生活有机垃圾处理新工艺的改进研究

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　　摘 要：城市生活垃圾的处理对于人类的环境与发展问题具有重要影响和意义。有机垃圾总量大、有机质浓度高、含水量多、易腐烂发臭，是生活垃圾处理的重点和难点。通过分析总结现有处理技术的优缺点，结合超临界水氧化技术，研究设计了一种新型有机废物处理工艺流程，为未来垃圾处理系统提供理论指导和技术支撑。
　　关键词：有机垃圾;超临界水氧化;环境污染;微生物处理
　　中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.14.097
　　0 引言
　　当前环境与发展问题已经成为全球普遍关注的焦点，其中城市生活垃圾的处理对人类的生产生活都具有重要影响和意义。随着我国工业化和城市化高速扩张，城市生活垃圾问题日益明显，越来越多地受到民众的普遍关注。我国是世界上人口最多的国家，也是生活垃圾产生量最大的国家，当前我国城市生活垃圾组分复杂，处理难度较高，现有的处理技术还局限于直接焚烧、卫生填埋等。据统计，餐厨有机垃圾占城市生活垃圾总量的一半以上，具有有机质浓度高、含水量大、易腐烂发臭的特点，是生活垃圾处理的重点和难点。现有的厌氧消化等技术工艺存在易酸化、设备老旧等现象，难以满足日益增长的垃圾处理需求。超临界水氧化是一种极具前景的绿色废物处理技术，可将不易分解的有机废物快速氧化分解，是一种绿色的“焚化炉”。本文将在分析现有有机废物处理工艺及技术的基础上，根据目前生活有机垃圾的特点，改进市政有机垃圾处理工艺，为未来垃圾处理工艺提供理论指导。
　　1 有机废物现状及危害
　　1.1 有机废物的现状分析
　　现阶段我国主要的有机废物按照来源主要分为三个部分：分别是工业有机废物、农业有机废物和市政有机废物。
　　工业有机废物是指在工业生产中排出的含有有机成分的废弃物的统称。包含高浓度有机废水、有机废渣。具有成分复杂、可生化性差、有毒等特点。来源集中在生产有机物制品的糖厂、啤酒厂、食品厂、药剂厂、制革厂、造纸厂、印染厂、木材厂等。包括在有机和专用化学产品制造业、印染业、化肥制造业中产生的含氮有机废物（主要成分是胺类、氨类、胍类、硝基化合物、含氮杂环化合物），在基本有机合成中产生的含硫有机废物（主要成分是硫醇、硫醚、硫酚、二硫化合物、磺花物等）以及工业残渣等含钙废物（包括电石渣、废石、造纸白泥、氧化钙等废物）。
　　农业有机废物是指在农村农民生活和农业生产过程中产生的有机类废物的总称。包括植物性来源有机废物（包括稻草、玉米、豆类等农作物秸秆，林业生产过程中残余树枝木、落叶、杂草等，农作物秸秆中含有氮、磷、钾、碳、氢元素及有机硫等），我国年产生量约为1.0×109 t;动物性来源有机废物（主要指禽畜粪便等，含有大量未被消化吸收的有机物、无机物、病菌等），我国年产生量约为2.7×109 t;农副加工业产生的有机废物（甘蔗渣、土豆渣、甜菜渣，肉食加工工业产生的屠宰污血等废物）;农民日常生活废物（包括居民粪便和生活垃圾）。
　　市政有机垃圾多指生活餐厨垃圾及处理其废水后所得的产物，其含水量大，易腐，有强烈刺激性气味，并且含有大量有害微生物。餐厨垃圾作为市政有机垃圾的重要组成部分，其在我国城市垃圾中的含量达到了30%-50%，具有含水量、有机质含量、油脂含量、盐分含量高及营养元素丰富的特点。主要成分包括塑料、橡胶、皮革、织物、纸、木材、庭院废料和食物等可燃物及玻璃、金属等不可燃物。
　　1.2 有机废物的危害
　　生活垃圾作为直接影响人类生产生活的重要因素，若不能处理妥当，不仅会危害环境，还会浪费大量资源。例如：若随意堆放生活有机垃圾会滋生大量病菌，严重污染土壤及地下水资源，威胁人类健康。尤其是餐厨有机垃圾具有易腐、易生物降解、脱水性差，如果不进行无害化处理就可能通过动物传播等途径致使人类感染疾病。若与其他垃圾混合填埋处理则易产生恶臭气体，生成的渗滤液等对环境仍有较高危害。同时有机垃圾的主要成分毒性强烈，可严重腐蚀皮肤粘膜等组织，破坏人体，且会造成血液、肝、肾中毒，严重时会造成死亡。
　　2 现阶段有机废物处理技术及其优劣性
　　2.1 垃圾填埋
　　垃圾填埋是我国目前解决生活垃圾的最主要的途径。2005年底全国共有300座以上的生活垃圾填埋场，80%以上的城市生活垃圾采用填埋处理。虽然也可通过焚化、堆肥或分选回收等方法进行处理，但部分无法处理的剩余物仍需通过填埋处理。合理利用坑洼地带填埋城市垃圾，处置废物的同时还可以覆土造地，有利于保护环境。填埋方法主要分为三类：包括卫生填埋、压缩垃圾填埋和破碎垃圾填埋。
　　卫生填埋是倾倒并压实一层城市垃圾，并用一定厚度的土、沙等覆盖，进行反复操作，最后使用90-120厘米的表层土覆于其上。压缩垃圾填埋是压缩垃圾后进行回填，具有防火性强，防蚊虫的特点，但分解较缓慢。破碎垃圾填埋可防火，有利于好氧菌繁殖。填埋场地最低处较地下水位应高出3米以上，并做好相应的防渗及排气工作。同时，填埋场封闭后可作为绿化场所。该方法技术发展成熟、成本较低等优点，是目前我国处理有机垃圾的主要方式。其投資较少、工艺简单、处理量大，对地表的污染较小。但该技术并没有对有机垃圾进行无害化处理，保留了大量的有害微生物，还有着产生沼气的隐患，其垃圾渗漏液还会对地下水资源造成长期污染。
　　2.2 垃圾焚烧
　　垃圾焚烧指通过热分解、燃烧、熔融等反应，高温氧化垃圾，使其减容，最终成为残渣的过程。一般要求炉内温度应高于850℃，焚烧可缩小50%-80%的体积，若处理经过分类收集的可燃性垃圾甚至可缩小90%。该技术与高温（1650-1800℃）热分解、融熔处理技术结合，体积还可进一步缩小。该技术主要优势是大量减少垃圾体积，减少用地，还可杀死各类有害病菌，削弱甚至除去垃圾的毒性。但会在处理过程中生成大量废气。如果燃烧不充分，二噁英的污染风险会显著增加。 　　2.3 热分解技术
　　热分解技术的主要处理对象包括橡胶类废物、油漆涂料等特殊垃圾。具体操作是通过加热一个放油有机垃圾的完全密闭的炉膛至450℃—750℃，在高温及缺氧条件下，促使有机垃圾分解成固态和气态两部分。固体垃圾包括垃圾中的矿物质及碳化物。冷却清洗后可分离出固体垃圾中的金属，产生的焦炭也可重复利用。气态废物，可将可凝结部分转化为油脂，而剩余部分会用于加热炉壁。
　　若使用焚化炉处理垃圾，炉内温度通常要求加热至850℃，所需温度较热解炉更高，且在焚化过程中易生成大量有害物质，特别是毒性强烈的致癌污染物二噁英。
　　2.4 微生物处理
　　微生物处理技术主要是利用微生物降解菌产生多种酶，对分类后的有机垃圾（以餐余垃圾为主，包含蔬菜废弃部分、废纸、食品残渣等）进行快速降解，从而使96%的有机垃圾转变成热能、二氧化碳、水及少量的氨气。
　　该技术的主要优势是菌种的分解能力强，对某些顽固性的物质具有较高的分解效率，并且菌种的更换时间长，降低了有机垃圾的处理成本，同时设备具有使用简便，安全可靠，不产生二次污染等优势。但是发酵工艺污染大，特别是通过气体对居民的潜在危害难以控制。运输途中餐厨垃圾易滋生大量有害病菌，病菌代谢出大量的毒素如果被高温（60℃—120℃）加热，危害性会更大，这种方式在人口密集的城市风险极高，人体一旦感染有机垃圾滋生的病菌或吸入真菌的孢子，会造成难以控制的病情。同时大量麦麸、玉米皮等辅料的添加及对能源的高需求极大提高了成本。
　　2.5 等离子体技术
　　等离子体技术是新型的垃圾处理技术，主要分为高温等离子体技术和低温等离子体技术。高温等离子体技术是用高温高能粒子去碰撞有毒物质，破坏其化学结构，使其转化为无毒物质，比较适用于处理固态废物。低温等离子体技术则是通过电子束、微波及交流电场，作用于有机废气，生成许多自由基，与分子相互吸引，通过化学碰撞，自由基吸附到分子上，使其最终变得很不稳定，分解为无毒分子，比较适用于处理气态废物。
　　等离子体技术可以处理毒害性强的危险及非危险废物包括有机及无机的气体、液体及固体，能够在保证安全的前提下彻底地将有毒废料转化成无毒且具有一定价值的产品。排放量少，减容率高。许多不能焚烧的有毒物质很难利用传统方法处理，例如PCBs、农药、杀虫剂等等，等离子处理技术则可以安全处理并且可以控制反应的开始停止。但是由于设备较为特殊，其制造和运营成本较高。
　　3 新型超临界水氧化技术在有机废物处理中的应用及优势
　　3.1 超临界水氧化技术
　　超临界水氧化技术（Supercritical Water Oxidation，简称SCWO）是一种可实现对多种有机废物进行深度氧化处理的技术。其技术原理是以超临界水为反应介质，经过均相的氧化反应，将有机物快速的转化为二氧化碳、水、氮气和其他无害小分子。超临界是指流体物质的一种特殊状态，当把流体的温度、压力升至临界温度和临界压力以上时，可使流体处于超临界状态。超临界流体和气体相似，都具有良好的流动性，但密度又远大于气体。超临界状态下流体具有许多独特的理化性质。例如：水的临界温度是374.3℃、临界压力是22.064MPa，超临界水即是温度和压力都高于临界值状态下的水流体，其密度、粘度、电导率、介电常数等基本性能与普通水相比差异显著，并表现出类似于非极性有机化合物的性质。因此，超临界水能与烃类等非极性物质及其他有机物完全互溶，而盐类等无机物，在超临界水中的电离常数和溶解度却很低。
　　由于有机物和氧气在超临界水中溶解量极高，因此超临界水氧化技术具有独特优势：可在富氧的均一相中对有机物进行氧化，无需相转化，同时高反应温度加快了反应速度，在几秒的反应时间内即可达到破坏99%以上的有机废物。该技术的反应中有机碳和氢分别转化为二氧化碳和水，卤素原子转化为卤离子，硫和磷分别转化为硫酸盐和磷酸盐，氮则转化为硝酸根和亚硝酸根离子或氮气等对环境无害的物质。
　　3.2 超临界水氧化技术的应用
　　该技术应用于食品及化学工业、清洗半导体及环境工程等。其能有效降解有害废弃物的特点在环境保护方面有重要意义。该技术的应用对象包括塑胶及其衍生物、有机物质、高能量物质、废水、下水道污泥、受污染土壤等。
　　超临界水氧化技术能够彻底处理废物，效率也更高，利用在高温高压条件下发生的均相反应的反应速率快，停留时间短的特点，节省大量时间。同时反应器结构简单，适用对象的范围更广。处理各种有毒物质、废物废水的同时不产生二次污染，可从水中分离出无机盐，因此经过处理后废水可完全回收利用。当有机物含量>2%时，利用反应中有机垃圾自身的氧化放热即可维持所需温度，不需要额外供给热量。若浓度更高，部分热能可回收利用。但是对设备材质要求较高，缺少较理想的催化剂，同时对于各种有机物的氧化分解反应机理不清晰，工业化推广仍需一定时间，作为为目前少数拥有工业化技术与经验的国家之一的日本主要研究危险性废弃物或废水，以多氯联苯 、二氧芑的去除研究为主。
　　3.3 新型生活有机垃圾的处理流程工艺设计
　　本系统首先将生活垃圾分为三类：包括废水和塑胶、餐余垃圾以及生活廢弃物。对于废水和塑胶，在简单水处理后，回收利用部分可利用产物，难处理的废水及有机物进行超临界水氧化处理;对于餐余垃圾，利用微生物处理技术进行处理，再对固体残余物进行高温灭菌得到有机肥，剩余部分进行超临界水氧化处理;生活废弃物则先对可直接回收部分进行回收利用，不能直接回收的部分先焚烧处理，再经过除渣机除渣，利用超临界水氧化技术处理。超临界水氧化后即可得到二氧化碳等气体产物、无机盐沉淀和水，最后统一进行回收利用。
　　本系统对有机垃圾的分类处理较为合理，效率更高。本系统引进超临界水氧化技术，并与传统的微生物处理技术、焚烧技术相结合，降低处理成本，利用了各类技术的独特优势，有效提高了有机垃圾的利用率，并利用超临界水氧化技术，避免了二次污染的可能，体现了绿色化学的原则。 　　4 总结及展望
　　以绿色、节能、高效为原则建立新型有机废物处理系统，已成为当今有机废物处理技术的发展趋势。超临界水氧化技术作为近年新兴的处理技术，逐渐成为发展改进现阶段有机废物处理技术的主要选择，大力发展超临界水氧化技术显得尤为重要。
　　本文通过研究现阶段有机废物处理技术的优缺点，结合超临界水氧化技术，为对现阶段有机废物处理系统的改进，综合考虑了微生物处理技术、焚烧技术和超临界氧化技术结合，发挥了各类技术的优势，使系统向绿色、节能、高效的原则靠拢，为实现了改进系统的目的提供理论指导，未来有机废物处理系统仍需在实际应用中不断积累和完善。
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