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关键词:城市生活;垃圾焚烧;发电二 英
目前,我国许多城市陷入了垃圾包围的状态。垃圾不仅污染环境,威胁人类健康,庞大数量的垃圾更侵占了大量的土地。资料显示,全世界垃圾年均增长速度为8.42%,中国垃圾增长率达10%以上,中国已成为垃圾包围城市最严重的国家之一。垃圾数量日益增长,危害人类健康,压缩人们生活的空间。垃圾减量化、无害化、资源化处理,使“放错地方的资源”合理利用已经成为当务之急。
1 垃圾处理途径和特点概述
填埋、堆肥和焚烧是垃圾处理的主要途径:垃圾填埋方式需占用大量的土地资源,填埋产生的恶臭气体(甲烷、二氧化碳)和渗滤液,直接污染大气、地表水源和地下水源。随着我国社会经济发展,垃圾填埋和城市化进程矛盾不断加深,城市生活垃圾填埋已经难以为继。堆肥是处理与利用垃圾的一种方法。利用垃圾或土壤中的微生物,使垃圾中的有机物降解,形成一种类似腐蚀质土壤的物质,常用作肥料改善土质。其优点是投资较低、技术简单、垃圾分解后作为肥料再利用;缺点是对垃圾分类要求高、分解中会产生气体污染环境。该方法适用于垃圾分类系统较完善、可降解有机物含量较高的城市垃圾处理。2013年欧盟人均产生481公斤垃圾,其中有43%被分类回收或堆肥。焚烧是垃圾处理“三化”的有效方式。焚烧后垃圾的质量、体积约为原来1/10和1/20,约2.5吨垃圾的热值和1t烟煤的热值相当,如将这些垃圾合理应用,我国每年可节煤约5000万吨,与填埋、堆肥方式相比有巨大的优势。西方发达国家在上世纪七十年代就投产了一批焚烧垃圾发电站。我国在深圳、杭州、珠海等城市也投建了多座垃圾焚烧发电站,并取得了良好的效果。近年我国出台了很多政策,例如垃圾处置补贴,垃圾焚烧发电电价补贴、税费减免等政策方针推动垃圾的资源化发展。在良好的政策引导和技术支持下,垃圾焚烧发电供热已发展成为我国城市垃圾“三化”处理的主要发展方向。
2 垃圾焚烧的条件和方式
从燃料角度来说,燃烧热值达一定值时,才能从设备、能量的投入中获得收益。当垃圾发热值>5000kj/kg时燃烧稳定,燃烧效果较好;而发热值≤3344kj/kg时,燃烧不稳定,此时需投燃油助燃。垃圾中含水量较大,需要在焚烧前进行干燥处理,一些垃圾处理过程产生有害的剧毒物质,需进行分类,这些预处理和分类会加大设备和运行的投入。垃圾焚烧技术主要有三大类:层状燃烧技术,主要是炉排炉燃烧;旋转燃烧技术,主要是回转窑燃烧;流化床燃烧技术,主要是循环流化床燃烧。
2.1 层状燃炉技术
炉排炉从上往下分为几层炉排,炉排由传动装置带动,上下各层炉排运动方向相反。垃圾燃料通过进料装置进入炉排随炉排依次由上往下移动、燃烧;燃烧产生的高温烟气经辐射和对流的方式传热给锅内给水产生高温高压蒸汽带动汽轮机发电机,低温烟气经除尘、脱硫脱销等设备达标后由烟囱排出。在炉排移动过程中,垃圾燃料依次通过干燥区、燃烧区和燃尽区。在干燥区完成垃圾燃料的干燥和加热,挥发出可燃气体等过程,是燃烧的准备阶段,需要的空气量少;在燃烧区完成垃圾燃料和可燃气体的燃烧,需要鼓入大量空气;燃尽阶段是燃料燃尽排渣阶段。垃圾组分不同,各阶段所需时间和空气量也同,合理控制炉排运转速度、给料层厚度和风量配比,才能获得更好的焚烧效果。这种燃烧方式对入炉垃圾要求不是很高,不需进行严格的预处理。但焚烧垃圾的炉排的材质规格和加工精度很高,传动机械的结构也较复杂,故设备的投入、运行和维护成本也较高。西方发达国家普遍采用这种燃烧技术,且已发展得较为成熟。
2.2 回转炉技术
炉体为倾斜的圆筒形,内壁采用耐火砖砌筑或水冷壁敷设。炉筒由电机带动旋转,内壁上有挡板,垃圾燃料由筒体旋转从下部反复带到上部,靠自重落下,与鼓入的空气和高温烟气进行充分接触,因而燃烧比较完全。调节筒体转动速度和风量即可控制燃烧,操作简单,焚烧均匀、速度快,运行和维护成本较低。回转炉的热效率较低,燃烧中会伴随着臭味,需加装脱臭装置或导入高温后焚烧。国内外一般用于医用垃圾的焚烧。
2.3 流化床技术
循环流化床的原理是燃料在流化状态下燃烧。一定颗粒燃料和脱硫用的石灰石经给料器进入炉床,空气通过炉床以一定速度向上吹入炉膛,粒状燃料在炉床上翻滚和燃烧,与空气和高温烟气充分接触,呈流化状。粗粒在下部燃烧,细粒在上部燃烧,吹出炉膛的粒子进入旋风分离器分离后,再进入炉膛中循环燃烧,燃尽后的灰渣经冷渣器后排出炉外。循环流化床着火稳定性很好,低负荷时燃烧稳定性也很好;燃料适用性广,对焚烧热值低、水份高的城市生活垃圾有很好的适用性;负荷调节范围较大,炉效率可达95%以上。循环流化床独特的燃烧方式和机理,其有害物质如氮氧化物、二 英等的产生和排放量少于其他方式,循环流化床锅炉被公认是垃圾焚烧产生二 英最少的锅炉。
3 垃圾焚烧技术中的问题
3.1 二 英
二 英是垃圾焚烧中含氯化合物产生的一种强致癌、毒性物质。目前抑制二 英产生的主要技术措施是“3T”原则:温度控制,提高炉膛温度;过程时间控制,提高高温区停留时间;过程扰动控制,提高扰动强度。另外控制燃烧的过量空气系数,采用活性炭吸附等措施也可减少二 英的产生和排放。
3.2 二氧化硫和氮氧化物
和化学燃料一样,垃圾焚烧会产生硫、氮的氧化物。垃圾焚烧电厂主要采用传统的脱硫脱硝工艺,使得烟气达到排放标准。
3.3 焚烧的灰渣
垃圾焚烧会产生飞灰和炉灰渣。这些灰渣中不仅含有二 英,还富含重金属元素(如铅、镉、铬、锌等),对人们健康的危害极大,须将垃圾焚烧后的灰渣作为危险固体废物进行处理。目前国内外主要采用飞灰固化和飞灰稳定化进行处理,如采用水泥固化填埋、密封填埋、和化学稳定后填埋等方式处理垃圾焚烧后灰渣。
3.4 渗滤液
垃圾堆放和处理会产生大量成分复杂、危害较大的渗滤液,其COD>8000mg/L,BOD>5000mg/L,会污染地表水和地下水,必须进行无害化处理。采用垃圾渗滤液回喷燃烧装置将其送入炉中燃烧是焚烧垃圾发电站的一种做法。目前对垃圾渗滤液尚无成熟的处理工艺,各研究和科研机构的研究方向主要集中在电解、催化湿式氧化、膜生物反应器等。
4 结束语
城市垃圾“三化”处理,不仅能缓解垃圾给大气、水源、土地带来的压力,还能充分利用再生能源,产生经济效益。随着社会进步和经济发展需要,越来越多的城市生活垃圾焚烧供电供热站将陆续投入运行,随之也带来了二 英、重金属,等二次污染问题。我们只有不断深入学习和探索,不断研究和发展,完善垃圾焚烧技术并使之成熟,才能使社会生活、经济效益和环境保护和谐统一,才能促进社会经济环境资源的可持续发展。
参考文献
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对一个并不年轻的父亲来说,仅仅因为这个孩子,就可以理解他为什么反对政府在3公里外兴建垃圾焚烧厂的计划。“我希望看到一个干净的广州”,黄立川摸着孩子的后背说,“我希望他能健康地长大。”
“散步”改变政府态度
关于番禺垃圾焚烧厂的争议已经告一段落。
11月23日是广州市城管委成立后首次局长接待日,几百名反对兴建焚烧厂的番禺居民先后赶到城管委和局前上访,随后到广州市政府门前“散步”。接访人员坚持根据条例规定,上访者必须选派5名代表陈述意见,但这个提议遭到了拒绝。不断有人出面向上访者宣读广州市长张广宁在一封群众来信上的批示,批示要求广州市有关部门和番禺区政府认真听取公众意见,妥善处理此事,但并没能安抚上访者的情绪。
毫无疑问,这是非常罕见并且严重的事情。广州市副市长苏泽群接到报告后前往接访,但由于在选派代表的问题上存在分歧,副市长先是在广州市局的办公室里等了3个小时,下午又赶到番禺区局继续等待,却一无所获。他距离上访人群最近的时候只是一墙之隔,双方却始终没能碰面。
更具戏剧性的是,当天上午,正值番禺的居民在广州市中心“散步”的时候,番禺区却在召开一个听取居民对垃圾焚烧厂的意见的会议。30名居民代表参加了会议,并且在会场看到了番禺区区长楼旭逵。据《番禺日报》次日的报道说,与会的居民代表对区长亲自参加了会议感到非常意外。
“感谢市民认真负责、富有诚意的意见”,楼旭逵在这次会议上说,“我说过项目环评不通过,绝不开工,今天我再加一句,绝大多数群众反映强烈,也绝不开工。”
这番表态被看作是政府态度的一个转向。在此之前,番禺区和广州市政府强调的重点一直是垃圾焚烧比填埋更优越,要么就说番禺的垃圾焚烧厂是广州市重点推进项目。
番禺区随后发动了一轮宣传攻势,鼓励居民就垃圾焚烧厂的选址一事进行公开讨论。番禺区“四套班子”的一份倡议书号召,“运用文明的物质、文明的精神、文明的生态、文明的政治实现垃圾处理物质上文明、精神上文明、生态上文明、政治上文明”,希望居民“客观、理性、文明”地表达民意,用半年时间,“寻求垃圾处理的最优办法”。
垃圾背后的秘密
焚烧是一种有争议的垃圾处理技术。支持者认为,现有技术水平能够很好地控制有毒气体二恶英的排放,反对者则对此嗤之以鼻。绝大多数垃圾焚烧厂附近的居民强烈地反对垃圾焚烧,他们认为,垃圾运输和焚烧过程不仅污染环境,还导致当地癌症发病率畸高。
包括建设部、国家环保总局在内的中央部委――尤其是发改委,一直支持垃圾焚烧技术,将其视为代替垃圾填埋的优先选择。
在黄立川位于广州碧桂园小区的公寓楼顶,本来可以看到原定要修建垃圾焚烧厂的位置,但放眼望去,视野里的一切都像是隔了一层毛玻璃。这座城市的空气污染全国知名(著名的呼吸系统专家钟南山院士说,50岁以上的广州人肺都是黑的),加上碰到了今年最严重的灰霾,黄立川没能将这个位置指认出来。
番禺是广州南面珠江口西北岸一个滨江临海的小县城,2000年被划入广州市区,以满足广州对土地不断增长的需求。被纳入广州市区之后,番禺的户籍人口只增加了6万人,但流动人口却增长了一倍以上。这个总人口250万人的城区现在每天产生1600多吨生活垃圾,有一座日处理能力1200吨的垃圾填埋场和5座每天处理600吨垃圾的小型填埋场和焚烧场。番禺不仅要处理本地的垃圾,还要承接来自中心城区的生活垃圾。随着填埋场即将填满封场,垃圾处理的难题困扰着当地官员。
最后,他们决定建一座每天能处理2000吨垃圾的焚烧发电厂,一劳永逸地解决这个问题。厂址就选在距离广州碧桂园3公里之外的会江村。看上去,这是个一举多得的决定。首先,番禺的土地紧张,改填埋为焚烧有利于节约用地;而会江村本来就有一座垃圾填埋场;这座垃圾填埋场曾改建为简易的垃圾焚烧厂,但因为严重污染环境而停止运行,新的焚烧厂一旦上马,可以看作是“综合整治”的一部分。
选址是从2003年开始的,2006年选定了会江村,但一直到2009年9月,黄立川才从网上知道这个消息。
这个漫长的过程中,陆续有零星的关于垃圾焚烧厂的信息出来,但从来没有引起过当地居民的注意。事后媒体的调查显示,番禺区政府对垃圾焚烧厂选址一事刻意保持沉默,连这块地皮所在的会江村的村民,大多也对此一无所知。区长楼旭逵接受中央电视台采访时证实了这一点。他说,只有小范围的人(会江村村长和少数村民)才知道此事。直到3公里以外的小区居民介入此事,信息垄断的局面才被打破。
“散步”如何可能?
广州的“散步”活动很容易让人想到两年前的厦门PX事件。2007年,厦门市民反对有污染和没有通过环评的PX项目落户在自己的城市,他们先是在网络上表达自己的担忧和愤怒,接着发生了大规模的“散步”,抗议厦门市政府有违行政程序的做法。在持反对意见的专家的帮助之下,他们最终取得了胜利;PX项目最终放弃了厦门,迁址漳州古雷半岛。
厦门和广州都属于经济相对发达的东部地区,城市化程度高,其中大量受过良好教育的年轻居民是熟练的网络用户,这带来了表达和组织的便利;后者还有活跃和富有批评精神的媒体。这一切营造了一个使人们能够参与讨论公共事务――尤其是与他们的利益切身相关的议题的氛围。
成功的案例也鼓励了后来的参与者。在反对兴建垃圾焚烧厂的活动中,厦门市民反对PX项目的经验常常被提到。厦门人的经验同样被番禺人所吸收。他们在论坛上开了专门的板块,吸引网友对垃圾焚烧问题进行讨论,活跃的ID不断地上传相关资料,给其他人的讨论尽可能地提供了材料的支撑。这些资料大多来源于网络(包括媒体报道和学术文献),但也有一些是他们实地考察得来的。
黄立川从来没有向外界公开自己的手机,但他的电话号码很快就成了一个呼叫中心。少数活跃的居民自然而然会成为抗议行动的核心,这是不可避免的事情,也是事态能够持续发展下去的重要动力。
问题并没有解决
抗议并不是10月23日这天突然发生的。之前已经陆续发生好几次形式各异的抗议活动。在私家车尾部集体贴上环保车贴(上面有“反对垃圾焚烧,保护绿色广州”的字样),征集签名,甚至包括行为艺术。一名丽江花园的女业主还身穿环保T恤、戴防毒面具,在广州地铁一号线和三号线里游走了两个小时,直到被警察带到派出所。
但10月23日的“散步”是最富有戏剧性的。最早的居民当天早晨6点已经在排队,有序而热烈的“散步”场面感染了和此事没有直接关系的人。由于许多人到了现场才开始制作标语,周围的复印店人满为患,有的店主为了表示支持,同意免费复印写有“反对垃圾焚烧”和“尊重民意”字样的标语。
黄立川和在地铁上表演过行为艺术的女业主等人最早进入了接待室。在那里,他们的问题并没有得到满意的答复,但整个“散步”的效果已经超出了预期。“散步”的人们带来了几百张写有标语的纸片、环保招贴甚至口罩,但当他们离开广州市政府大院的时候,地面上很少看到垃圾。这是业主们事先在网上倡议的结果,执行的效果令人满意。他们展示了一个诉求有力而举止文明的市民群体的形象,而广州市和番禺区政府做出了让步;后者理智而快速的反应也得到了称赞。
双方达成了共识:2009年在番禺区启动垃圾分类试点,减少垃圾总量,延长垃圾填埋场的使用年限;同时继续讨论垃圾焚烧厂的选址问题。
关键词:城市生活垃圾,焚烧、飞灰,重金属,高温处理、水泥固化、化学稳定化处理
Probe into Methods of Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash Disposal
Abstract:This paper firstly illustrates the generation mechanism, physical characteristics and leaching toxicity of municipal solid waste incineration fly ash; and then summarized analysis has been carried out on three MSWIA disposal methods: high temperature treatment, cement solidification and chemical stabilization treatment, status and some problems are analyzed and discussed, finally, the advantages and disadvantages of three disposal techniques are compared.
Keywords:MSW; fly ash; MSWIA; heavy-metals; high temperature treatment; cement solidification treatment; chemical stabilization treatment
中图分类号: R124.3 文献标识码:A文章编号:2095-2104
引言
城市生活垃圾又称城市固体废弃物,它是指城市居民日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物以及法律行政法规规定视为城市生活垃圾的固体废弃物[1][2]。人类社会的不断进步促使物质和消费的不断增加,随之城市生活垃圾量也在与日俱增,平均年增长率在2%~5%[3],处理能力不到四成,长期积累的巨量垃圾,形成了世界性的垃圾公害与灾难,不断侵害人类的居住环境,威胁未来人类的生存。“垃圾是放错了地方的资源”,“垃圾是地球上惟一增长的资源[4-6]”,如好好利用的话藏金逾千亿。垃圾处理产业已成为二十一世纪投资热点[7]。
垃圾填埋由于运行费用及技术要求较低,一直被认为是处理不可回收垃圾的最便利而且便宜的处理方法。垃圾填埋是我国目前主要的垃圾处理手段。据统计:全国共有城市生活垃圾处理设施345个(和台、港、澳地区未统计),其中垃圾填埋场298个占86.4%[8],然而这种简便易行的方法也会带来很多的问题,例如:填埋场沥出物对地表水的污染,臭气的扩散,土壤污染。更严重的是原始垃圾中的有毒物质在填埋场内处于一种未知的没有控制的状态尤其是在中国这种城市固体废弃物产量多,人口密度大填埋场地有限的国家,城市固体废弃物处理是一个严峻的问题[9]。与卫生填埋相比垃圾焚烧可以有效的去处垃圾中的顽固有机污染物,并且可以有效的缩减垃圾体积[10]。而堆肥等其它由于对垃圾成分和种类有特殊的要求难以大规模推广。垃圾焚烧已经成为应用最为广泛的垃圾处理方式。
1 飞灰产生及特性
生活垃圾焚烧处理后产生的固体残渣大约占垃圾重量的30%~35%,其中底渣占25%~30%,其余是飞灰,占5%左右。垃圾焚烧产生的底灰中重金属含量较少,尤其挥发性金属如:Hg、Pd、Cd、Zn含量更少,主要是一些亲岩性的金属如:Ni、Cr、Cu等,被认为是没有毒害的。而飞灰由于比表面积大,在烟道中重金属通过异相沉积和表面吸附作用在飞灰表面富集。飞灰中含有很高浓度的可浸出Pb、Cd、Hg、Zn等有毒重金属。而且飞灰中还含有少量的剧毒物质二噁英(PCDDs\PCDFs)。我国的《危险废物污染防治技术政策》(国家环境保护总局,2001)中第9条对飞灰的规定:生活垃圾焚烧产生的飞灰必须单独收集,不得与生活垃圾、焚烧残渣等其它废物混合;不得与其它危险废物混合;不得在产生地长期贮存;不得进行简易处置及排放。生活垃圾焚烧飞灰在产生地必须进行必要的固化和稳定化处理之后方可运输。
2 飞灰处理方法
飞灰处理的主要目的是对飞灰中的重金属成分进行固化和稳定化。防止飞灰中的重金属在填埋场或是资源化利用时的渗出。国外的飞灰处理技术已经比较成熟,国内对飞灰的无害化处理及资源化利用也做了很多有意义的研究。
2-1高温处理:
飞灰的高温处理主要指飞灰的指玻璃化\玻璃陶瓷化。通过将飞灰在一个较高的温度熔融固化,可以有效的分解飞灰中的有毒有机化合物(二噁英)[11]。并且在高温下二氧化硅(SiO2)会形成网状晶格将重金属禁锢在晶格内从而生成稳定的惰性熔渣。飞灰的高温处理可以有效的减小其体积和重量(1/2左右)。
Alexander Karamanova等人通过添加适当比例(30~40 wt.%)的二氧化硅,比较了在不同的升温速率和颗粒直径的熔融效果的影响,发现:较高的升温速率(20~30oC/Min)和较大的颗粒直径(1~2mm)对于生成力学性能好(抗压强度360±100 MPa,抗弯强度48±13MPa),内孔少,表面晶体占主导地位的熔渣是比较有利的[12,13]。然而Alexander Karamanova认为飞灰中某些重金属(Cr, Cd, Cu)的含量较高,并没有对更少SiO2添加量的飞灰-SiO2混合物熔融特性做进一步的研究。事实上我国严建华、李建新等人研究发现:在Alexander Karamanova等人的研究温度下(>1200oC)Cr, Cd, Cu等金属有均有较高的蒸发率[14, 15]。而且考虑到SiO2晶体网格对重金属的禁锢作用,对更少SiO2添加量的飞灰-SiO2混合物熔融特性做进一步的研究是比较有意义的。
由于MgO2的存在对SiO2网格结构有削弱作用,从而导致重金属的浸出量增加。Young Jun Park等人研究了不同飞灰(MSWA)、SiO2、MgO比例时熔渣的机械性能和化学稳定性,发现玻璃质成分的形成随着SiO2成分的增加而增强,随MgO成分的增加而削弱。重金属虑出与玻璃质的形成表现出相似的规律。MgO添加量较少时使抗弯强度有所增加,而对抗压强度影响不大。
目前国内对飞灰熔融特性的研究还处于起步阶段,而且现有的研究也主要集中在飞灰自身(raw ash)的物理、化学性质的研究,如:熔融时飞灰中重金属的挥发特性、飞灰浸出特性、成分等。而对飞灰熔渣特性及飞灰熔融时产生的废气和二次飞灰的处理几乎是空白。对于不同添加物(SiO2 、CaCl2等)对飞灰熔融的影响,严建华、李建新等人做过添加NaCl、CaCl2、PVC对重金属蒸发的影响[14,15],但是对于添加物对于熔渣特性影响国内少有报道。
2-2 水泥固化
飞灰的水泥固化是指将水泥、沙等物质按一定的比例加水混合的水泥灰浆中的部分水泥用飞灰代替。由灰中高含量的对水泥灰浆的后期硬度的发展不利,飞灰在水泥固化前一般都要先经过水洗,出去飞灰中的可溶性盐(主要是NaCl、KCl)。由于水泥浆体pH值高,则重金属可能同或硅酸盐结合成含钙的盐类;吸附在高比表面积的C—S—H粒子上;进人晶体结构中。在硬化水泥浆体的C—S—H结构中,Zn会取代C—S—H中的Ca或与C—S—H表面的Ca反应形成含Ca和Zn的氧化物.Pb通常存在于水泥熟料颗粒的表面,抑制水泥的水化,这主要是由于Pb的化合物如碳酸盐、硫酸盐等都是不溶性的,表面能低[16]。 Cu通常在水泥颗粒表面形成不溶性的沉积物,从而延缓了水泥的水化。研究发现飞灰的组分在某些方面具有跟硅酸盐水泥或高矾土水泥具有近似的性质。飞灰中的重金属粒子会大大延缓水泥的凝结,而的存在的会促进水泥浆体的凝结。两者共同作用的结果是使得水泥凝结时间变化不大。研究表明飞灰以不同的比例(添加重量
2-3化学处理
化学稳定化处理是将飞灰、水、化学药剂按一定的比例混合,将飞灰中重金属转化为低溶解性、低迁移性、低毒性物质的处理方法[16]。化学药剂通过两种途径降低飞灰中重金属的浸出量:①将飞灰中的部分重金属溶出,降低飞灰中可溶出重金属的总量;②跟飞灰中的重金属形成不溶的稳定化合物,限制重金属的溶出。常用的化学药剂可以分为有机药剂和无机药剂两种。有机药剂主要是一些鳌合物如:乙二胺四乙酸(EDTA)、二乙撑三胺(DTPA)、皂角苷(saponin);无机药剂主要是: Na2S、硫脲((NH2) 2CS)、硫酸铁(FeSO4)等。通过有机鳌合物处理,随着有机药剂及其添加量、PH值的的不同,20–50%的铬(Cr), 60–95%的 铜(Cu), 60–100% 的铅(Pb),以及50–100%的锌(Zn)在PH为3~9的范围内可以被浸取出来,同时鳌合物同飞灰中残留的重金属形成不可溶的重金属鳌合物,从而大大降低处理后飞灰的可浸出重金属量。FeSO4药剂通过在飞灰表面形成CaFe2O4晶相限制飞灰内部的重金属的溶出。然而在较低的PH值环境下CaFe2O4晶相会被破坏,飞灰内部的重金属会重新溶出。Na2S、硫脲((NH2) 2CS)通过将可溶的重金属物质转换不溶物,以Pb2+为例:
达到限制重金属溶出的目的;通过化学药剂处理后的飞灰的重金属浸出量基本上可以达到浸出标准,但是在极端情下(PH值
3 总结
高温处理处理飞灰具有较广的适应性,可以处理各种不同组分的飞灰,一般不需要进行飞灰的预处理。是唯一可以同时去除稳定的有机污染物(POP)和缩减飞灰体积的处理方法[10],各项研究均表面该方法处理后残余的灰渣有较好的稳定性及物理性能,可以直接填埋或者作为建筑材料回收利用。然而该方法由于需要较高的处理温度(1100~1500oC)和专门的焚烧设备初投资和能量消耗均较高。
水泥固化因需要的设备、操作要求简单并且处理费用低二得到广泛的应用。水泥固化由于前面所提到的对水泥浆体后期硬化的影响,为提高水泥固化后硬化浆体的硬度并且防止可溶性盐的溶出一般需要对飞预先进行水洗处理。然而水泥固化处理会增加的飞灰体积3~8倍,初步研究还发现水泥固化后某些金属的浸出浓度满足:
式中:a,b 为常数;t 为浸取时间; y 为金属浸出浓度。
可以认为水泥的存在只是延缓了重金属的浸出速度,并没有减少重金属的浸出总量。水泥老化后及破损后重金属的浸出特性及水泥固化后重金属的长期特性还有待进一步的研究。
化学药剂处理方法与水泥固化处理一样具有设备、操作要求简单的特点。但是处理效果较好的鳌合剂价格昂贵,重生困难,而且化学稳定处理后的飞灰对环境的长期影响还需要研究。这在一定程度上限制了化学处理法的应用。
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【关键词】厌氧消化;城市生活垃圾;综合利用;有机质垃圾
一、前言
城市垃圾已成为当今世界的一大公害,也成为我国环境污染的突出问题之一。近几年来,我国城市生活垃圾产量达1亿多吨,且每年以10%的速率增长。而且随着城镇化进程的加快,垃圾产量将持续增长。传统的垃圾处理,填埋、堆肥和焚烧是最常用的方法,但由于垃圾卫生填埋和焚烧处理的环保要求较高,焚烧和填埋成本也随之增加,且这些方式本身存在一定的弊端,对土壤、地下水和大气都会造成严重污染局面。由于环境立法的日益严格和垃圾的分类收集,为垃圾处理提供了条件。在各种处理方法中,生物方法成为处理分类收集有机部分的一种有效方式,它能最大程度地循环利用有用成分。在生物处理方法中,利用微生物将有机物转化为甲烷、二氧化碳、无机营养物和腐殖质的厌氧技术逐渐引起人们的重视。
二、我国垃圾处理现状及存在问题
解决垃圾问题的目标是将垃圾减容、减量、资源化、能量化及无害化。目前主要有填埋、堆肥及焚烧处理三种方法。填埋是目前我国大多数城市解决生活垃圾出路的主要方法,到2003年底全国共有559座生活垃圾填埋场,近85%的城市生活垃圾采用填埋处理。利用微生物分解垃圾有机成分的填肥处理,虽在我国具有悠久历史,但由于各种原因目前堆肥处理的效率不高,限制了该处理方法的发展。垃圾焚烧技术在我国的研究和应用起步于八十年代中期,随着我国东南部沿海地区和部分大中城市的经济发展和生活垃圾低位热值的提高,不少城市已将建设生活垃圾焚烧厂提到了议事日程,目前正处于快速发展阶段。
各种方法都具有自身的局限性。填埋处理不仅填埋掉了废物,也埋掉了可回收利用的资源,填埋场占地面积大,且存在严重的二次污染,如地下水污染,土壤污染,堆放场产生的臭气严重影响场地周边的空气质量等。堆肥周期长,占地面积大,卫生条件差,堆肥处理产生的肥料肥效低、成本高,与化肥比销售困难,经济效益差。而焚烧处理对垃圾低位热值有一定要求,且垃圾焚烧对垃圾具有选择性,焚烧不仅使垃圾中的可利用资源被销毁,产生的大量烟气,造成热能损失。产生的烟气必须净化,净化技术难度大,运行成本高,焚烧设备一次性投资大,焚烧产生的残渣还必须消化。
当前,我国城市生活垃圾处理存在的问题主要表现在以下几个方面:(1)城市生活垃圾资源利用水平低下,与发达国家相比存在较大差距;(2)虽然我国各地均设有城市垃圾收集、运输、处理的专门机构,但垃圾处理的整体水平较低,大部分城市垃圾采用混合回收方式,加大了垃圾出来难度,垃圾资源化未能引起相关部门的重视;(3)在我国垃圾处理的经费主要来自国家和地方财政,资金主要用于垃圾的清运和掩埋处置,难以满足资源化需求。
三、厌氧消化处理技术
(一)厌氧消化处理工艺
城市生活垃圾中的纸类、塑料、织物、金属等被分拣回收利用后,剩余的主要是废弃的动植物有机物质,其含水量高达80%左右极易腐烂,除了其中的木质素外都可进行厌氧消化降解。若利用传统的填埋等方法进行处理,可能增加处理成本,造成二次污染。针对我国现行垃圾处理方式的弊端,应用厌氧消化技术处理城市生活垃圾,实现垃圾无害化,资源化和减量化的目标是可行的。
生活垃圾的厌氧发酵是指在无氧条件下,微生物分解有机物,其中的C、H、O转化为沼气-甲烷和二氧化碳,而N、P、K等微量元素存于残留物中并转化为易被动植物吸收利用的过程。有机物首先通过快速增值和对PH敏感的酸化菌将其水解和发酵转化为挥发酸,挥发酸通过乙酸菌氧化为乙酸盐、分子氢和二氧化碳,甲烷菌再将这些物质转化为甲烷,一般厌氧消化可分为水解酸化阶段、产氢、产乙酸阶段和产甲烷阶段。
(二)厌氧消化工艺研究进展
厌氧消化处理城市垃圾,主要集中处理城市垃圾中厨房剩余垃圾以及庭院垃圾,德国、丹麦等欧洲国家已建成一批消化处理厂,利用厨房垃圾产沼气的研究较为成熟。早在20世纪80年代厌氧消化技术已成为日本等国的研究课题,近年来,在引进欧洲技术的同时,地方政府支持进行了工业规模生产。厌氧消化技术最早应用于高浓度有机废水处理,在城市垃圾处理中占的比例还小。1920年,英国农学家AlbertHoward发明了厌氧堆肥法,而后通过不断的技术革新,逐步形成了以湿式完全混合厌氧消化、厌氧干发酵、两步厌氧消化等为主的工艺形式。
1.湿式完全混合厌氧消化。湿式完全混合厌氧消化(简称湿式工艺)应用最早也最广泛,其液化、酸化和产气3个阶段在同一反应器内进行,工艺过程简单、投资小、运行和管理方便。早期消化工艺中没有搅拌装置,易引起分层现象,反应器中较轻的部分上升成浮渣层,较重的部分下沉成为底层,这样在反应器中形成3个浓度不同的物理层,不但影响混合效果,而且损伤发酵设备。自上世纪90年代以来,搅拌器应用研究的快速发展,利用机械沼气混合搅拌取得了很好的效果。但由于酸化、水解、产甲烷均在同一反应器中同时进行,通常认为在这个系统中各阶段反应都不能达到各自最佳的反应条件,处理效率低。与其他工艺相比,湿式工艺含水量高,可以稀释抑制物的浓度(固体浓度达15%),在一定程度上也加大了系统的抗抑制能力。
2.一步厌氧干发酵。湿式工艺的广泛应用,为提高其处理能力,提出了一步厌氧干发酵系统。厌氧干发酵系统的固体浓度可以维持在20%-50%,大大提高了处理能力。干发酵系统中只有含水率非常低的原料需要进行稀释,且用水量小。同时,厌氧干发酵系统对进料的分选要求不高,原料进入处理系统前,只需用滚筒筛将大的颗粒物去除即可。然而,从投资角度看,干发酵工艺比湿式工艺要高得多,另外,由于固体浓度的加大,需要设计能够抗酸、抗腐蚀性强的发酵反应器。
3.两步厌氧消化工艺。在湿式工艺和干发酵工艺中,垃圾中的有机质转化为沼气的过程是在一个连续的生化反应中完成,各个不同的反应阶段难以达到其各自的最佳反应条件。例如酸化阶段会导致PH值的下降,产甲烷阶段要求接近中性或偏碱的环境,而两步厌氧消化工艺即是要创造两个不同的生物和营养环境条件如:温度和PH等。典型的两步工艺,在第一阶段进行反应物的酸化和水解,第二个阶段进行产甲烷。在微生物环境方面,水解产酸菌和产甲烷菌对厌氧环境的要求不同,只有在产甲烷阶段,由于甲烷菌是严格的厌氧菌,才需要严格的厌氧环境。
4.制约厌氧消化处理工艺发展应用的因素。厌氧消化处理城市垃圾是一种古老的方法,其消化过程是一个动态、多相、多介质的物理、化学和生物反应紧密相关的复杂过程。其中有机物的生物、化学转化及物质的传输与分布不易监控,在城市垃圾分选、厌氧发酵工艺、二次污染的处理等方面都存在许多问题。制约厌氧消化处理技术在城市垃圾处理应用中的制约因素主要表现在:(1)城市垃圾的分选需投入大量的人力物力,系统工程复杂。现阶段要对城市垃圾作较系统的分选很难,城市垃圾分选效率将直接影响到堆肥生产的成本和产品的质量,故垃圾收集分区、分类收集和建立垃圾收费制度将是影响今后我国垃圾厌氧发酵产业进一步发展的关键因素;(2)厌氧微生物对垃圾中复杂有机物降解能力对发酵过程起决定性作用,选用优良的厌氧菌种是厌氧消化技术的核心。因此,发酵厌氧微生物的筛选、培养和鉴定也成为制约因素之一;(3)厌氧过程中温度、PH值、营养物质和底物毒性对发酵过程有较大的影响,操作人员要不断监视发酵过程、判断和调整各种参数,很难实现实时监控;(4)消化过程中产生的废水和废气由于处理效果不佳,已成为严重的环境污染源。废气的产生量和浓度随垃圾的不同而改变,容易对处理系统造成冲负荷,从而导致处理系统的失败;(5)消化产品的腐熟度是衡量厌氧消化过程的最终指标。未经腐熟的产品中有机物和毒性物质会造成植物生长的缺氧和间接毒性,危害作物生长。目前,对堆肥产品的腐熟检测缺乏统一的标准,且检测过程相对复杂,无法进行现场检测。
四、垃圾厌氧消化处理的环保效益和经济效益
厌氧消化技术能最大限度的循环利用垃圾中的可用成分,采用“分选+厌氧消化+堆肥”的方式处理可明显减少温室气体的排放,抑制有毒气体和液体的排放可避免二次污染。另外,使用厌氧消化技术处理生活垃圾,对垃圾中有用物质及能量加以回收和利用,使垃圾处理无害化、减量化。以我国2000年的垃圾量来计算,大约可以获得25亿立方米左右的沼气,其经济效益相当可观。同时,厌氧消化处理的残留物无论是做肥料还是饲料,都可取得较好的经济效益。
五、结语
随着经济的发展和人民生活水平的提高,城市垃圾日益增多,和资源、能源愈渐短缺的矛盾越来越突出。传统的填埋、堆肥和焚烧处理方法的局限性限制了我国城市生活垃圾处理的发展。而目前垃圾整体处理水平低,规模小,技术落后,垃圾分选程度低,很大程度上限制了厌氧技术的使用。因此,必须认真研究和总结国内外生活垃圾资源化综合利用的经验,开拓厌氧消化处理技术,结合适合我国国情的城市生活垃圾资源化综合利用的途径,尽快解决我国城市生活垃圾问题,提高资源利用水平。
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关键词:城市生活垃圾;处理
中图分类号:X2
文献标识码:A
文章编号:1672-3198(2009)08-0300-01
1 我国城市生活垃圾处理现状分析
1.1 主要技术介绍
国内垃圾处理方法多种多样,主要有:填埋、堆肥、焚烧三种方法,另外还有热解、分选回收、综合处理方法。
(1)填埋。
填埋技术作为生活垃圾的传统和最终处理方法,目前仍然是我国大多数城市解决生活垃圾出路的最主要方法。根据环保措施(主要有场底防渗、分层压实、每天覆盖、填埋气导排、渗沥液处理、虫害防治等)是否齐全、环保标准能否满足来判断,填埋场大致可分为简易填埋场、受控填埋场和卫生填埋场三个等级。
(2)焚烧。
我国生活垃圾焚烧计数的研究和应用起步于八十年代中后期,全国现有各类生活垃圾焚烧厂50多座,综合目前我国生活垃圾焚烧技术应用的现状,大致可分为简易焚烧炉、国产化焚烧设施和综合型焚烧设施三类。
(3)堆肥。
生活垃圾堆肥在我国具有悠久历史,但堆肥处理率并不高,目前全国共有各类生活垃圾堆肥厂约70多座。在我国常用的生活垃圾堆肥技术大致可分为简易堆肥、好氧堆肥和厌氧堆肥三类。
(4)热解。
热解法就是把有关固体废物(或液体废物)在无氧或少量氧的条件下加热至800~1000"(3・获得高温气体的方法,同时还可以获得煤(焦油)再作化工原料,关于分解后剩余的以碳为主的残渣,可以作肥料、填坑物和固体燃料等。热解可在焚烧温度低的条件下,从有机物中直接回收燃料油、气,从资源化的角度论,热解比焚烧有利。
(5)分选回收。
城市生活垃圾分选回收技术较为可靠。资源化效果较好,分选出的资源化物质可以直接回收利用,该技术是许多发达国家基于分类收集基础上的首选处理技术。该技术选址较为容易,但有一定的噪声、臭气污染。
(6)综合处理。
城市生活垃圾综合处理技术是以社会、经济和环境协调发展为目标,并优化用多种管理、技术手段构筑的城市生活垃圾处理系统工程。综合处理技术内部各类单元处理技术根据应用的先后顺序,主要包括前处理、中间处理、后处理和最终处置等四道工序。事实上,组成这四道工序的主要单元处理技术包括填埋、堆肥处理、焚烧、回收利用四类。
1.2 应用情况
近年来综合处理已引起越来越多的重视,但迄今为止应用最广泛的仍是填埋、焚烧、堆肥三种方法,其中填埋法是我国城市生活垃圾处理的最主要方法,无论是大城市还是中、小城市都普遍采用;中、小城市采用堆肥技术较多,但处理规模较小,因堆肥销路等原因,有的已关闭;焚烧技术这几年在经济发达城市得到了迅速发展。
1.3 存在的问题分析
(1)填埋场问题分析。
大多数填埋场的设计、建设和运营仍存在很多问题,表现在:①设计理念比较落后,科技水平低,土地填埋利用率不高,占用了大量土地资源;②大部分生活垃圾填埋场缺乏有效的基础和边坡防渗措施;③填埋气体处理与利用系统刚刚开始发展,现有填埋场多为敞开式排放或通过竖井排放,简易填埋场的填埋气仍处于无组织排放状态,不仅引起了温室效应,造成安全隐患,而且也是产生恶臭的主要原因;④填埋场的封场一般都未进行生态恢复,由于缺乏封场和后续管理标准,缺乏相应的政策和法规。已经终场的生活垃圾堆体不能够合理地安全封场和持续维护。
(2)焚烧问题分析。
①对热值低、水分高、成分复杂的生活垃圾适应性不好。②工程投资大。③运行成本高。④飞灰没得到安全处置。
(3)堆肥问题分析。
阻碍我国生活垃圾堆肥化发展的主要因素不是技术因索,而是非技术的经济因素。这表现在:①混合收集的生活垃圾杂质含量高,为保证产品质量而采用复杂的分离过程导致产品成本高,没有政府的补贴,是很难运行下去的;⑦一般堆肥厂的粗堆肥产品只能作为土壤改良剂,其销路取决于堆肥厂所在地区封条件的适宜性,在粘性土壤地区,特别是南方的红黄粘土、砖红粘土、紫色土地区有较好的销路;③堆肥厂产品的经济服务半径一般较小。质量较差的粗堆肥产品一般只能就近销售,利用粗堆肥产品制造的复合肥,其销售也面临一般化肥和复合肥的竞争;④生活垃圾处理的连续性和堆肥产品销售季节性之间存在的固有盾,也会增加生活垃圾的处理成本和堆肥产品的生产成本。
因此,虽然个别大型生活垃圾堆肥处理厂和一些不定期地运行的、简易小型生活垃圾堆肥厂产品有销路,近几年国内建成的大多数堆肥厂,实际上均不能正常运行。
2 城市生活垃圾处理技术发展方向展望
根据我国实际情况,现实的生活垃圾处理技术发展方向必须面对混合收集的、可回收物质含量和热值低、垃圾含水率和可生物降解的有机物含量高的生活垃圾。远期可考虑实现了分类收集基础上的垃圾处理技术。
(1)发展生活垃圾综合处理技术。
我国生活垃圾的特性决定了很难有一种垃圾处理技术能对其进行有效的处理,必须采取多种技术对其进行综合处理才能达到减量化、无害化和资源化。但是,这需要在一个新的基础上去考虑综合处理模式中各种技术的地位和作用。
针对我国混合收集垃圾的特点,将生物处理技术作为填埋或焚烧的预处理技术,是解决我国垃圾处理难题的一种有前途的技术组合。
(2)生活垃圾填埋技术和焚烧技术标准化、规范化、环保化、国产化发展。
主要表现在以下几点:①填堙气导排技术在生活垃圾填埋场得以普遍采用并不断完善,同时填埋气回收利用技术在取得经验的基础上扩大试验范围;②大、中城市的生活垃圾填埋场基本上能做到每天覆土。③在引进、消化的基础上。开发出压实机等新一代的国产化填埋专用机具,用于生活垃圾填埋场并取得较好效果;④国产化人工合成防渗衬底材料的质量有较大的提高,设置人工合成防渗衬底的生活垃圾填埋场不仅仅局限于个别示范工程;⑤生活垃圾渗滤水的处理技术多样化并取得实质性进展;⑥发达国家普遍采用的好氧填埋技术,在部分示范工程中率先得到应用。
(3)生活垃圾堆肥技术机械化、国产化,堆肥产品高附加值发展。
主要表现在以下方面:①生活垃圾堆肥厂的机械化水平和堆肥质量有明显提高,②堆肥产品中的重金属和碎玻璃等杂质的含量得到有效控制;③国产化有机复合肥成套生产技术与设备进一步完善,生活垃圾堆肥厂中生产有机复合肥和颗粒肥的比例将逐步提高;④采用机械化动态发酵工艺和利用有效菌种快速分解的新型堆肥技术。在部分城市得到应用并逐步推广;⑤由于具有良好的减量化和资源化效果,生活垃圾堆肥技术将重新得到重视,生活垃圾堆肥处理的比例将逐步增加。
(4)分类收集、分类处理逐步推行。
生活垃圾作为一种取之不尽的再生资源将逐步得到重视,垃圾分类收集、分类处理方式在我国大、中城市中逐步推行,主要途径如下:①对一次性物语的限制使用初见成效,同时产品包装行为进一步规范,过度包装逐步减少;⑦净菜进城工作逐步被市民认可。生活垃圾中易腐有机物的比例逐步下降;③有关生活垃圾减量化、资源化的地方性法规将陆续出台,生活垃圾回收利用工作将纳入依法管理的轨道。