唐 杰

中鐵市政環(huán)境建設(shè)有限公司 上海 200331

在國家政策的指導(dǎo)下，從十五計劃開始，生活垃圾治理領(lǐng)域，在引進(jìn)國外技術(shù)的同時積極探索和實踐，先后進(jìn)行了衛(wèi)生填埋、垃圾焚燒發(fā)電的推廣應(yīng)用，在處置技術(shù)和工藝裝備方面取得了巨大的進(jìn)步。在此基礎(chǔ)上，推行垃圾分類回收、再生資源利用實現(xiàn)綜合處理，處理技術(shù)向精細(xì)化更進(jìn)一步，提高資源利用率的同時，我國垃圾處理“減量化、資源化、無害化”水平也逐步提高。目前已經(jīng)建成的一大批符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)生填埋場和焚燒發(fā)電廠對垃圾治理和環(huán)境保護(hù)發(fā)揮了巨大作用。但是這些技術(shù)對于農(nóng)村垃圾的治理是不適用的，農(nóng)村垃圾的治理還缺乏一種針對性強，兼具實效性和長效性的方法，從根本上解決農(nóng)村垃圾的系列問題。

1 農(nóng)村垃圾的現(xiàn)狀和特點

農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生量和堆積量逐年增多，“垃圾圍村”現(xiàn)象嚴(yán)重，與城市垃圾相比，農(nóng)村地域面積廣，垃圾產(chǎn)生源分散，農(nóng)村所采用的分散式就地消納處理方式已經(jīng)不能適應(yīng)形勢發(fā)展的需要。隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和“美麗鄉(xiāng)村”戰(zhàn)略的提出，廣大農(nóng)村的環(huán)境問題愈發(fā)凸出。每年近2億t的農(nóng)村生活垃圾，尚無有效處置方式，隨意丟棄、掩埋造成了巨大環(huán)境隱患。近年來，農(nóng)村生活垃圾的污染與治理正逐漸引起社會越來越廣泛的關(guān)注。國家不斷出臺政策來健全農(nóng)村垃圾收運處置體系。2017年黨的十九大報告指出“繼續(xù)改善人居環(huán)境，其中垃圾和污水處理應(yīng)列為當(dāng)前的難點和亟須解決的重點問題”，2021年2月21日的中央一號文件指出“建設(shè)一批有機廢棄物綜合處置利用設(shè)施。健全農(nóng)村人居環(huán)境設(shè)施管護(hù)機制”，2022年2月中央一號文件《中共中央國務(wù)院關(guān)于做好2022年全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興重點工作的意見》再次指出“扎實有序做好鄉(xiāng)村發(fā)展、鄉(xiāng)村建設(shè)、鄉(xiāng)村治理重點工作”。相關(guān)政策持續(xù)的出臺，表明農(nóng)村生活垃圾治理的嚴(yán)重性和緊迫性。

響應(yīng)政府號召，同時為了實現(xiàn)農(nóng)村人居環(huán)境與農(nóng)村經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的目標(biāo)，需要對農(nóng)村客觀條件進(jìn)行精準(zhǔn)把握，研發(fā)一種適應(yīng)農(nóng)村地區(qū)垃圾處理的工藝設(shè)備和技術(shù)。隨著城鄉(xiāng)差距的拉近，農(nóng)村生活垃圾處理相關(guān)問題與城市存在一定的共性，又有著鮮明的特性，需要針對性的展開分析研究制定對策。農(nóng)村垃圾和客觀環(huán)境主要有五個方面顯著的特點：

1.1 農(nóng)村生活垃圾趨向城市化

隨著城市化的發(fā)展，農(nóng)村和城市之間人口流動頻繁，商品供應(yīng)充足加上物流便捷，農(nóng)村生活垃圾成分呈現(xiàn)城市化的趨勢。

1.2 垃圾分布范圍廣

農(nóng)村土地面積占國土面積90%，常住農(nóng)村人口占總?cè)丝?2%，農(nóng)村人口以村落的形式分布，垃圾點多面廣，集中收儲成本高。

1.3 人口空心化

青壯年勞動力外流，常住人口以50歲以上中老年人和18歲以下的學(xué)齡人口為主，專業(yè)技術(shù)人員較少，操作維護(hù)工藝復(fù)雜設(shè)備的勞動力資源不足。

1.4 垃圾成分差異性大、熱值低，產(chǎn)量波動較大

由于地域特點不同，農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣化的特點。因此垃圾成分差別較大，再加上農(nóng)村地面硬化率低，在垃圾收集、處理的過程中不可避免混入渣土，總體上相對城市垃圾而言有機質(zhì)含量較低，綜合熱值低。另外因為垃圾產(chǎn)量是和人口相伴而生的，垃圾產(chǎn)量隨著人口的波動而波動。如開農(nóng)村特色旅游經(jīng)濟(jì)活躍的鄉(xiāng)村，平時垃圾產(chǎn)量少，節(jié)假日垃圾產(chǎn)量大；農(nóng)閑時，垃圾產(chǎn)量少，農(nóng)忙時，在外務(wù)工人員返鄉(xiāng)，垃圾產(chǎn)量增大。而連續(xù)穩(wěn)定運行的垃圾處理系統(tǒng)對垃圾的熱值、垃圾供應(yīng)的規(guī)模和穩(wěn)定性都有要求[1]。

相對而言，城市生活垃圾比較容易集中，收運體系成熟，運輸半徑小，垃圾產(chǎn)量比較平穩(wěn)，適合集中規(guī)?；幚怼６r(nóng)村垃圾點多面廣，集中收儲成本高；現(xiàn)有垃圾處理技術(shù)，工藝復(fù)雜專業(yè)性要求較高，而在空心化的鄉(xiāng)村缺乏專業(yè)技術(shù)人員，運行維護(hù)難度大，違規(guī)排放風(fēng)險高。而且由于農(nóng)村垃圾產(chǎn)量的波動性，也要求處理設(shè)備運行具有一定靈活性。同時，絕大部分農(nóng)村的財政能力，無法承受規(guī)模較大的建設(shè)和運行成本。

因此針對農(nóng)村垃圾分布特點和客觀條件，開發(fā)一種工藝簡便，排放達(dá)標(biāo)，運行安全，投資少的農(nóng)村垃圾處理設(shè)備，才能更契合農(nóng)村生活垃圾處理的實際，在真正意義上實現(xiàn)技術(shù)落地。

2 垃圾治理技術(shù)的現(xiàn)狀

現(xiàn)有生活垃圾處理技術(shù)主要以衛(wèi)生填埋和焚燒發(fā)電為主，另外還有垃圾氣化和垃圾熱解碳化等技術(shù)。

垃圾填埋分為原生垃圾集中收運以后的直接填埋，和對其他處理方法處理以后形成的產(chǎn)物的最終填埋。衛(wèi)生填埋的占地面積大、且容易造成二次污染，不適合用于農(nóng)村垃圾處理。2020年7月31日，國家發(fā)改委、住建部、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合印發(fā)《城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施補短板強弱項實施方案》中指出“2023年基本實現(xiàn)原生生活垃圾零填埋。原則上地級以上城市以及具備焚燒處理能力的縣(市、區(qū))，不再新建原生生活垃圾填埋場”，所以在未來的發(fā)展中，生活垃圾直接填埋在農(nóng)村將不可持續(xù)的。

垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)通過對垃圾分類，對熱值較高的垃圾成分進(jìn)行焚燒，產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為高溫蒸汽，驅(qū)動渦輪機帶動發(fā)電機進(jìn)行發(fā)電，優(yōu)點是占地少，減量化程度高，通過發(fā)電實現(xiàn)了資源化利用；但是投資規(guī)模大，工藝設(shè)施復(fù)雜，需要專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行操作、維護(hù)和管理，而農(nóng)村既缺少資金，也缺少相關(guān)的技術(shù)和管理人才，為了保障垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)正常運行，穩(wěn)定集中的垃圾供應(yīng)也是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，對于垃圾點多面廣的農(nóng)村，垃圾集中收運的代價將十分巨大[2]。

所謂垃圾氣化技術(shù)，是指采用氣化的方法，在高溫狀態(tài)下將垃圾氣化熔融和分解，垃圾中的有機物可以轉(zhuǎn)化為合成氣（主要為CO和H2），而無機物則可以轉(zhuǎn)化為玻璃體灰渣。由于垃圾氣化技術(shù)相對于其他垃圾處理技術(shù)要復(fù)雜，投資明顯較高，同時由于一般垃圾水分含量較高、無機物較多、熱值較低，導(dǎo)致采用垃圾氣化技術(shù)建設(shè)的項目經(jīng)濟(jì)性一般不好。因此，垃圾氣化技術(shù)項目的經(jīng)濟(jì)性問題成為了當(dāng)前制約垃圾氣化技術(shù)推廣和應(yīng)用的主要因素。

碳化熱解技術(shù)，該技術(shù)起源于木炭制作，現(xiàn)在仍然用于從煤、木材、油頁巖中提煉出可燃的氣體、液體和固體。國外也有將該項及時應(yīng)用到遠(yuǎn)洋船舶上的垃圾處理的案例。其原理在無氧狀態(tài)下加熱，利用高溫使生活垃圾中有機高分子的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，釋放出各種揮發(fā)份的反應(yīng)過程。在熱解過程中，中間產(chǎn)物存在著兩種變化趨勢：一是從大分子變成小分子的裂解過程；二是小分子聚合成較大分子的縮聚過程。熱解產(chǎn)物主要有以下幾種：熱解氣，包括一些低分子碳?xì)浠衔锶鐨錃?、甲烷、一氧化碳等；熱解油，這里一部分熱解油可作為燃料油使用，它們在常溫下為液態(tài)，主要有乙酸、丙酮、甲醇化合物；熱解油氣組分是熱值豐富的可燃?xì)怏w，是熱解過程重要的能源補充。熱解炭：熱解炭大部分以炭黑形式存在，此外還存在一些無機物質(zhì)，基本實現(xiàn)了有機物的穩(wěn)定化無害化[3]。

反應(yīng)原理如下：

有機固體廢物→（H2、CH4、CO、CO2等）氣體+（有機酸、焦油等）有機液體+炭黑+灰渣

垃圾熱解碳化工藝的主要優(yōu)點在于：熱解碳化反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，對物料無熱值要求，適應(yīng)性廣；在缺氧條件下分解，溫室氣體——二氧化碳排放少；廢物中的硫、重金屬等有害成分大部分被固定在固體炭黑中；熱解過程中產(chǎn)生的可燃?xì)怏w可以回收為反應(yīng)過程提供熱源，處理產(chǎn)物得到無害化和資源化利用；由于在熱解過程中保持了還原環(huán)境，氮氧化物等污染物產(chǎn)出量少，也限制了劇毒物質(zhì)二噁英的生成。

綜合以上對各種垃圾處理工藝的對比，結(jié)合農(nóng)村生活垃圾成分地區(qū)差異大、季節(jié)性影響大、分布面積廣、資金短缺、專業(yè)技術(shù)人員少等諸多因素，城市垃圾處理的工藝和設(shè)備難以移植到農(nóng)村。因此根據(jù)農(nóng)村垃圾的分布和自身特點，我們選擇熱解碳化作為工藝路線，在結(jié)構(gòu)和功能上進(jìn)行量身定做，研發(fā)了農(nóng)村垃圾碳化熱解成品化裝備。

3 以垃圾熱解碳化成品化裝備為核心的農(nóng)村垃圾處理方案

以垃圾熱解碳化成品化裝備為核心，在前端與預(yù)處理單元組合，垃圾經(jīng)過收儲、破碎、篩分和堆濾后，再送入熱解設(shè)備中進(jìn)行處理，形成一套完整的農(nóng)村垃圾處理方案（如圖1所示）。

圖1 農(nóng)村垃圾處理方案

在預(yù)處理單元，生活垃圾經(jīng)過地磅稱重后送至儲料區(qū)，再通過輸送機進(jìn)入破碎篩分裝置。經(jīng)過篩分后的篩上物主要是有機物和可燃物（廚余、塑料、橡膠、廢紙、竹木和皮革等），并送入多床層熱解爐中熱解。分離出的無機殘渣（碎玻璃、石塊、磚頭等）集中外運填埋，廢金屬進(jìn)行資源回收。垃圾產(chǎn)生的臭氣優(yōu)先送入熱解爐作為助燃空氣，剩余部分送入尾氣凈化系統(tǒng)，去除尾氣中臭氣等污染物后達(dá)標(biāo)排放。該預(yù)處理工藝設(shè)備全程封閉、數(shù)字化控制，且機械化、自動化程度較高，很大程度上減少了人員配置。

3.1 垃圾熱解碳化成品化裝備

碳化熱解設(shè)備時整套方案的核心，工藝過程為：裝料—加熱升溫—熱解排出高溫氣—剩余固體物出料。系統(tǒng)組成包括：熱解爐膛及反應(yīng)釜、裝卸料裝置、輻射管燃燒器及供熱系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等功能部分組成（如圖2所示）。

圖2 設(shè)備組成

熱解爐膛是一個相對封閉的空間，由鋼結(jié)構(gòu)和保溫隔熱材料組成，內(nèi)部支架收納由耐熱材料制作的反應(yīng)釜，反應(yīng)釜是裝載垃圾的容器，具有導(dǎo)熱性能良好，膨脹系數(shù)小的特點；供熱系統(tǒng)由輻射管燃燒器、天然氣管路、助燃空氣管路、熱解氣管路等組成。

設(shè)備的運行過程如下，首先將垃圾通過反應(yīng)釜裝入爐膛，關(guān)閉爐門和密封裝置。啟動程序運行。在熱解反應(yīng)開始以前，首先經(jīng)過干燥環(huán)節(jié)。即物料中的外部水分和毛細(xì)結(jié)構(gòu)吸附的水分被首先加熱蒸發(fā)，將物質(zhì)中的結(jié)構(gòu)水除去，水分析出結(jié)束且物料達(dá)到一定溫度后，進(jìn)入熱解階段，熱解本身是一個復(fù)雜且同時發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)的過程。包含有機大分子的鍵斷裂，有機分子的異構(gòu)化和小分子的聚合等反應(yīng)，最后生成各種較小的分子。在垃圾處理過程中，根據(jù)不同溫度條件下的反應(yīng)特點，優(yōu)化工藝參數(shù)，過程中按照溫度-時間曲線精確控制，提高熱解氣轉(zhuǎn)化率，盡量依靠物料熱解燃?xì)?，提供熱能維持后續(xù)熱解反應(yīng)直至完成，達(dá)到減少外部能源消耗，實現(xiàn)最大的能源利用效率。

該設(shè)備具有以下特點：

垃圾減量比率超過80%；采用序批式處理工藝不受物料產(chǎn)量限制，通過設(shè)置儲料池調(diào)節(jié)垃圾產(chǎn)量波動和一次處理能力之間的關(guān)系；爐膛采用固定床——反應(yīng)釜加熱，對物料不產(chǎn)生擾動，減少飛灰生成；采用模塊化設(shè)計，撬裝式集成，可根據(jù)處理能力需要不同進(jìn)行靈活配置，方便安裝，減少土建投資，可實現(xiàn)快速安裝，降低項目實施成本；利用熱解產(chǎn)生的高熱值可燃物，維持反應(yīng)直至結(jié)束，降低外部能源消耗；系統(tǒng)通過程序控制，操作簡便，對人的依賴少；廢氣廢水達(dá)標(biāo)排放；廢渣可直接進(jìn)行填埋，也可根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件進(jìn)行資源化利用。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)試，后續(xù)運營期可望通過云監(jiān)管，流動維保的管理方式，提升專業(yè)技術(shù)人員的工作效率[4]。

3.2 典型工程應(yīng)用案例

我們在山東汶上縣建設(shè)了一套日處理能力為20t的農(nóng)村生活垃圾處理站（如圖3所示），完成了熱解碳化設(shè)備各項性能的試驗。通過對進(jìn)場垃圾、垃圾最終產(chǎn)物進(jìn)行稱重，獲得垃圾的減量比率，同時邀請第三方檢測機構(gòu)在反應(yīng)各個階段對產(chǎn)生的廢氣、廢渣和廢水進(jìn)行取樣，檢測分析，不同批次垃圾處理減量比率在80～90%范圍波動，檢出物的濃度均低于相關(guān)污染控制標(biāo)準(zhǔn)。該工程投資成本約為255萬元，通過在不同時段對不同批次垃圾處理能耗統(tǒng)計，垃圾電耗31.7kwh/t，液化氣平均消耗18.3kg/t，如果按照電費0.6元/kwh、液化氣7元/kg計算，平均處理成本約合147元/t。

圖3 農(nóng)村生活垃圾處理站

4 前景預(yù)測

根據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)“截止2019年底，鄉(xiāng)村常住人口55162萬人，2019年農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生量約2億t?！笨梢酝扑戕r(nóng)村地區(qū)每天產(chǎn)生垃圾總數(shù)約55萬t。每人每天的垃圾產(chǎn)量約為1kg。

考慮農(nóng)村地區(qū)差異性因素，城市周邊和遠(yuǎn)離城市的農(nóng)村差異（城鄉(xiāng)結(jié)合地區(qū)可以建立城鄉(xiāng)一體化的生活垃圾管理系統(tǒng)）；考慮項目經(jīng)濟(jì)支持能力差異；人口密集的農(nóng)村和人口稀少的農(nóng)村。綜合這些因素，初步考慮50%的農(nóng)村地區(qū)有條件應(yīng)用垃圾碳化處理技術(shù)，約有27.5萬t/天的垃圾需要進(jìn)行處理。按照處理能力20t/天的設(shè)備估算，需要1.4萬套農(nóng)村垃圾處理站同時正常工作才能消納新生垃圾?？紤]設(shè)備利用率90%，設(shè)備完好率90%，市場需要1.7萬套農(nóng)村垃圾處理站[5]。

結(jié)合研發(fā)過程掌握的數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，如果一套垃圾碳化處理設(shè)備投資成本約200萬元，一套垃圾處理站總投資約為260萬元。進(jìn)而推算出建設(shè)投資市場規(guī)模在442億元人民幣，設(shè)備銷售市場容量在340億元。如果政策扶持引導(dǎo)，引入社會資本投資運營，參照垃圾填埋和焚燒的收費標(biāo)準(zhǔn)，垃圾處理運營市場容量約在250億元人民幣。這是三個百億級的市場。

目前農(nóng)村垃圾處置相關(guān)技術(shù)，運營方式仍處在探索階段，行業(yè)集中度不高，競爭尚不充分。目前我們已經(jīng)完成農(nóng)村垃圾熱解碳化成品化裝備研發(fā)，并成功應(yīng)用于農(nóng)村垃圾處理示范站項目中。知識產(chǎn)權(quán)方面，申請發(fā)明專利4項，已授權(quán)2項，實用新型專利授權(quán)12項。

5 結(jié)語

十九大報告強調(diào)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，提出“產(chǎn)業(yè)興旺、生態(tài)宜居、鄉(xiāng)風(fēng)文明、治理有效、生活富裕”的總體要求。2021年脫貧攻堅戰(zhàn)取得全面勝利，中國步入從扶貧到振興的新奮斗起點。隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和生活水平持續(xù)提高，環(huán)境問題越來越受到社會各界的關(guān)注。

提升農(nóng)村人居環(huán)境，對垃圾進(jìn)行治理必須立足于農(nóng)村實際，同時達(dá)到綠色環(huán)保的排放要求，才能具有實效性和長效性。相信為農(nóng)村量體定制的分布式垃圾碳化熱解模塊化處理設(shè)備，經(jīng)過后續(xù)技術(shù)迭代提升，一定會創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益，社會效益和生態(tài)效益，為農(nóng)村環(huán)境提升發(fā)揮重要作用。