生活有機(jī)垃圾處理新工藝的改進(jìn)研究

陳冠僑

摘?要：城市生活垃圾的處理對(duì)于人類的環(huán)境與發(fā)展問題具有重要影響和意義。有機(jī)垃圾總量大、有機(jī)質(zhì)濃度高、含水量多、易腐爛發(fā)臭，是生活垃圾處理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過分析總結(jié)現(xiàn)有處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合超臨界水氧化技術(shù)，研究設(shè)計(jì)了一種新型有機(jī)廢物處理工藝流程，為未來垃圾處理系統(tǒng)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：有機(jī)垃圾;超臨界水氧化;環(huán)境污染;微生物處理

中圖分類號(hào)：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.14.097

0?引言

當(dāng)前環(huán)境與發(fā)展問題已經(jīng)成為全球普遍關(guān)注的焦點(diǎn)，其中城市生活垃圾的處理對(duì)人類的生產(chǎn)生活都具有重要影響和意義。隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化高速擴(kuò)張，城市生活垃圾問題日益明顯，越來越多地受到民眾的普遍關(guān)注。我國(guó)是世界上人口最多的國(guó)家，也是生活垃圾產(chǎn)生量最大的國(guó)家，當(dāng)前我國(guó)城市生活垃圾組分復(fù)雜，處理難度較高，現(xiàn)有的處理技術(shù)還局限于直接焚燒、衛(wèi)生填埋等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，餐廚有機(jī)垃圾占城市生活垃圾總量的一半以上，具有有機(jī)質(zhì)濃度高、含水量大、易腐爛發(fā)臭的特點(diǎn)，是生活垃圾處理的重點(diǎn)和難點(diǎn)?，F(xiàn)有的厭氧消化等技術(shù)工藝存在易酸化、設(shè)備老舊等現(xiàn)象，難以滿足日益增長(zhǎng)的垃圾處理需求。超臨界水氧化是一種極具前景的綠色廢物處理技術(shù)，可將不易分解的有機(jī)廢物快速氧化分解，是一種綠色的“焚化爐”。本文將在分析現(xiàn)有有機(jī)廢物處理工藝及技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)目前生活有機(jī)垃圾的特點(diǎn)，改進(jìn)市政有機(jī)垃圾處理工藝，為未來垃圾處理工藝提供理論指導(dǎo)。

1?有機(jī)廢物現(xiàn)狀及危害

1.1?有機(jī)廢物的現(xiàn)狀分析

現(xiàn)階段我國(guó)主要的有機(jī)廢物按照來源主要分為三個(gè)部分：分別是工業(yè)有機(jī)廢物、農(nóng)業(yè)有機(jī)廢物和市政有機(jī)廢物。

工業(yè)有機(jī)廢物是指在工業(yè)生產(chǎn)中排出的含有有機(jī)成分的廢棄物的統(tǒng)稱。包含高濃度有機(jī)廢水、有機(jī)廢渣。具有成分復(fù)雜、可生化性差、有毒等特點(diǎn)。來源集中在生產(chǎn)有機(jī)物制品的糖廠、啤酒廠、食品廠、藥劑廠、制革廠、造紙廠、印染廠、木材廠等。包括在有機(jī)和專用化學(xué)產(chǎn)品制造業(yè)、印染業(yè)、化肥制造業(yè)中產(chǎn)生的含氮有機(jī)廢物（主要成分是胺類、氨類、胍類、硝基化合物、含氮雜環(huán)化合物），在基本有機(jī)合成中產(chǎn)生的含硫有機(jī)廢物（主要成分是硫醇、硫醚、硫酚、二硫化合物、磺花物等）以及工業(yè)殘?jiān)群}廢物（包括電石渣、廢石、造紙白泥、氧化鈣等廢物）。

農(nóng)業(yè)有機(jī)廢物是指在農(nóng)村農(nóng)民生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有機(jī)類廢物的總稱。包括植物性來源有機(jī)廢物（包括稻草、玉米、豆類等農(nóng)作物秸稈，林業(yè)生產(chǎn)過程中殘余樹枝木、落葉、雜草等，農(nóng)作物秸稈中含有氮、磷、鉀、碳、氫元素及有機(jī)硫等），我國(guó)年產(chǎn)生量約為1.0×109 t;動(dòng)物性來源有機(jī)廢物（主要指禽畜糞便等，含有大量未被消化吸收的有機(jī)物、無機(jī)物、病菌等），我國(guó)年產(chǎn)生量約為2.7×109 t;農(nóng)副加工業(yè)產(chǎn)生的有機(jī)廢物（甘蔗渣、土豆渣、甜菜渣，肉食加工工業(yè)產(chǎn)生的屠宰污血等廢物）;農(nóng)民日常生活廢物（包括居民糞便和生活垃圾）。

市政有機(jī)垃圾多指生活餐廚垃圾及處理其廢水后所得的產(chǎn)物，其含水量大，易腐，有強(qiáng)烈刺激性氣味，并且含有大量有害微生物。餐廚垃圾作為市政有機(jī)垃圾的重要組成部分，其在我國(guó)城市垃圾中的含量達(dá)到了30%-50%，具有含水量、有機(jī)質(zhì)含量、油脂含量、鹽分含量高及營(yíng)養(yǎng)元素豐富的特點(diǎn)。主要成分包括塑料、橡膠、皮革、織物、紙、木材、庭院廢料和食物等可燃物及玻璃、金屬等不可燃物。

1.2?有機(jī)廢物的危害

生活垃圾作為直接影響人類生產(chǎn)生活的重要因素，若不能處理妥當(dāng)，不僅會(huì)危害環(huán)境，還會(huì)浪費(fèi)大量資源。例如：若隨意堆放生活有機(jī)垃圾會(huì)滋生大量病菌，嚴(yán)重污染土壤及地下水資源，威脅人類健康。尤其是餐廚有機(jī)垃圾具有易腐、易生物降解、脫水性差，如果不進(jìn)行無害化處理就可能通過動(dòng)物傳播等途徑致使人類感染疾病。若與其他垃圾混合填埋處理則易產(chǎn)生惡臭氣體，生成的滲濾液等對(duì)環(huán)境仍有較高危害。同時(shí)有機(jī)垃圾的主要成分毒性強(qiáng)烈，可嚴(yán)重腐蝕皮膚粘膜等組織，破壞人體，且會(huì)造成血液、肝、腎中毒，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成死亡。

2?現(xiàn)階段有機(jī)廢物處理技術(shù)及其優(yōu)劣性

2.1?垃圾填埋

垃圾填埋是我國(guó)目前解決生活垃圾的最主要的途徑。2005年底全國(guó)共有300座以上的生活垃圾填埋場(chǎng)，80%以上的城市生活垃圾采用填埋處理。雖然也可通過焚化、堆肥或分選回收等方法進(jìn)行處理，但部分無法處理的剩余物仍需通過填埋處理。合理利用坑洼地帶填埋城市垃圾，處置廢物的同時(shí)還可以覆土造地，有利于保護(hù)環(huán)境。填埋方法主要分為三類：包括衛(wèi)生填埋、壓縮垃圾填埋和破碎垃圾填埋。

衛(wèi)生填埋是傾倒并壓實(shí)一層城市垃圾，并用一定厚度的土、沙等覆蓋，進(jìn)行反復(fù)操作，最后使用90-120厘米的表層土覆于其上。壓縮垃圾填埋是壓縮垃圾后進(jìn)行回填，具有防火性強(qiáng)，防蚊蟲的特點(diǎn)，但分解較緩慢。破碎垃圾填埋可防火，有利于好氧菌繁殖。填埋場(chǎng)地最低處較地下水位應(yīng)高出3米以上，并做好相應(yīng)的防滲及排氣工作。同時(shí)，填埋場(chǎng)封閉后可作為綠化場(chǎng)所。該方法技術(shù)發(fā)展成熟、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，是目前我國(guó)處理有機(jī)垃圾的主要方式。其投資較少、工藝簡(jiǎn)單、處理量大，對(duì)地表的污染較小。但該技術(shù)并沒有對(duì)有機(jī)垃圾進(jìn)行無害化處理，保留了大量的有害微生物，還有著產(chǎn)生沼氣的隱患，其垃圾滲漏液還會(huì)對(duì)地下水資源造成長(zhǎng)期污染。

2.2?垃圾焚燒

垃圾焚燒指通過熱分解、燃燒、熔融等反應(yīng)，高溫氧化垃圾，使其減容，最終成為殘?jiān)倪^程。一般要求爐內(nèi)溫度應(yīng)高于850℃，焚燒可縮小50%-80%的體積，若處理經(jīng)過分類收集的可燃性垃圾甚至可縮小90%。該技術(shù)與高溫（1650-1800℃）熱分解、融熔處理技術(shù)結(jié)合，體積還可進(jìn)一步縮小。該技術(shù)主要優(yōu)勢(shì)是大量減少垃圾體積，減少用地，還可殺死各類有害病菌，削弱甚至除去垃圾的毒性。但會(huì)在處理過程中生成大量廢氣。如果燃燒不充分，二噁英的污染風(fēng)險(xiǎn)會(huì)顯著增加。

2.3?熱分解技術(shù)

熱分解技術(shù)的主要處理對(duì)象包括橡膠類廢物、油漆涂料等特殊垃圾。具體操作是通過加熱一個(gè)放油有機(jī)垃圾的完全密閉的爐膛至450℃—750℃，在高溫及缺氧條件下，促使有機(jī)垃圾分解成固態(tài)和氣態(tài)兩部分。固體垃圾包括垃圾中的礦物質(zhì)及碳化物。冷卻清洗后可分離出固體垃圾中的金屬，產(chǎn)生的焦炭也可重復(fù)利用。氣態(tài)廢物，可將可凝結(jié)部分轉(zhuǎn)化為油脂，而剩余部分會(huì)用于加熱爐壁。

若使用焚化爐處理垃圾，爐內(nèi)溫度通常要求加熱至850℃，所需溫度較熱解爐更高，且在焚化過程中易生成大量有害物質(zhì)，特別是毒性強(qiáng)烈的致癌污染物二噁英。

2.4?微生物處理

微生物處理技術(shù)主要是利用微生物降解菌產(chǎn)生多種酶，對(duì)分類后的有機(jī)垃圾（以餐余垃圾為主，包含蔬菜廢棄部分、廢紙、食品殘?jiān)龋┻M(jìn)行快速降解，從而使96%的有機(jī)垃圾轉(zhuǎn)變成熱能、二氧化碳、水及少量的氨氣。

該技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是菌種的分解能力強(qiáng)，對(duì)某些頑固性的物質(zhì)具有較高的分解效率，并且菌種的更換時(shí)間長(zhǎng)，降低了有機(jī)垃圾的處理成本，同時(shí)設(shè)備具有使用簡(jiǎn)便，安全可靠，不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)勢(shì)。但是發(fā)酵工藝污染大，特別是通過氣體對(duì)居民的潛在危害難以控制。運(yùn)輸途中餐廚垃圾易滋生大量有害病菌，病菌代謝出大量的毒素如果被高溫（60℃—120℃）加熱，危害性會(huì)更大，這種方式在人口密集的城市風(fēng)險(xiǎn)極高，人體一旦感染有機(jī)垃圾滋生的病菌或吸入真菌的孢子，會(huì)造成難以控制的病情。同時(shí)大量麥麩、玉米皮等輔料的添加及對(duì)能源的高需求極大提高了成本。

2.5?等離子體技術(shù)

等離子體技術(shù)是新型的垃圾處理技術(shù)，主要分為高溫等離子體技術(shù)和低溫等離子體技術(shù)。高溫等離子體技術(shù)是用高溫高能粒子去碰撞有毒物質(zhì)，破壞其化學(xué)結(jié)構(gòu)，使其轉(zhuǎn)化為無毒物質(zhì)，比較適用于處理固態(tài)廢物。低溫等離子體技術(shù)則是通過電子束、微波及交流電場(chǎng)，作用于有機(jī)廢氣，生成許多自由基，與分子相互吸引，通過化學(xué)碰撞，自由基吸附到分子上，使其最終變得很不穩(wěn)定，分解為無毒分子，比較適用于處理氣態(tài)廢物。

等離子體技術(shù)可以處理毒害性強(qiáng)的危險(xiǎn)及非危險(xiǎn)廢物包括有機(jī)及無機(jī)的氣體、液體及固體，能夠在保證安全的前提下徹底地將有毒廢料轉(zhuǎn)化成無毒且具有一定價(jià)值的產(chǎn)品。排放量少，減容率高。許多不能焚燒的有毒物質(zhì)很難利用傳統(tǒng)方法處理，例如PCBs、農(nóng)藥、殺蟲劑等等，等離子處理技術(shù)則可以安全處理并且可以控制反應(yīng)的開始停止。但是由于設(shè)備較為特殊，其制造和運(yùn)營(yíng)成本較高。

3?新型超臨界水氧化技術(shù)在有機(jī)廢物處理中的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)

3.1?超臨界水氧化技術(shù)

超臨界水氧化技術(shù)（Supercritical Water Oxidation，簡(jiǎn)稱SCWO）是一種可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種有機(jī)廢物進(jìn)行深度氧化處理的技術(shù)。其技術(shù)原理是以超臨界水為反應(yīng)介質(zhì)，經(jīng)過均相的氧化反應(yīng)，將有機(jī)物快速的轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水、氮?dú)夂推渌麩o害小分子。超臨界是指流體物質(zhì)的一種特殊狀態(tài)，當(dāng)把流體的溫度、壓力升至臨界溫度和臨界壓力以上時(shí)，可使流體處于超臨界狀態(tài)。超臨界流體和氣體相似，都具有良好的流動(dòng)性，但密度又遠(yuǎn)大于氣體。超臨界狀態(tài)下流體具有許多獨(dú)特的理化性質(zhì)。例如：水的臨界溫度是374.3℃、臨界壓力是22.064MPa，超臨界水即是溫度和壓力都高于臨界值狀態(tài)下的水流體，其密度、粘度、電導(dǎo)率、介電常數(shù)等基本性能與普通水相比差異顯著，并表現(xiàn)出類似于非極性有機(jī)化合物的性質(zhì)。因此，超臨界水能與烴類等非極性物質(zhì)及其他有機(jī)物完全互溶，而鹽類等無機(jī)物，在超臨界水中的電離常數(shù)和溶解度卻很低。

由于有機(jī)物和氧氣在超臨界水中溶解量極高，因此超臨界水氧化技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：可在富氧的均一相中對(duì)有機(jī)物進(jìn)行氧化，無需相轉(zhuǎn)化，同時(shí)高反應(yīng)溫度加快了反應(yīng)速度，在幾秒的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到破壞99%以上的有機(jī)廢物。該技術(shù)的反應(yīng)中有機(jī)碳和氫分別轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，鹵素原子轉(zhuǎn)化為鹵離子，硫和磷分別轉(zhuǎn)化為硫酸鹽和磷酸鹽，氮?jiǎng)t轉(zhuǎn)化為硝酸根和亞硝酸根離子或氮?dú)獾葘?duì)環(huán)境無害的物質(zhì)。

3.2?超臨界水氧化技術(shù)的應(yīng)用

該技術(shù)應(yīng)用于食品及化學(xué)工業(yè)、清洗半導(dǎo)體及環(huán)境工程等。其能有效降解有害廢棄物的特點(diǎn)在環(huán)境保護(hù)方面有重要意義。該技術(shù)的應(yīng)用對(duì)象包括塑膠及其衍生物、有機(jī)物質(zhì)、高能量物質(zhì)、廢水、下水道污泥、受污染土壤等。

超臨界水氧化技術(shù)能夠徹底處理廢物，效率也更高，利用在高溫高壓條件下發(fā)生的均相反應(yīng)的反應(yīng)速率快，停留時(shí)間短的特點(diǎn)，節(jié)省大量時(shí)間。同時(shí)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用對(duì)象的范圍更廣。處理各種有毒物質(zhì)、廢物廢水的同時(shí)不產(chǎn)生二次污染，可從水中分離出無機(jī)鹽，因此經(jīng)過處理后廢水可完全回收利用。當(dāng)有機(jī)物含量>2%時(shí)，利用反應(yīng)中有機(jī)垃圾自身的氧化放熱即可維持所需溫度，不需要額外供給熱量。若濃度更高，部分熱能可回收利用。但是對(duì)設(shè)備材質(zhì)要求較高，缺少較理想的催化劑，同時(shí)對(duì)于各種有機(jī)物的氧化分解反應(yīng)機(jī)理不清晰，工業(yè)化推廣仍需一定時(shí)間，作為為目前少數(shù)擁有工業(yè)化技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)的國(guó)家之一的日本主要研究危險(xiǎn)性廢棄物或廢水，以多氯聯(lián)苯 、二氧芑的去除研究為主。

3.3?新型生活有機(jī)垃圾的處理流程工藝設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)首先將生活垃圾分為三類：包括廢水和塑膠、餐余垃圾以及生活廢棄物。對(duì)于廢水和塑膠，在簡(jiǎn)單水處理后，回收利用部分可利用產(chǎn)物，難處理的廢水及有機(jī)物進(jìn)行超臨界水氧化處理;對(duì)于餐余垃圾，利用微生物處理技術(shù)進(jìn)行處理，再對(duì)固體殘余物進(jìn)行高溫滅菌得到有機(jī)肥，剩余部分進(jìn)行超臨界水氧化處理;生活廢棄物則先對(duì)可直接回收部分進(jìn)行回收利用，不能直接回收的部分先焚燒處理，再經(jīng)過除渣機(jī)除渣，利用超臨界水氧化技術(shù)處理。超臨界水氧化后即可得到二氧化碳等氣體產(chǎn)物、無機(jī)鹽沉淀和水，最后統(tǒng)一進(jìn)行回收利用。

本系統(tǒng)對(duì)有機(jī)垃圾的分類處理較為合理，效率更高。本系統(tǒng)引進(jìn)超臨界水氧化技術(shù)，并與傳統(tǒng)的微生物處理技術(shù)、焚燒技術(shù)相結(jié)合，降低處理成本，利用了各類技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有效提高了有機(jī)垃圾的利用率，并利用超臨界水氧化技術(shù)，避免了二次污染的可能，體現(xiàn)了綠色化學(xué)的原則。

4?總結(jié)及展望

以綠色、節(jié)能、高效為原則建立新型有機(jī)廢物處理系統(tǒng)，已成為當(dāng)今有機(jī)廢物處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。超臨界水氧化技術(shù)作為近年新興的處理技術(shù)，逐漸成為發(fā)展改進(jìn)現(xiàn)階段有機(jī)廢物處理技術(shù)的主要選擇，大力發(fā)展超臨界水氧化技術(shù)顯得尤為重要。

本文通過研究現(xiàn)階段有機(jī)廢物處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合超臨界水氧化技術(shù)，為對(duì)現(xiàn)階段有機(jī)廢物處理系統(tǒng)的改進(jìn)，綜合考慮了微生物處理技術(shù)、焚燒技術(shù)和超臨界氧化技術(shù)結(jié)合，發(fā)揮了各類技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)向綠色、節(jié)能、高效的原則靠攏，為實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)系統(tǒng)的目的提供理論指導(dǎo)，未來有機(jī)廢物處理系統(tǒng)仍需在實(shí)際應(yīng)用中不斷積累和完善。

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