城市生活废弃物综合处理静脉产业园的低碳化技术路线探索

2017-09-07纪莎莎唐建国张悦励建全刘宙

中国环境管理 2017年4期

关键词：废弃物产业园温室

纪莎莎，唐建国，张悦，励建全，刘宙

（1. 上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200210；2. 中国木土工程学会水工业分会，北京 100000）

城市生活废弃物综合处理静脉产业园的低碳化技术路线探索

纪莎莎1，唐建国1，张悦2，励建全1，刘宙1

（1. 上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200210；2. 中国木土工程学会水工业分会，北京 100000）

当前，我国生态环境日益恶化，减排压力巨大，城市生活废弃物带来的环境负面影响突出。针对不断凸显的“邻避”效应挑战，如何优化配置城市生活废弃物处理设施，保证城市具有良好的市容市貌及居住环境，是亟需研究解决的重要课题。本文提出一种低碳化的城市生活废弃物综合处理技术路线，其以建设城市生活废弃物综合处理静脉产业园为平台，以设置各类再生资源利用设施为核心，通过生活废弃物分类预处理、化石能源替代、碳汇基地培养等一系列低碳化技术的应用，达到温室气体减排效益最大化，为城市提供“环境保护—气候减排—经济增长”的三赢模式，确保其环境和经济的协调发展。

生活废弃物；低碳；静脉产业园区；循环利用

1 园区定义及模式

《静脉产业类生态工业园区标准（试行）》（HJ/ T275—2006）（以下简称《标准》）将静脉产业定义为：“以保障环境安全为前提，以节约资源、保护环境为目的，运用先进的技术，将生产和消费过程中产生的废弃物转化为可重新利用的资源和产品，实现各类废物的再利用和资源化的产业。包括废物转化为再生资源及将再生资源加工为产品两个过程”。静脉产业的实践形式，是以从事静脉产业生产的企业为主体建设的园区。静脉产业园区的建设内容主要涉及生活、生产和消费过程中的各种废弃物，通常包括废钢铁、废有色金属、废塑料、废旧轮胎、废纸、废弃电子电器产品、报废汽车以及报废船舶八大类[1,2]。本文根据静脉产业园区所从事的产业、容纳的废弃物种类和与上下游产业链关系，对国内现有的园区模式进行划分，如图1所示，主要包括静脉串联、动脉衔接模式以及综合静脉产业模式[3]。目前，集合危险废物处理处置、生活垃圾处理处置等设施的园区正在成为静脉产业园的新兴模式[4]，本文所提出的城市生活废弃物综合处理静脉产业园区正是此种模式的拓展和延伸。

生活废弃物主要包括生活垃圾、餐厨垃圾、污泥、粪便、园林绿化垃圾以及建筑垃圾。对于生活废弃物而言，其产生的不可避免性要求每个城市都应配备相应的处理设施，以保证城市具有良好的市容市貌及居住环境。另外，由于公众“邻避”心理导致生活废弃物处理设施选址矛盾不断凸显，如何最大化地利用宝贵的土地资源，在保证环境安全的前提下，实现不同功能的处理设施统一布局，成为城市管理者亟待解决的重要问题。

图1 静脉产业园区模式划分

近期，国家住建部、发改委、国土资源部和环保部联合发布《关于进一步加强城市生活垃圾焚烧处理工作的意见》，在“推进产业园区建设”一条中明确指出：积极开展静脉产业园区、循环经济园区、静脉特色小镇等建设，统筹生活垃圾、建筑垃圾、餐厨垃圾等不同类型垃圾处理，形成一体化项目群，降低选址难度和建设投入。

鉴于此，城市生活废弃物综合处理静脉产业园区应运而生，以应对中国城市在生活废弃物处理处置方面面临的巨大挑战，其通过合理、高效的技术路线，设置各类废弃物处理及再生资源利用设施，为城市生废弃物提供综合解决方案。园区在完成废弃物“无害化、减量化、资源化”的同时，以“低碳”理念统筹整个园区的建设和运营，确保建设用地、能源和水资源消耗以及碳排放总量得到有效控制，力求通过系统布局、优化设计形成技术先进、环境友好的静脉产业园区，实现园区内废弃物处理，园区外资源利用的目标。

2 园区技术路线选择

图2描绘了城市生活废弃物综合处理静脉产业园区技术路线。城市废水通过处理成为再生水，可将其运用于城市道路、车辆冲洗、景观补水以及苗木浇灌等。城市有机废弃物以厌氧处理技术为核心，得到生物质能源——沼气和生物炭土，其中，沼气的“捕获”和利用可有效减少温室气体排放，生物炭土通过“移动森林”加以利用，在实现苗木对碳的“固定”的同时产生碳汇效应。生活垃圾经末端干湿分离后，湿垃圾助力厌氧消化，干垃圾焚烧产能。城市建筑垃圾经拆解分选后获得再生材料，可实现物质的再循环。

2.1 生活垃圾

在我国，大部分中小型城市的生活垃圾一般以易腐有机物和渣土为主。随着城市经济、社会的发展，人民生活水平和天然气气化率的逐步提高，生活垃圾中有机物及可回收物比例不断增加，渣土比例逐年下降。但由于生活垃圾总体含水率较高，其热值仍无法满足其直接焚烧，因此在生活垃圾处理处置路线中提出“预处理+焚烧”两段相结合的方式。

2.1.1 预处理

传统生活垃圾分选就是将生活垃圾中各种可回收利用的组分和不利于后续处理工艺要求的组分采用适当技术分离出来的过程。但是我国大多数城市生活垃圾组分复杂、不稳定，且有机质含量较高、含水率高，导致分选工艺流程复杂，且由于工作面较大导致臭气逸散后难以处理。

生活垃圾高压压榨干湿分质分类预处理采用高压（800～1000个大气压）机械挤压的方法，对原生垃圾进行物理分离。与传统垃圾分选工艺相比，此技术侧重于在垃圾前处理流程上进行改进，将含水率高、热值低的原生垃圾进行物理干湿分离。该技术是对我国垃圾源头干湿分离不到位的一种弥补，也是适合我国国情的一种垃圾分类方法。通过此方法，垃圾湿组分含有较高的有机质，可为厌氧消化提供丰富的物料，并有效提高沼气产量；干组分因含水率大幅度下降，不但减量化明显，热值也有所提高，为后续处理带来极大的便利。值得注意的是，当生活垃圾中含有大量的渣土等非可燃性固体废物时，可考虑在高压压榨干湿分质分类预处理前对生活垃圾进行初步分选，将分选出的非可燃性固体废物送入建筑垃圾处理厂，与建筑垃圾一同处理。

图2 低碳静脉产业园区规划总体思路

2.1.2 焚烧

垃圾焚烧工艺是我国目前除填埋之外应用最广且稳定性最好的垃圾处理工艺，其减容效果最好（一般减容90%，减重70%以上），可使腐败性有机物和难以降解而造成公害的有机物燃烧成为无机物和二氧化碳，而病原性生物在高温下死灭殆尽，使垃圾变成稳定的、无害的灰渣类物质。垃圾焚烧发电是通过垃圾干燥、燃烧和燃烬三个阶段，让垃圾在850℃～1100℃的高温下充分燃烧。焚烧垃圾产生的高温烟气在余热锅炉中进行热交换，产生过热蒸汽，推动汽轮发电机组产生电能。电能通过电网，输送到各地，实现了垃圾资源化处理。

2.2 城市有机废弃物

城市有机废弃物处理对象主要包括污泥、粪便、餐厨垃圾以及生活垃圾湿组分等，该混合废弃物的特点为物料成分复杂，不同物料之间性质差别较大，需要寻找一种主体工艺对不同有机废弃物进行协同处理，以降低系统投资和运行费用。厌氧消化对于以上有机废弃物均是可行的处理工艺，其中生活垃圾有机浆液用于厌氧消化，每吨物料可产生沼气110 m3以上[5]。除此之外，餐厨垃圾与污泥共消化也有着独特的优势，两者之间可以建立一种良性互补。根据以上分析可知，厌氧消化将作为城市有机废弃物处理处置的核心环节，为进一步提升反应速率，提高产出，降低能耗，需建立一个与整个处理系统前后环节配合合理、安全高效的预处理系统。

针对生活垃圾有机浆液及污泥和粪渣的混合物采用高温热水解的预处理方式，该技术是通过加热的方法，在一定温度和压力下使污泥中的黏性有机物水解，破坏污泥的胶体结构，可以同时改善脱水性能和厌氧消化性能[6]。除此之外，高温热水解预处理还具有以下特点[7]：①提高消化池固体负荷率及消化速率；②产沼量比传统消化提高10%以上；③消化后污泥品质提高；④提高污泥脱水性能；⑤“碳足迹”少，已在欧洲成熟应用。

2.3 建筑垃圾

建筑垃圾主要来源为房产开发建筑工地、拆迁改造、房屋装修等，主要成分由土、渣土、散落的砂浆和混凝土、砖石、包装材料及装饰、装修产生的废料、废弃物组成。根据国家建筑垃圾处理产业技术政策，转运调配、再生利用、回填、填埋垃圾处理技术及设备都有相应的运用条件，在坚持因地制宜、技术可行、设备可靠、适度规模、综合治理和利用的原则下，可以合理选择其中之一或适当组合。建筑垃圾应以资源循环化利用为主，以卫生填埋为保底措施，对于可以回填利用价值的工程渣土，可以做暂时储备，当有利用价值后做转运调配处理。主体工艺通过对建筑垃圾分级破碎、风选、磁选、筛分，回收废旧钢铁、木材等废旧物资，并生产出取代天然砂石的骨料。再生微粉料可作为混凝土制品生产车间的原料，用以生产墙体材料、地面材料、标准砖和多孔砖等。再生细、粗骨料可作为路基材料等。风选出的木头、塑料、纸张等做资源回收。初级筛分出的黄土直接供给园林部门作为绿化用土，其余废料定期无害化填埋。除此之外，再生骨料还可作为透水砖及河岸护堤的原材料，对海绵城市的发展具有重要推动作用。

3 温室气体减排与碳收益

当前，我国在碳减排方面，将重点集中在集约利用能源和开发清洁能源降低排放两个方面。但就目前来看，常规的工业行业减排、能源结构减排对于任何城市来说，都是巨大的挑战。城市废弃物是每个城市必然产生也必须处理处置的一类废弃物，在考虑其“减量化、资源化、无害化”的同时，应该站在更高、更远的角度来讨论其在温室气体减排上可做的工作，即通过选取合理的废弃物处理路线，形成园区内的静脉产业链，达到“绿色、低碳”的目的[8]。

本文将就不同技术路线所带来的温室气体排放进行分析，如图3所示，其中，方案A为静脉园区所采取的低碳处理处置方式，方案B为常规处理处置方式。需要说明的是，城市有机废物处置过程中所产生的沼气或填埋气均属于生物质能，如果这部分生物质能通过能源利用并最终以CO2的形式进入环境中，则这部分温室气体被称为“备案项”，不计入总排放中。但是如果这部分生物质能以非CO2的其他温室气体形态（如CH4、N2O等）进入环境，则需要按照不同的温室热效应计入温室气体总排放[9]。根据国家发改委《省级温室气体清单编制指南》（下称《清单》）中的规定，生物质燃料燃烧主要核算CH4的排放，而对生物质转化的CO2排放不纳入项目排放总量中。除此之外，《清单》还规定废弃物焚烧过程中的碳排放需要区分化石和生物成因，其中矿物碳焚烧氧化过程中产生的CO2计入清单总量中，生物质材料燃烧产生的CO2不计入清单总量。

通过对比可以看出，方案A中有温室气体排放可分为间接排放和直接排放两种，其中间接排放主要是在生活垃圾高压压榨环节使用电能时，造成的燃煤电厂CO2的排放，直接排放分别是运输过程中车用燃油导致的温室气体（CO2）排放、启动燃煤焚烧导致的温室气体（CO2）排放以及生活垃圾干质组分焚烧导致的温室气体（CO2）排放；方案B中有5部分温室气体排放，分别是运输过程中的车用燃油导致的温室气体（CO2）排放、脱水干化过程中化石能源消耗导致的温室气体（CO2）排放、城市有机废弃物填埋过程中厌氧反应逸散的温室气体（CH4）、生活垃圾焚烧时启动燃煤焚烧导致的温室气体（CO2）排放以及生活垃圾焚烧时导致的温室气体（CO2）排放。其中，脱水干化过程中化石能源消耗导致的温室气体（CO2）排放量巨大，而城市有机废弃物填埋过程中厌氧反应逸散的CH4由于其具有较高的温室气体效益（GWP=25～28），也是不可忽视的重要部分。对于焚烧过程中生活垃圾的CO2排放，可以大致判断不论是否通过高压压榨预处理，由于生活垃圾化石和生物成因不变，其焚烧后需要核算进清单的CO2排放量基本不变[10，11]。

从图3中还可以看出，方案A的替代效应明显。通过能量平衡计算，城市有机废弃物通过高温热水解+厌氧消化后，其产出的沼气通过提纯，一部分（约占总量的2/5）作为沼气锅炉燃料，为热水解提供全部能源，另一部分（约占总量的3/5）可以作为CNG气源，为城市加气用车提供能源。值得提及的是，采用方案A会使生活垃圾中的部分生物质进入厌氧反应器中，从而使这一部分碳以再生能源（甲烷）形式出现，或以固态形式存在于沼渣中，而不是通过简单的焚烧生成CO2。

在新的全球气候变化发展战略下，碳循环以及能源再生利用将成为引导静脉产业发展的新思路。根据上述分析，城市废弃物有机部分的厌氧消化和能源化将成为静脉产业园区实现碳效益的核心环节。值得注意的是，除温室气体减排效益外，静脉产业园区还会产生以下环境效益[12,13]：①与汽油相比，采用天然气的汽车颗粒物排放几乎为零，氮氧化物、一氧化氮和碳氢化合物的排放显著降低，在改善空气质量方面有重要的意义；②移动森林苗木种植可有效推进造林绿化步伐，并可大幅减少合成化肥的施用，从而控制氧化亚氮排放；③城市绿色空间储存和吸收的CO2，是重要的“碳汇”，采用生命周期分析方法可以对苗木的固碳能力进行动态估算，种植苗木固碳效应显著，这也与国务院印发的《“十三五”控制温室气体减排工作方案》中所提到的“增加生态系统碳汇”相吻合。

4 结语

随着人们对生态环境要求的提高，人们对于生态环境的改善意愿越来越强，生态环境的友好程度已经成为影响城市、区域竞争力的重要因素。低碳类静脉产业园区综合考虑各类城市废弃物处理处置的技术先进性、工艺可行性和投资合理性，并将污染物治理、资源综合利用、生态设计和可持续消费融为一体，形成固体废物处理处置和固体废物资源化的特殊产业集群。此类园区的建设将成为城市生态安全的屏障，不仅有利于提高环境质量、减少碳排放，也易于形成政府、企业、公众共制的环境治理体系，为城市进一步释放生态环境红利打下有益基础。

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Exploration on Low Carbonization Technical Route of Municipal Waste Comprehensive Treatment Venous lndustry Park

JI Shasha1, TANG Jianguo1, ZHANG Yue2, LI Jianquan1, LIU Zhou1
(1. Shanghai Urban Construction Design & Research Institute (Group) Co.,Ltd, Shanghai 200210; 2.China Civil Engineering Society, Water Industry Sub-Council, Beijing 100000)

China faces worsening ecological environment problems and huge pressure of emission reduction at present. In order to solve the challenge of "Not-In-My-Back-Yard" psychology, how to optimize the disposing of municipal waste disposal facilities to ensure the city’s good appearance and living environments is an important subject for urgent research and solution. This paper proposes a low-carbon technical route for domestic waste comprehensive treatment, which is cored as the construction of domestic waste comprehensive treatment Venous Industrial Park, and sets up various types of renewable resource utilization facilities. Through a number of low-carbon technology applications, such as the pre-treatment of domestic waste, replacement of fossil energy, and carbon sequestration training, to achieve the maximum bene fi t of greenhouse gas emission reduction, and to provide a win-win-win model of "environmental protection - climate emission reduction - economic growth"for the city, ensure the coordinated development of its environment and economy.

domestic waste; low carbon; venous industrial park; cyclic utilization