垃圾处理前沿技术的比较分析

1、垃圾处理前沿技术的比较分析垃圾处理在已工业化的三大技术一一卫生填埋、生化处理和焚烧的基础之上，通过多年发展及技术更新，逐渐涌 现出一批具有前瞻性、先导性和探索性的技术。例如生物反 应器填埋技术、 生化处理的厌氧消化技术、 生物干化、 机械 生物处理和垃圾衍生燃料等预处理技术，以及热解气化、等 离子体焚烧等终端处理技术。下面就这些前沿技术的工艺、 成熟度、可行性及适用性进行分析比较。一、生物反应器填埋技术生物反应器填埋场按操作方式不同分为厌氧型、好氧型 和准好氧型三类。厌氧型生物反应器填埋采取了渗滤液回灌 等措施，具有加速填埋垃圾稳定、降低渗滤液浓度、可回收 利用沼气等优点，但其渗滤液氨氮浓度很

2、高、后期 COD 浓 度降解缓慢。好氧生物反应器填埋场在回灌渗滤液的同时鼓 入空气，使填埋场内部保持有氧反应的状态，大大加快了填 埋场的稳定化过程，但因强制鼓风造成运行成本高，一般很 少采用。准好氧型生物反应器填埋是通过自然通风手段保持 填埋场的局部好氧状态，比厌氧型稳定速率快，渗滤液氨氮浓度低，同时不需要通风设备和消耗能源，但直接排放的气 体中甲烷含量仍然较高，易造成二次污染。与传统卫生填埋渗滤液简单回灌不同，生物反应器填埋 中渗滤液回灌是可控的，为微生物大量繁殖提供了一个最优 的生存空间，因此可以达到较快的降解速率，实现快速稳定 化。渗滤液回灌可以促进垃圾中有机化合物的降解，缩短产 沼时间

3、，增加填埋场的有效库容量。与常规无控制的卫生填 埋方法相比， 垃圾填埋气产量提高 75%，减容率增加约 4 倍， 且渗滤液稳定快。自 20 世纪 70 年代起，欧美、日本、澳大利亚等国相继 开始了生物反应器填埋场的研究。 威立雅在法国的 LaVergne 中试填埋场实施生物反应器填埋技术，经过 8 个月的运营， 填埋气体的产量比普通填埋场高出 34 倍。相关的工程规 模集成研究报道在我国国内尚未有。同济大学承担的生活垃 圾厌氧型生物反应器填埋成套技术及示范项目于 2008 年 12 月通过了教育部科技发展中心组织的鉴定。生物反应器填埋技术与传统卫生填埋技术相比具有明显优势，但是在持久有效性、压

4、实度、结构特性、氧化一还 原环境和费用一效益分析等因素还存在一些不确定性，需要 进一步研究。此外，受厌氧填埋场特性的限制，回灌并不能 完全消除渗滤液。且回灌后的渗滤液氨氮含量高，仍需要进步处理后才能排放二、厌氧消化技术厌氧消化又称为沼气发酵、厌氧发酵和甲烷发酵，是指 有机物在厌氧条件下通过厌氧菌及兼性菌的分解代谢达到 稳定化，同时释放出甲烷和二氧化碳的生物化学过程。厌氧 消化是处理有机固体废弃物的有效途径之一，能够在解决环 境污染问题的同时，产生清洁能源生物气和高品质有机肥 料。厌氧消化具有以下特点： (1) 经厌氧消化后产生清洁能 源沼气， 可用于取暖、 发电和制化学品 ;(2) 消化最终物

5、可 作为高质量的有机肥料和土壤改良剂； (3)在有机物质转变成 甲烷的过程中实现了垃圾的减量化； (4)与好氧过程相比，厌 氧消化无需氧气， 降低动力消耗， 运行成本低 ;(5) 厌氧消化减 少了温室效应气体的排放量。因此厌氧消化是处理有机废物 较理想的方法。由于厌氧消化的诸多优势，有机垃圾的厌氧消化处理成 为有机垃圾处理的一种新的趋势。近年来，该技术在发达国 家得到积极开发并获得应用。有机垃圾厌氧消化系统在德 国、瑞士、奥地利、芬兰、瑞典等国家发展较为迅速，在美 国也有一定的应用。应用情况见表 1。在国内，厌氧消化在高浓度有机废水、污泥、粪便及农业秸秆处理等领域已经有比较成熟经验，全国各地有

6、较多工 程应用。但是生活垃圾不同于以上各种固体废弃物，特别是 现阶段垃圾采用混合收集，成分和性质复杂，其基质的发酵 条件、微生物生长条件及分解代谢等还有待深入研究。同时，由于我国垃圾不同于其他国家的生活垃圾，因此不能机械照 搬国外厌氧消化技术和设备，需要针对我国垃圾性质研究并 开发适合的垃圾分类和分选技术及设备。随着垃圾分类工作的顺利开展，厨余垃圾等有机垃圾与 无机垃圾分开收集后，将对厌氧消化的应用和推广产生积极 的推动作用。三、热解气化焚烧技术热解是利用有机物的热不稳定性，在缺氧条件下加热使 分子量大的有机物产生裂解，转化为分子量小的燃料气、液 体（油、油脂等）。热分解的生成物，因分解反应条

7、件不同 而有所不同。热分解与焚烧不同，焚烧只能回收热能，而热分解可以从废物中回收可以储存、输送的能源（油或燃料气等），是热分解的一大优点。但废物的热解因废物的种类多、变化大、成分复杂，要稳定连续的热分解，在技术上和运转操作上要 求都十分严格。因此，热分解设备费用和处理成本也较高，热分解的经济性就成了能否实用化的一个关键热解处理系统主要有两种：一是以回收能源为目的的处 理系统，另一种是以减少焚烧造成的二次污染和需要填埋处 理的废物量，以无公害型处理系统的开发为目的的处理系 统。其中，对于前者，由于城市垃圾的物理化学成分极其复 杂且变化较大，如果将热解产物作为资源回收，要保持产品 具有稳定的质和量

8、有较大的困难。即使对成分复杂，破碎性 能各异的城市垃圾增加破碎、分选等预处理技术，不仅需要 消耗大量的动力和极其复杂的机械系统，且总效率又非常 低。对于后者，将热解作为焚烧处理的辅助手段，利用热解 产物进一步燃烧废物，在改善废物燃烧特性、减少尾气对大 气环境造成的二次污染等方面，却是较为可行的，许多工业 发达国家已经取得了成功的经验。迄今为止国际上已工业化应用的热解或气化技术还十 分有限，尤其是在城市垃圾处理上。大部分热解气化研究局 限在实验室阶段，很多技术面临着技术环节和经济效益等难 题的阻碍。美国和日本结合本国城市垃圾的特点，开发了许 多工艺流程，有些已达实用阶段。由于垃圾组分的不同，有

9、些流程在美国适用，但对日本不适用。同样，我国的城市垃 圾成分又不同于美国和日本，这些工艺过程能否用于我国还 有待研究。四、等离子体焚烧等离子体是物质存在的一种状态，与固态、液态和气态 并列，称为第四态。和物质的另外三态相比，等离子体可以 存在的参数范围异常的宽广（其密度、温度以及磁场强度都 可以跨越十几个数量级） ，等离子体的形态和性质受外加电 磁场的强烈影响，并存在极其丰富的集体运动（如各种静电 波、漂移波、电磁波以及非线性的相干结构和湍动） ，因而 能量极为集中，并具有极高的电热效率 （85% 以上），产生的 高温可以还原一切难以还原和难溶的物质，瞬间即可完成。等离子体焚烧是一种全新的垃圾

10、焚烧方法 , 它没有传统 的锅炉 , 而是模拟地层中的化工过程 ,将垃圾气化。 简单的说 , 就是用高压电弧产生高温高于太阳表面温度焚烧垃圾。在这 样的高温下 , 任何东西都会变成气态或者液态实际上叫等离 子体。这时候 ,一切垃圾都被还原成原子状态 , 所以 , 有毒有 害物质、病菌、病毒等全部变成了无害物质。等离子体焚烧火炬中心温度可高达摄氏一万度 , 边缘温 度也可达到千度左右。它的处理过程为废料的分解和再重组 过程 , 工作原理是在一个密闭空间里 , 通过强大的电弧 , 使 空气电离产生等离子体 , 然后在另一个缺氧的密闭空间里 , 有待产生的等离子体对城市固体废料进行超高温加热。在无

11、氧化条件下 , 垃圾混合物中的无机物迅速玻璃化 , 最后产生 的无害熔渣可作为建筑材料。最为重要的是 , 高温可分解固 体废料中的有机分子 ,在无氧的条件下 , 固体废料中的有机 物就会转化为氢气和一氧化碳的混和物 , 这种混合物 , 可以 像天然气一样作为一般汽轮引擎的能源 , 其中的氢气可进一 步纯化分离 , 作为单独的燃料。该技术的主要优点：垃圾焚烧彻底，不污染空气、 水源及周边环境。由于炉膛温度大于1200 C,有机物包括传 染性病毒，病菌及其他有毒有害物质都全部裂解分解，产生 的气体、灰烬无毒害；垃圾燃烧后的灰烬体积量大大减少， 大约为传统炉燃灰体积的五分之一，而排放的气体无黑烟，

12、不需烟囱。装置的主要优点：结构比较简单，小型化，占地 面积小；不用煤、燃油、天然气作燃料，只使用电，具有洁 净、卫生；操作运行费用低；操作简单、启动停机快、可全 部实现自动控制、安全、可靠。与其他有竞争力的废物处理过程相比 , 电弧等离子体处 理废物比较昂贵。主要缺点在于以电力作为能源 , 经济成本 高。但是涡轮机能把合成气转化为电能 , 蒸汽涡轮机工作原 理是通过气体加热水 , 用蒸汽推动涡轮机产生电能 , 转化率 比较低 ,在 15%左右。气体涡轮机则直接用气体本身来推动涡 轮机的转动 ,这明显是更高效的能量转换过程。但由于混合气体中含有少量的氢氯化物和硫氧化物 , 涡轮机不可避免地要 接

13、触这些腐蚀性气体 , 因而耗损比较厉害 国内许多科研机构也开始了这方面的研究 , 开发了一些 处理高危废弃物的等离子垃圾处置系统 , 取得了一定的成果 可以处理医用垃圾、废弃轮胎和电子垃圾等 , 但是离市场化 和产业化还有一定的差距。在国外 , 许多国家正致力于等离子体垃圾处理系统的研 究 , 并且已经有一些成功的例子。例如 , 美国“幻想号”游 轮上已经安装了等离子垃圾处理系统 ,正是这些优点 , 使它 成为能在巴哈马（世界上防止海岸污染标准最严的地方之 一）靠岸时处理垃圾的船只。日本电力中央研究所与环保器 材厂家合作 ,开发出了利用废料和家庭垃圾高效发电的技术。 只要是能够燃烧的垃圾 ,

14、基本上不用分类就能用于发电。五、机械一生物处理（MBT ）生活垃圾的机械生物处理技术是现代生物技术在垃 圾处理方面应用的典范。在欧洲（特别是德国）应用已有近 十五年的历史。 近年来， MBT 技术在南美、 东南亚等发展中 国家也相继得到了应用。德国每年采用 MBT 技术处理的生 活垃圾 600 多万吨。德国的第一代 MBT 处理工艺可去除 20% 30%的有机垃圾，剩余 70% 左右的垃圾至填埋场填埋。第 二代的处理工艺带有物质分拣系统，垃圾处理后仅为进料量 的 25%50% 。垃圾机械生物处理技术的原理就是利用机械的分选 设备，把垃圾中的高热值的物质、金属和玻璃等有用物质分 离出来加以利用，

15、垃圾中的有机质部分经过生物的好氧或厌 氧处理后实施填埋的方法。垃圾机械一生物处理技术的应 用，极大地减少了垃圾填埋场的占地面积，减少了垃圾填埋 场的气体和渗滤液的产量。因此该技术的应用，在垃圾的减 量化、资源化和无害化处理中起到了很大的作用。MBT 技术包括机械和生物处理两个部分， 可以分别独立 地用于垃圾处理，也可以与其他的垃圾处理技术如焚烧、填 埋等结合在一起， 共同完成垃圾的处理。 在德国及欧洲， MBT 技术已成为生活垃圾管理和处理处置系统的重要组成部分。 MBT 中的机械部分主要利用分选和筛分等设备对垃圾中的 高热值的组分 ,如塑料、纸张、木材等进行分离；生物处理部 分依赖好氧降解、

16、厌氧发酵或两者结合的技术工艺对生活垃 圾中的易腐有机质进行降解。六、生物干化生物干化 (Biodrying) 最早是由美国康奈尔大学 Jewell 等 人于 1984 年提出，也叫做生物干燥、生物稳定。通常，生 物干化即通过采取过程控制手段，利用微生物高温好氧发酵 过程中有机物降解所产生的生物能，配合强制通风促进水分的蒸发去除，从而实现快速干化的一种处理工艺。其特点在于无需外加热源，干化所需能量来源于微生物 的好氧发酵活动，属于物料本身的生物能，因此是一种非常 经济节能的干化技术， 这也是生物干化与其他干化工艺 （如热 干化 ）的最大区别。 作为现代化的工业技术， 生物干化的另一 个特点是加入

17、了人为的过程控制策略，对物料进行强制鼓 风，从而促进整个干化过程，缩短干化周期。同时具备这两 点才能算真正意义上的生物干化工艺。由于好氧堆肥过程对物料也有一定的生物干燥作用，很 多研究工作者将好氧堆肥等同于生物干化，而实际上两者在 工艺目的和工艺参数上有很大的差别。好氧堆肥的主要目的是资源化和无害化，即通过微生物 的好氧发酵活动促使垃圾中的易降解有机物向稳定的类腐 殖质转化，杀死病原菌和寄生虫卵，钝化重金属，高度腐熟 的、满足土地安全施用标准的有机肥 （营养土 ）。而生物干化 的目的是在尽可能短的时间内去除垃圾尽可能多的水分，实 现脱水干化和减容减量。其产物一般不以土地农用为目的， 而是填埋处

18、置或焚烧回收热值，因此不需要达到高度腐熟。 在以焚烧为最终处置目标时甚至要求适当限制微生物的降 解能力，尽量保持产物中的有机组分，从而提高产物热值。由于不进行土地农用，生物干化产物只需达到部分稳定 化和无害化，满足短期保存和运输即可，因此对高温保持时间和腐熟期没有要求。相比好氧堆肥处理，生物干化的发酵 周期更短，约为好氧堆肥周期的1/2-1/3 ，因此其占地面积和单位产量投资成本大幅度减少，具有很强的工艺技术优势。生物干化技术适用性强，无论是混合收集垃圾，还是分 类之后的垃圾均可。在欧洲等国家普遍应用，作为制作衍生 燃料（ RDF ）或者作为垃圾焚烧预处理手段。意大利的 Eco-Deco、希腊Herhof、德国Nehlsen公司都拥有该技术， 并在多个国家建有生物干化工程。七、垃圾衍生燃料垃圾衍生燃料（RDF）,是指将垃圾中的可燃物（如塑料、 纤维、 橡胶、 木头、 食物废料等 ）破碎、 干燥后， 加入添加剂， 压缩成所需形状的固体燃料。 RDF 的概念最早是由英国于 1980 年提出并用于实践。 后来美国、 德国等西方发达国家迅 速投资进行研发并将成果应用于实践。美国是世界上利用 RDF 发电最早的国家 ,已有