现场处理 技术，在源头上使一部分本来要进入后续清运系统的物质被分离出来，进行单独收集与处理利 用，从而不但减少了城市垃圾的总量以及相应的中转和运输费用，而且有利于城市垃圾的焚烧 和填埋处理，还可以对垃圾中的有机质回收利用。 这便是基于循环经济“3r”原则的城市有机垃圾循环处理的技术思路，下面将从若干方面 对这一思路进行展开研究。 4.2 工艺设计工艺设