城市固体废弃物处置技术的现状及展望

2023-01-03翁慧颖

环境保护与循环经济 2022年7期

翁慧颖

（上海环境保护有限公司，上海 200233）

1 引言

城市固体废弃物是在城市居民日常生活中产生的或为城市居民日常生活提供服务的活动中产生的固体废弃物，主要包括居民区、学校、医院、工作场所产生的生活垃圾以及绿化垃圾和建筑垃圾［1］。城市固废的管理及处置技术均存在缺陷和不足，从管理角度看，缺少全面系统的城市固废分类方法、行之有效的源头减量及回收措施、精准透明的固废成分信息；从处置技术角度看，资源利用程度低、二次污染较为严重且缺乏经济性，这些不足推动着城市固废处置管理和技术的创新和发展。

2 城市固废的处置技术

城市固废大体上可分为七大组分，包括食物残渣、庭院垃圾、纸张和纸板、金属、木材、塑料和玻璃［2］。这些固废的产生与处置均可能对气候、人居环境及人体健康造成严重影响。城市固废的厌氧消解及固废填埋场的厌氧环境均可能产生大量的甲烷气体，从而提高温室效应发生的概率；城市固废的堆存和不及时清运可能为蚊子、蟑螂、老鼠等有害动物提供栖息场所，从而造成传染病的流行，下水道的阻塞可能导致饮用水携带病菌，从而严重影响人体健康；城市固废的露天焚烧释放大量有毒有害气体（比如二英），靠近填埋场、有机固废堆肥区域的居民区长期处于污染环境，均可导致婴儿的先天疾病、癌症、呼吸系统的疾病等。总之，污染物质可能通过摄入、呼吸、皮肤接触3 种暴露途径触达人体，一旦污染物质的毒性及量达到临界值，则可能对人体健康造成长期影响［3］。城市固废的倾倒与处置对于生态环境同样有负面影响，电子设备、医疗废物及有毒的商业垃圾一旦被直接丢弃或于露天场所焚烧，有毒有害的化学物质会立刻释放并对野生动植物造成危害。城市固废的填埋可能造成重金属（通常包括Ni，Cr，Pb，Cd）及其他有害物质的析出，污染周边土壤及地表水、地下水环境，重金属还会阻塞植物的导管系统、破坏植物根系而造成植物死亡［4］。

根据国家统计局的数据，2009 年后城市固废产生量连续10 年呈现上升趋势，2018 年达到2.28 亿t，其中2.26 亿t 的城市固废经填埋、焚烧、有机堆肥等技术得到有效处置，处置率达到99%。本文针对目前国内使用较多的处置技术、处置能力及其资源化利用水平进行简要梳理。

2.1 城市固废填埋

城市固废填埋是指利用工程技术手段将城市固废在密封屏障隔离的条件下进行土壤填埋。填埋场在过去10 年作为城市固废的主要去向，其数量已在2018 年达到660 座，占全部城市固废处置量的52%，年平均消纳量达到1.17 亿t。为提升城市固废资源化利用程度，填埋气可作为发电能源使用，但是填埋场可能带来土地资源挤兑、土地污染、渗滤液污染、有害气体释放等问题。

2.2 城市固废焚烧

城市固废焚烧是将城市固废进行高温分解和深度氧化的过程。2018 年，通过焚烧技术消纳的城市固废达1.02 亿t，相较于2009 年的2 000 万t，处置能力提升5 倍。焚烧作为全国城市固废主要的处置技术之一，其占有率达45%。焚烧可将固废的体积缩小90%，同时能用于发电，2017 年由焚烧固废产生的发电量达到35 亿kW·h，可替代550 万t 的发电煤用量，具有较高的经济效益。然而，焚烧技术能量转化效率较为低下，产生的底灰、危废飞灰填埋可能造成重金属及二英的污染问题不容忽视［5］。

2.3 城市固废热解及气化

城市固废的热解及气化可在贫氧条件下将固废转化为固、液、气三态的可再生资源，气态能源为氢气及一氧化碳，液态能源为燃料油，固态能源为焦炭及生物炭［6］。城市固废的热解和气化可将固废中的硫、重金属等大部分有害物质固定于炭黑中，且排气量少，不易造成对大气环境的二次污染。

2.4 有机堆肥及厌氧消解

有机堆肥是一种用于处置有机城市固废的传统技术，通过细菌、真菌、蠕虫等微生物在特定条件下的生物分解作用（特定的氧气含量、温度、湿度等），对固废进行降解，由于固废种类的局限性，其适用范围远小于填埋及焚烧，固废处置量仅占城市固废总量的3%。有机堆肥可将城市固废转化为化肥，堆肥的产物可作为潜在的土壤调节剂或鱼塘水质调节剂。与有机堆肥类似，厌氧消解同样利用微生物的消化作用，而处置目标主要针对家畜粪便、稻草、厨余垃圾、水处理污泥等。然而，由于城市固废分类的欠缺，有机堆肥及厌氧消解的进料固废存在营养成分低、杂质多、重金属含量高的问题，处置过程中产生的恶臭同样危害环境及周边居民的健康［7］。

3 现行处置技术的局限性

3.1 空间及时间资源的消耗

（1）城市固废处置对于空间资源的消耗。作为目前国内使用最为广泛的城市固废填埋技术，具有处理量大、操作工艺相对简单、后期运维费用相对低廉等优点，是世界上大多数国家和地区最为普适的一种城市固废处置技术，但却面临土地资源有限、适宜的填埋场选址不断减少的难题［8］。填埋场周边不适宜建设人群密集场所，如居民区、商业区、办公场所等，一座固废填埋场的建设限制了周边高价值土地资源的开发，存在“邻避效应”及辐射性的影响。

（2）城市固废处置对于时间资源的消耗。由于城市固废的生物处理技术及填埋技术依赖于微生物的消解，而微生物需要消耗大量时间方可达到稳定状态，过程中产生的有毒有害物质及抑制类物质限制了微生物的消解作用，延长了城市固废处置的时间。

3.2 环境二次污染

城市固废的产生毫无疑问对环境造成了多维度的负面影响，而城市固废处置技术同样可能造成环境的二次污染。针对城市固废填埋，填埋场的缺氧环境造成大量甲烷、二氧化碳及其他温室气体的产生，虽然适当的气体导排收集可将填埋气进行资源回用，但仍存在温室气体释放到外界环境中，造成大气二次污染的风险。除此之外，填埋气含有微量的硫化氢、二氧化硫、硝酸根离子、硫酸根离子、磷酸根离子，同样可能造成设备锈蚀及环境污染。填埋场中产生的氯化物可能影响植物、水生生物及微生物的离子平衡，产生的渗滤液对周边土壤和地下水可能造成污染，并进一步影响周边微生物和生态环境。焚烧技术的二次产物包括一氧化碳、氯化氢、氮氧化物、呋喃、多环芳烃、二英等气体及底灰、飞灰、煤渣等。若将底灰与飞灰进行填埋，钙离子及碳酸根离子的析出可能造成填埋场土工布的阻塞。热解及气化技术的环境负面影响虽然小，但其对于操作环境稳定性的高要求及经济投入限制了其大规模应用的可能性［9］。

4 新型城市固废处理技术

由于现有处置技术存在资源挤兑、二次污染、资源利用化程度较低、处置能力欠缺的问题，需要同步发展新技术作为处置能力的补充，或将一部分城市固废利用能耗低、二次污染程度较轻、资源利用程度较高的技术进行处理，通过新技术的引进，不断提升城市固废处置领域的技术水平。

4.1 水泥窑协同处置城市固废

4.1.1 技术简介

水泥窑协同处置是指达到水泥窑入窑标准的城市固废作为水泥窑的可替代燃料或可替代原材料进行协同处理，利用水泥窑焚烧中产生的余热，对经过预处理的城市固废进行无害化处置。水泥是重要的建筑材料之一，每年大约2%的能源消耗来源于水泥工业。与传统的城市固废填埋及焚烧相比，其占地少、投入成本低（利用既有产业）、“邻避效应”弱、公众的认知程度高。大量用于填埋、焚烧的城市固废可转而采用水泥窑协同处置技术进行处理，从而减少二英、飞灰、填埋气等二次污染的产生［10］。

4.1.2 政策导向

2014 年，由国家发改委、工信部等七部门联合发布的《关于促进生产过程协同资源化处理城市垃圾及产业废弃物工作的意见》中指出，水泥窑协同处置技术是实现节能减排、绿色生产目标的关键因素。“十三五”期间，水泥行业的产量及碳排放量受到严控，部分水泥厂在重污染天气持续性或间断性停产，时间长达数月，然而水泥窑协同处置生产线作为环保基础设施持续生产，为水泥厂的营收提供了一定的支撑。截至2013 年，《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》《水泥工业大气污染物排放标准》等相关技术导则规范相继发布，建立起水泥窑协同处置城市固废的完整标准体系［11］。

4.1.3 市场规模

根据统计数据，日处理能力5 000 t 的水泥窑生产线可协同处理200～500 t 的城市固废，即城市固废添加率可达10%，全国每年通过水泥窑协同处置消纳的城市固废可达1.27 亿t，但呈现一定的区域分布特征。由于水泥运输半径较小，区域经济发展水平、人口密集程度、基础设施建设需求直接影响水泥的需求量，故在东南部经济发达地区，水泥窑协同处置城市固废的能力高于中部、西北部地区。

4.1.4 优势与不足

（1）水泥窑协同处置技术的优势。一是处置能力强，水泥窑协同处置年处理能力可达30 000 t，由于水泥窑温度高于普通焚烧回转窑且环境呈碱性，可促进污染物的分解、硫化物的吸收，同时对氯化物、二英、硫氰化物等有害气体的生成有抑制作用。二是建设及运行成本较低，在用地、设备设施投入、后期运维方面均低于其他城市固废处置技术（依赖于水泥厂现存生产线）［12］。三是环保经济性高，可达到“无害化、减量化、资源化”的目标，焚烧废渣再生为水泥原料，提高城市固废资源化利用的附加值和无害化水平，符合绿色、节能、环保、循环经济的要求，顺应市场规律，切实为企业创收［13］。

（2）水泥窑协同处置技术的不足。一是政策支持力度欠缺，相关政策仅提出水泥窑协同处置作为城市固废的补充处置手段，但缺乏指标性的要求、促进的措施及评估标准。二是水泥窑处置缺乏行业的标准定价规范，且协同处置危险废物、一般工业固体废物的价格高于城市固废；缺乏国家或省市级统一的发展方针［14］。

4.2 城市固废制砖

4.2.1 技术简介

随着工业化、城市化进程的加速，市政、建筑等工程建设需求不断提升，而砖块作为常用的建筑材料需求量大、原材料紧缺、环境限制因素多、造价高，黏土是用于砖块制造的常用原材料之一，需要从土壤表层获取，不仅侵占土地资源，同时烧结砖制造产生的废弃物还可能造成环境污染［15］，故利用城市固废制砖的需求显现。根据研究，填埋的城市固废中存在一定数量的细颗粒灰土状物质，其中包括经降解的有机物、土壤、灰尘、木材及其他惰性物质，体积占比高达40%～80%，同时，城市固废焚烧产生的底灰富含硅类元素，若将细颗粒的城市固废或焚烧底灰用作制砖的建筑材料，一方面减少了黏土的用量从而节约了土地资源，另一方面降低了制砖的碳足迹，且能将城市固废中的重金属物质固定于砖块中［16］。目前由城市固废制砖的技术方法主要分为3 类，利用固废代替全部或部分黏土：一是利用窑烧的方式制砖，二是利用固废本身或添加水泥的方式使固废凝结成砖，三是利用地质聚合反应制砖［17］。

4.2.2 政策导向

我国在“十二五”“十三五”期间对《循环经济促进法》《环境保护税法》和《固体废物污染环境防治法》等一系列法律法规进行修订，并针对提高固废资源利用率、减少和避免污染物的产生出台了一系列相关政策，例如针对符合循环经济、减量化、再利用、资源化要求的技术、工艺和产品及相关纳税人，给予国家税收优惠政策或免征环境保护税的奖励［18］。2021 年10 月《国务院关于印发2030 年前碳达峰行动方案的通知》要求，抓住资源利用这个源头，大力发展循环经济，全面提高资源利用效率，充分发挥减少资源消耗和降碳的协同作用，鼓励建材企业使用固废原料，推动建材循环利用，推动能量梯级利用。

4.2.3 优势与不足

（1）城市固废制砖技术的优势。减少渣土类城市固废、焚烧底灰、飞灰的填埋量，降低因填埋产生的土壤、地下水、大气二次污染风险。降低了因生产普通砖而消耗的土壤资源，原料易获取，焚烧飞灰可不作为危废处置，处置成本随之降低；制砖过程的酸性环境使硅、铝、铁的氧化物转化为铝硅酸盐，化学性质更稳定［19］。

（2）城市固废制砖技术的不足。性能相对薄弱，压缩强度、抗压度、吸水性、耐火性等弱于普通砖，或需要经过特殊前处理手段方可正常使用。

4.3 城市固废制陶粒

4.3.1 技术简介

城市固废焚烧作为应用最为广泛的城市固废处置技术之一，其过程中产生的飞灰是危险固体废物，处置成本和技术难度均限制了该技术的进一步发展，需要探寻资源化利用方式。近年来，焚烧飞灰辅以其他固废、辅助剂等材料制备人造陶粒已逐步成为应用较为广泛的处置技术。人造陶粒具有低密度、绝热、高孔隙率、耐冲击性、耐火性和耐聚集反应性等优良性能，得到了广泛的生产与应用。由焚烧飞灰制成的陶粒陶土的质量受许多因素影响，如原料配方和烧成温度，而通过不断改变焚烧飞灰、市政污泥、污染土壤、硬质耐烧土等成分的比例，可以获得最佳的原料配方。根据配方将原料混合、搅拌，加入适量的水，揉成原料球，并进行干燥和烘烤，即可得到磷吸附力强、重金属离子固化能力强的陶粒陶土。例如当焚烧飞灰、市政污泥、污染土壤、硬质耐烧土的质量比为3 ∶4 ∶1.5 ∶1.5 时，以400 ℃的温度预热10 min，并最终升温至1 150 ℃烧结20 min 可达到焚烧飞灰制备陶粒的最佳性能，1 h 吸水率0.97%，体积密度998.7 kg/m3，筒压强度37.84 MPa，重金属的浸出值也远低于GB 5085.3—2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》中重金属的相关标准，可将重金属很好地固定于陶粒中。利用焚烧飞灰制备陶粒作为填料和吸附剂是控制水中磷含量的有效方法，在酸性条件下，随着溶液初始pH 的增加，磷的去除率也逐渐增加；在碱性条件下，陶粒对磷的去除效果不如在酸性条件下明显；当pH 为6.3 时，陶粒具有最好的除磷效果，以焚烧飞灰为原料制备的陶粒、陶土可以更好地固化水中的重金属离子，保护城市水质不受固废渣土的污染。

4.3.2 政策导向

近年来，城市固废陶粒占我国陶粒生产总量逐步攀升，市场份额明显增长。2018 年，《工业固体废物资源综合利用评价管理暂行办法》及《国家工业固体废物资源综合利用产品目录》正式施行，陶粒制品作为主要产品名列其中。开展工业固体废物资源综合利用评价的企业可依据评价结果，按照《财政部税务总局生态环境部关于环境保护税有关问题的通知》和其他相关规定，申请暂予免征环境保护税，以及减免增值税、所得税等相关产业扶持优惠政策，是对于城市固废制备陶粒行业的重大利好。

4.3.3 优势与不足

（1）城市固废制陶粒技术的优势。一是节能。城市固废制备陶粒的能耗是传统陶粒烧制的50%左右，燃烧产生的余热被充分回收利用，热效率可达传统生产工艺的2 倍。二是环保。焙烧温度在1 200 ℃左右，可将有害的各种重金属固熔在陶粒当中避免析出，对于尾矿、土壤、污泥的治理具有重要意义。高温焙烧可将臭味分子去除，避免对大气造成二次污染，确保其绿色环保建材特性，实现“减量化、无害化、资源化”的处理处置目标。三是具有一定的社会效益。城市固废制备陶粒可削减固废填埋体量，释放珍贵的土地资源，固废本身可为陶粒制备提供燃烧热值，节约燃料，降低生产成本。四是环境效益显著。陶粒制备是城市固废消纳的有效途径，可缓解固废填埋对周边地表水、地下水及土壤的污染问题及病原菌和废臭气对环境的污染问题。陶粒轻骨料可作为石料在混凝土原料中的替代产品，可减少对于天然石材的开采，节约天然资源。

（2）城市固废制陶粒技术的不足。产业化潜能仍待开发，由于实验理论研究与产业化应用技术的偏差，以及过度的资本化和市场化带来的技术专业化的欠缺，致使市场规模小、应用不成熟。技术水平相对落后，需根据城市固废原料的特点制造和研究设备，优化和改进制备工艺。精细化、智能化和绿色节能水平较低。在建筑领域的应用仍受性能、工程安全性等种种限制，与传统建筑材料相比，略显欠缺。