城市生活垃圾分类处理技术模式综述*

梁卫坤，祁光霞，高亚芹，李水坤，吴远明，邓舟，荀锐，王伟

（1.深圳市生活垃圾分类管理事务中心，广东深圳518000；2.北京工商大学环境科学与工程系，北京100048；3.北京健坤伟华新能源科技有限公司，北京100085；4.清华大学环境学院环境工程系，北京100084）

城市生活垃圾分类处理技术模式综述*

梁卫坤1，祁光霞2，高亚芹1，李水坤1，吴远明1，邓舟3，荀锐3，王伟4

（1.深圳市生活垃圾分类管理事务中心，广东深圳518000；2.北京工商大学环境科学与工程系，北京100048；3.北京健坤伟华新能源科技有限公司，北京100085；4.清华大学环境学院环境工程系，北京100084）

针对现今小区未能实现正确分类的厨余垃圾以及生活垃圾，目前的分类处理技术模式多为“中端干湿分类+末端综合利用”，其中应用较多的是“高压压榨+生物处理/热处理”和“淋沥压榨+生物处理/热处理”2种模式。国内的工程化案例较少，对于其工艺稳定性、技术经济性仍有待进一步考量。生活垃圾“源头减量+末端综合利用”技术模式可实现厨余垃圾的简单有效分离或减量，主要包括安装厨余垃圾处理机将厨余垃圾粉碎后排入下水道（“美国模式”）和通过源头沥水降低生活垃圾含水率（“日本模式”）2种。前者可以作为城市固废处理处置的方式之一，但将大量的厨余垃圾直排进入污水处理系统对我国城市能源消耗、污水厂运行以及经济性方面造成的系统影响有待进一步考量；厨余垃圾源头沥水可一定程度实现生活垃圾减量，但不能彻底改观我国现有的厨余垃圾正确分类收集问题。

城市生活垃圾；源头分类；厨余垃圾；厨余垃圾破碎机

我国城市生活垃圾具有含水率高、热值低和易生物降解等典型特征，卫生填埋将会出现渗沥液产生量大、污染范围宽、填埋气收集效率低、边坡稳定性差等问题［1］，而焚烧则会出现热值低、焚烧炉运行不稳定、上网电力不稳定等问题，造成上述问题的根源在于其中大量存在的厨余垃圾（最高可达60%）［2］，其比例远高于全球的厨余垃圾比例（29%～50%）［3］。

厨余垃圾主要产生于厨房，包括烹饪过程的废弃部分、过期食品、烹饪或保存不当产生的变质食品、吃剩的外卖和熟食等半成品、成品，高度易腐败，易孳生蚊蝇，带来一定的环境卫生安全隐患［4-5］。生活垃圾经源头分类除去厨余垃圾后，可极大改善其焚烧特性，大幅降低二恶英（PCDDs/Fs）的生成，烟气中二恶英的生成量仅9.28 ng I-TEQ/m3，为未经分类垃圾的69.4%［6］，另外也可极大降低填埋、焚烧等生活垃圾末端处理设施的处理压力。从全生命周期的角度来看，实现并优化城市生活垃圾分类可以很大程度上减少富营养化、酸化和光化学臭氧形成等全球变暖潜势［7］，减少温室气体排放。

我国从2000年开始在北京、上海、广州、南京、杭州、深圳、厦门和桂林8个城市开展设置分类投放垃圾桶等传统方式的生活垃圾源头分类试点工作。虽然北京和上海取得了一定成果，但总体而言，由于生活垃圾处理目标不明确、基础设施不配套，生活垃圾分类准确性、实际减量效果和资源回收利用水平都远不如预期［8-10］，与经济投入不成正比。由此可见，我国在短期内难以形成生活垃圾源头分类的收集、回收和处理体系。

针对当前“垃圾围城”的城镇化困境，国家发展改革委员会联合住房和城乡建设部组织起草了《垃圾强制分类制度方案（征求意见稿）》，要求实施生活垃圾强制分类的重点城市于2020年底实现“生活垃圾回收利用率达到35%以上（含再生资源回收、分类收集并实施资源化利用的厨余等易腐有机垃圾）。”为实现上述目标，除了继续坚持教育宣传等多种方式以养成居民生活垃圾分类的良好习惯，目前亟待开展基于国内生活垃圾组成特点的分类处理技术模式创新，从而解决当前城市生活垃圾产生量急剧增加带来的处理难题。笔者就当前国内外的生活垃圾分类处理技术模式进行总结，分析各自的优缺点及国内工程化实施情况，为当前城市生活垃圾分类处理技术模式选择提供基本依据。

1 生活垃圾“中端干湿分离+末端综合利用”处理技术模式

针对现今小区未能实现正确分类的厨余垃圾以及混合收运生活垃圾，目前的分类处理技术模式多为“中端干湿分类+末端综合利用”。其中，中端干湿分类多采用机械生物处理技术（mechanical biological treatment，MBT），而末端综合利用多采用厌氧发酵（湿组分）、焚烧或热解（干组分）的技术组合。MBT技术结合了一系列机械和生物过程，常用于处理未经任何预处理和分类的混合生活垃圾的预处理［11］（又称为MBP），可高效回收混合垃圾中的金属、玻璃和纸制品等进行回收利用，降低可生物降解有机质（如厨余垃圾）含量而提高垃圾填埋的生物稳定性、减少渗沥液和甲烷二次污染排放［12］，高热值的固体部分可制作高品位的固体废物衍生燃料（refuse derived fuel，RDF）或焚烧发电，是新兴的城市生活垃圾分类处理技术［13］。机械技术主要包括破碎、筛分、风选、搅拌和磁选等过程，而生物过程则为好氧（仓式、露天条垛式、隧道式、箱式、滚筒式、生物干化和淋滤等）和厌氧生物技术（厌氧消化）的单独或组合利用，机械和生物技术组合可显著提高生活垃圾的处理效率。目前，应用较多的是“高压压榨+生物处理/热处理”和“淋沥压榨+生物处理/热处理”2种模式。

1.1 “高压压榨+生物处理/热处理”模式

高压压榨分离技术主要利用了生活垃圾各组分的硬度（破坏强度）和延展性（扩散能力）的差异性，兼顾密度（含水率）和形状（破碎粒径）等因素，通过装填预压和高压挤压（20～40 MPa）以及分离筛网装置（筛筒），将初步预处理（破碎、筛分）的生活垃圾有效分离成干湿2部分。其中，干组分为不能被高压破坏的部分，具有热值高、含水率低、密度低等特性，适宜焚烧、热解等热处理或是制RDF；湿组分为被高压挤出（含固率约20%）的部分，具有有机质含量高、无机质含量低等特点，适宜通过厌氧、好氧等生物方式利用（图1）。

图1 城市生活垃圾“高压压榨+生物处理/热处理”技术模式

高压压榨分离技术的关键设备是挤压分离设备，根据设备结构及挤压力产生的原理不同，可分为螺旋挤压分离设备和液压挤压分离设备2种：螺旋挤压分离设备由主轴上的螺旋片将设备内物料向出口输送，而出口端有特殊结构提供背压力，使物料在输送过程中建立压力，生活垃圾中的宜生化组分被破坏并通过包围在螺旋片周围的筛网流出，而干组分克服出口背压排出设备；液压挤压分离设备由液压缸向端口密闭的圆形或方形筛筒内推送物料，物料靠近筛筒密闭端体积被逐渐压缩直至最大。其中，宜生化组分被破坏流出，可燃组分被保留在筛筒内并在挤压完成后排出筛筒。液压挤压分离的原理简单，易于实现，国外多用于沼渣脱水等场合，国内在生活垃圾压缩转运车辆、转运站设备中比较常见，但主要功能也是挤压脱水。螺旋挤压分离设备受螺杆强度、挤压作用面积等因素限制，其产生的挤压压力最高约5 MPa，国外的工程案例中多用于处理有机垃圾、超市垃圾，以及厌氧后沼液沼渣分离，国内尚无成熟生产工艺。

关于生活垃圾“高压压榨+生物处理/热处理”技术模式的国内工程案例有北京环卫集团于2016年12月建成的贵阳市300 t/d处理能力的生活垃圾处理及资源化综合设施，其采取的是“高压压榨（挤压压力30～40 MPa）+干式厌氧/高温等离子体气化”的组合技术路线，干组分含水率40%～45%，湿组分含水率约65%。据悉，同样的工艺组合也应用在北京市丰台生活垃圾综合处理园区项目；另外，深圳市龙澄高科技环保有限公司也于2016年4月至8月完成了50 t/d处理能力的生活垃圾干湿分类示范工程的稳定性测试（挤压压力40～100 MPa），干组分含水率为30%～35%，湿组分含水率为80%～85%。该技术模式的特点是干湿分离流程短，可实现连续式干湿分离，处理能力较大，缺点是湿组分含杂率高，另外有机浆料的干式厌氧发酵沼渣仍然面临处理的难题。

1.2 “淋沥压榨+生物处理/热处理”模式

淋沥压榨分类预处理同样可用于混合收集生活垃圾和分类较差的厨余垃圾分类处理和减量，其原理是通过厌氧发酵沼液为期2～3 d的低速搅拌淋沥（percolation）促进易生物降解有机质的生物水解，将有机质里的结合水变为游离水，在较低的操作压力下（0.5 MPa）即可实现有机液体与高热值可燃固相物料分离。有机浆液通过湿式厌氧消化工艺产生沼气，进行生物质能源的利用；可燃固形物料通过生物干化，热值由初始的962 kJ/kg升高至6 270～7 942 kJ/kg，含水率可降至30%，可作为高热值的RDF燃料（直接焚烧）或热解气化进行进一步的能源化利用。目前的国内工程案例有江苏维尔利环保科技股份有限公司于2016年5月建成的位于杭州天子岭静脉小镇黄龙坞地块的生活垃圾机械生物消融（EMBT）处理工程示范项目，处理能力50 t/d，其工艺原理见图2。

图2 杭州混合生活垃圾“淋沥压榨+生物处理/热处理”工艺原理

与“高压压榨+生物处理/热处理”相比，该处理技术模式的最大特点是避免了高压压榨浆料干式厌氧发酵产生的沼渣处理难题，同时淋滤后再压榨所需能耗显著降低，但前期淋滤需要2～3 d的停留时间较之直接高压压榨在处理能力上会有所限制。

2 生活垃圾“源头减量+末端综合利用”处理技术模式

源头减量技术是指在家庭层面将厨余垃圾减量化，主要通过安装在家庭厨房洗菜盆排水口处的厨余垃圾处理机（foodwastedisposers，FWDs）将厨余垃圾粉碎后排入下水道（“美国模式”）［14-15］，或者通过源头沥水降低生活垃圾含水率（“日本模式”），家庭生活产生的干垃圾经回收利用后再进行焚烧等热处理（图3）。源头减量技术有很多优点，对居民家庭来说，可以使厨房保持清洁卫生，减少蚊蝇产生；对市容环卫部门来讲，可以显著降低生活垃圾清运压力，保证良好的市容市貌；对于生活垃圾最终处理来讲，能够改善最终处理设施的运行条件，降低污染物的排放量。

图3 生活垃圾“源头减量+末端综合利用”处理技术模式

2.1 “厨余源头粉碎+可燃垃圾热处理”模式

FWDs作为一种小型厨余垃圾粉碎装置（图4），常安装于厨房洗水池底部，粉碎后的垃圾除油后或者直接进入市政污水管网并进入城市污水处理厂处理，或者进入沉淀池进行固液分离后分别进行处理。与其它分类技术相比，FWDs具有如下优点：①可以极大减低城市生活垃圾的收运量，研究结果表明25%～75%的家庭覆盖率可削减12%～43%的厨余垃圾量［16］；②可消除混合收集填埋带来的温室气体排放等负面影响，显著改善填埋场的环境卫生条件；③因为从产生的源头进行分离而高效、卫生，成本低廉；④对于生活垃圾收运困难的小乡镇、城市郊区县以及山区县市等尤其适用；⑤经破碎后的厨余垃圾进入污水处理系统可作为优质碳源显著提高污水的C/N，促进后续脱氮除磷效果［17］。

图4 美国厨余垃圾处理机

FWDs最早应用于美国纽约市（1927年），后续逐渐在世界诸多发达国家进行应用。截至2008年，美国95%的州和城市使用FWDs，家庭覆盖率也高达50%，有的城市甚至强制使用。美洲国家如加拿大、澳大利亚、新西兰的FWDs家庭覆盖率分别为10%、12%和30%［3］。FWDs的家庭覆盖率水平控制主要基于当地市政管网的条件和城市污水处理厂的承载力。事实上，美国20世纪70年代因为FWDs对市政管网造成过巨大冲击而被停止使用，但是1997年纽约市为期21个月的实地调研证明，在政府严格监管的条件下，FWDs的使用对当地的水资源和能源消耗、市政管网以及污水处理系统、污泥处理系统并未造成显著影响，由此推动了FWDs后续在美国全国范围内的大规模推广应用。日本在FWDs推广应用上走在亚洲国家的前列，其国内的FWDs有2种形式，一种是厨余垃圾粉碎后直接排入下水道，另外一种是厨余垃圾粉碎后进入暂贮池进行后续处理。韩国目前正在讨论使用FWDs推进本国厨余垃圾源头分类的工作［18］。

由于环保意识、市政管网和城市污水处理系统的承载力水平以及后续污泥和沼气的消纳能力、技术发展水平等的差异，欧盟27国对于厨余垃圾采用FWDs方式处理的态度迥异：2008年，英国的FWDs家庭覆盖率最高，达到5%；丹麦、法国、挪威、芬兰和荷兰则要求安装FWDs需要获得政府许可，因为政府需要对FWDs可能产生的环境影响负责；德国、意大利、比利时、卢森堡和瑞典则对FWDs采取不允许也不鼓励的政策和态度，其主要原因在于缺乏FWDs对本国现有的资源消耗水平、污水处理系统和固体废物管理系统的整体影响的科学定量评估。为此，各国研究者围绕FWDs的可能环境影响开展诸多的研究。

首先是资源消耗和经济性问题。对于水量消耗，厨余垃圾粉碎需要一定水量保证产生均一的高浓度有机浆液以及冲洗进入暂贮池或下水管道，用水量增加1～6.6 L/（人·d），增幅为0.3%～3.5%［3］。1～7 L的用水量增加对于人均用水量150～571 L/（人·d）的淡水水源充沛的城市来说，并不会带来显著影响。然而，对于水源匮乏的地区和城市，这样的用水量需求增加对城市造成的影响则比较大，对此需要具体科学客观评估。对于电量消耗，由于粉碎机功率为0.551～0.735 kW，而每次厨余垃圾粉碎仅36～75s，几乎所有研究者认为其电量消耗可忽略。Lundie和Peters［19］计算得出每千克厨余垃圾粉碎需要的电量为0.02 kW，Bolzonella等［20］通过模型计算得到每个家庭额外的电量消耗是4.3～8.5 kWh/a，由此带来的电费增加仅为0.55～1.10欧元/a。对于使用FWDs的经济性，英国Lacovidou E等断定［21］，大范围的使用FWDs节省的生活垃圾收运费用可以抵消伴随而来的污水处理费用增加，而小范围的FWDs覆盖则会增加污水处理费用。针对不同应用场景，FWDs的引入扣除增加的污水和污泥处理费用部分还可以使生活垃圾收运处理费用减少7.2%～44%［16］。

对于给污水处理厂带来的影响，Bolzonella等［20］发现厨余垃圾粉碎后直接进入市政管网会带来75 g/（人·d）的有机碳量增加，N和P的增量分别为2.5 g/（人·d）和0.25 g/（人·d），可以显著提高市政污水的C/N而改善污水处理厂的脱氮除磷效果、增加沼气产率，而FWDs的使用可使三口之家扣除FWDs购买费用和水电费之后节约生活垃圾处理费和污水处理费用达到17欧元/a。BOD和SS的增幅分别为17%～62%和1.9%～7.1%［16］，FWDs主要带来有机质含量增加，而无机杂质增加带来的管网堵塞等负面效应可以忽略。值得注意的是，伴随进入下水道的洗涤剂达到一定剂量（603 mg/L）将对微生物厌氧产甲烷过程产生抑制［18］，因而需要调研评估进入市政管网的洗涤剂用量。对于污泥量的增加，由于地域和污水处理工艺的不同会表现出差异性，随着污水停留时间的延长，污泥量逐渐增加。如，常规生物处理、初沉池+生物处理、化学强化初沉池+生物处理的污泥增加量依次分别为24～38、50～80、67～100 g/（人·d），污泥量增幅达4%～70%［3］。其原因在于，颗粒性有机质变为溶解性有机质促成更多的活性污泥生成，伴随带来沼气量增加22%～100%。

日本所做的一个为期20个月（家庭厨余垃圾粉碎单元安装前7个月，安装后13个月）的现场调研结果显示［22］，安装并使用家庭厨余垃圾粉碎机后（家庭厨余垃圾粉碎机覆盖率97%），一个中等规模（76户，327人）社区的城市生活垃圾产生量减少53%，一个小规模（15户，65人）社区的城市生活垃圾产生量减少36%，塑料袋包装物减少1/3，含水率降低50%以上，可燃物组分由27.5%～37.6%增加至63.6%～74.5%，低位热值由3 424～5 673 kJ/kg升高至11 271～13 615 kJ/kg。由此说明，家庭厨余垃圾粉碎技术路线可实现生活垃圾减量提质，显著降低现行的生活垃圾处理费用（尤其收运费用），改善后续填埋、焚烧等的环境卫生条件和二次污染排放。

我国厨余垃圾采用FWDs的比例很低，Zhang等［23］的调查显示上海2012年仅1.69%的居民采用FWDs进行厨余垃圾源头减量。对于厨余垃圾粉碎直排给我国污水处理系统带来的影响尚无定论。梁政等［24］认为粉碎直排会导致污水量增加，并且会增大城市污水处理厂的有机负荷，增大污泥产量，另外由于受我国的市政管网限制，这种方式很容易造成下水道堵塞等问题。尹然等［25］认为污水的有机负荷增加对污水处理厂是正影响，增加污水中易降解有机物含量，作为补充碳源，有利于污水处理厂的生化处理工艺。虽然影响尚无相关研究，但厨余垃圾粉碎机只适合在排水较好的居民区使用是不争的事实。

综上所述，厨余垃圾粉碎可以作为城市固废处理处置的方式之一，尤其是随着城市社区建设的规范化和现代化，许多新建小区具备安装厨余垃圾处理机的条件。然而，鉴于我国厨余垃圾高油脂、高异质性（骨头、果壳）等特点，将大量的厨余垃圾直排进入污水处理系统对我国城市能源消耗、污水厂运行以及经济性方面造成的系统影响有待进一步考量。

2.2 “厨余源头沥水+可燃垃圾热处理”模式

厨余垃圾源头沥水主要是通过水槽沥水减少厨余垃圾自由水含量，其目的在于切实降低生活垃圾含水率以利于焚烧处理，鉴于其简单实用性（仅设置沥水器，图5），该模式在日本广泛推行。为科学评估厨余垃圾源头沥水方案的实施效果和对生活垃圾的减量提质效应，清华大学环境学院在苏州市开展了厨余垃圾源头沥水的小区试点工作。试点工作表明，在进行张贴海报、悬挂横幅、模拟分类和志愿者督导等宣传教育后，小区有60%的受访者按照要求进行源头沥水，而发放的厨余垃圾专用桶实际使用率仅73%。厨余垃圾减量率为5%～25%，小区厨余垃圾占生活垃圾的比例降低至10%～25%，生活垃圾人均日产生量由0.52 kg/（人·d）降至0.445 kg/（人·d）（5月份数据），长期采用源头沥水措施的厨余垃圾减量率在15%左右，而未正确分类投放的厨余垃圾量仅减少8%。由此可见，厨余垃圾源头沥水可一定程度减少生活垃圾产生量，具有一定的减量效应，但不能彻底改观我国现有的厨余垃圾正确分类收集问题。

图5 日本厨余垃圾沥水器

3 结论

1）针对现今小区未能实现正确分类的厨余垃圾以及混合收运生活垃圾，目前的分类处理技术模式多为“中端干湿分类+末端综合利用”。其中，中端干湿分类多采用机械生物处理技术，而末端综合利用多采用厌氧发酵（湿组分）、焚烧或热解（干组分）的技术组合。目前应用的较多的是“高压压榨+生物处理/热处理”和“淋沥压榨+生物处理/热处理”2种模式。

2）高压压榨干湿分离流程短，可实现连续式干湿分离，处理能力较大，但干式厌氧发酵沼渣的处理仍有待进一步解决；淋沥压榨避免了干式厌氧发酵产生的沼渣处理难题，淋滤后再压榨所需能耗显著降低，但前期淋滤需要2～3 d的停留时间较之直接高压压榨在处理能力上会有所限制。国内的工程化案例较少，对于其工艺稳定性、技术经济性仍有待进一步考量。

3）生活垃圾“源头减量+末端综合利用”处理技术模式可实现厨余垃圾的简单有效分离。源头减量技术国际上比较通用的有2种方式，包括安装厨余垃圾处理机将厨余垃圾粉碎后排入下水道（“美国模式”）和通过源头沥水降低生活垃圾含水率（“日本模式”）。厨余垃圾粉碎可以作为城市固废处理处置的方式之一，将大量的厨余垃圾直排进入污水处理系统对我国城市能源消耗、污水厂运行以及经济性方面造成的系统影响有待进一步考量；厨余垃圾源头沥水可一定程度减少生活垃圾产生量（5%～25%），具有一定的减量效应，但不能彻底改观我国现有的厨余垃圾正确分类收集问题。

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A Review of Municipal Solid Waste Classification and Processing Technology Modes

Liang Weikun1，Qi Guangxia2，Gao Yaqin，Li Shuikun1，Wu Yuanming1，Deng Zhou3，Xun Rui3，Wang Wei4
（1.Shenzhen Municipal Solid Waste Classification Management Center，ShenzhenGuangdong518000；2.Department of Environmental Science and Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing100048；3.J&K Cleaning Energy Technology Co.Ltd.，Beijing100085；4.Department of Environmental Engineering，School of Environment，Tsinghua U－niversity，Beijing100084）

As for the kitchen waste which has not been source-separated correctly in districts and MSW，the classification and processing technology mode is“middle dry/wet classification+terminal comprehensive utilization”，and“high-pressure extrusion+biological treatment/thermal disposal”and“percolation-extrusion+biological treatment/thermal disposal”are 2 technicalmodeswhich have been commonly utilized.However，domestic engineering case islimited，and their processstability and technical economy still need to be further investigated.MSW“source reduction+terminal comprehensive utilization”technical mode can realize the separation and treatment ofkitchen waste in asimple and effective way，including the installation offood waste disposalunits（FWDs）under the kitchen sink which grindskitchen waste and discharge it into the sewer（“USAmode”）and the source dewatering ofkitchen waste to reduce moisture content in the MSW（“Japan mode”）.The former can be adopted asone method for urban solid waste treatment and disposal，but the impact of FWDs application on energy consumption，wastewater treatment plant operation，and social economy ofChinese citiesdue to agreat amount ofkitchen waste discharging into the sewage wastewater treatment plant have to be evaluated systematically.Source dewatering ofkitchen waste can realize MSW reduction to a certain extent，but it cannot completelydissolve current incorrect classification and collection problemsofkitchen waste.

municipal solid waste；source separation；kitchen waste；food waste disposal units

X32；X799.3

A

1005-8206（2017）04-0004-06

梁卫坤（1980－），工程师，主要从事生活垃圾分类处理技术及管理相关工作。

王伟，教授，E-mail：solid@tsinghua.edu.cn。

国家科技支撑计划课题（2014BAC021B00）

2016-11-18