垃圾處理前沿技術的比較分析

垃圾處理在已工業化的三大技術——衛生填埋、生化處理和焚燒的基礎之上，通過多年發展及技術更新，逐漸涌現出一批具有前瞻性、先導性和探索性的技術。例如生物反應器填埋技術、生化處理的厭氧消化技術、生物干化、機械—生物處理和垃圾衍生燃料等預處理技術，以及熱解氣化、等離子體焚燒等終端處理技術。下面就這些前沿技術的工藝、成熟度、可行性及適用性進行分析比較。

一、生物反應器填埋技術

生物反應器填埋場按操作方式不同分為厭氧型、好氧型和準好氧型三類。厭氧型生物反應器填埋采取了滲濾液回灌等措施，具有加速填埋垃圾穩定、降低滲濾液濃度、可回收利用沼氣等優點，但其滲濾液氨氮濃度很高、后期COD濃度降解緩慢。好氧生物反應器填埋場在回灌滲濾液的同時鼓入空氣，使填埋場內部保持有氧反應的狀態，大大加快了填埋場的穩定化過程，但因強制鼓風造成運行成本高，一般很少采用。準好氧型生物反應器填埋是通過自然通風手段保持填埋場的局部好氧狀態，比厭氧型穩定速率快，滲濾液氨氮濃度低，同時不需要通風設備和消耗能源，但直接排放的氣體中甲烷含量仍然較高，易造成二次污染。

與傳統衛生填埋滲濾液簡單回灌不同，生物反應器填埋中滲濾液回灌是可控的，為微生物大量繁殖提供了一個最優的生存空間，因此可以達到較快的降解速率，實現快速穩定化。滲濾液回灌可以促進垃圾中有機化合物的降解，縮短產沼時間，增加填埋場的有效庫容量。與常規無控制的衛生填埋方法相比，垃圾填埋氣產量提高75%，減容率增加約4倍，且滲濾液穩定快。

自20世紀70年代起，歐美、日本、澳大利亞等國相繼開始了生物反應器填埋場的研究。威立雅在法國的LaVergne中試填埋場實施生物反應器填埋技術，經過8個月的運營，填埋氣體的產量比普通填埋場高出3－4倍。相關的工程規模集成研究報道在我國國內尚未有。同濟大學承擔的生活垃圾厭氧型生物反應器填埋成套技術及示范項目于2008年12月通過了教育部科技發展中心組織的鑒定。

生物反應器填埋技術與傳統衛生填埋技術相比具有明顯優勢，但是在持久有效性、壓實度、結構特性、氧化—還原環境和費用—效益分析等因素還存在一些不確定性，需要進一步研究。此外，受厭氧填埋場特性的限制，回灌并不能完全消除滲濾液。且回灌后的滲濾液氨氮含量高，仍需要進一步處理后才能排放。

二、厭氧消化技術

厭氧消化又稱為沼氣發酵、厭氧發酵和甲烷發酵，是指有機物在厭氧條件下通過厭氧菌及兼性菌的分解代謝達到穩定化，同時釋放出甲烷和二氧化碳的生物化學過程。厭氧消化是處理有機固體廢棄物的有效途徑之一，能夠在解決環境污染問題的同時，產生清潔能源生物氣和高品質有機肥料。

厭氧消化具有以下特點：(1)經厭氧消化后產生清潔能源——沼氣，可用于取暖、發電和制化學品;(2)消化最終物可作為高質量的有機肥料和土壤改良劑；(3)在有機物質轉變成甲烷的過程中實現了垃圾的減量化；(4)與好氧過程相比，厭氧消化無需氧氣，降低動力消耗，運行成本低;(5)厭氧消化減少了溫室效應氣體的排放量。因此厭氧消化是處理有機廢物較理想的方法。

由于厭氧消化的諸多優勢，有機垃圾的厭氧消化處理成為有機垃圾處理的一種新的趨勢。近年來，該技術在發達國家得到積極開發并獲得應用。有機垃圾厭氧消化系統在德國、瑞士、奧地利、芬蘭、瑞典等國家發展較為迅速，在美國也有一定的應用。應用情況見表1。

在國內，厭氧消化在高濃度有機廢水、污泥、糞便及農業秸稈處理等領域已經有比較成熟經驗，全國各地有較多工程應用。但是生活垃圾不同于以上各種固體廢棄物，特別是現階段垃圾采用混合收集，成分和性質復雜，其基質的發酵條件、微生物生長條件及分解代謝等還有待深入研究。同時，由于我國垃圾不同于其他國家的生活垃圾，因此不能機械照搬國外厭氧消化技術和設備，需要針對我國垃圾性質研究并開發適合的垃圾分類和分選技術及設備。

隨著垃圾分類工作的順利開展，廚余垃圾等有機垃圾與無機垃圾分開收集后，將對厭氧消化的應用和推廣產生積極的推動作用。

三、熱解氣化焚燒技術

熱解是利用有機物的熱不穩定性，在缺氧條件下加熱使分子量大的有機物產生裂解，轉化為分子量小的燃料氣、液體（油、油脂等）。熱分解的生成物，因分解反應條件不同而有所不同。

熱分解與焚燒不同，焚燒只能回收熱能，而熱分解可以從廢物中回收可以儲存、輸送的能源（油或燃料氣等），是熱分解的一大優點。但廢物的熱解因廢物的種類多、變化大、成分復雜，要穩定連續的熱分解，在技術上和運轉操作上要求都十分嚴格。因此，熱分解設備費用和處理成本也較高，熱分解的經濟性就成了能否實用化的一個關鍵。

熱解處理系統主要有兩種：一是以回收能源為目的的處理系統，另一種是以減少焚燒造成的二次污染和需要填埋處理的廢物量，以無公害型處理系統的開發為目的的處理系統。其中，對于前者，由于城市垃圾的物理化學成分極其復雜且變化較大，如果將熱解產物作為資源回收，要保持產品具有穩定的質和量有較大的困難。即使對成分復雜，破碎性能各異的城市垃圾增加破碎、分選等預處理技術，不僅需要消耗大量的動力和極其復雜的機械系統，且總效率又非常低。對于后者，將熱解作為焚燒處理的輔助手段，利用熱解產物進一步燃燒廢物，在改善廢物燃燒特性、減少尾氣對大氣環境造成的二次污染等方面，卻是較為可行的，許多工業發達國家已經取得了成功的經驗。

迄今為止國際上已工業化應用的熱解或氣化技術還十分有限，尤其是在城市垃圾處理上。大部分熱解氣化研究局限在實驗室階段，很多技術面臨著技術環節和經濟效益等難題的阻礙。美國和日本結合本國城市垃圾的特點，開發了許多工藝流程，有些已達實用階段。由于垃圾組分的不同，有些流程在美國適用，但對日本不適用。同樣，我國的城市垃圾成分又不同于美國和日本，這些工藝過程能否用于我國還有待研究。

四、等離子體焚燒

等離子體是物質存在的一種狀態，與固態、液態和氣態并列，稱為第四態。和物質的另外三態相比，等離子體可以存在的參數范圍異常的寬廣（其密度、溫度以及磁場強度都可以跨越十幾個數量級），等離子體的形態和性質受外加電磁場的強烈影響，并存在極其豐富的集體運動（如各種靜電波、漂移波、電磁波以及非線性的相干結構和湍動），因而能量極為集中，并具有極高的電熱效率（85%以上），產生的高溫可以還原一切難以還原和難溶的物質，瞬間即可完成。

等離子體焚燒是一種全新的垃圾焚燒方法， 它沒有傳統的鍋爐， 而是模擬地層中的化工過程，將垃圾氣化。簡單的說， 就是用高壓電弧產生高溫高于太陽表面溫度焚燒垃圾。在這樣的高溫下， 任何東西都會變成氣態或者液態實際上叫等離子體。這時候，一切垃圾都被還原成原子狀態， 所以， 有毒有害物質、病菌、病毒等全部變成了無害物質。

等離子體焚燒火炬中心溫度可高達攝氏一萬度， 邊緣溫度也可達到千度左右。它的處理過程為廢料的分解和再重組過程， 工作原理是在一個密閉空間里， 通過強大的電弧， 使空氣電離產生等離子體， 然后在另一個缺氧的密閉空間里， 有待產生的等離子體對城市固體廢料進行超高溫加熱。在無氧化條件下， 垃圾混合物中的無機物迅速玻璃化， 最后產生的無害熔渣可作為建筑材料。最為重要的是， 高溫可分解固體廢料中的有機分子，在無氧的條件下， 固體廢料中的有機物就會轉化為氫氣和一氧化碳的混和物， 這種混合物， 可以像天然氣一樣作為一般汽輪引擎的能源， 其中的氫氣可進一步純化分離， 作為單獨的燃料。

該技術的主要優點：垃圾焚燒徹底，不污染空氣、水源及周邊環境。由于爐膛溫度大于1200℃，有機物包括傳染性病毒，病菌及其他有毒有害物質都全部裂解分解，產生的氣體、灰燼無毒害；垃圾燃燒后的灰燼體積量大大減少，大約為傳統爐燃灰體積的五分之一，而排放的氣體無黑煙，不需煙囪。裝置的主要優點：結構比較簡單，小型化，占地面積??；不用煤、燃油、天然氣作燃料，只使用電，具有潔凈、衛生；操作運行費用低；操作簡單、啟動停機快、可全部實現自動控制、安全、可靠。

與其他有競爭力的廢物處理過程相比， 電弧等離子體處理廢物比較昂貴。主要缺點在于以電力作為能源， 經濟成本高。但是渦輪機能把合成氣轉化為電能， 蒸汽渦輪機工作原理是通過氣體加熱水， 用蒸汽推動渦輪機產生電能， 轉化率比較低，在15%左右。氣體渦輪機則直接用氣體本身來推動渦輪機的轉動，這明顯是更高效的能量轉換過程。但由于混合氣體中含有少量的氫氯化物和硫氧化物， 渦輪機不可避免地要接觸這些腐蝕性氣體， 因而耗損比較厲害。

國內許多科研機構也開始了這方面的研究， 開發了一些處理高危廢棄物的等離子垃圾處置系統， 取得了一定的成果， 可以處理醫用垃圾、廢棄輪胎和電子垃圾等， 但是離市場化和產業化還有一定的差距。

在國外， 許多國家正致力于等離子體垃圾處理系統的研究， 并且已經有一些成功的例子。例如， 美國“幻想號”游輪上已經安裝了等離子垃圾處理系統，正是這些優點， 使它成為能在巴哈馬（世界上防止海岸污染標準最嚴的地方之一）靠岸時處理垃圾的船只。日本電力中央研究所與環保器材廠家合作，開發出了利用廢料和家庭垃圾高效發電的技術。只要是能夠燃燒的垃圾， 基本上不用分類就能用于發電。

五、機械—生物處理（MBT）

生活垃圾的機械—生物處理技術是現代生物技術在垃圾處理方面應用的典范。在歐洲（特別是德國）應用已有近十五年的歷史。近年來，MBT技術在南美、東南亞等發展中國家也相繼得到了應用。德國每年采用MBT技術處理的生活垃圾600多萬噸。德國的第一代MBT處理工藝可去除20%－30%的有機垃圾，剩余70%左右的垃圾至填埋場填埋。第二代的處理工藝帶有物質分揀系統，垃圾處理后僅為進料量的25%－50%。

垃圾機械—生物處理技術的原理就是利用機械的分選設備，把垃圾中的高熱值的物質、金屬和玻璃等有用物質分離出來加以利用，垃圾中的有機質部分經過生物的好氧或厭氧處理后實施填埋的方法。垃圾機械—生物處理技術的應用，極大地減少了垃圾填埋場的占地面積，減少了垃圾填埋場的氣體和滲濾液的產量。因此該技術的應用，在垃圾的減量化、資源化和無害化處理中起到了很大的作用。

MBT技術包括機械和生物處理兩個部分，可以分別獨立地用于垃圾處理，也可以與其他的垃圾處理技術如焚燒、填埋等結合在一起，共同完成垃圾的處理。在德國及歐洲，MBT技術已成為生活垃圾管理和處理處置系統的重要組成部分。MBT中的機械部分主要利用分選和篩分等設備對垃圾中的高熱值的組分，如塑料、紙張、木材等進行分離；生物處理部分依賴好氧降解、厭氧發酵或兩者結合的技術工藝對生活垃圾中的易腐有機質進行降解。

六、生物干化

生物干化(Biodrying)最早是由美國康奈爾大學Jewell 等人于1984年提出，也叫做生物干燥、生物穩定。通常，生物干化即通過采取過程控制手段，利用微生物高溫好氧發酵過程中有機物降解所產生的生物能，配合強制通風促進水分的蒸發去除，從而實現快速干化的一種處理工藝。

其特點在于無需外加熱源，干化所需能量來源于微生物的好氧發酵活動，屬于物料本身的生物能，因此是一種非常經濟節能的干化技術，這也是生物干化與其他干化工藝(如熱干化)的最大區別。作為現代化的工業技術，生物干化的另一個特點是加入了人為的過程控制策略，對物料進行強制鼓風，從而促進整個干化過程，縮短干化周期。同時具備這兩點才能算真正意義上的生物干化工藝。

由于好氧堆肥過程對物料也有一定的生物干燥作用，很多研究工作者將好氧堆肥等同于生物干化，而實際上兩者在工藝目的和工藝參數上有很大的差別。

好氧堆肥的主要目的是資源化和無害化，即通過微生物的好氧發酵活動促使垃圾中的易降解有機物向穩定的類腐殖質轉化，殺死病原菌和寄生蟲卵，鈍化重金屬，高度腐熟的、滿足土地安全施用標準的有機肥(營養土)。而生物干化的目的是在盡可能短的時間內去除垃圾盡可能多的水分，實現脫水干化和減容減量。其產物一般不以土地農用為目的，而是填埋處置或焚燒回收熱值，因此不需要達到高度腐熟。在以焚燒為最終處置目標時甚至要求適當限制微生物的降解能力，盡量保持產物中的有機組分，從而提高產物熱值。

由于不進行土地農用，生物干化產物只需達到部分穩定化和無害化，滿足短期保存和運輸即可，因此對高溫保持時間和腐熟期沒有要求。相比好氧堆肥處理，生物干化的發酵周期更短，約為好氧堆肥周期的1/2-1/3，因此其占地面積和單位產量投資成本大幅度減少，具有很強的工藝技術優勢。

生物干化技術適用性強，無論是混合收集垃圾，還是分類之后的垃圾均可。在歐洲等國家普遍應用，作為制作衍生燃料（RDF）或者作為垃圾焚燒預處理手段。意大利的Eco-Deco、希臘Herhof、德國Nehlsen公司都擁有該技術，并在多個國家建有生物干化工程。

七、垃圾衍生燃料

垃圾衍生燃料（RDF），是指將垃圾中的可燃物(如塑料、纖維、橡膠、木頭、食物廢料等)破碎、干燥后，加入添加劑，壓縮成所需形狀的固體燃料。RDF的概念最早是由英國于1980年提出并用于實踐。后來美國、德國等西方發達國家迅速投資進行研發并將成果應用于實踐。美國是世界上利用RDF發電最早的國家，已有發電站高達37座，占垃圾發電站的21.6%。日本政府于20世紀90年代開始支持該技術的引進和研發工作。目前日本興起了建設RDF的熱潮，近幾年已有十幾家大公司對RDF工藝投入大量資金進行RDF資源化研究和開發。如日本川崎重工業公司、三菱重工業公司、日立造船公司等，已取得很好的業績。日本政府極其重視RDF利用技術，把它作為國家推廣的垃圾處理方式、方向。

最近，由中國科學院廣州能源研究所與日本名古屋大學、豐田汽車公司共同研制的垃圾衍生燃料中試熱態試驗裝置，在廣州能源所五山園區建成，為我國推廣RDF技術成功地邁出了第一步。

（責任編輯：文雪峰）