生活有機垃圾處理新工藝的改進研究
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摘 要：城市生活垃圾的處理對于人類的環境與發展問題具有重要影響和意義。有機垃圾總量大、有機質濃度高、含水量多、易腐爛發臭，是生活垃圾處理的重點和難點。通過分析總結現有處理技術的優缺點，結合超臨界水氧化技術，研究設計了一種新型有機廢物處理工藝流程，為未來垃圾處理系統提供理論指導和技術支撐。
關鍵詞：有機垃圾;超臨界水氧化;環境污染;微生物處理
中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.14.097
0 引言
當前環境與發展問題已經成為全球普遍關注的焦點，其中城市生活垃圾的處理對人類的生產生活都具有重要影響和意義。隨著我國工業化和城市化高速擴張，城市生活垃圾問題日益明顯，越來越多地受到民眾的普遍關注。我國是世界上人口最多的國家，也是生活垃圾產生量最大的國家，當前我國城市生活垃圾組分復雜，處理難度較高，現有的處理技術還局限于直接焚燒、衛生填埋等。據統計，餐廚有機垃圾占城市生活垃圾總量的一半以上，具有有機質濃度高、含水量大、易腐爛發臭的特點，是生活垃圾處理的重點和難點。現有的厭氧消化等技術工藝存在易酸化、設備老舊等現象，難以滿足日益增長的垃圾處理需求。超臨界水氧化是一種極具前景的綠色廢物處理技術，可將不易分解的有機廢物快速氧化分解，是一種綠色的“焚化爐”。本文將在分析現有有機廢物處理工藝及技術的基礎上，根據目前生活有機垃圾的特點，改進市政有機垃圾處理工藝，為未來垃圾處理工藝提供理論指導。
1 有機廢物現狀及危害
1.1 有機廢物的現狀分析
現階段我國主要的有機廢物按照來源主要分為三個部分：分別是工業有機廢物、農業有機廢物和市政有機廢物。
工業有機廢物是指在工業生產中排出的含有有機成分的廢棄物的統稱。包含高濃度有機廢水、有機廢渣。具有成分復雜、可生化性差、有毒等特點。來源集中在生產有機物制品的糖廠、啤酒廠、食品廠、藥劑廠、制革廠、造紙廠、印染廠、木材廠等。包括在有機和專用化學產品制造業、印染業、化肥制造業中產生的含氮有機廢物（主要成分是胺類、氨類、胍類、硝基化合物、含氮雜環化合物），在基本有機合成中產生的含硫有機廢物（主要成分是硫醇、硫醚、硫酚、二硫化合物、磺花物等）以及工業殘渣等含鈣廢物（包括電石渣、廢石、造紙白泥、氧化鈣等廢物）。
農業有機廢物是指在農村農民生活和農業生產過程中產生的有機類廢物的總稱。包括植物性來源有機廢物（包括稻草、玉米、豆類等農作物秸稈，林業生產過程中殘余樹枝木、落葉、雜草等，農作物秸稈中含有氮、磷、鉀、碳、氫元素及有機硫等），我國年產生量約為1.0×109 t;動物性來源有機廢物（主要指禽畜糞便等，含有大量未被消化吸收的有機物、無機物、病菌等），我國年產生量約為2.7×109 t;農副加工業產生的有機廢物（甘蔗渣、土豆渣、甜菜渣，肉食加工工業產生的屠宰污血等廢物）;農民日常生活廢物（包括居民糞便和生活垃圾）。
市政有機垃圾多指生活餐廚垃圾及處理其廢水后所得的產物，其含水量大，易腐，有強烈刺激性氣味，并且含有大量有害微生物。餐廚垃圾作為市政有機垃圾的重要組成部分，其在我國城市垃圾中的含量達到了30%-50%，具有含水量、有機質含量、油脂含量、鹽分含量高及營養元素豐富的特點。主要成分包括塑料、橡膠、皮革、織物、紙、木材、庭院廢料和食物等可燃物及玻璃、金屬等不可燃物。
1.2 有機廢物的危害
生活垃圾作為直接影響人類生產生活的重要因素，若不能處理妥當，不僅會危害環境，還會浪費大量資源。例如：若隨意堆放生活有機垃圾會滋生大量病菌，嚴重污染土壤及地下水資源，威脅人類健康。尤其是餐廚有機垃圾具有易腐、易生物降解、脫水性差，如果不進行無害化處理就可能通過動物傳播等途徑致使人類感染疾病。若與其他垃圾混合填埋處理則易產生惡臭氣體，生成的滲濾液等對環境仍有較高危害。同時有機垃圾的主要成分毒性強烈，可嚴重腐蝕皮膚粘膜等組織，破壞人體，且會造成血液、肝、腎中毒，嚴重時會造成死亡。
2 現階段有機廢物處理技術及其優劣性
2.1 垃圾填埋
垃圾填埋是我國目前解決生活垃圾的最主要的途徑。2005年底全國共有300座以上的生活垃圾填埋場，80%以上的城市生活垃圾采用填埋處理。雖然也可通過焚化、堆肥或分選回收等方法進行處理，但部分無法處理的剩余物仍需通過填埋處理。合理利用坑洼地帶填埋城市垃圾，處置廢物的同時還可以覆土造地，有利于保護環境。填埋方法主要分為三類：包括衛生填埋、壓縮垃圾填埋和破碎垃圾填埋。
衛生填埋是傾倒并壓實一層城市垃圾，并用一定厚度的土、沙等覆蓋，進行反復操作，最后使用90-120厘米的表層土覆于其上。壓縮垃圾填埋是壓縮垃圾后進行回填，具有防火性強，防蚊蟲的特點，但分解較緩慢。破碎垃圾填埋可防火，有利于好氧菌繁殖。填埋場地最低處較地下水位應高出3米以上，并做好相應的防滲及排氣工作。同時，填埋場封閉后可作為綠化場所。該方法技術發展成熟、成本較低等優點，是目前我國處理有機垃圾的主要方式。其投資較少、工藝簡單、處理量大，對地表的污染較小。但該技術并沒有對有機垃圾進行無害化處理，保留了大量的有害微生物，還有著產生沼氣的隱患，其垃圾滲漏液還會對地下水資源造成長期污染。
2.2 垃圾焚燒
垃圾焚燒指通過熱分解、燃燒、熔融等反應，高溫氧化垃圾，使其減容，最終成為殘渣的過程。一般要求爐內溫度應高于850℃，焚燒可縮小50%-80%的體積，若處理經過分類收集的可燃性垃圾甚至可縮小90%。該技術與高溫（1650-1800℃）熱分解、融熔處理技術結合，體積還可進一步縮小。該技術主要優勢是大量減少垃圾體積，減少用地，還可殺死各類有害病菌，削弱甚至除去垃圾的毒性。但會在處理過程中生成大量廢氣。如果燃燒不充分，二噁英的污染風險會顯著增加。 2.3 熱分解技術
熱分解技術的主要處理對象包括橡膠類廢物、油漆涂料等特殊垃圾。具體操作是通過加熱一個放油有機垃圾的完全密閉的爐膛至450℃—750℃，在高溫及缺氧條件下，促使有機垃圾分解成固態和氣態兩部分。固體垃圾包括垃圾中的礦物質及碳化物。冷卻清洗后可分離出固體垃圾中的金屬，產生的焦炭也可重復利用。氣態廢物，可將可凝結部分轉化為油脂，而剩余部分會用于加熱爐壁。
若使用焚化爐處理垃圾，爐內溫度通常要求加熱至850℃，所需溫度較熱解爐更高，且在焚化過程中易生成大量有害物質，特別是毒性強烈的致癌污染物二噁英。
2.4 微生物處理
微生物處理技術主要是利用微生物降解菌產生多種酶，對分類后的有機垃圾（以餐余垃圾為主，包含蔬菜廢棄部分、廢紙、食品殘渣等）進行快速降解，從而使96%的有機垃圾轉變成熱能、二氧化碳、水及少量的氨氣。
該技術的主要優勢是菌種的分解能力強，對某些頑固性的物質具有較高的分解效率，并且菌種的更換時間長，降低了有機垃圾的處理成本，同時設備具有使用簡便，安全可靠，不產生二次污染等優勢。但是發酵工藝污染大，特別是通過氣體對居民的潛在危害難以控制。運輸途中餐廚垃圾易滋生大量有害病菌，病菌代謝出大量的毒素如果被高溫（60℃—120℃）加熱，危害性會更大，這種方式在人口密集的城市風險極高，人體一旦感染有機垃圾滋生的病菌或吸入真菌的孢子，會造成難以控制的病情。同時大量麥麩、玉米皮等輔料的添加及對能源的高需求極大提高了成本。
2.5 等離子體技術
等離子體技術是新型的垃圾處理技術，主要分為高溫等離子體技術和低溫等離子體技術。高溫等離子體技術是用高溫高能粒子去碰撞有毒物質，破壞其化學結構，使其轉化為無毒物質，比較適用于處理固態廢物。低溫等離子體技術則是通過電子束、微波及交流電場，作用于有機廢氣，生成許多自由基，與分子相互吸引，通過化學碰撞，自由基吸附到分子上，使其最終變得很不穩定，分解為無毒分子，比較適用于處理氣態廢物。
等離子體技術可以處理毒害性強的危險及非危險廢物包括有機及無機的氣體、液體及固體，能夠在保證安全的前提下徹底地將有毒廢料轉化成無毒且具有一定價值的產品。排放量少，減容率高。許多不能焚燒的有毒物質很難利用傳統方法處理，例如PCBs、農藥、殺蟲劑等等，等離子處理技術則可以安全處理并且可以控制反應的開始停止。但是由于設備較為特殊，其制造和運營成本較高。
3 新型超臨界水氧化技術在有機廢物處理中的應用及優勢
3.1 超臨界水氧化技術
超臨界水氧化技術（Supercritical Water Oxidation，簡稱SCWO）是一種可實現對多種有機廢物進行深度氧化處理的技術。其技術原理是以超臨界水為反應介質，經過均相的氧化反應，將有機物快速的轉化為二氧化碳、水、氮氣和其他無害小分子。超臨界是指流體物質的一種特殊狀態，當把流體的溫度、壓力升至臨界溫度和臨界壓力以上時，可使流體處于超臨界狀態。超臨界流體和氣體相似，都具有良好的流動性，但密度又遠大于氣體。超臨界狀態下流體具有許多獨特的理化性質。例如：水的臨界溫度是374.3℃、臨界壓力是22.064MPa，超臨界水即是溫度和壓力都高于臨界值狀態下的水流體，其密度、粘度、電導率、介電常數等基本性能與普通水相比差異顯著，并表現出類似于非極性有機化合物的性質。因此，超臨界水能與烴類等非極性物質及其他有機物完全互溶，而鹽類等無機物，在超臨界水中的電離常數和溶解度卻很低。
由于有機物和氧氣在超臨界水中溶解量極高，因此超臨界水氧化技術具有獨特優勢：可在富氧的均一相中對有機物進行氧化，無需相轉化，同時高反應溫度加快了反應速度，在幾秒的反應時間內即可達到破壞99%以上的有機廢物。該技術的反應中有機碳和氫分別轉化為二氧化碳和水，鹵素原子轉化為鹵離子，硫和磷分別轉化為硫酸鹽和磷酸鹽，氮則轉化為硝酸根和亞硝酸根離子或氮氣等對環境無害的物質。
3.2 超臨界水氧化技術的應用
該技術應用于食品及化學工業、清洗半導體及環境工程等。其能有效降解有害廢棄物的特點在環境保護方面有重要意義。該技術的應用對象包括塑膠及其衍生物、有機物質、高能量物質、廢水、下水道污泥、受污染土壤等。
超臨界水氧化技術能夠徹底處理廢物，效率也更高，利用在高溫高壓條件下發生的均相反應的反應速率快，停留時間短的特點，節省大量時間。同時反應器結構簡單，適用對象的范圍更廣。處理各種有毒物質、廢物廢水的同時不產生二次污染，可從水中分離出無機鹽，因此經過處理后廢水可完全回收利用。當有機物含量>2%時，利用反應中有機垃圾自身的氧化放熱即可維持所需溫度，不需要額外供給熱量。若濃度更高，部分熱能可回收利用。但是對設備材質要求較高，缺少較理想的催化劑，同時對于各種有機物的氧化分解反應機理不清晰，工業化推廣仍需一定時間，作為為目前少數擁有工業化技術與經驗的國家之一的日本主要研究危險性廢棄物或廢水，以多氯聯苯 、二氧芑的去除研究為主。
3.3 新型生活有機垃圾的處理流程工藝設計
本系統首先將生活垃圾分為三類：包括廢水和塑膠、餐余垃圾以及生活廢棄物。對于廢水和塑膠，在簡單水處理后，回收利用部分可利用產物，難處理的廢水及有機物進行超臨界水氧化處理;對于餐余垃圾，利用微生物處理技術進行處理，再對固體殘余物進行高溫滅菌得到有機肥，剩余部分進行超臨界水氧化處理;生活廢棄物則先對可直接回收部分進行回收利用，不能直接回收的部分先焚燒處理，再經過除渣機除渣，利用超臨界水氧化技術處理。超臨界水氧化后即可得到二氧化碳等氣體產物、無機鹽沉淀和水，最后統一進行回收利用。
本系統對有機垃圾的分類處理較為合理，效率更高。本系統引進超臨界水氧化技術，并與傳統的微生物處理技術、焚燒技術相結合，降低處理成本，利用了各類技術的獨特優勢，有效提高了有機垃圾的利用率，并利用超臨界水氧化技術，避免了二次污染的可能，體現了綠色化學的原則。 4 總結及展望
以綠色、節能、高效為原則建立新型有機廢物處理系統，已成為當今有機廢物處理技術的發展趨勢。超臨界水氧化技術作為近年新興的處理技術，逐漸成為發展改進現階段有機廢物處理技術的主要選擇，大力發展超臨界水氧化技術顯得尤為重要。
本文通過研究現階段有機廢物處理技術的優缺點，結合超臨界水氧化技術，為對現階段有機廢物處理系統的改進，綜合考慮了微生物處理技術、焚燒技術和超臨界氧化技術結合，發揮了各類技術的優勢，使系統向綠色、節能、高效的原則靠攏，為實現了改進系統的目的提供理論指導，未來有機廢物處理系統仍需在實際應用中不斷積累和完善。
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