能量自给型城市生活垃圾堆肥系统
摘要: 根据垃圾是资源，资源要利用这一原则，在长期的垃圾堆肥及垃圾能源利用的研究和技术开发基础上，提出了能量自给型城市生活垃圾堆肥系统，即：可用物资（废纸、金属、玻璃等）的回收再生利用；易腐有机物的堆肥处理；高热值不易腐有机物的能量利用；灰渣的固化处理，实现灰渣的材料化。该系统一方面可以大大利用垃圾中易腐有机物，降低垃圾复合有机肥的生产成本，另一方面由于选取较小的发电装机容量还可以使系统的建设成本大大降低，避免垃圾发电上网问题。该系统适合国情，拥有广阔的市场前景，由此产生的社会和经济效益都将是相当可观的。
关键词: 能量自给型城市,生活垃圾,堆肥系统
1.前言
目前，我国垃圾的历年堆存量已达到60亿吨，全国200多座城市已陷入垃圾围城之中。1997年，全国的垃圾产量达到了1.4亿吨，而且还在以每年8~10%的速度增长。在国内的一些大城市，如北京、上海，垃圾日产量已超过12000吨。1998年夏，上海市的城市生活垃圾日产量曾达到14000吨。两地占地50平方米以上的“垃圾山”超过6000座。迄今为止，我国绝大多数城市生活垃圾仍以露天堆放、填埋为主，不仅占用了宝贵的土地资源，而且对环境造成了严重的二次污染。能否妥善解决垃圾问题，是关系到国计民生的一件大事。
根据垃圾是资源，资源要利用这一原则，在长期的垃圾堆肥及垃圾能源利用的研究和技术开发基础上，提出了能量自给型城市生活垃圾堆肥系统，即：可用物资（废纸、金属、玻璃等）的回收再生利用；易腐有机物的堆肥处理；高热值不易腐有机物的能量利用；灰渣的固化处理，实现灰渣的材料化。该系统一方面可以大大利用垃圾中易腐有机物，降低垃圾复合有机肥的生产成本，另一方面由于选取较小的发电装机容量还可以使系统的建设成本大大降低，避免垃圾发电上网问题。该系统适合国情，拥有广阔的市场前景，由此产生的社会和经济效益都将是相当可观的。
2.垃圾处理技术概述
解决垃圾问题的目标是将垃圾减容、减量、资源化、能源化及无害化处理。目前主要有三种方法：卫生填埋、堆肥及焚烧处理。以下对这几种技术作一简单比较。
1）填埋技术
填埋技术的特点是操作简单，可以处理所有种类的垃圾。但占地面积大，同时存在严重的二次污染，例如垃圾渗出液会污染地下水及土壤，垃圾堆放产生的臭气严重影响场地周边的空气质量，另外，垃圾发酵产生的甲烷气体既是火灾及爆炸隐患，排放到大气中又会产生温室效应。近年来有的城市已经认识到这一问题，建立了一批具有较高水平的卫生填埋厂，较好地解决了二次污染问题，但建设投资大，运行费用（包括规范的填埋、渗出液处理及甲烷收集利用等）高。最关键的是填埋厂处理能力有限，服务期满后仍需投资建设新的填埋场，进一步占用土地资源。以北京为例，如果采用现在的技术，将北京市12000吨/日的垃圾进行卫生填埋处理，单是建设投资就高达7.2亿元人民币（不含征地费用），而且填埋场的寿命也只有12年。基于以上原因，国外从80年代以来，卫生填埋设施有逐渐减少的趋势，成为其它处理工艺的辅助方法，用来处理不能再利用的物质。
目前在广东省填埋仍是最主要的垃圾处理方式，如广州1998年 日产垃圾4800吨，完全采用卫生填埋方式处理，两大垃圾填埋场占地740亩（李坑370亩，大田山380亩），设计处理能力为3500吨/日（李坑1500吨/日，设计填埋厚度52米，实际已达62米；大田山2000吨/日，设计填埋厚度70米），而实际处理量在5000吨/日左右，在近两年内都将填满，有关部门正在计划建设新的垃圾填埋场，新的垃圾填埋场预计占地近1200亩，但远离市区，运输距离将超过40km；中山市投入巨资兴建的具有国内先进水平的垃圾卫生填埋场目前尚能消纳每天1000余吨的城市生活垃圾，但其运行费用高达300万元/年（不包括垃圾收集、清运费用），而且只剩大约7年的服务期；另外，有些城市如江门，正准备投资上亿元建设现代化的垃圾卫生填埋场。
2）焚烧技术
对垃圾进行焚烧处理减容、减量及无害化都很高，焚烧过程产生的热量用来发电可以实现垃圾的能源化，是一种较好的垃圾处理方法。但对焚烧条件控制不当会存在烟气污染问题，且设备投资巨大。国外目前通过改进焚烧系统工艺及强化尾气处理等手段已经较好地解决了尾气污染问题，但投资也相应增加。如果引进国外技术进行垃圾焚烧发电，每处理100吨/日垃圾的建设成本接近1亿元人民币，我国的地方财政难以承受。而吸收国外先进经验，开发自己的垃圾焚烧发电系统，投资可以大大降低，仅为完全引进的五分之一左右，比较适合国情。但即便如此，单纯依靠垃圾焚烧来解决问题的投资也还是相当巨大的。以广州市为例，目前日产垃圾4800吨，如果采用基本国产焚烧发电技术和设备，其投资依然高达近10亿元人民币，而且垃圾产量正逐年以8%左右的速度增长，意味着每年新增垃圾焚烧发电建设费用8000万元，如果再加上从收集、清运到焚烧发电装置的运行费用，地方财政势必会不堪重负。
另一方面，垃圾焚烧发电的经济性也值得进一步探讨。同常规燃煤发电相比，垃圾焚烧电厂的发电装机容量都很小，而且由于腐蚀问题，目前垃圾焚烧发电的效率一般不超过15%，远低于燃煤发电的水平。另一方面，我国的垃圾热值远低于发达国家，低位热值通常在4000kJ/kg左右，而美国、日本等国垃圾热值可达10000kJ/kg以上，因此我国相同重量的垃圾发电量尚不能达到发达国家的一半。如果垃圾热值为5000kJ/kg，按15%的发电效率计算，每100吨/日垃圾处理量配套的装机容量不超过1000kW， 1000吨/日处理量的垃圾电厂实际发电量不超过9000kW，与燃煤电厂相比这个规模实在是太小了，势必会导致运行成本的大幅度提高。电价无法同火电竞争，如果不依靠政府的财政补贴，垃圾电厂将不能维持运行，当然也就谈不上产生多少经济效益了。
表1 北美生活垃圾组成
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*：平均含水量25%；平均无机物含量约20%；有机物灰份5%
表2广东省内的垃圾电厂
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为降低建设成本，省内许多地方已相继建设了一些小型的垃圾焚烧装置。如东莞市厚街镇目前已投资2000万元，建成了400吨/日规模的固体废物焚烧装置。其共同的特点是单台炉的处理能力较小，一般在50吨/日左右，而且无能量回收装置，处理成本（不含收集、运输费用）通常在50元/吨左右，有的甚至超过100元/吨。这些装置在一定程度上解决了当地的垃圾问题，但长远来看，由于其垃圾炉的结构设计不合理（基本都是由卧式燃煤锅炉简单改造而成），没有充分考虑垃圾与煤在性质上的巨大差异，因此尾气排放中必然含有大量的污染物。另外，直接照搬燃煤锅炉的炉排，导致维护工作量巨大，年运转负荷率较低。
3）堆肥技术
堆肥技术的工艺也比较简单，适合于易腐有机质含量较高的垃圾处理，对垃圾中的部分组分进行资源利用，且处理相同质量的垃圾投资比单纯的焚烧处理大大降低。堆肥技术在欧美国家起步较早，目前已经达到工业化应用的水平。但引进国外技术投资巨大，不适合我国国情。针对这一情况，我国一些研究单位和企业已经开始了这方面的工作，并取得了一定的成绩。
发达国家由于生活垃圾中的易腐有机物含量大大低于我国的一般水平，因此靠堆肥只能处理15%（表1）左右的垃圾组分，这在一定程度上阻碍了堆肥技术的推广。但就广东省的具体情况来看，生活垃圾中的易腐有机质（主要是厨余）含量都在50%左右，因此采用堆肥技术可以达到比较好的处理效果。
但堆肥技术也存在明显的缺点：不能处理不可腐烂的有机物和无机物，因此减容、减量及无害化程度低。因此仅仅依靠堆肥处理仍然不能彻底解决垃圾问题。
目前在广东省的一些地方，简单的垃圾“堆肥”已经在一些填埋场应用，并产生了一定的效益。但是这与我们所讲的垃圾堆肥技术相去甚远，因为在这些地方仅仅是将生活垃圾填埋，靠自然发酵，若干年后再挖掘出来，筛去其中的塑料等不腐烂的物质后就当作肥料出售。实际上用这种肥料种植果树、蔬菜及粮食是危险的，原因是由于垃圾中不易腐有机组分（纸、塑料、布、橡胶等）的重金属（Pb,Cd,Hg等）含量很高，占垃圾中重金属总量的85%以上，如果这类物质与易腐有机物长期共同埋于地下，加上雨水的作用，重金属必然会渗入最终的有机肥产品中，用这种肥种出来的食品重金属的含量必然超标，危害人体健康。因此，堆肥技术必须是将新鲜的垃圾首先进行分类后再将易腐有机组分进行发酵，才能有效地防止重金属的渗入，从而保证有机肥产品达到国家标准，真正实现无害化和资源化。
4）其他技术
卫生填埋—自然发酵—沼气收集—燃气发电。该技术已于1998年10月在杭州天子岭废弃物处理总场建成投产，外方总投资350万美元（不含征地费用），装机容量1940kW，平均功率1800kW，发电并入华东电网，已产生了一定的经济效益。该工艺的优点是对垃圾进行了部分资源化利用，并减少了填埋场温室气体的排放，减少了填埋场的火灾隐患。但该工艺也存在明显的缺点：
•由于只对填埋气体进行资源化利用，因此资源化利用程度低；
•对填埋工艺要求（如防水、覆土、压实）高；
•需封场或部分封场进行抽气，所需垃圾的填埋量在100万立方米以上，因此只适合于大型或超大型的卫生填埋场；
•对正在填埋中的工作面产生的沼气无法利用；
•同垃圾焚烧发电工艺一样，也需要政府政策上的优惠（合理的收购电费，减免税收）及财政补助，以维持正常的运行及保证合理的投资回报率。
3.广东省垃圾情况概述
1997年，广东省的城市生活垃圾的产量达到740万吨，基本上呈逐年上升的趋势。以广州市为例，城市生活垃圾的产量从1990年的105万吨增加到1996年的176万吨，平均年增长率超过10%，不过近两年来广州市的城市生活垃圾产量增加的速度已明显减慢。然而在广东省的一些城市，生活垃圾增长的势头依然强劲。
广东省是我国经济较为发达的省份。随着经济的发展及人民生活水平的提高，近年来垃圾组成及性质已发生了明显的变化。总的来说广东省的城市生活垃圾有以下几个特点：
（1）从垃圾组成来看，无机物含量较低，塑料、废纸及厨余的比例较高。
表3是广东省几个城市的垃圾组成分析结果。由于广东省民用燃料气化率很高（基本达到90%以上），因此在生活垃圾中无机物（不含玻璃、金属）的含量比国内许多城市要低（重庆31.6%，石家庄38.5%，大连26.3%，太原36%，一些燃煤为主的城市无机物的含量甚至达到70-80%以上），而废纸、塑料含量高（重庆17.0%，石家庄7.9%，大连8.4%，太原6.1%）。
表3 广东省城市生活垃圾的组成分析*
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*：广州市垃圾组成数据为1998年平均值；中山垃圾为1999年3月填埋场取样值；深圳垃圾为1999年3月深圳某区取样值；新会市垃圾为1999年4月居民区垃圾中转站取样值。垃圾水分范围为40-60%。
（2）从物化性质上看，由于广东城市生活垃圾中灰渣含量低、纸和塑料等易燃有机物含量高，一方面导致垃圾的容重较小（不到300kg/m3，而全国其他许多城市则达到500kg/m3 左右），另一方面使得垃圾的热值较高，广东省（尤其是珠江三角洲地区）城市生活垃圾低位热值通常在4000-5500kJ/kg范围内。
（3）垃圾产量的季节性变化。就城市生活垃圾而言，广东省内各城市一年中垃圾的产量有一定的变化规律。如广州市1998年通常垃圾产量4800吨/日，但在春节期间垃圾的产量大大高于这个数值。1998年春节期间，垃圾日产量达到9000吨，而1999年春节期间垃圾日产量甚至达到11000吨。这与广东人的过年习俗密切相关。广州是中国著名的花城，春节前人们习惯买花，而过完春节鲜花枯萎后就变成了垃圾，导致春节后垃圾产量猛增。
4.发展能量自给型城市生活垃圾堆肥系统，解决垃圾问题
综上所述，单纯地依靠某种技术来处理城市生活垃圾都不是适合国情的解决垃圾问题的根本方法。
就目前情况来看，由于我国对垃圾焚烧发电电力上网方面的政策尚不完善，因此靠垃圾焚烧发电，工厂自用电以外剩余电力上网售电时机还不成熟。而且，垃圾热值低，焚烧发电装机容量较小，发电成本高，与常规发电相比电价也没有竞争力。从经济性角度来讲，垃圾焚烧发电并不是垃圾资源化利用的最佳出路。
垃圾是资源，这一点已成为人们的共识。因此，单纯地“处理”垃圾是不科学的，必须因地制宜，针对垃圾中组分的多样性，以资源、能源回收为出发点进行综合利用，即建立能量自给型城市生活垃圾堆肥系统。包括以下几个方面的内容：
1.可用物资（废纸、金属、玻璃等）的回收再生利用；
2.易腐有机物的堆肥处理；
3.高热值不易腐有机物的能量利用；
4.灰渣的固化处理，实现灰渣的材料化。
目前国内已有单位开始了这方面的尝试，但是由于技术上的问题，资源、能源的利用效率低，还不能利用垃圾自身的能量解决工艺过程的高能耗问题，系统运行成本高，技术含量低，不利于产业化推广。发展垃圾综合利用系统，应以系统能量自给为目标，一方面可以大大降低生产成本，另一方面由于选取较小的发电装机容量还可以使系统的建设成本大大降低，更适合国情，拥有广阔的市场前景，由此产生的社会和经济效益都将是相当可观的。
5.能量自给型城市生活垃圾堆肥系统中需解决的关键问题
1.堆肥工艺的进一步改进包括四个方面的内容：
•分选技术、设备的改进
•开发新菌种，缩短发酵周期，减少投资和占地
•简便造肥技术的研究与开发
•微生物脱臭技术的研究应用
2.能量利用系统
无论用那种垃圾能利用方式（热解、气化或燃烧），能量的高效、稳定的利用要求垃圾原料的物化性质尽可能稳定，而原生垃圾很难达到这个要求。另外，垃圾直接热处理会产生大量的HCl，不仅会造成设备的腐蚀，而且污染环境。而RDF（垃圾衍生燃料）是解决这些问题的最佳出路。RDF的热解、气化、燃烧特性及其制造工艺，以及相应工艺过程和设备的研究开发，可以从根本上解决腐蚀问题、提高能量利用效率，最大限度地降低能量利用过程中产生的环境污染。
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