未來城市生活垃圾的全過程處理工程

由于生活水平的不斷提高和城鎮(zhèn)化的高速推進(jìn)，我國(guó)城市生活垃圾年產(chǎn)生量已超過2×10⁸ t，而且呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。填埋技術(shù)作為我國(guó)目前生活垃圾的傳統(tǒng)處理處置方法，其垃圾處理量占處理總量的60%以上。

我國(guó)目前所掌握的填埋技術(shù)存在著諸多問題[圖1 （a）]。首先，絕大多數(shù)生活垃圾中的可回收資源無法得到循環(huán)與利用，這不僅導(dǎo)致資源浪費(fèi)，還使其脫離可持續(xù)循環(huán)圈。其次，由于通過填埋技術(shù)每年分解和處理的生活垃圾量遠(yuǎn)小于每年進(jìn)入填埋場(chǎng)的生活垃圾量，導(dǎo)致垃圾填埋場(chǎng)無法實(shí)現(xiàn)可持續(xù)利用，而需要開發(fā)大面積寶貴的土地資源來建設(shè)新填埋場(chǎng)。據(jù)初步調(diào)查，我國(guó)當(dāng)前超過400座城市出現(xiàn)了“垃圾圍城”局面，全國(guó)垃圾存量占地累計(jì)達(dá)5×10⁴ hm² 。再次，生活垃圾在填埋場(chǎng)中產(chǎn)生的大量滲濾液，會(huì)通過污染空氣、土壤和地下水使得城鄉(xiāng)區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化和居民生活質(zhì)量下降。由此可見，我國(guó)現(xiàn)有的生活垃圾填埋技術(shù)不僅帶來了嚴(yán)重的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)問題，而且制約著人類與自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

如何解決生活垃圾資源化循環(huán)不平衡、污染防治失控等關(guān)鍵問題，已成為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境保護(hù)和科技關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來，我國(guó)政府高度重視改善環(huán)境問題，并加大了對(duì)生活垃圾處理的投資，這對(duì)于我國(guó)進(jìn)一步推行綠色發(fā)展模式具有重要意義。在本文中，筆者強(qiáng)調(diào)城市生活垃圾全過程處理的重要性[圖1（b）]，并分別對(duì)生活垃圾處理前端的分類、減量化與資源化技術(shù)，以及末端的污染物快速消化、防泄漏與修復(fù)技術(shù)提出新思路和新建議。

圖1 城市生活垃圾全過程處理的傳統(tǒng)模式（a）和新興模式（b）

在城市生活垃圾全過程處理中，有意識(shí)地對(duì)生活垃圾進(jìn)行源頭分類是首要推行的政策。然而，生活垃圾分類管理在我國(guó)的推廣和實(shí)施還相對(duì)落后。究其原因主要有：垃圾分類的頂層設(shè)計(jì)和指導(dǎo)思想相對(duì)缺乏；垃圾分類系統(tǒng)與資源回收系統(tǒng)之間缺乏連通性；城鎮(zhèn)居民缺乏生活垃圾源頭分類的理念；居民住宅建筑環(huán)境條件的限制；缺乏相關(guān)法律、法規(guī)和政策。針對(duì)上述問題，潛在的對(duì)策包括建立健全的法律法規(guī)、監(jiān)管體系和城鎮(zhèn)生活垃圾分類標(biāo)準(zhǔn)；開展環(huán)境保護(hù)和生活垃圾分類的基層教育宣傳，從便利的角度設(shè)計(jì)和配置垃圾收集設(shè)施；使用經(jīng)濟(jì)手段促進(jìn)垃圾源頭分類的開展，推行企業(yè)責(zé)任制度。

在現(xiàn)階段，發(fā)展從混合垃圾中分離出可資源化垃圾進(jìn)入循環(huán)利用的新模式是十分必要的。這不僅是因?yàn)槲覈?guó)超過70%的垃圾存量為混合垃圾，同時(shí)也是因?yàn)樵撃Ｊ绞墙档吞盥駡?chǎng)生活垃圾年增量的有效手段。但是，現(xiàn)有的混合垃圾分類技術(shù)對(duì)不可資源化垃圾成分的分離具有很大的局限性，主要是由于混合垃圾含有過高的結(jié)晶水，導(dǎo)致垃圾黏稠及不同垃圾成分之間相互纏繞?；旌侠懈鞣N有機(jī)組分都含有一定的結(jié)晶水，因此需要同時(shí)降解這些有機(jī)組分才能較徹底脫出結(jié)晶水。但是，降解含有結(jié)晶水的不同有機(jī)組分通常是由不同的功能微生物來執(zhí)行，從而容易產(chǎn)生微生物拮抗作用，不利于混合垃圾的脫水。因此，今后在發(fā)展混合垃圾的分質(zhì)分類技術(shù)過程中，需注重基于元蛋白質(zhì)組學(xué)定向末端靶向選育方法制備出在生活垃圾降解過程中可以高效脫水和產(chǎn)熱的菌劑。此外，在通過控制階段性升溫、保溫、降溫的進(jìn)程來抑制土著微生物活性的同時(shí)，創(chuàng)造適合接種微生物生存的獨(dú)特環(huán)境也顯得尤為重要。

通過分質(zhì)分類技術(shù)分離出的金屬和非金屬固相部分可以被分別納入鋼鐵與有色金屬行業(yè)和建材行業(yè)。分離出的具有高熱值的有機(jī)固體廢物，包括布、紙和塑料廢物，可以被制成用于供熱和發(fā)電的垃圾衍生燃料（refuse-derived fuel, RDF）。為制備RDF，可以在生活垃圾源頭分類中篩選出高熱值組分。此外，可以通過模擬實(shí)驗(yàn)研究最終熱解溫度、物料比、賦形劑類型和升溫速率對(duì)RDF熱解的影響，從而獲得足夠的數(shù)據(jù)來完全闡述 RDF熱處理的反應(yīng)過程和機(jī)理。上述理論研究成果必須與市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力和生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估相結(jié)合，才能促進(jìn)RDF后續(xù)的能源化與產(chǎn)業(yè)化。

目前，分離出的熱值較低的有機(jī)固體成分主要是通過堆肥技術(shù)形成施用于農(nóng)田的肥料產(chǎn)品。但是，現(xiàn)有的堆肥技術(shù)所形成的大部分的肥料產(chǎn)品很難被農(nóng)戶接受，造成肥料產(chǎn)品大量殘存并再次成為垃圾廢物[圖1（a）]。這主要是由于這些肥料產(chǎn)品缺乏提升土壤生產(chǎn)力和抗污能力的富含醌基的有機(jī)質(zhì)。堆肥過程中產(chǎn)生的醌基和小分子酰胺類基團(tuán)的定向偶聯(lián)聚合是提高醌基抗降解能力而使其得以保存的最有效手段。但是這兩種分子化合物之間的定向偶聯(lián)聚合通常很難發(fā)生，主要是由于這兩種分子化合物是在不同的堆肥階段產(chǎn)生，而且容易分解。鑒于混合垃圾中木質(zhì)素和蛋白質(zhì)分別是形成醌基和酰胺類基團(tuán)的主要前體物質(zhì)，因此同時(shí)接種相對(duì)應(yīng)的微生物來強(qiáng)化木質(zhì)素和蛋白質(zhì)的降解以及發(fā)展動(dòng)態(tài)返混的堆肥技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)混合垃圾中有機(jī)固體成分的資源化 [圖1（b）]。

經(jīng)過分質(zhì)分類處理后，不可避免地會(huì)殘留不可資源化的生活垃圾成分。開發(fā)快速消解填埋場(chǎng)中老齡垃圾的技術(shù)以騰出更多的空間來接納新的不可資源化的垃圾是十分必要的，因?yàn)檫@樣可以保證填埋場(chǎng)循環(huán)利用，而不需要開發(fā)新的填埋場(chǎng)。腐殖質(zhì)由于具有豐富的氧化還原活性官能團(tuán)，因此其不僅可以作為胞外電子穿梭體介導(dǎo)污染物的降解轉(zhuǎn)化，還可以作為電子受體抑制甲烷的排放。因此，我們建議將不可資源化的生活垃圾與人工腐殖質(zhì)進(jìn)行依次分層填埋，這樣不僅可以快速消解垃圾和實(shí)現(xiàn)填埋場(chǎng)中垃圾的年處理量大于年進(jìn)入量[圖1 （b）]，而且可以降低填埋場(chǎng)溫室氣體排放對(duì)全球變暖的影響。

在垃圾填埋處理過程中，滲濾液的產(chǎn)生是不可避免的。防滲系統(tǒng)不僅是防止?jié)B濾液進(jìn)入地下水和周圍土壤的最后屏障，而且還承擔(dān)著對(duì)滲濾液進(jìn)行導(dǎo)排的任務(wù)。因此在填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)中，防滲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的一環(huán)。

建議對(duì)填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)中的滲濾液排水層同時(shí)設(shè)計(jì)主排水層和輔助排水層，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滲濾液的收集與監(jiān)測(cè)，且可以有效地降低滲濾液下滲到地下水的概率。主排水層可以由透水材料組成，其作用是降低上部源頭滲濾液量，并將滲濾液向底部收集器輸送。主排水層的上部是反濾層，在進(jìn)行反濾層材料選擇時(shí)，應(yīng)確保材料能夠長(zhǎng)期具備良好的透水性，以避免細(xì)粒土的堵塞。主排水層的下部可以由人工防滲膜構(gòu)成。輔助排水層主要負(fù)責(zé)對(duì)主排水層進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)透過主排水層的滲濾液進(jìn)行收集，實(shí)現(xiàn)對(duì)滲濾液污染的有效控制。當(dāng)滲濾液監(jiān)測(cè)井中所測(cè)得的滲濾液量小于相應(yīng)的設(shè)計(jì)量時(shí)，則表明主排水層系統(tǒng)是可靠的，如果大于臨界量，但在下游地下水中沒有發(fā)現(xiàn)污染物質(zhì)，則說明輔助排水層系統(tǒng)完好。

防滲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以精準(zhǔn)攔截目標(biāo)污染物，但是，一旦部分污染物最終不可避免地進(jìn)入垃圾填埋場(chǎng)下方的地質(zhì)層，則會(huì)對(duì)地下水和人體健康安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。由于地質(zhì)層中多孔介質(zhì)的非均質(zhì)性，被吸附的污染物在去除過程中會(huì)反復(fù)釋放，導(dǎo)致去除效率低，污染容易反彈。因此，我們建議針對(duì)已被污染的垃圾填埋場(chǎng)地下水建立有針對(duì)性的修復(fù)技術(shù)體系。該體系的主要修復(fù)原則是添加綠色低碳和緩釋的復(fù)合材料，以迫使污染物進(jìn)入活化還原—自催化氧化—循環(huán)反洗的三級(jí)凈化過程。

總之，未來城市生活垃圾的填埋處理方式必然是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要前端的分類、減量與資源化技術(shù)以及末端的污染物快速消解與防滲漏技術(shù)的協(xié)同發(fā)展。我們的理念能夠推動(dòng)城市生活垃圾從以往的被動(dòng)處理向“資源再生和污染防控”處理升級(jí)，通過填埋場(chǎng)循環(huán)利用實(shí)現(xiàn)土地資源節(jié)約，并基于生活垃圾資源化利用推動(dòng)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整。

改編原文：

Wenbing Tan, Beidou Xi, Xinyu Zhao, Qiuling Dang.Emerging Views on the Overall Process Treatment of Municipal Domestic Waste for the Sustainable Use of Landfills in China[J].Engineering,2020,6(7):733-735.