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            再見,傳統填埋技術!可持續型垃圾填埋場未來可期

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            來源:中國工程院院刊《Engineering》2020年第7期    作者:檀文炳 席北斗 趙昕宇 黨秋玲

            隨著生活水平的不斷提高和城鎮化的高速推進,我國城市生活垃圾呈現逐年增加趨勢。填埋技術作為我國目前生活垃圾的傳統處理處置方法,存在諸多亟需解決的問題,為此如何解決生活垃圾資源化循環不平衡、污染防治失控等關鍵問題,成為社會、經濟、環境保護和科技關注的焦點。

            中國工程院院刊《Engineering》刊發《建設可持續型垃圾填埋場——我國城市生活垃圾全過程處理新觀點》一文指出,未來城市生活垃圾的填埋處理方式必然是一個系統工程,需要前端的分類、減量與資源化技術以及末端的污染物快速消解與防滲漏技術的協同發展。針對城市生活垃圾處理,文章提出了建設可持續型垃圾填埋場,推動城市生活垃圾從以往的被動處理向“資源再生和污染防控”處理升級,通過填埋場循環利用實現土地資源節約,并基于生活垃圾資源化利用推動生態環境的可持續發展等建議。

            一、引言

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

            我國目前所掌握的填埋技術存在著諸多問題[圖1(a)]。首先,絕大多數生活垃圾中的可回收資源無法得到循環與利用,這不僅導致資源浪費,還使其脫離可持續循環圈。其次,由于通過填埋技術每年分解和處理的生活垃圾量遠小于每年進入填埋場的生活垃圾量,導致垃圾填埋場無法實現可持續利用,而需要開發大面積寶貴的土地資源來建設新填埋場。據初步調查,我國當前超過400座城市出現了“垃圾圍城”局面,全國垃圾存量占地累計達5×104hm2。再次,生活垃圾在填埋場中產生的大量滲濾液,會通過污染空氣、土壤和地下水使得城鄉區域生態環境惡化和居民生活質量下降。由此可見,我國現有的生活垃圾填埋技術不僅帶來了嚴重的社會和經濟問題,而且制約著人類與自然環境的可持續發展。

            如何解決生活垃圾資源化循環不平衡、污染防治失控等關鍵問題,已成為社會、經濟、環境保護和科技關注的焦點。近年來,我國政府高度重視改善環境問題,并加大了對生活垃圾處理的投資,這對于我國進一步推行綠色發展模式具有重要意義。在本文中,筆者強調城市生活垃圾全過程處理的重要性[圖1(b)],并分別對生活垃圾處理前端的分類、減量化與資源化技術,以及末端的污染物快速消化、防泄漏與修復技術提出新思路和新建議。

            再見,傳統填埋技術!可持續型垃圾填埋場未來可期

            圖1 城市生活垃圾全過程處理的傳統模式(a)和新興模式(b)

            二、垃圾源頭分類

            在城市生活垃圾全過程處理中,有意識地對生活垃圾進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的推廣和實施還相對落后。究其原因主要有:垃圾分類的頂層設計和指導思想相對缺乏;垃圾分類系統與資源回收系統之間缺乏連通性;城鎮居民缺乏生活垃圾源頭分類的理念;居民住宅建筑環境條件的限制;缺乏相關法律、法規和政策。針對上述問題,潛在的對策包括建立健全的法律法規、監管體系和城鎮生活垃圾分類標準;開展環境保護和生活垃圾分類的基層教育宣傳,從便利的角度設計和配置垃圾收集設施;使用經濟手段促進垃圾源頭分類的開展,推行企業責任制度。

            三、垃圾快速脫水預處理

            在現階段,發展從混合垃圾中分離出可資源化垃圾進入循環利用的新模式是十分必要的。這不僅是因為我國超過70%的垃圾存量為混合垃圾,同時也是因為該模式是降低填埋場生活垃圾年增量的有效手段。但是,現有的混合垃圾分類技術對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晶水,導致垃圾黏稠及不同垃圾成分之間相互纏繞。混合垃圾中各種有機組分都含有一定的結晶水,因此需要同時降解這些有機組分才能較徹底脫出結晶水。但是,降解含有結晶水的不同有機組分通常是由不同的功能微生物來執行,從而容易產生微生物拮抗作用,不利于混合垃圾的脫水。因此,今后在發展混合垃圾的分質分類技術過程中,需注重基于元蛋白質組學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熱的菌劑。此外,在通過控制階段性升溫、保溫、降溫的進程來抑制土著微生物活性的同時,創造適合接種微生物生存的獨特環境也顯得尤為重要。

            四、垃圾資源再循環

            通過分質分類技術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和建材行業。分離出的具有高熱值的有機固體廢物,包括布、紙和塑料廢物,可以被制成用于供熱和發電的垃圾衍生燃料(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,可以通過模擬實驗研究最終熱解溫度、物料比、賦形劑類型和升溫速率對RDF熱解的影響,從而獲得足夠的數據來完全闡述RDF熱處理的反應過程和機理。上述理論研究成果必須與市場經濟競爭力和生態經濟效益評估相結合,才能促進RDF后續的能源化與產業化。

            目前,分離出的熱值較低的有機固體成分主要是通過堆肥技術形成施用于農田的肥料產品。但是,現有的堆肥技術所形成的大部分的肥料產品很難被農戶接受,造成肥料產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品缺乏提升土壤生產力和抗污能力的富含醌基的有機質。堆肥過程中產生的醌基和小分子酰胺類基團的定向偶聯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聚合通常很難發生,主要是由于這兩種分子化合物是在不同的堆肥階段產生,而且容易分解。鑒于混合垃圾中木質素和蛋白質分別是形成醌基和酰胺類基團的主要前體物質,因此同時接種相對應的微生物來強化木質素和蛋白質的降解以及發展動態返混的堆肥技術,可以實現混合垃圾中有機固體成分的資源化[圖1(b)]。

            五、不可回收垃圾處置

            經過分質分類處理后,不可避免地會殘留不可資源化的生活垃圾成分。開發快速消解填埋場中老齡垃圾的技術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,因為這樣可以保證填埋場循環利用,而不需要開發新的填埋場。腐殖質由于具有豐富的氧化還原活性官能團,因此其不僅可以作為胞外電子穿梭體介導污染物的降解轉化,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進行依次分層填埋,這樣不僅可以快速消解垃圾和實現填埋場中垃圾的年處理量大于年進入量[圖1(b)],而且可以降低填埋場溫室氣體排放對全球變暖的影響。

            六、垃圾填埋場滲濾液污染防治

            在垃圾填埋處理過程中,滲濾液的產生是不可避免的。防滲系統不僅是防止滲濾液進入地下水和周圍土壤的最后屏障,而且還承擔著對滲濾液進行導排的任務。因此在填埋場的設計中,防滲系統的設計是至關重要的一環。

            建議對填埋場防滲系統中的滲濾液排水層同時設計主排水層和輔助排水層,從而實現對滲濾液的收集與監測,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,在進行反濾層材料選擇時,應確保材料能夠長期具備良好的透水性,以避免細粒土的堵塞。主排水層的下部可以由人工防滲膜構成。輔助排水層主要負責對主排水層進行檢測,并對透過主排水層的滲濾液進行收集,實現對滲濾液污染的有效控制。當滲濾液監測井中所測得的滲濾液量小于相應的設計量時,則表明主排水層系統是可靠的,如果大于臨界量,但在下游地下水中沒有發現污染物質,則說明輔助排水層系統完好。

            防滲系統的設計可以精準攔截目標污染物,但是,一旦部分污染物最終不可避免地進入垃圾填埋場下方的地質層,則會對地下水和人體健康安全構成嚴重威脅。由于地質層中多孔介質的非均質性,被吸附的污染物在去除過程中會反復釋放,導致去除效率低,污染容易反彈。因此,我們建議針對已被污染的垃圾填埋場地下水建立有針對性的修復技術體系。該體系的主要修復原則是添加綠色低碳和緩釋的復合材料,以迫使污染物進入活化還原—自催化氧化—循環反洗的三級凈化過程。

            七、結論

            總之,未來城市生活垃圾的填埋處理方式必然是一個系統工程,需要前端的分類、減量與資源化技術以及末端的污染物快速消解與防滲漏技術的協同發展。我們的理念能夠推動城市生活垃圾從以往的被動處理向“資源再生和污染防控”處理升級,通過填埋場循環利用實現土地資源節約,并基于生活垃圾資源化利用推動生態環境的可持續發展。

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            2021年1月13日 15:35
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