未來城市生活垃圾的全過程處理工程
編者按
隨著生活水平的不斷提高和城鎮(zhèn)化的高速推進，我國城市生活垃圾呈現(xiàn)逐年增加趨勢。填埋技術(shù)作為我國目前生活垃圾的傳統(tǒng)處理處置方法，存在諸多亟需解決的問題，為此如何解決生活垃圾資源化循環(huán)不平衡、污染防治失控等關(guān)鍵問題，成為社會、經(jīng)濟、環(huán)境保護和科技關(guān)注的焦點。
中國工程院院刊《Engineering》刊發(fā)《建設(shè)可持續(xù)型垃圾填埋場——我國城市生活垃圾全過程處理新觀點》一文指出，未來城市生活垃圾的填埋處理方式必然是一個系統(tǒng)工程，需要前端的分類、減量與資源化技術(shù)以及末端的污染物快速消解與防滲漏技術(shù)的協(xié)同發(fā)展。針對城市生活垃圾處理，文章提出了建設(shè)可持續(xù)型垃圾填埋場，推動城市生活垃圾從以往的被動處理向“資源再生和污染防控”處理升級，通過填埋場循環(huán)利用實現(xiàn)土地資源節(jié)約，并基于生活垃圾資源化利用推動生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展等建議。
一、引言
由于生活水平的不斷提高和城鎮(zhèn)化的高速推進，我國城市生活垃圾年產(chǎn)生量已超過2×108t，而且呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。填埋技術(shù)作為我國目前生活垃圾的傳統(tǒng)處理處置方法，其垃圾處理量占處理總量的60%以上。
我國目前所掌握的填埋技術(shù)存在著諸多問題[圖1 （a）]。首先，絕大多數(shù)生活垃圾中的可回收資源無法得到循環(huán)與利用，這不僅導(dǎo)致資源浪費，還使其脫離可持續(xù)循環(huán)圈。其次，由于通過填埋技術(shù)每年分解和處理的生活垃圾量遠小于每年進入填埋場的生活垃圾量，導(dǎo)致垃圾填埋場無法實現(xiàn)可持續(xù)利用，而需要開發(fā)大面積寶貴的土地資源來建設(shè)新填埋場。據(jù)初步調(diào)查，我國當(dāng)前超過400座城市出現(xiàn)了“垃圾圍城”局面，全國垃圾存量占地累計達5×104hm2。再次，生活垃圾在填埋場中產(chǎn)生的大量滲濾液，會通過污染空氣、土壤和地下水使得城鄉(xiāng)區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化和居民生活質(zhì)量下降。由此可見，我國現(xiàn)有的生活垃圾填埋技術(shù)不僅帶來了嚴(yán)重的社會和經(jīng)濟問題，而且制約著人類與自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。
如何解決生活垃圾資源化循環(huán)不平衡、污染防治失控等關(guān)鍵問題，已成為社會、經(jīng)濟、環(huán)境保護和科技關(guān)注的焦點。近年來，我國政府高度重視改善環(huán)境問題，并加大了對生活垃圾處理的投資，這對于我國進一步推行綠色發(fā)展模式具有重要意義。在本文中，筆者強調(diào)城市生活垃圾全過程處理的重要性[圖1（b）]，并分別對生活垃圾處理前端的分類、減量化與資源化技術(shù)，以及末端的污染物快速消化、防泄漏與修復(fù)技術(shù)提出新思路和新建議。
圖1 城市生活垃圾全過程處理的傳統(tǒng)模式（a）和新興模式（b）
二、垃圾源頭分類
在城市生活垃圾全過程處理中，有意識地對生活垃圾進行源頭分類是首要推行的政策。然而，生活垃圾分類管理在我國的推廣和實施還相對落后。究其原因主要有：垃圾分類的頂層設(shè)計和指導(dǎo)思想相對缺乏；垃圾分類系統(tǒng)與資源回收系統(tǒng)之間缺乏連通性；城鎮(zhèn)居民缺乏生活垃圾源頭分類的理念；居民住宅建筑環(huán)境條件的限制；缺乏相關(guān)法律、法規(guī)和政策。針對上述問題，潛在的對策包括建立健全的法律法規(guī)、監(jiān)管體系和城鎮(zhèn)生活垃圾分類標(biāo)準(zhǔn)；開展環(huán)境保護和生活垃圾分類的基層教育宣傳，從便利的角度設(shè)計和配置垃圾收集設(shè)施；使用經(jīng)濟手段促進垃圾源頭分類的開展，推行企業(yè)責(zé)任制度。
三、垃圾快速脫水預(yù)處理
在現(xiàn)階段，發(fā)展從混合垃圾中分離出可資源化垃圾進入循環(huán)利用的新模式是十分必要的。這不僅是因為我國超過70%的垃圾存量為混合垃圾，同時也是因為該模式是降低填埋場生活垃圾年增量的有效手段。但是，現(xiàn)有的混合垃圾分類技術(shù)對不可資源化垃圾成分的分離具有很大的局限性，主要是由于混合垃圾含有過高的結(jié)晶水，導(dǎo)致垃圾黏稠及不同垃圾成分之間相互纏繞；旌侠懈鞣N有機組分都含有一定的結(jié)晶水，因此需要同時降解這些有機組分才能較徹底脫出結(jié)晶水。但是，降解含有結(jié)晶水的不同有機組分通常是由不同的功能微生物來執(zhí)行，從而容易產(chǎn)生微生物拮抗作用，不利于混合垃圾的脫水。因此，今后在發(fā)展混合垃圾的分質(zhì)分類技術(shù)過程中，需注重基于元蛋白質(zhì)組學(xué)定向末端靶向選育方法制備出在生活垃圾降解過程中可以高效脫水和產(chǎn)熱的菌劑。此外，在通過控制階段性升溫、保溫、降溫的進程來抑制土著微生物活性的同時，創(chuàng)造適合接種微生物生存的獨特環(huán)境也顯得尤為重要。
四、垃圾資源再循環(huán)
通過分質(zhì)分類技術(shù)分離出的金屬和非金屬固相部分可以被分別納入鋼鐵與有色金屬行業(yè)和建材行業(yè)。分離出的具有高熱值的有機固體廢物，包括布、紙和塑料廢物，可以被制成用于供熱和發(fā)電的垃圾衍生燃料（refuse-derived fuel, RDF）。為制備RDF，可以在生活垃圾源頭分類中篩選出高熱值組分。此外，可以通過模擬實驗研究最終熱解溫度、物料比、賦形劑類型和升溫速率對RDF熱解的影響，從而獲得足夠的數(shù)據(jù)來完全闡述 RDF熱處理的反應(yīng)過程和機理。上述理論研究成果必須與市場經(jīng)濟競爭力和生態(tài)經(jīng)濟效益評估相結(jié)合，才能促進RDF后續(xù)的能源化與產(chǎn)業(yè)化。
目前，分離出的熱值較低的有機固體成分主要是通過堆肥技術(shù)形成施用于農(nóng)田的肥料產(chǎn)品。但是，現(xiàn)有的堆肥技術(shù)所形成的大部分的肥料產(chǎn)品很難被農(nóng)戶接受，造成肥料產(chǎn)品大量殘存并再次成為垃圾廢物[圖1（a）]。這主要是由于這些肥料產(chǎn)品缺乏提升土壤生產(chǎn)力和抗污能力的富含醌基的有機質(zhì)。堆肥過程中產(chǎn)生的醌基和小分子酰胺類基團的定向偶聯(lián)聚合是提高醌基抗降解能力而使其得以保存的最有效手段。但是這兩種分子化合物之間的定向偶聯(lián)聚合通常很難發(fā)生，主要是由于這兩種分子化合物是在不同的堆肥階段產(chǎn)生，而且容易分解。鑒于混合垃圾中木質(zhì)素和蛋白質(zhì)分別是形成醌基和酰胺類基團的主要前體物質(zhì)，因此同時接種相對應(yīng)的微生物來強化木質(zhì)素和蛋白質(zhì)的降解以及發(fā)展動態(tài)返混的堆肥技術(shù)，可以實現(xiàn)混合垃圾中有機固體成分的資源化 [圖1（b）]。
五、不可回收垃圾處置
經(jīng)過分質(zhì)分類處理后，不可避免地會殘留不可資源化的生活垃圾成分。開發(fā)快速消解填埋場中老齡垃圾的技術(shù)以騰出更多的空間來接納新的不可資源化的垃圾是十分必要的，因為這樣可以保證填埋場循環(huán)利用，而不需要開發(fā)新的填埋場。腐殖質(zhì)由于具有豐富的氧化還原活性官能團，因此其不僅可以作為胞外電子穿梭體介導(dǎo)污染物的降解轉(zhuǎn)化，還可以作為電子受體抑制甲烷的排放。因此，我們建議將不可資源化的生活垃圾與人工腐殖質(zhì)進行依次分層填埋，這樣不僅可以快速消解垃圾和實現(xiàn)填埋場中垃圾的年處理量大于年進入量[圖1 （b）]，而且可以降低填埋場溫室氣體排放對全球變暖的影響。
六、垃圾填埋場滲濾液污染防治
在垃圾填埋處理過程中，滲濾液的產(chǎn)生是不可避免的。防滲系統(tǒng)不僅是防止?jié)B濾液進入地下水和周圍土壤的最后屏障，而且還承擔(dān)著對滲濾液進行導(dǎo)排的任務(wù)。因此在填埋場的設(shè)計中，防滲系統(tǒng)的設(shè)計是至關(guān)重要的一環(huán)。
建議對填埋場防滲系統(tǒng)中的滲濾液排水層同時設(shè)計主排水層和輔助排水層，從而實現(xiàn)對滲濾液的收集與監(jiān)測，且可以有效地降低滲濾液下滲到地下水的概率。主排水層可以由透水材料組成，其作用是降低上部源頭滲濾液量，并將滲濾液向底部收集器輸送。主排水層的上部是反濾層，在進行反濾層材料選擇時，應(yīng)確保材料能夠長期具備良好的透水性，以避免細粒土的堵塞。主排水層的下部可以由人工防滲膜構(gòu)成。輔助排水層主要負(fù)責(zé)對主排水層進行檢測，并對透過主排水層的滲濾液進行收集，實現(xiàn)對滲濾液污染的有效控制。當(dāng)滲濾液監(jiān)測井中所測得的滲濾液量小于相應(yīng)的設(shè)計量時，則表明主排水層系統(tǒng)是可靠的，如果大于臨界量，但在下游地下水中沒有發(fā)現(xiàn)污染物質(zhì)，則說明輔助排水層系統(tǒng)完好。
防滲系統(tǒng)的設(shè)計可以精準(zhǔn)攔截目標(biāo)污染物，但是，一旦部分污染物最終不可避免地進入垃圾填埋場下方的地質(zhì)層，則會對地下水和人體健康安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。由于地質(zhì)層中多孔介質(zhì)的非均質(zhì)性，被吸附的污染物在去除過程中會反復(fù)釋放，導(dǎo)致去除效率低，污染容易反彈。因此，我們建議針對已被污染的垃圾填埋場地下水建立有針對性的修復(fù)技術(shù)體系。該體系的主要修復(fù)原則是添加綠色低碳和緩釋的復(fù)合材料，以迫使污染物進入活化還原—自催化氧化—循環(huán)反洗的三級凈化過程。
七、結(jié)論
總之，未來城市生活垃圾的填埋處理方式必然是一個系統(tǒng)工程，需要前端的分類、減量與資源化技術(shù)以及末端的污染物快速消解與防滲漏技術(shù)的協(xié)同發(fā)展。我們的理念能夠推動城市生活垃圾從以往的被動處理向“資源再生和污染防控”處理升級，通過填埋場循環(huán)利用實現(xiàn)土地資源節(jié)約，并基于生活垃圾資源化利用推動生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。
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