城市固體廢棄物處置技術的現狀及展望

翁慧穎

（上海環境保護有限公司，上海 200233）

1 引言

城市固體廢棄物是在城市居民日常生活中產生的或為城市居民日常生活提供服務的活動中產生的固體廢棄物，主要包括居民區、學校、醫院、工作場所產生的生活垃圾以及綠化垃圾和建筑垃圾［1］。城市固廢的管理及處置技術均存在缺陷和不足，從管理角度看，缺少全面系統的城市固廢分類方法、行之有效的源頭減量及回收措施、精準透明的固廢成分信息；從處置技術角度看，資源利用程度低、二次污染較為嚴重且缺乏經濟性，這些不足推動著城市固廢處置管理和技術的創新和發展。

2 城市固廢的處置技術

城市固廢大體上可分為七大組分，包括食物殘渣、庭院垃圾、紙張和紙板、金屬、木材、塑料和玻璃［2］。這些固廢的產生與處置均可能對氣候、人居環境及人體健康造成嚴重影響。城市固廢的厭氧消解及固廢填埋場的厭氧環境均可能產生大量的甲烷氣體，從而提高溫室效應發生的概率；城市固廢的堆存和不及時清運可能為蚊子、蟑螂、老鼠等有害動物提供棲息場所，從而造成傳染病的流行，下水道的阻塞可能導致飲用水攜帶病菌，從而嚴重影響人體健康；城市固廢的露天焚燒釋放大量有毒有害氣體（比如二 英），靠近填埋場、有機固廢堆肥區域的居民區長期處于污染環境，均可導致嬰兒的先天疾病、癌癥、呼吸系統的疾病等?？傊?，污染物質可能通過攝入、呼吸、皮膚接觸3 種暴露途徑觸達人體，一旦污染物質的毒性及量達到臨界值，則可能對人體健康造成長期影響［3］。城市固廢的傾倒與處置對于生態環境同樣有負面影響，電子設備、醫療廢物及有毒的商業垃圾一旦被直接丟棄或于露天場所焚燒，有毒有害的化學物質會立刻釋放并對野生動植物造成危害。城市固廢的填埋可能造成重金屬（通常包括Ni，Cr，Pb，Cd）及其他有害物質的析出，污染周邊土壤及地表水、地下水環境，重金屬還會阻塞植物的導管系統、破壞植物根系而造成植物死亡［4］。

根據國家統計局的數據，2009 年后城市固廢產生量連續10 年呈現上升趨勢，2018 年達到2.28 億t，其中2.26 億t 的城市固廢經填埋、焚燒、有機堆肥等技術得到有效處置，處置率達到99%。本文針對目前國內使用較多的處置技術、處置能力及其資源化利用水平進行簡要梳理。

2.1 城市固廢填埋

城市固廢填埋是指利用工程技術手段將城市固廢在密封屏障隔離的條件下進行土壤填埋。填埋場在過去10 年作為城市固廢的主要去向，其數量已在2018 年達到660 座，占全部城市固廢處置量的52%，年平均消納量達到1.17 億t。為提升城市固廢資源化利用程度，填埋氣可作為發電能源使用，但是填埋場可能帶來土地資源擠兌、土地污染、滲濾液污染、有害氣體釋放等問題。

2.2 城市固廢焚燒

城市固廢焚燒是將城市固廢進行高溫分解和深度氧化的過程。2018 年，通過焚燒技術消納的城市固廢達1.02 億t，相較于2009 年的2 000 萬t，處置能力提升5 倍。焚燒作為全國城市固廢主要的處置技術之一，其占有率達45%。焚燒可將固廢的體積縮小90%，同時能用于發電，2017 年由焚燒固廢產生的發電量達到35 億kW·h，可替代550 萬t 的發電煤用量，具有較高的經濟效益。然而，焚燒技術能量轉化效率較為低下，產生的底灰、危廢飛灰填埋可能造成重金屬及二 英的污染問題不容忽視［5］。

2.3 城市固廢熱解及氣化

城市固廢的熱解及氣化可在貧氧條件下將固廢轉化為固、液、氣三態的可再生資源，氣態能源為氫氣及一氧化碳，液態能源為燃料油，固態能源為焦炭及生物炭［6］。城市固廢的熱解和氣化可將固廢中的硫、重金屬等大部分有害物質固定于炭黑中，且排氣量少，不易造成對大氣環境的二次污染。

2.4 有機堆肥及厭氧消解

有機堆肥是一種用于處置有機城市固廢的傳統技術，通過細菌、真菌、蠕蟲等微生物在特定條件下的生物分解作用（特定的氧氣含量、溫度、濕度等），對固廢進行降解，由于固廢種類的局限性，其適用范圍遠小于填埋及焚燒，固廢處置量僅占城市固廢總量的3%。有機堆肥可將城市固廢轉化為化肥，堆肥的產物可作為潛在的土壤調節劑或魚塘水質調節劑。與有機堆肥類似，厭氧消解同樣利用微生物的消化作用，而處置目標主要針對家畜糞便、稻草、廚余垃圾、水處理污泥等。然而，由于城市固廢分類的欠缺，有機堆肥及厭氧消解的進料固廢存在營養成分低、雜質多、重金屬含量高的問題，處置過程中產生的惡臭同樣危害環境及周邊居民的健康［7］。

3 現行處置技術的局限性

3.1 空間及時間資源的消耗

（1）城市固廢處置對于空間資源的消耗。作為目前國內使用最為廣泛的城市固廢填埋技術，具有處理量大、操作工藝相對簡單、后期運維費用相對低廉等優點，是世界上大多數國家和地區最為普適的一種城市固廢處置技術，但卻面臨土地資源有限、適宜的填埋場選址不斷減少的難題［8］。填埋場周邊不適宜建設人群密集場所，如居民區、商業區、辦公場所等，一座固廢填埋場的建設限制了周邊高價值土地資源的開發，存在“鄰避效應”及輻射性的影響。

（2）城市固廢處置對于時間資源的消耗。由于城市固廢的生物處理技術及填埋技術依賴于微生物的消解，而微生物需要消耗大量時間方可達到穩定狀態，過程中產生的有毒有害物質及抑制類物質限制了微生物的消解作用，延長了城市固廢處置的時間。

3.2 環境二次污染

城市固廢的產生毫無疑問對環境造成了多維度的負面影響，而城市固廢處置技術同樣可能造成環境的二次污染。針對城市固廢填埋，填埋場的缺氧環境造成大量甲烷、二氧化碳及其他溫室氣體的產生，雖然適當的氣體導排收集可將填埋氣進行資源回用，但仍存在溫室氣體釋放到外界環境中，造成大氣二次污染的風險。除此之外，填埋氣含有微量的硫化氫、二氧化硫、硝酸根離子、硫酸根離子、磷酸根離子，同樣可能造成設備銹蝕及環境污染。填埋場中產生的氯化物可能影響植物、水生生物及微生物的離子平衡，產生的滲濾液對周邊土壤和地下水可能造成污染，并進一步影響周邊微生物和生態環境。焚燒技術的二次產物包括一氧化碳、氯化氫、氮氧化物、呋喃、多環芳烴、二 英等氣體及底灰、飛灰、煤渣等。若將底灰與飛灰進行填埋，鈣離子及碳酸根離子的析出可能造成填埋場土工布的阻塞。熱解及氣化技術的環境負面影響雖然小，但其對于操作環境穩定性的高要求及經濟投入限制了其大規模應用的可能性［9］。

4 新型城市固廢處理技術

由于現有處置技術存在資源擠兌、二次污染、資源利用化程度較低、處置能力欠缺的問題，需要同步發展新技術作為處置能力的補充，或將一部分城市固廢利用能耗低、二次污染程度較輕、資源利用程度較高的技術進行處理，通過新技術的引進，不斷提升城市固廢處置領域的技術水平。

4.1 水泥窯協同處置城市固廢

4.1.1 技術簡介

水泥窯協同處置是指達到水泥窯入窯標準的城市固廢作為水泥窯的可替代燃料或可替代原材料進行協同處理，利用水泥窯焚燒中產生的余熱，對經過預處理的城市固廢進行無害化處置。水泥是重要的建筑材料之一，每年大約2%的能源消耗來源于水泥工業。與傳統的城市固廢填埋及焚燒相比，其占地少、投入成本低（利用既有產業）、“鄰避效應”弱、公眾的認知程度高。大量用于填埋、焚燒的城市固廢可轉而采用水泥窯協同處置技術進行處理，從而減少二 英、飛灰、填埋氣等二次污染的產生［10］。

4.1.2 政策導向

2014 年，由國家發改委、工信部等七部門聯合發布的《關于促進生產過程協同資源化處理城市垃圾及產業廢棄物工作的意見》中指出，水泥窯協同處置技術是實現節能減排、綠色生產目標的關鍵因素?！笆濉逼陂g，水泥行業的產量及碳排放量受到嚴控，部分水泥廠在重污染天氣持續性或間斷性停產，時間長達數月，然而水泥窯協同處置生產線作為環?；A設施持續生產，為水泥廠的營收提供了一定的支撐。截至2013 年，《水泥窯協同處置固體廢物環境保護技術規范》《水泥窯協同處置固體廢物污染控制標準》《水泥工業大氣污染物排放標準》等相關技術導則規范相繼發布，建立起水泥窯協同處置城市固廢的完整標準體系［11］。

4.1.3 市場規模

根據統計數據，日處理能力5 000 t 的水泥窯生產線可協同處理200～500 t 的城市固廢，即城市固廢添加率可達10%，全國每年通過水泥窯協同處置消納的城市固廢可達1.27 億t，但呈現一定的區域分布特征。由于水泥運輸半徑較小，區域經濟發展水平、人口密集程度、基礎設施建設需求直接影響水泥的需求量，故在東南部經濟發達地區，水泥窯協同處置城市固廢的能力高于中部、西北部地區。

4.1.4 優勢與不足

（1）水泥窯協同處置技術的優勢。一是處置能力強，水泥窯協同處置年處理能力可達30 000 t，由于水泥窯溫度高于普通焚燒回轉窯且環境呈堿性，可促進污染物的分解、硫化物的吸收，同時對氯化物、二 英、硫氰化物等有害氣體的生成有抑制作用。二是建設及運行成本較低，在用地、設備設施投入、后期運維方面均低于其他城市固廢處置技術（依賴于水泥廠現存生產線）［12］。三是環保經濟性高，可達到“無害化、減量化、資源化”的目標，焚燒廢渣再生為水泥原料，提高城市固廢資源化利用的附加值和無害化水平，符合綠色、節能、環保、循環經濟的要求，順應市場規律，切實為企業創收［13］。

（2）水泥窯協同處置技術的不足。一是政策支持力度欠缺，相關政策僅提出水泥窯協同處置作為城市固廢的補充處置手段，但缺乏指標性的要求、促進的措施及評估標準。二是水泥窯處置缺乏行業的標準定價規范，且協同處置危險廢物、一般工業固體廢物的價格高于城市固廢；缺乏國家或省市級統一的發展方針［14］。

4.2 城市固廢制磚

4.2.1 技術簡介

隨著工業化、城市化進程的加速，市政、建筑等工程建設需求不斷提升，而磚塊作為常用的建筑材料需求量大、原材料緊缺、環境限制因素多、造價高，黏土是用于磚塊制造的常用原材料之一，需要從土壤表層獲取，不僅侵占土地資源，同時燒結磚制造產生的廢棄物還可能造成環境污染［15］，故利用城市固廢制磚的需求顯現。根據研究，填埋的城市固廢中存在一定數量的細顆?；彝翣钗镔|，其中包括經降解的有機物、土壤、灰塵、木材及其他惰性物質，體積占比高達40%～80%，同時，城市固廢焚燒產生的底灰富含硅類元素，若將細顆粒的城市固廢或焚燒底灰用作制磚的建筑材料，一方面減少了黏土的用量從而節約了土地資源，另一方面降低了制磚的碳足跡，且能將城市固廢中的重金屬物質固定于磚塊中［16］。目前由城市固廢制磚的技術方法主要分為3 類，利用固廢代替全部或部分黏土：一是利用窯燒的方式制磚，二是利用固廢本身或添加水泥的方式使固廢凝結成磚，三是利用地質聚合反應制磚［17］。

4.2.2 政策導向

我國在“十二五”“十三五”期間對《循環經濟促進法》《環境保護稅法》和《固體廢物污染環境防治法》等一系列法律法規進行修訂，并針對提高固廢資源利用率、減少和避免污染物的產生出臺了一系列相關政策，例如針對符合循環經濟、減量化、再利用、資源化要求的技術、工藝和產品及相關納稅人，給予國家稅收優惠政策或免征環境保護稅的獎勵［18］。2021 年10 月《國務院關于印發2030 年前碳達峰行動方案的通知》要求，抓住資源利用這個源頭，大力發展循環經濟，全面提高資源利用效率，充分發揮減少資源消耗和降碳的協同作用，鼓勵建材企業使用固廢原料，推動建材循環利用，推動能量梯級利用。

4.2.3 優勢與不足

（1）城市固廢制磚技術的優勢。減少渣土類城市固廢、焚燒底灰、飛灰的填埋量，降低因填埋產生的土壤、地下水、大氣二次污染風險。降低了因生產普通磚而消耗的土壤資源，原料易獲取，焚燒飛灰可不作為危廢處置，處置成本隨之降低；制磚過程的酸性環境使硅、鋁、鐵的氧化物轉化為鋁硅酸鹽，化學性質更穩定［19］。

（2）城市固廢制磚技術的不足。性能相對薄弱，壓縮強度、抗壓度、吸水性、耐火性等弱于普通磚，或需要經過特殊前處理手段方可正常使用。

4.3 城市固廢制陶粒

4.3.1 技術簡介

城市固廢焚燒作為應用最為廣泛的城市固廢處置技術之一，其過程中產生的飛灰是危險固體廢物，處置成本和技術難度均限制了該技術的進一步發展，需要探尋資源化利用方式。近年來，焚燒飛灰輔以其他固廢、輔助劑等材料制備人造陶粒已逐步成為應用較為廣泛的處置技術。人造陶粒具有低密度、絕熱、高孔隙率、耐沖擊性、耐火性和耐聚集反應性等優良性能，得到了廣泛的生產與應用。由焚燒飛灰制成的陶粒陶土的質量受許多因素影響，如原料配方和燒成溫度，而通過不斷改變焚燒飛灰、市政污泥、污染土壤、硬質耐燒土等成分的比例，可以獲得最佳的原料配方。根據配方將原料混合、攪拌，加入適量的水，揉成原料球，并進行干燥和烘烤，即可得到磷吸附力強、重金屬離子固化能力強的陶粒陶土。例如當焚燒飛灰、市政污泥、污染土壤、硬質耐燒土的質量比為3 ∶4 ∶1.5 ∶1.5 時，以400 ℃的溫度預熱10 min，并最終升溫至1 150 ℃燒結20 min 可達到焚燒飛灰制備陶粒的最佳性能，1 h 吸水率0.97%，體積密度998.7 kg/m3，筒壓強度37.84 MPa，重金屬的浸出值也遠低于GB 5085.3—2007《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》中重金屬的相關標準，可將重金屬很好地固定于陶粒中。利用焚燒飛灰制備陶粒作為填料和吸附劑是控制水中磷含量的有效方法，在酸性條件下，隨著溶液初始pH 的增加，磷的去除率也逐漸增加；在堿性條件下，陶粒對磷的去除效果不如在酸性條件下明顯；當pH 為6.3 時，陶粒具有最好的除磷效果，以焚燒飛灰為原料制備的陶粒、陶土可以更好地固化水中的重金屬離子，保護城市水質不受固廢渣土的污染。

4.3.2 政策導向

近年來，城市固廢陶粒占我國陶粒生產總量逐步攀升，市場份額明顯增長。2018 年，《工業固體廢物資源綜合利用評價管理暫行辦法》及《國家工業固體廢物資源綜合利用產品目錄》正式施行，陶粒制品作為主要產品名列其中。開展工業固體廢物資源綜合利用評價的企業可依據評價結果，按照《財政部稅務總局生態環境部關于環境保護稅有關問題的通知》和其他相關規定，申請暫予免征環境保護稅，以及減免增值稅、所得稅等相關產業扶持優惠政策，是對于城市固廢制備陶粒行業的重大利好。

4.3.3 優勢與不足

（1）城市固廢制陶粒技術的優勢。一是節能。城市固廢制備陶粒的能耗是傳統陶粒燒制的50%左右，燃燒產生的余熱被充分回收利用，熱效率可達傳統生產工藝的2 倍。二是環保。焙燒溫度在1 200 ℃左右，可將有害的各種重金屬固熔在陶粒當中避免析出，對于尾礦、土壤、污泥的治理具有重要意義。高溫焙燒可將臭味分子去除，避免對大氣造成二次污染，確保其綠色環保建材特性，實現“減量化、無害化、資源化”的處理處置目標。三是具有一定的社會效益。城市固廢制備陶?？上鳒p固廢填埋體量，釋放珍貴的土地資源，固廢本身可為陶粒制備提供燃燒熱值，節約燃料，降低生產成本。四是環境效益顯著。陶粒制備是城市固廢消納的有效途徑，可緩解固廢填埋對周邊地表水、地下水及土壤的污染問題及病原菌和廢臭氣對環境的污染問題。陶粒輕骨料可作為石料在混凝土原料中的替代產品，可減少對于天然石材的開采，節約天然資源。

（2）城市固廢制陶粒技術的不足。產業化潛能仍待開發，由于實驗理論研究與產業化應用技術的偏差，以及過度的資本化和市場化帶來的技術專業化的欠缺，致使市場規模小、應用不成熟。技術水平相對落后，需根據城市固廢原料的特點制造和研究設備，優化和改進制備工藝。精細化、智能化和綠色節能水平較低。在建筑領域的應用仍受性能、工程安全性等種種限制，與傳統建筑材料相比，略顯欠缺。

5 結果與討論

目前使用較為廣泛的城市固廢處置技術存在資源擠兌、二次污染、資源利用化程度較低、處置能力欠缺的問題，需不斷開發新型城市固廢管理方法及處置路徑，并不斷優化現行處置技術，方可實現城市固廢處置的無害化、減量化和資源化目標。對此提出以下幾點建議：

（1）加強城市固廢源頭分類，作為城市固廢管理的首要環節，分類的效率及有效性直接影響后期處置技術的實施效果，在居民區、垃圾中轉站及其他各類垃圾收集點均應根據不同的處置去向，進行垃圾的分類收集，以提高回收利用率及處置效率。

（2）城市固廢焚燒技術應不斷優化能源回收效率，降低二次污染的產生量或阻斷其釋放到外界環境的途徑，并將高濕度、低熱值的固廢采用其他處置途徑進行消納。

（3）城市固廢填埋作為我國使用最為廣泛的處置技術，應確保填埋過程安全環保，減少有機物的填埋，盡量降低滲濾液和臭氣對周邊大氣、土壤、地下水的環境影響。

（4）不斷探索新型技術，例如水泥窯協同處置、城市固廢制磚制陶粒均為成功的案例，不僅是針對現有城市固廢處置能力的補充，同時降低了二次污染的發生，將固廢轉化為可再次利用的資源，提高城市固廢整體資源化利用水平。