北京城乡不同功能区生活垃圾组成特性及分类研究

2020-12-30张兰霞李国学罗文海

环境卫生工程 2020年6期

张兰霞，李国学，罗文海，袁京

（中国农业大学资源与环境学院，农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室，北京 100193）

1 引言

随着人民生活水平的提高以及城镇化的高速发展，我国生活垃圾产生量和成分发生了巨大变化［1］。2018 年，我国生活垃圾清运量达2.28×108t，且每年以8%～10%的速度持续增长［2］。同时，生活垃圾组成也发生了较大变化［3-4］，主要表现为厨余垃圾比例逐渐增加［5］，厨余垃圾高含水率、高有机质含量的性质决定了其后续的末端处理处置必须与其他垃圾分开后单独处理。2017 年，上海成为我国首批城市垃圾分类试点城市之一［6］。2019年，全国地级及以上城市全方位展开生活垃圾分类工作，要求46 个重点城市到2020 年底基本完成垃圾分类处理系统［7］。2020 年5 月1 日，《北京市生活垃圾管理条例》正式实施，开始强制实行垃圾分类，将生活垃圾按照可回收、厨余、有害和其他垃圾进行源头分类收集［8］。生活垃圾组成和性质直接决定了生活垃圾投放、收集、运输以及处理处置的设备配置和方法选择。

尽管生活垃圾分类方法已明确规定了生活垃圾的四分类方法。但市民不同活动区的垃圾组成也不尽相同，甚至差异较大。在行政办公、城市交通、公园景区等公共场所，生活垃圾物理组成与居民小区、商场饭店等有较大差异［9］。若在不同场所采用相同的分类方法，配置相同的垃圾收集装置，一方面会造成资源浪费，另一方面会增加垃圾清运工作量。除此之外，厨余垃圾、可回收垃圾、其他垃圾以及灰土等不同垃圾成分的含水率和密度差异也较大，这两个特性直接影响垃圾桶配置的材质和体积。总体而言，生活垃圾分类收集是解决垃圾处理与资源化利用的根本问题［10］。而生活垃圾分类方法又直接取决于生活垃圾组成和性质。清晰的分类方法可提升公民的参与度，让每个人都参与到垃圾分类管理中是必要和紧迫的［11］。所以了解生活垃圾物理组成对分类效果具有重要意义。

经济发展水平和燃料结构的差别使得城乡生活垃圾的组分差异较大［12］。城市生活垃圾中的可降解有机物和可回收物高于农村，惰性垃圾含量低于农村。隋儒楠［13］调查分析了沈阳市城乡生活垃圾组成，城市厨余垃圾占比（约为70%）高于农村（20%）；城市和农村的第二大组分分别是橡塑和灰土，占比分别为8%和20%。不同功能区的生活垃圾组分差异大，居民区厨余垃圾含量较高，事业区和文教区纸类含量高，旅游区和商业区可回收物含量高［14］。故需根据各功能区的垃圾特性，选择不同的垃圾分类方法。生活垃圾物理组成影响着含水率和热值，城市生活垃圾的含水率高于农村，是因为厨余垃圾和含水率显著正相关［15］，塑料和纸类对垃圾热值贡献大［16］。将厨余垃圾单独分类，将明显降低混合垃圾的密度。

因此，系统了解城乡不同功能区生活垃圾物理组成及特征，对生活垃圾源头分类、投放和收集具有重要意义。本研究对北京市典型功能区生活垃圾组成进行分析，提出适宜的分类方法，并对大类粗分后垃圾特性进行分析，为后续生活垃圾减量化和资源化提供数据支撑。

2 材料与方法

2.1 生活垃圾样品采集

根据居民活动轨迹选择的典型单位包括：饭店、体育馆、大型超市、休闲广场、办公区、地铁站、旅游景点、文化教育区和居民住宅区（高档住宅区、普通住宅区）。2019 年3 月，以北京市海淀区作为垃圾分类典型地区的研究案例，在不同的功能区中选取典型采样点，每个采样点连续3 d 在同一时间段进行采样，按照CJ/T 3039—1995城市生活垃圾采样和物理分析方法，采用四分法完成采样。每次采样时用随机选定的垃圾车将垃圾倾倒在作业面以外的区域，用取样铲铲取约为样品质量4 倍的垃圾（40～52 kg），充分混合后堆成锥形，取其1/4 作为样品，样品质量10 kg。每个采样点采样2 次，测定结果取其平均值。具体的垃圾采样地点见表1～2。

表1 北京市城乡典型单位垃圾采样点

表2 北京市海淀区典型地区垃圾采样点

2.2 测定指标与方法

将新鲜垃圾样品按物理组成进行手工分拣，记录各组分的质量。物理组成主要包括塑料、可回收纸、厨余、其他纸类、木竹、织物、皮革、玻璃、金属、电池、砖瓦、石块等。通过测定质量和体积，计算生活垃圾各组分未压缩前的密度。

聚类分析统计方法为SPSS 系统的Hierarchical Classify 聚类法。

3 结果与讨论

3.1 生活垃圾物理组分和大类粗分方法

3.1.1 典型单位生活垃圾物理组分

选取的9 类典型单位采样点生活垃圾各组分含量相差甚大，如表3 所示。总体上看，18 个采样点的生活垃圾组成以厨余、可回收纸类、其他纸类和塑料为主，除饭店外其他典型单位4 类垃圾的含量占垃圾总量的90%以上。具体含量范围分别为：厨余垃圾占14.4%～76.1%，可回收纸类含量不超过30.0%，其他纸类占5.4%～29.5%，塑料占11.3%～58.9%。其中，塑料指可回收塑料，其他纸类为不可回收纸类。可回收垃圾主要以纸类和塑料为主，金属和玻璃含量较少。在居民区未发现金属，可能是因为住户已收集变卖；皮革织物和玻璃仅出现在饭店，可能是由于饭店产生的破烂桌布、一次性湿巾和酒瓶等。居民区的厨余垃圾占比在60%以上，若将厨余垃圾单独分类处理，既可提高生活垃圾的热值，又可减小垃圾处理难度。电池主要出现在地铁站、公园、广场等旅游景点附近的垃圾中，是因为导游等相关工作人员使用扩音器等电子设备。因此，在垃圾分类收集时，可在这些地点放置专门用于收集电池的容器。

表3 北京市典型单位生活垃圾物理成分（湿基） %

3.1.2 典型地区生活垃圾物理组分

海淀区各功能区采样点在人口结构、区域功能和经济发展水平等方面存在差异，生活垃圾中所含的11 种成分差异较大，如表4 所示。总体上看，11 个采样点的生活垃圾组成中以厨余垃圾含量最多，其次是纸类和塑料，三者平均含量总和占到了垃圾总量的90%以上，其含量范围分别为：厨余垃圾占20.2%～76.0%，纸类占4.5%～55.4%，塑料占10.0%～62.6%。只有小牛坊、西小营（农村）和肖家河（平房区）采样点的垃圾组分含有煤渣、砖瓦，两类合计占比为8.8%～21.2%；其中，肖家河（平房区）煤渣含量为20.0%，与当地做饭取暖燃煤有关。生活垃圾成分较为单一的为天秀（双气区）、万柳（高档住宅区）、上地（广场区）和路边（道路） 4 个采样点，主要组分是厨余垃圾、纸类和塑料，其余组分只含有木竹、玻璃和金属中的1～2 种，占比为0.1%～10.1%。居民区中的天秀和万柳未出现织物，主要是因为社区设立了旧衣物回收站；相对而言，农大东、区政府（事业区）和百旺（商业区） 3 个采样点的垃圾组分更为复杂。

表4 北京市典型地区生活垃圾物理成分（湿基） %

3.1.3 大类粗分方法

对典型单位和典型地区生活垃圾物理成分进行聚类分析。由聚类分析结果和生活垃圾物理组分特点表明来自典型单位中的地铁站、大型超市、办公区、文教区、体育馆以及来自典型地区中的商业区、事业文教区和道路的生活垃圾聚类为两类（图1 和图2），这些地区垃圾的特点为厨余垃圾含量较低，可回收垃圾含量较高，远高于不可回收垃圾，比例约为2∶1。因此，可大类粗分为可回收垃圾和不可回收垃圾。电池、药品等有害垃圾由于产生量很少，且未经处理不应进入垃圾收运系统，建议单独进行收集。

典型单位的居民区、旅游景点、广场、饭店以及典型地区的农村、平房区、高档住宅区、双气区、旅游区和广场区的生活垃圾聚类为3 类，特点是厨余垃圾含量较多，在50%以上。因此，可将这些地区的生活垃圾大类粗分为厨余垃圾、可回收垃圾和其他垃圾。

图1 北京市典型单位生活垃圾物理组成聚类图

图2 北京市典型地区生活垃圾物理成分聚类图

3.2 大类粗分后生活垃圾组成含量

基于生活垃圾组成，根据聚类分析结果，将典型单位的生活垃圾按照两大类和三大类粗分后，各类垃圾所占比例见表5。对于地铁站、大型超市、办公区、文教区和体育馆等粗分为两类的典型单位，可回收垃圾占比为42.6%～69.5%，不可回收占比为30.5%～57.4%。总体上同一功能区不同采样点组分含量差异不大，地铁站和文教区的不同采样点略有差异。不同地铁站之间的差异主要在于塑料类，可能是附近商业区和旅游区分布差异造成的，文教区的不可回收垃圾差异主要是厨余垃圾占比不同导致的。在粗分为3 类的典型单位中，天安门采样点厨余垃圾占比为27.2%，相比其他采样点（52.6%～76.1%）略低，主要是因为天安门广场特殊的地理位置，垃圾来源主要是游客丢弃的塑料瓶和纸类，占比分别为27.6%和38.4%。天秀安和园小区的可回收垃圾占比为13.9%，其余采样点占比为23.9%～40.7%，可能是因为该居民区设立了专门的资源回收站。

表5 北京市典型单位大类粗分后各类垃圾的含量（湿基） %

来自农村、平房区、高档住宅区、双气区、旅游区和广场区的生活垃圾分为可回收垃圾、厨余垃圾和其他垃圾三大类后所占比例见图3。各典型地区的3 类垃圾中，厨余类最多，居民区的占比为59.5%～76.0%。颐和园和上地作为休闲娱乐区，塑料等可回收垃圾含量最大，分别为52.0%和36.9%；其他垃圾主要是木竹，分别占1.1%和10.1%，主要是行人购买木签类食品产生的。农村和平房区的可回收垃圾含量相对低，是因为废品变卖行为在农村更普遍；其他类垃圾几乎都是渣土，这是由于做饭和取暖采用煤炭所造成的。来自商业区、事业文教区和道路的生活垃圾分为可回收垃圾和不可回收垃圾两大类后（图3）可回收垃圾含量均高于不可回收垃圾。农大东、区政府和路边的可回收垃圾和不可回收垃圾的比例超过了2∶1，主要是因为事业文教区产生的纸类较多，农大东、区政府采样点的纸类占比分别为34.4%和55.4%，路边可回收垃圾较多是因为饮料瓶等塑料类占比高（62.6%）。

图3 北京市典型地区大类粗分后生活垃圾组成

3.3 大类粗分后生活垃圾密度

典型单位各采样点混合生活垃圾及大类粗分后垃圾密度见表6。不同典型单位采样点的垃圾密度差别很大，差异大小主要取决于厨余垃圾含量，而相同典型单位不同采样点的垃圾密度也有区别，其中，以旅游景点和广场区采样点垃圾密度差异最大。故宫和天安门的垃圾密度分别为163.7、142.6 kg/m3，约为海淀公园和中关村采样点的3倍。由于旅游景点和广场区都属于公共开放性场所，垃圾组成差异主要由所处地域造成，故宫和天安门采样点都在市中心最繁华处，每天接待游人最多，垃圾产生量大，容纳体积一定，因压缩作用导致密度大。

将地铁站、大型超市、办公区、文教区、体育馆等典型单位的垃圾粗分为可回收垃圾和不可回收垃圾之后，两者的密度差异明显，不可回收垃圾的密度是可回收垃圾的2～5 倍：一方面是因为不可回收垃圾中厨余垃圾对密度的贡献极大；另一方面是可回收垃圾的主要成分是塑料和纸类等轻质材料。体育馆各类垃圾的密度均比其他取样点大，可能是因为体育馆丢弃的体育健身器材等耗材。将居民区、旅游景点、广场、饭店等典型单位的垃圾粗分为三大类后，由于厨余垃圾的含水率大，可回收垃圾和其他垃圾的密度明显小于厨余垃圾。这些取样点可回收垃圾的密度为25.4～48.4 kg/m3，厨余垃圾的密度为171.6～200.2 kg/m3，其他垃圾在各典型单位的密度为31.5～50.5 kg/m3，差异不大。

表6 北京市典型单位生活垃圾大类粗分前后密度 kg/m3

典型地区生活垃圾大类粗分前后密度比较见表7。由于农村生活垃圾组成中惰性物质（煤渣和砖瓦）含量明显高于城市，因此农村垃圾密度明显大于城市，农村混合垃圾密度为212.8～313.2 kg/m3。城市不同功能区采样点的垃圾密度差别也较大，其中以肖家河（平房区）采样点最高，为315.4 kg/m3，这是因为含有20.0%的煤渣和1.2%的砖瓦；颐和园、区政府、农大东、路边4 个采样点的垃圾密度较低，分别为28.9、36.4、51.4、54.8 kg/m3，主要是因为这4 个采样点塑料瓶和纸类等物质占比较大。因此，一方面需要完善回收系统，避免可回收资源的浪费；另一方面必须在城市市区建立相应的垃圾转运站，垃圾在转运站压缩后再转运将显著节省垃圾处理处置成本。

商业区、事业文教区和道路的生活垃圾粗分为可回收垃圾和不可回收垃圾之后，不可回收垃圾和可回收垃圾的密度范围分别为151.3～166.9 kg/m3和51.3～81.7 kg/m3，前者密度明显大于后者，这是由于不可回收垃圾包含较多厨余垃圾。将农村、平房区、高档住宅区、双气区、旅游区、广场区等典型地区的垃圾粗分为可回收垃圾、厨余垃圾和其他垃圾后，除农村和平房区外，其他功能区的其他垃圾密度较低，均在40 kg/m3以下。小牛坊、西小营和肖家河的生活垃圾含有一定比例的金属和玻璃，所以可回收垃圾密度比其他采样点大。居民区厨余垃圾纯度较高，因此厨余垃圾密度高于其他采样点。基于不同垃圾的密度差异，在配置垃圾收集容器时应充分考虑不同类别垃圾密度。

表7 北京市典型地区生活垃圾大类粗分前后密度 kg/m3

3.4 讨论

城乡生活垃圾中易腐垃圾占比最高，随着生活水平的提高，纸类和塑料等可回收物比例逐步增加，随着能源结构的改变，炉渣等惰性物质含量进一步降低。目前，超过80%的城市采取“四分法”［8，17］，如北京、上海和广州等，不过具体分类标准不同。上海推广的四分法中概念重叠，干、湿垃圾的划分容易使居民混淆，从而对居民培养分类意识产生消极影响。垃圾源头分类的一大目标是减量化，杭州采用“2+T”源头分类方法将生活垃圾分为可降解垃圾、其他垃圾和有害垃圾，将可降解物质和可回收垃圾有效分离，有利于后续的减量化和资源化处理［18］。北京推广的四分法将含量较大的厨余垃圾单独分类，因此，要加大堆肥厂等生物处理设施和场地的建设，切实保障厨余垃圾的后端处理。四分法更加符合源头分类处理的要求，也更加匹配末端处理设施。塑料和纸类等可回收物含量的上升为可回收垃圾的单独分类提供了需求，避免可回收垃圾进入生活垃圾运输处理系统，同时也对垃圾物资回收系统的建立和完善提出了要求。Gundupalli 等［19］开发了一种基于热成像的可回收垃圾分类系统，减少工作量，提高分拣效率。通过分析垃圾的物理组成发现某些农村地区的灰土、砖瓦和石块含量较高，故四分法应用到农村时可考虑将其单分一类，可将其用于公路铺垫等。因此，每个地区应根据自身情况进行适当的调节，从而做到源头精准分类。

当我国垃圾分类逐步形成常态时，便可学习国外工作开展较好的地区进行进一步的细分。德国生活垃圾分类大多采用“五分法”：有机垃圾、轻型包装、纸类、玻璃、其他垃圾。大件垃圾可由专门公司有偿上门回收，也可自行运送到回收站；旧衣物放进专门设立的回收箱内［20］。日本大多采用“垃圾粗分类，可回收物细分类”的分类方式。例如，日本横滨市将生活垃圾分为三大类别：市里收集的物品、地区回收物和市里不收集的物品。第1 大类别又细分为可燃垃圾和不可燃垃圾等11 小类；第2 大类别分为旧布和旧纸两类，又各自细分为多个小类别，且每个小类别下有具体的处理要求；第3 大类别又分为市里不收集的家用电器、家用电脑、市里不收集的物品三小类，并附有相关处理方法，明确了责任主体［21］。新加坡垃圾分类也较为详细，为垃圾分类的开展和后端处理奠定了基础［22］。但有研究表明更精细的分类并不总是最好的，不同的国家和地区根据各自的实际情况，对废物分类有不同的要求［23］。所以当居民逐步接受了垃圾分类回收后，各个地区应在政府统一标准指导下因地制宜、循序渐进地制定精细的分类方法［24］。政府应积极参与垃圾分类宣传，提升居民的参与度和知晓率［25］，进一步提高垃圾分类回收率，促进资源循环化。