周亞文，陳灝，鐘為章，楊珂，馮衛(wèi)博，許彬

(1.河北科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 河北省污染防治生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050018；2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085)

隨著人民生活水平日益提高，生活垃圾產(chǎn)生量逐年增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)2019年全國(guó)城市生活垃圾清運(yùn)量超2.4億t[1]。近25年我國(guó)22個(gè)省(市)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，生活垃圾中廚余垃圾含量最高，約占城市生活垃圾的57%[2]。廚余垃圾的平均含水率高達(dá)68.2%[3]，是生活垃圾中水分的主要來(lái)源，也是生活垃圾處理的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在。2019年7月1日上海率先執(zhí)行強(qiáng)制垃圾分類(lèi)政策，廚余垃圾分出量在短時(shí)間內(nèi)大幅度增加[4]。因廚余垃圾具有產(chǎn)量大、水分和有機(jī)質(zhì)含量高、易產(chǎn)生惡臭等特點(diǎn)[5]，且國(guó)內(nèi)大部分城市在實(shí)行垃圾分類(lèi)前廚余垃圾處理設(shè)施基本是空白的[6]，其處置能力不足問(wèn)題凸顯，形勢(shì)非常緊迫。

目前，生活垃圾處理方式主要是焚燒和衛(wèi)生填埋。垃圾焚燒技術(shù)可快捷處理垃圾，使其轉(zhuǎn)化為熱能，實(shí)現(xiàn)局部資源化，但垃圾實(shí)現(xiàn)自主焚燒要求其濕基低位熱值>5 000 kJ/kg，我國(guó)村鎮(zhèn)生活垃圾年平均低位熱值均未達(dá)到焚燒要求[7]。衛(wèi)生填埋技術(shù)已經(jīng)很成熟，具有操作簡(jiǎn)單，可處理各種類(lèi)垃圾的優(yōu)點(diǎn)，但衛(wèi)生填埋占地面積大，且存在滲濾液會(huì)污染地下水和土壤等二次污染風(fēng)險(xiǎn)。填埋處理中垃圾初始含水率與垃圾自身滲濾液產(chǎn)量成正比，與滲濾液總產(chǎn)量也成正比。垃圾初始含水率>50%時(shí)，滲濾液的主要組成部分變?yōu)槔陨頋B濾液產(chǎn)量[8]。且填埋場(chǎng)老齡滲濾液因氨氮濃度較高、可生化性差的特點(diǎn)，達(dá)標(biāo)排放處理費(fèi)用高。這就要求垃圾進(jìn)入填埋場(chǎng)時(shí)初始含水率越低越好。由于廚余垃圾產(chǎn)量大、含水率高，為減少其對(duì)環(huán)境造成二次污染，降低處理成本，無(wú)論是垃圾焚燒還是衛(wèi)生填埋，垃圾脫水處理都是至關(guān)重要的。

目前國(guó)內(nèi)外垃圾脫水處理技術(shù)主要有物理技術(shù)、熱干化技術(shù)和生物技術(shù)。物理技術(shù)分為機(jī)械擠壓、高壓擠壓和高壓蒸煮；熱干化技術(shù)分為直接熱干化、間接熱干化和直接-間接聯(lián)合熱干化技術(shù)；生物技術(shù)有好氧發(fā)酵和生物干化技術(shù)。

1 物理技術(shù)

1.1 機(jī)械擠壓

機(jī)械擠壓是原生垃圾進(jìn)入擠壓室后，擠壓油缸推動(dòng)擠壓活塞前移，初步壓濾后復(fù)位，進(jìn)行再進(jìn)料、再壓濾的循環(huán)往復(fù)，并將垃圾中擠出的水分排入污水沉淀槽的工藝。該工藝在垃圾中轉(zhuǎn)站和焚燒廠已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，在污泥脫水處理中也有應(yīng)用。但機(jī)械擠壓水分去除率低，且通過(guò)擠壓脫除的水分較粘稠，需經(jīng)進(jìn)一步處理才能實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放[9]。

生活垃圾機(jī)械擠壓系統(tǒng)主要由進(jìn)料系統(tǒng)、擠壓系統(tǒng)、閘門(mén)及出料系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成，其工作流程為：垃圾經(jīng)皮帶輸送機(jī)或抓斗運(yùn)至機(jī)械擠壓系統(tǒng)的進(jìn)料系統(tǒng)，在壓濾倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行擠壓脫水，多次壓濾、一次保壓后，垃圾經(jīng)閘門(mén)裝置進(jìn)入出料系統(tǒng)，再進(jìn)行后端填埋或焚燒處理[10]。擠壓系統(tǒng)由擠壓油缸、擠壓機(jī)架和擠壓活塞等構(gòu)成。若將生活垃圾含水率從40%～80%降至35%以下，垃圾所受壓強(qiáng)在1.5～2.5 MPa[11]，擠壓推頭壓力應(yīng)大于 2 000 kN，且要保證擠壓系統(tǒng)在2 000 kN壓力下不會(huì)變形。盛金良等[12]在采用自制機(jī)械擠壓裝置進(jìn)行的菜場(chǎng)有機(jī)垃圾脫水特性實(shí)驗(yàn)研究中指出，對(duì)大白菜(含水率92%)進(jìn)行擠壓脫水，合理的壓強(qiáng)為2.4 MPa，保壓時(shí)間為30 s左右。

1.2 高壓擠壓

高壓擠壓技術(shù)可分離混合垃圾的干濕組分，其原理是通過(guò)幾十兆帕的高壓將混合城市生活垃圾中的水分及可溶性物質(zhì)擠出，含水率較低的干物質(zhì)組分留在高壓擠壓設(shè)備腔中，從而實(shí)現(xiàn)干濕分離[13]。其中干組分主要是木屑、塑料、廢紙和玻璃等無(wú)機(jī)物，濕組分則主要為食物、瓜果蔬菜殘?jiān)扔袡C(jī)物。高壓擠壓可降低干組分含水率，實(shí)現(xiàn)生活垃圾脫水，提升低位熱值。在高壓作用下，濕組分的降解性能得到進(jìn)一步提升，便于后續(xù)資源化處理。與直接焚燒相比，生活垃圾經(jīng)高壓擠壓后，濕組分進(jìn)行厭氧消化，干組分焚燒，最大回收能量可提高24%[14]。高壓擠壓處理餐廚垃圾，可提高漿液的厭氧發(fā)酵速度和效率[15]。

高壓擠壓技術(shù)起源于歐洲，近幾年在國(guó)內(nèi)興起。國(guó)內(nèi)某公司已實(shí)施2條穩(wěn)定運(yùn)行的高壓擠壓生活垃圾(廚余垃圾)預(yù)處理線[16]。其工藝流程圖見(jiàn)圖1。廚余垃圾的高壓擠壓系統(tǒng)由進(jìn)料斗、擠壓倉(cāng)、預(yù)壓系統(tǒng)、高壓擠壓系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、閘門(mén)、干、濕料出口和電控系統(tǒng)組成，其工作流程為進(jìn)料、預(yù)擠壓、高壓擠壓和排料[17]。

圖1 廚余垃圾處理工藝路線Fig.1 Processing route of kitchen waste

高壓擠壓以液壓為動(dòng)力，采用100 MPa超高壓擠壓原生垃圾，將干、濕組分分離。原生垃圾經(jīng)高壓擠壓處理后，干、濕組分比約為3∶7。其中，干組分的含水率在30%以下，熱值為15 900 kJ/kg，可用于焚燒發(fā)電或制作垃圾衍生燃料；濕組分中宜生化成分80%～90%，含水率為65%～75%[18]，可進(jìn)行厭氧發(fā)酵、堆肥或填埋等后端處理。經(jīng)高壓擠壓處理的原生垃圾，若干組分進(jìn)行焚燒發(fā)電，濕組分做厭氧消化處理，假設(shè)中國(guó)垃圾干濕組分比為4∶6，則每噸垃圾可產(chǎn)生800 kWh的電能和180 000 kcal的熱能，這些熱能和電能是傳統(tǒng)焚燒處理的2倍[19]。

1.3 高壓蒸煮

高壓蒸煮脫水預(yù)處理技術(shù)，又叫垃圾濕解技術(shù)，是將混合垃圾放入密閉容器中，高溫高壓保持一段時(shí)間后，快速打開(kāi)密閉裝置，使垃圾中水分瞬間蒸發(fā)干燥的技術(shù)。高壓蒸煮需要在高溫高壓的密閉容器中進(jìn)行，其溫度和壓力要求分別是180～210 ℃、0.6～1.0 MPa。在高溫高壓保持過(guò)程中，高溫使垃圾升溫，但高壓提高了水的沸點(diǎn)，垃圾中的水分仍以液態(tài)形式存在。密閉裝置打開(kāi)的瞬間，裝置內(nèi)壓力快速下降，形成沖擊波粉碎垃圾組分，垃圾中的液態(tài)水也會(huì)瞬間汽化為水蒸氣而蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)垃圾脫水。同時(shí)，因高溫可殺死垃圾中的微生物，達(dá)到垃圾消毒效果[20]。高壓蒸煮處理后的生活垃圾經(jīng)分揀后可進(jìn)行更合理的資源化利用。

高溫蒸煮干化系統(tǒng)主要包括密閉高壓艙、磁選系統(tǒng)、垃圾運(yùn)輸儲(chǔ)備系統(tǒng)及垃圾分揀系統(tǒng)等，其工作流程為：垃圾經(jīng)磁選進(jìn)入高壓艙，空氣壓縮機(jī)給艙內(nèi)加壓，同時(shí)由加熱裝置保持艙內(nèi)高溫，完成高壓蒸煮過(guò)程后，進(jìn)行垃圾分揀；塑料、紙類(lèi)等可回收再利用，可燃纖維類(lèi)可用于焚燒發(fā)電，焚燒煙氣的污染物濃度需符合GB 18485—2001要求[21]，其他穩(wěn)定化的殘?jiān)勺鳛闋I(yíng)養(yǎng)土、道路基土或直接填埋[22]。李甲亮等采用濱州垃圾處理廠產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)土所做的肥效試驗(yàn)顯示：營(yíng)養(yǎng)土氮磷鉀、有機(jī)質(zhì)及重金屬含量均高于當(dāng)?shù)赝寥溃m重金屬含量未超標(biāo)，考慮到生物富集作用，營(yíng)養(yǎng)土?xí)簳r(shí)不適合應(yīng)用于可食用作物的種植[23]。

高壓蒸煮干化技術(shù)最先由美國(guó)公司研發(fā)，先后應(yīng)用于美國(guó)和歐洲。我國(guó)也開(kāi)展了此項(xiàng)技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用，如中節(jié)能(煙臺(tái))潤(rùn)達(dá)環(huán)境保護(hù)股份有限公司擁有一系列垃圾濕解的專(zhuān)利技術(shù)及設(shè)備，并將其應(yīng)用于煙臺(tái)、濱州和北京的垃圾處理廠工程中[24]，取得了較好的環(huán)境和社會(huì)效益。

2 熱干化技術(shù)

熱干化技術(shù)，又稱(chēng)熱干燥技術(shù)，是利用熱能將垃圾中水分快速蒸發(fā)的一種工藝，可分為直接熱干化技術(shù)、間接熱干化技術(shù)和直接-間接聯(lián)合熱干化技術(shù)[25]。

2.1 直接熱干化技術(shù)

直接熱干化又稱(chēng)對(duì)流熱干化，是通過(guò)經(jīng)加熱的熱介質(zhì)直接與垃圾接觸來(lái)傳遞熱量，使垃圾溫度升高，水分蒸發(fā)的過(guò)程。該技術(shù)因物料與熱介質(zhì)直接接觸，干化速率高且效果好，但熱介質(zhì)也因此受到污染，增加了廢氣處理量，運(yùn)行成本較高。常用的直接熱干化技術(shù)主要有轉(zhuǎn)鼓干化、閃蒸干化等[26]。

2.2 間接熱干化技術(shù)

間接熱干化技術(shù)又稱(chēng)熱傳導(dǎo)干化技術(shù)，是熱介質(zhì)加熱干化機(jī)外壁，使干化機(jī)內(nèi)垃圾受熱，水分蒸發(fā)的過(guò)程。相較于直接熱干化工藝，間接熱干化的干化速率與效果均較差，但其尾氣處理量小。常用的間接熱干化技術(shù)有多盤(pán)干化、槳葉式干化等。

2.3 直接-間接聯(lián)合熱干化技術(shù)

直接-間接聯(lián)合熱干化技術(shù)將兩種干化技術(shù)結(jié)合起來(lái)，間接熱干化過(guò)程熱介質(zhì)可采用直接干化過(guò)程的廢氣，因此能耗較低。常用的工藝有流化床熱干化工藝。

三種熱干化技術(shù)流程見(jiàn)圖2～圖4。

圖2 直接熱干化工藝流程Fig.2 Direct thermal drying process

圖3 間接熱干化技術(shù)工藝流程Fig.3 Indirect thermal drying process

圖4 直接-間接熱干化技術(shù)工藝流程Fig.4 Direct-indirect thermal drying process

熱干化技術(shù)的主要工藝包含進(jìn)料系統(tǒng)、熱干化系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)和出料系統(tǒng)。其流程為物料在進(jìn)料系統(tǒng)經(jīng)破碎、過(guò)篩，篩下物進(jìn)入熱干化系統(tǒng)，停留一段時(shí)間后，實(shí)現(xiàn)物料干化。干化過(guò)程中產(chǎn)生的含粉塵廢氣經(jīng)分離系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)固氣分離，高溫廢氣和廢水經(jīng)冷凝系統(tǒng)冷凝后，分別通過(guò)尾氣處理系統(tǒng)和廢水處理系統(tǒng)處理后達(dá)標(biāo)排放[27-28]。

熱干化技術(shù)干化效果與熱介質(zhì)溫度有直接關(guān)系。在低溫(60～100 ℃)條件下，垃圾熱干化效果隨溫度的升高而升高[29]；風(fēng)溫在100～140 ℃時(shí)，溫度升高能大大提高干化速度及效果，風(fēng)溫超過(guò) 140 ℃ 后，干化效率提高不大[30]。溫度也會(huì)影響臭氣排放量，研究表明[31]，綜合考慮臭氣濃度與排放量，垃圾熱干化溫度以100，300，400，500 ℃為宜。但熱干化過(guò)程熱介質(zhì)溫度越高能耗也越高，因此熱干化工藝宜與產(chǎn)生廢熱或余熱的工藝連用。

熱干化技術(shù)在污泥干化中應(yīng)用較多，污泥水熱干化技術(shù)與熱泵干化技術(shù)也是利用高溫實(shí)現(xiàn)污泥脫水，目前未見(jiàn)在生活垃圾處理中應(yīng)用。污泥水熱干化技術(shù)是指污泥在高溫(170～180 ℃)高壓作用下，微生物細(xì)胞破碎，束縛水析出為自由水，再經(jīng)機(jī)械擠壓完成脫水[32]。熱泵干燥技術(shù)是利用高溫空氣(60～80 ℃)與污泥接觸帶走水分，與熱干化技術(shù)不同的是高溫空氣可通過(guò)熱泵循環(huán)利用[33]。與熱干化技術(shù)相比，水熱干化技術(shù)與熱泵干化均可提高脫水效率，但三者均需高溫介質(zhì)，能耗較高，單獨(dú)用于垃圾干化會(huì)增加垃圾處理成本，可利用垃圾焚燒產(chǎn)生余熱進(jìn)行干化的方法以降低處理成本。

3 生物技術(shù)

3.1 好氧發(fā)酵

好氧發(fā)酵技術(shù)是利用好氧微生物的生命活動(dòng)，將大分子有機(jī)物分解為小分子的CO2、H2O等無(wú)機(jī)物和腐殖酸的技術(shù)[34-35]，其過(guò)程一般分中溫、高溫和腐熟三個(gè)階段。中溫階段堆溫維持在15～45 ℃，嗜溫微生物分解糖類(lèi)物質(zhì)；堆體溫度上升到45 ℃后進(jìn)入高溫階段，該階段嗜熱微生物取代嗜溫微生物，纖維素和蛋白質(zhì)等大分子有機(jī)物被分解，高溫還可將堆體中病原菌殺死；降溫階段隨溫度的下降嗜溫微生物變?yōu)閮?yōu)勢(shì)菌群，腐殖質(zhì)不斷積累并穩(wěn)定化，表明堆肥已進(jìn)入腐熟階段[36]。

好氧發(fā)酵工藝主要有進(jìn)料系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、滲濾液收集和回噴裝置以及通風(fēng)裝置和除臭裝置[37-38]，其工藝流程為：垃圾經(jīng)進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)，反應(yīng)系統(tǒng)一般設(shè)有保溫和加熱裝置、通風(fēng)裝置及滲濾液收集和回噴裝置，為反應(yīng)系統(tǒng)提供水分和氧氣，反應(yīng)產(chǎn)物以腐殖質(zhì)為主，可作為有機(jī)肥料用于土壤改良或園林綠化[39]。好氧發(fā)酵工藝流程圖見(jiàn)圖5。

圖5 好氧發(fā)酵工藝流程圖Fig.5 Aerobic fermentation process route

3.2 生物干化

生物干化是利用微生物高溫好氧發(fā)酵過(guò)程中有機(jī)物降解所產(chǎn)生的生物熱能，通過(guò)過(guò)程調(diào)控手段促進(jìn)水分蒸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)快速去除水分的一種干化處理工藝[40]。生物干化中微生物活動(dòng)能使垃圾中的束縛水活化，從而達(dá)到更好的干化效果。

生物干化系統(tǒng)主要包括生物干化裝置、冷凝設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、氣體凈化裝置和污水處理裝置[41]。垃圾生物干化過(guò)程好氧微生物生命活動(dòng)所需氧氣由通風(fēng)系統(tǒng)提供，干化過(guò)程中產(chǎn)生的含有水蒸氣的氣體經(jīng)冷凝設(shè)備后，產(chǎn)生含有害氣體的滲濾液，滲濾液可進(jìn)行回噴以調(diào)節(jié)干化艙內(nèi)的濕度，也可直接送入污水處理系統(tǒng)；干化過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣則通過(guò)氣體凈化裝置凈化后，達(dá)標(biāo)排放。生活垃圾生物干化流程圖見(jiàn)圖6。生活垃圾的生物干化過(guò)程是：生活垃圾先經(jīng)機(jī)械破碎，隨后進(jìn)入干化艙進(jìn)行生物干化，干化停留時(shí)間為7～15 d。干化產(chǎn)物可用作低熱值燃料[42]，也可經(jīng)進(jìn)一步陳化后與頁(yè)巖等混合后燒制陶粒[43]或直接填埋。另外，Zhang等證明“水解+好氧”聯(lián)合生物干化過(guò)程比單純好氧生物干化效果更好[44]。

圖6 垃圾生物干化處理工藝流程圖Fig.6 Process route of biological drying treatment of waste

參考國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)生物干化在污泥和城市生活垃圾中的應(yīng)用居多，也有在其他方面應(yīng)用的介紹，如：園林廢物。生物干化因具有較強(qiáng)的實(shí)用性，已在歐洲等國(guó)家普遍應(yīng)用。在我國(guó)，沈陽(yáng)、惠州等地有污泥生物干化處理案例[43，45]。國(guó)內(nèi)也有以“剪切破碎+生物干化+擠壓脫水”為特征的生活垃圾處理示范工程[46]，其工藝流程圖見(jiàn)圖7。

圖7 垃圾機(jī)械生物法處理流程圖Fig.7 Waste mechanical biological treatment route

4 脫水預(yù)處理技術(shù)對(duì)比及展望

目前，生活垃圾的脫水預(yù)處理技術(shù)均有利有弊，其優(yōu)缺點(diǎn)分析見(jiàn)表1。

物理技術(shù)主要通過(guò)壓力作用實(shí)現(xiàn)垃圾的干濕分離，其可減小物料粒徑，增大物料比表面積，同時(shí)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)因細(xì)胞壁被破壞流出，從而加快物料降解速度[47-48]。熱干化技術(shù)通過(guò)外源加熱物料，使物料溫度升高水分蒸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)物料脫水干化。熱干化技術(shù)一般需100 ℃以上高溫，能耗較高。生物技術(shù)則通過(guò)微生物作用分解細(xì)胞壁和細(xì)胞膜釋放細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)，并將細(xì)胞內(nèi)大分子有機(jī)物分解為小分子物質(zhì)，好氧發(fā)酵的產(chǎn)物是CO2、H2O、NH3和腐殖質(zhì)，生物干化產(chǎn)物與好氧發(fā)酵產(chǎn)物相似[49]。

表1 生活垃圾脫水預(yù)處理技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of waste dehydration pretreatment technology

垃圾中水分以自由水、結(jié)合水和胞內(nèi)水的形式存在，廚余垃圾水分則以胞內(nèi)水為主。廚余垃圾經(jīng)生物水解，細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，胞內(nèi)水轉(zhuǎn)化為自由水[8]。自由水可經(jīng)簡(jiǎn)單的機(jī)械擠壓技術(shù)去除。因此可采用高壓技術(shù)破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)使分子溶出后，再通過(guò)生物技術(shù)降解物料中的大分子有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)廚余垃圾的快速脫水。

機(jī)械生物處理技術(shù)已在德國(guó)、巴西等國(guó)家廣泛應(yīng)用[50]，該技術(shù)就是通過(guò)機(jī)械技術(shù)將垃圾進(jìn)行破碎篩分，經(jīng)處理后的有機(jī)組分進(jìn)入生物反應(yīng)系統(tǒng)，進(jìn)行厭氧或好氧發(fā)酵[51]。厭氧消化技術(shù)產(chǎn)物是沼氣和沼液，沼液還需進(jìn)一步脫水處理才能實(shí)現(xiàn)垃圾脫水。而好氧發(fā)酵產(chǎn)物含水率較低，可實(shí)現(xiàn)垃圾脫水。與好氧堆肥相比，生物干化技術(shù)具有停留時(shí)間短、運(yùn)行成本低的優(yōu)勢(shì)，更適用于高水分廚余垃圾的脫水處理。在有熱源的地區(qū)(如垃圾焚燒廠、水泥窯等)，亦可考慮生物干化技術(shù)與熱干化技術(shù)連用，外源加熱可促進(jìn)堆體升溫，微生物能在更短時(shí)間內(nèi)到達(dá)最佳活躍狀態(tài)，促進(jìn)生物干化過(guò)程，達(dá)到更好的干化效果。