水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾的最佳實踐（上）

Best Practice of Disposal of Urban Domestic Waste by Cement Industrry(Ⅰ)

王新頻，吳小緩，梁樹峰，趙嬌，王冬

水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾，既可以減少煤的使用和CO2的排放量，又有助于解決城市生活垃圾日益增長給安全和環(huán)境帶來的不良影響問題。

水泥窯的高溫、足夠長的停留時間和水泥生產(chǎn)的其他特性，使城市生活垃圾的協(xié)同處置成為一種可行的策略，這種做法已在一些發(fā)達國家中（如美國、日本以及歐盟的一些國家）普遍使用，許多發(fā)展中國家，如中國和南非也在積極采用。

1 城市生活垃圾現(xiàn)狀

城市生活垃圾是人們使用后扔掉的日常用品，如產(chǎn)品包裝、家具、衣服、瓶子、食物殘渣、報紙、電器、涂料和電池等。城市生活垃圾的組成取決于其來源、季節(jié)以及當?shù)鼐用竦纳罘绞胶托袨?。生活垃圾含水量較高，熱值低，粒徑范圍廣，灰分含量高。由于這些原因，直接使用城市生活垃圾作燃料是不現(xiàn)實的。垃圾可以在機械處理廠（MT廠）或機械生物處理廠（MBT廠）加工成垃圾衍生燃料（RDF）。RDF的優(yōu)點是熱值高，化學成分較穩(wěn)定，易儲存、處理和運輸，易燃燒等。

表1為2012年世界各國的城市生活垃圾總量及人均每天產(chǎn)生的垃圾量[1]。最近幾年，城市生活垃圾總量和人均垃圾產(chǎn)生量在一些發(fā)達國家已趨于穩(wěn)定或正在減少（如美國），但在一些發(fā)展中國家卻在增加（如中國）。此外，發(fā)達國家的垃圾回收率和利用率往往高于發(fā)展中國家。圖1為2012年世界各國城市生活垃圾處理方法[1]，圖2為2012年我國城市生活垃圾處理方法[2]，表2為城市生活垃圾作為替代燃料的典型特征[3]。一些發(fā)展中國家城市生活垃圾的熱值往往低于表2所示的范圍。據(jù)資料顯示，全世界垃圾年均增長速度為8.42%，而中國垃圾增長率達到10%以上。全世界每年產(chǎn)生4.9億噸垃圾，而僅中國每年就產(chǎn)生近1.5億噸城市垃圾。目前中國城市生活垃圾累積堆存量已達70億噸[4]。

表1 2012年世界各國城市生活垃圾總量和人均產(chǎn)生量

圖1 2012年世界各國城市生活垃圾處理方法

圖2 2012年我國城市生活垃圾處理方法

表2 作為替代燃料的城市生活垃圾的典型特征*

從圖1和圖2可以看出，我國的城市生活垃圾處理與世界發(fā)達國家相比還存在較大差距。比如，2012年，日本城市生活垃圾焚燒利用達到72.8%，堆肥8.7%，循環(huán)利用6.5%，衛(wèi)生填埋僅12%；葡萄牙城市生活垃圾基本以焚燒為主，達到90%，堆肥10%，沒有填埋處理；瑞士城市生活垃圾焚燒利用達到76%，堆肥13%，循環(huán)利用6.5%，衛(wèi)生填埋僅11%。而我國2012年依然以衛(wèi)生填埋為主，達到68.28%，簡單填埋達到6.59%，可見我國城市生活垃圾的有效處理依然任重而道遠，還有很大的利用潛力。

2 水泥窯協(xié)同處置介紹

2.1 水泥生產(chǎn)中二氧化碳的排放

每生產(chǎn)1t的水泥約釋放0.73～0.99tCO2，二氧化碳排放量取決于水泥中熟料的比例和其他因素。水泥工業(yè)和其他大部分工業(yè)之間的主要區(qū)別在于，燃料消耗不是水泥工業(yè)二氧化碳排放的主要來源，水泥生產(chǎn)中釋放的二氧化碳50%以上（或約540kg-CO2/t熟料）是由碳酸鈣煅燒分解產(chǎn)生的。水泥生產(chǎn)過程中排放的二氧化碳的其余部分是燃料燃燒產(chǎn)生的，以提供加熱到1 450℃煅燒所需的熱能。水泥綜合電耗100～110kWh/t，這部分電耗等效二氧化碳排放量5%。另外，大約5%的二氧化碳排放量與礦山開采和運輸相關(guān)。

2.2 水泥工業(yè)城市生活垃圾的協(xié)同處置的原則

《巴塞爾公約》（2011年）將“協(xié)同處置”定義為“在能源和/或資源回收利用的制造工藝和生產(chǎn)過程中替代常規(guī)燃料和/或原材料的廢物的使用”。

圖3 歐洲水泥行業(yè)2003年和2004年協(xié)同處置廢物量統(tǒng)計

廢物協(xié)同處置在世界發(fā)達國家和地區(qū)，如日本、美國和加拿大等已經(jīng)實行了二十多年。圖3為歐洲水泥工業(yè)2003年和2004年的廢物協(xié)同處置量[3]。在2006年，美國水泥工業(yè)采用廢舊輪胎和溶劑以外的替代燃料（如城市生活垃圾和污水污泥）約占總能量輸入的2.5%。到2009年，美國有63家水泥廠（約占70%）使用替代燃料[6]。然而并非所有的廢物都適合于水泥工業(yè)的協(xié)同處置。水泥工業(yè)協(xié)同處置必須考慮廢物和最終產(chǎn)品（水泥）的化學成分及其對環(huán)境的影響。不適用于水泥工業(yè)的廢物有核廢料、醫(yī)療垃圾、電池和未經(jīng)處理的混合城市生活垃圾。GTZ/Holcim（2006）概述了水泥工業(yè)協(xié)同處置廢物必須遵循的一般原則，見表3[6]。

表3 水泥行業(yè)協(xié)同處置廢物必須遵循的一般原則

圖4 廢物的管理層次

2.3 水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾的優(yōu)點

世界各地的水泥生產(chǎn)商使用城市生活垃圾、污泥和其他替代燃料來替代化石燃料。荷蘭和瑞士的廢物處置率分別為83%和48%，處于世界領先水平[8]。美國環(huán)境保護局2008年的研究表明，許多美國水泥廠表示使用替代燃料對他們保持持續(xù)的競爭力非常重要。利用水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾的優(yōu)點如下：

（1）節(jié)省燃料成本，特別是在燃料價格上漲的時期。

（2）節(jié)約不可再生的化石燃料和保護環(huán)境。

（3）減少溫室氣體排放。

如前所述，水泥工業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳排放量約為全球人為排放量的5%，其中能源相關(guān)的排放量約占半數(shù)，約40%來自燃料燃燒，10%來自用電和運輸。圖5為世界各地的水泥工業(yè)二氧化碳排放量歷史數(shù)據(jù)和預估值[9]。從圖5可以看出，全球水泥工業(yè)的二氧化碳絕對排放量將顯著增加。

從表2可以看出，城市生活垃圾與燃煤相比碳排放因子較低。據(jù)報導，RDF協(xié)同處置與燃煤相比，CO2排放減少約1.6kgCO2/kg燃煤。2006年歐洲水泥工業(yè)廢物協(xié)同處置節(jié)省燃煤18%，減少約800萬噸二氧化碳排放量，節(jié)省約500萬噸煤炭[10]。

圖5 全球水泥行業(yè)的二氧化碳排放量歷史數(shù)據(jù)及預估值

（4）避免垃圾焚燒和填埋的負面影響

在發(fā)達國家，常見的垃圾處置方式是焚燒，焚燒灰再在水泥窯協(xié)同處置，飛灰作填埋處理，盡量避免垃圾直接填埋。美國有86個城市生活垃圾焚燒設施，能夠處理＞2 800萬噸/年的廢物，熱回收能力2 720MW。城市生活垃圾焚燒后的灰渣因為重金屬含量超標，被作為危險廢物處置。

（5）協(xié)同處置后的焚燒灰摻入水泥熟料中，節(jié)省了水泥生產(chǎn)的原材料。

（6）避免焚燒或填埋時增加投資。

3 協(xié)同處置的相關(guān)法律

有效的監(jiān)管是確保水泥工業(yè)協(xié)同處置廢物不對健康或環(huán)境產(chǎn)生負面影響的重要手段。在回轉(zhuǎn)窯的高溫下廢物有機物質(zhì)幾乎完全轉(zhuǎn)化為CO2和水，有機化合物的排放（如二■英和呋喃）濃度很低，煙氣排放和水排放必須嚴格執(zhí)行相關(guān)的國家標準。

3.1 一般性法律框架

在國際上，巴塞爾公約是國際公認的處理危險廢物的法律框架，對水泥工業(yè)協(xié)同處置危險廢物發(fā)揮著重要作用。目前，已有178個國家加入了巴塞爾公約。公約規(guī)定，危險廢物經(jīng)過協(xié)同處置對環(huán)境無害時才可以越境出口、進口或過境；對巴塞爾公約締約國負有義務，以確保對危險廢物和其他廢物的無害環(huán)境管理。發(fā)達國家大多已建立了自己的廢物管理法律框架。

圖6 垃圾焚燒、填埋與水泥窯協(xié)同處置的溫室氣體排放量比較

3.2 歐盟

像李先生這樣的小客戶，更換設備的頻率很小，公司根本就沒指望再能賺到他們的錢，我便不耐煩地告訴他，公司的優(yōu)惠政策只針對長期合作的老客戶。

（1）廢物框架指令（WFD）

歐盟通過廢物框架指令（2008／98／EC）對基本廢物進行限制。所有會員國均須在規(guī)定的時間內(nèi)調(diào)整本國法律，使其與該指令的規(guī)定一致。WFD建立了基本概念和定義，包括廢物回收、循環(huán)、預防和管理。該指令還建立了廢物管理原則，要求廢物的管理不能危害人體健康和污染環(huán)境，特別是不能危及水、空氣、土壤、植物和動物，無噪聲或異味，并對農(nóng)村或有特殊要求的地方無不利影響。此外，WFD還規(guī)定了廢物管理層次（見圖4）。

（2）填埋指令

1999年頒布的填埋指令（1999／31／EC）是歐盟水泥窯協(xié)同處置最有影響力的驅(qū)動因素之一。填埋指令的頒布是為了應對人們?nèi)找嬖鲩L的對廢物填埋負面影響的擔憂，廢物填埋污染了土壤、水源和空氣，導致生存條件及人類健康不斷惡化。該指令的最終目標是實現(xiàn)歐盟的垃圾分級，它將填埋定義為垃圾處理和處置的最后選擇。

表4 歐盟水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾污染物排放限值，mg/m3

表5 美國水泥窯協(xié)同處置2011 CISWI標準排放限值

垃圾填埋指令規(guī)定了垃圾填埋場的垃圾處理程序、垃圾的成分和浸出行為，并建立了垃圾填埋場許可證制度。

（3）廢物焚燒指令（WID）

針對公眾對垃圾焚燒所帶來的健康和環(huán)境影響的關(guān)注，歐洲委員會制定了廢物焚燒指令（2000／76／EC），其目標是通過設定垃圾焚燒廠的排放限值，減少垃圾焚燒對環(huán)境的負面影響。

（4）綜合污染預防和控制指令（IPPC）

除了WID的排放限制及其他具體要求，綜合污染預防和控制指令也適用于協(xié)同處置工廠。IPPC指令旨在采用綜合的方法，圍繞環(huán)境準入制度和最佳實用技術(shù)（BAT）的應用，減少工業(yè)污染。

（5）工業(yè)排放指令

工業(yè)排放指令（2010／75／EC）整合了7個現(xiàn)有的與工業(yè)排放有關(guān)的指令，重申了綜合污染防治與控制指令（IPPC）概述的原則，包括執(zhí)行基于綜合方法的環(huán)境許可制度，要求采用最佳實用技術(shù)（BAT），給予許可部門一定的彈性空間，以及提供公眾參與許可流程和訪問排污數(shù)據(jù)報告的便利條件。

表4為歐盟水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾排放限值[10]。

3.3 美國

歐盟的水泥工業(yè)協(xié)同處置條例源于對廢物產(chǎn)生、污染和垃圾填埋場短缺的擔憂，與此不同的是，美國協(xié)同處置的法規(guī)，主要源于對環(huán)境保護的關(guān)注和清潔空氣法案的實施。該法案要求美國環(huán)境保護局制定空氣質(zhì)量的最低國家標準，不符合排放標準的區(qū)域（稱為“非達標區(qū)”）需要實行特定的控制空氣污染的措施。

該法案的第109條要求美國環(huán)保署對6種主要污染物（即“標準污染物”）制定國家環(huán)境空氣質(zhì)量標準。標準污染物包括：CO、Pb、NO2、臭氧、2.5μm和10μm顆粒（PM2.5和PM10）以及SO2。

在清潔空氣法案第129條特別規(guī)定，在水泥工業(yè)水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾和污水污泥,其排放必須符合以下污染物排放限值：Cd、CO、二英和呋喃（PCDD/PCDF）、HCl、Pb、Hg、NOX、PM2.5和PM10以及SO2。

表5為美國水泥窯協(xié)同處置2011 CISWI標準排放限值[12]。

（未完，待續(xù)）

TQTQ172172..622622..2929

A:A

1 1001001--61716171（20172017）0101--00710071--0505

建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所，北京100024；

2016-06-22；編輯：趙蓮