双碳背景下有机固废资源化处理处置技术发展思考_杨东海 (1).pdf
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1、书书书第 40 卷第 12 期2022 年 12 月环境工程Environmental EngineeringVol40No12Dec2022收稿日期:20221010基金项目:国家自然科学基金项目(52131002,52200172);上海科委项目(22dz1209200,21692112200)共同第一作者:杨东海(1990),男,在站博士后,ydh1027 126com;华煜(1995),男,在站博士后,1351530 tongjieducn*通信作者:戴晓虎(1962),男,教授、博士生导师,城市污染控制国家工程研究中心主任,长期从事污泥及城镇易腐有机固废资源化处理处置研究。daixi
2、aohu tongjieducnDOI:10.13205/jhjgc202212001杨东海,华煜,武博然,等 双碳背景下有机固废资源化处理处置技术发展思考 J 环境工程,2022,40(12):18,36双碳背景下有机固废资源化处理处置技术发展思考杨东海华煜武博然戴晓虎*(同济大学 环境科学与工程学院,上海 200092)摘要:有机固废资源化是我国减污降碳和无废城市建设的重要任务,是绿色低碳循环发展的重要抓手。综述了我国不同来源有机固废的产量与处理现状,梳理了我国无废城市、减污降碳等有机固废相关政策文件。基于有机固废易腐败、高含水的特性,以及污染和资源双重属性,提出了以无害化为目标、以资源化
3、为手段的基本理念。总结分析了有机固废作为多介质、多组分交互的复杂体系,在生物转化、热化学转化、固液分离、产物资源利用方面的研究进展和技术难点,并提出了有机固废未来重点突破方向,旨在为我国有机固废资源化处理处置的技术研究提供参考。关键词:有机固废;资源化;生物转化;固液分离;热化学转化CONSIDEATION ON DEVELOPMENT OF OGANIC SOLID WASTE ESOUCE TEATMENTAND DISPOSAL TECHNOLOGY UNDE THE BACKGOUND OF DOUBLE CABONYANG Donghai,HUA Yu,WU Boran,DAI Xi
4、aohu*(College of Environmental Science and Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:ecycling of organic solid waste is an important task for pollution control and carbon reduction and waste-free cityconstruction in China,and an important grasp of green and low-carbon circular dev
5、elopment The current situation ofproduction and treatment of organic solid waste from different sources in China is summarized,and policy documents related toorganic solid waste such as waste-free cities and pollution reduction are sorted out Based on the characteristics of organic solidwaste,easy t
6、o decay and high moisture content,as well as its dual properties of pollution and resources,the basic concept ofharmlessness as the goal and resourcefulness as the means is proposed The organic solid waste is a complex system with multi-media and multi-component interaction,and the research progress
7、 and technical difficulties in biological transformation,thermochemical transformation,solid-liquid separation and product resource utilization are summarized and discussed The keybreakthrough directions of organic solid waste are proposed,aiming to provide references for the technical research of r
8、esource-based treatment and disposal of organic solid waste in ChinaKeywords:organic solid waste;resource recovery;biological conversion;solid-liquid separation;thermochemical conversion0引言人类生产生活会消耗大量的资源,同时产生大量的废弃物。中国有机废弃物包含厨余垃圾、餐厨垃圾、城市污泥等生活源,农业秸秆、畜禽粪污等农业源和菌渣、酒糟等工业源废弃物,产量大,涉及面广,总量超过 40 亿 t,位居全球首位1。有
9、机固废具有污染物和资源的双重属性,如不妥善处理和利用,将会造成严重的环境污染和资源浪费。有机废弃物的资源化处理处置是我国减污降碳和无废城市建设的重要任务。环境工程第 40 卷我国有机固废传统上以填埋处置方式为主,资源化利用率较低。近年来,国家陆续提出了无废城市、垃圾分类和循环经济等系列行动计划,对有机固废资源化提出了明确的要求。在气候变化和资源短缺的背景下,固体废物资源化利用成为绿色发展和循环发展的重要切入点和抓手。有机固废易腐败、高含水、污染与资源并存的属性决定了其稳定化、减量化、无害化和资源化处理处置的基本原则。但由于有机固废具有多介质、多组分的复杂特性,传统处理过程存在生物转化效率低、固
10、液分离能耗药耗高、热化学过程调控难的瓶颈问题,限制了有机固废资源转化的技术水平2。故亟需对有机固废关键物质结构与性质进行识别,解析“污染物”潜藏资/能源物质激活原理与转化途径,开发资源物质回收与难降解污染物的稳定去除的方法,创新有机固废资源化处理处置技术和协同模式,实现从“有机固废大国”向“有机固废强国”的转变。本文围绕我国有机固废资源化的技术需求,综述了我国有机固废产生与处理现状,分析了有机固废特性和处理技术需求,总结了有机固废生物处理、热化学处理、固液分离、资源回收等技术的研究进展和难点,提出了有机固废未来技术突破方向,以期为我国无废城市建设和双碳目标的实现提供科技支撑。1我国有机固废产生
11、与利用现状1.1产生与处理处置现状近年来,我国城乡有机固体废弃物(厨余垃圾、城市污泥、农作物秸秆、畜禽粪便等)的产生量迅速增长。根据中国城乡建设统计年鉴3,2021 年我国县级以上城镇地区污泥产量超过 8000 万 t(以 80%含水率计),预计 2025 年我国城镇污泥产量将突破 1亿 t。2021 年我国县级以上城镇地区生活垃圾清运量达到 3.2 亿 t。详见图 1。按照厨余垃圾占比 40%估算,我国厨余垃圾(含餐厨垃圾)年产生量约为1.28 亿 t。根据第二次全国污染源普查测算,2020 年我国畜禽粪污年产量 30.5 亿 t,秸秆产生量约为 8 亿 t。我国有机固废年产总量超过 40
12、亿 t。我国城镇生活垃圾早期以混合填埋为主,随着垃圾填埋设施逐渐趋于相对饱和,垃圾焚烧设施建设进入高峰期,垃圾焚烧处理能力逐年增加。目前,城市生活垃圾焚烧处理量占比约 62%,卫生填埋占比约33%,已形成以焚烧为主的生活垃圾处理格局。县城生活垃圾卫生填埋处理量占比为 72%,仍是当前生图 1我国生活垃圾和污泥产量逐年变化情况Figure 1Variation of municipal solid waste and sewage sludgeproduction by year活垃圾最主要的处理方式。随着国家垃圾分类政策的不断推进,目前 46 个重点城市基本建成生活垃圾分类系统。以上海市为例,
13、2021 年湿垃圾产量平均已经超过1 万 t/d,占干湿垃圾总量40%左右4。根据统计数据,国内已建和在建厨余垃圾处理设施中,厌氧消化工艺约占处理总量的 87.5%,其余工艺仅占 12.5%。我国污泥处理处置起步较晚,早期存在“重水轻泥”现象,投资严重不足,大部分污泥以简易填埋为主,没有得到妥善处理处置。随着国家对污泥问题的重视和配套科技投入的不断加大,建设了一批示范工程,污泥稳定化处理和焚烧比例有所增加,基本形成4 条污泥安全处理处置与资源化利用主流技术路线。但目前我国只有不到 5%的污水处理厂采用了污泥厌氧消化,远低于欧洲、美国和新加坡等国家5。由于我国大部分污泥没有经过稳定化处理,同时污
14、泥土地利用受跨部门限制,导致污泥土地利用比例远低于发达国家 70%的水平6。第二次全国污染源普查公报 显示:2017 年国内畜 禽 养 殖 业 水 污 染 物 排 放 的 化 学 需 氧 量 达1000.53 万 t,占农业源排放总量的 94%,总氮和总磷排放量分别占 42%和 56%,是农业面源污染的主要来源。据估算,2016 年全国每年产生畜禽粪污 38 亿 t,综合利用率不到 60%;每年生猪病死淘汰量约 6000万头,集中的专业无害化处理比例不高;每年产生秸秆近 9 亿 t,其中未利用的约 2 亿 t,综合利用率不足80%。农业废弃物量大面广、乱堆乱放、随意焚烧,严重威胁城乡生态环境。
15、1.2处理处置技术需求与瓶颈有机固废具有易腐败、高含水的特性,具有污染和资源的双重属性,故稳定化、减量化、无害化和资源化是有机固废处理处置的基本原则。城乡有机废弃物量大面广,其资源化处理处置是我国减污降碳和无2第 12 期杨东海,等:双碳背景下有机固废资源化处理处置技术发展思考废城市建设的重要任务。有机固废的处理处置同时也是不可忽视的碳减排抓手。欧洲统计局(Eurostat)2016 年数据显示,废弃物领域是第 5 大碳排放行业,碳排放量占全社会总量的 3.2%。从温室气体类型来看,甲烷是全球第 2大的温室气体,对温室效应的影响占比达到 17.3%,其中废弃物是甲烷的第 3 大排放源,26%的
16、甲烷排放来自于废弃物5。虽然废弃物领域碳排放量占全社会比例不大,但涉及环境和民生问题,对于我国是深入打好污染防治攻坚战的重要抓手,社会效益显著。同时有机废弃物蕴含了大量的资源和能源,通过对废弃物资源化潜力的挖掘,是最有望实现碳中和的领域之一。此外,废弃物领域甲烷占全社会排放量比例较大,而实现 CH4等逸散性温室气体的减排,是在短期内实现减少全球变暖和控制全球升温幅度在 1.5 以内目标的重要途径。有机固废含有大量易腐有机质和病原菌,如不进行稳定化处理,容易腐败发臭,传播病原菌,并排放大量温室气体。厌氧消化是实现有机固废稳定化处理最经济有效的方式,同时还可以回收沼气能源。然而污泥等有机固废具有多
17、介质、多组分交互作用的复杂特性,特别是我国污泥有机质低(我国污泥有机质含量为 30%60%,发达国家污泥有机质含量为60%80%)、含砂量高,采用传统厌氧消化工艺存在降解率低、停留时间长、有机负荷低的瓶颈7。和废水厌氧处理相比,有机固废厌氧转化整体效率较低,停留时间较长,通常需要维持在 20 d 以上。实现易腐有机质的高效稳定化和生物质能的高效回收是有机固废厌氧处理的难点。污泥等易腐有机固废具有高含水的特性,大量水分会导致其运输成本高,是制约易腐有机固废处理处置效率的主要因素之一。但由于污泥是有机无机水分高度混杂的非均相复杂体系,有机组分亲水性较强,导致传统脱水方式固液分离困难8。而传统水处理
18、领域中的混凝/絮凝理论对于高固体浓度的污泥体系并不适用,尚缺乏污泥专用的调理方法。传统机械脱水存在脱水难度大、加药量大的瓶颈问题,传统热干化能耗高,不可持续。实现固液高效分离是污泥等高含水有机固废资源化处理处置的技术难点。固体废物是放错位置的资源,固废资源化利用是循环经济的典型内涵。有机固废富含碳、氮、磷资源物质,其中磷作为重要的战略性资源,其回收对于解决全球磷危机具有重要意义。以污水厂污泥为例,污水中 90%以上的磷资源富集在污泥中。德国于 2017年 10 月 3 日通过了对污水污泥条例 的修订,其核心内容是要求从污水污泥或其焚烧灰中回收磷,其难点在于污泥中磷的形态复杂、释放效率低、回收难
19、度大。有机固废厌氧会产生大量的高氨氮沼液,传统脱氮工艺流程长,药剂投加量大,处理能耗高。功能性微生物的富集、调控与规模化培育是实现高效脱氮的难点。产物出路不畅通是有机固废处理的瓶颈问题之一。以污泥为例,污泥处置的方式主要有填埋、建材利用和土地利用。目前,脱水填埋依然是我国污泥的主要处置方式,但污泥填埋会占用大量土地,并释放大量温室气体,且我国部分经济发达城市面临无地可埋的困局。建材利用需要对污泥进行干化焚烧或协同焚烧处理,以实现污泥的矿化和无害化。由于污泥含水率较高,有机质含量低,热值不高,导致焚烧存在投资运行成本高,尾气排放难以稳定达标,邻避效应突出等问题。土地利用是污泥生态化处置的重要消纳
20、路径,是发达国家最重要的处置方式,但受限于意识、标准衔接、处理水平等方面,我国污泥土地利用比例目前还较低。1.3相关政策分析发达国家和地区纷纷提出了无废社会的目标。欧盟委员会 2014 年提出了“迈向循环经济:欧洲零废物计划”,2019 年发布欧洲绿色新政,明确提出在2050 年资源与经济要脱钩,实现零废弃物的目标;新加坡提出了“零废物”的国家愿景;日本提出建设“循环型社会”;我国台湾地区提出构建“零废弃社会”的目标。从发达国家和地区的经验来看,固体废物资源化利用是绿色发展和循环发展的重要切入点和抓手。建设“无废社会”是经济社会发展的一项基础性工作,是解决新时期社会主要矛盾的重要举措,生态文明
21、建设的内在要求,实施乡村振兴战略的有力抓手9。近年来,随着我国对环境问题的重视,陆续发布了一些列涉及有机固废资源化相关的指导文件,对于我国无废城市建设、发展循环经济、实现双碳目标具有重要的指导意义。2018 年 12 月,国务院办公厅印发“无废城市”建设试点工作方案(国办发2018 128 号),提出通过“无废城市”建设试点,大力推进源头减量、资源化3环境工程第 40 卷利用和无害化处置,探索建立量化指标体系,形成可复制、可推广的建设模式。2021 年 5 月,国家发展改革委、住房城乡建设部发布的 “十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划 提出,到 2025 年底,全国城市生活垃圾资源化利
22、用率达到 60%左右,基本满足地级及以上城市生活垃圾分类收集、分类转运、分类处理需求。2021 年 7 月,国家发展改革委印发“十四五”循环经济发展规划,提出要遵循“减量化、再利用、资源化”原则,着力建设资源循环型产业体系,全面提高资源利用效率,建立健全绿色低碳循环发展经济体系。2021 年 10 月,国务院印发2030 年前碳达峰行动方案,提出重点实施“循环经济助力降碳行动”,大力推进生活垃圾减量化资源化,加强农作物秸秆综合利用和畜禽粪污资源化利用。2021 年 12 月,生态环境部印发“十四五”时期“无废城市”建设工作方案,提出大力推进减量化、资源化、无害化,发挥减污降碳协同效应,提升城市
23、精细化管理水平,推动城市全面绿色转型。2022 年 6 月,七部委联合印发减污降碳协同增效实施方案(环综合2022 42 号),提出加强“无废城市”建设,加强生活垃圾减量化、资源化和无害化处理。2022 年 9 月,国家发展改革委、住房城乡建设部、生态环境部联合印发污泥无害化处理和资源化利用实施方案(发改环资2022 1453 号),提出要加快补齐污泥处理短板,提高污泥无害化处理和资源化利用水平。党的二十大报告提出,要实施全面节约战略,推进各类资源节约集约利用,加快构建废弃物循环利用体系。构建废弃物循环利用体系,是实施全面节约战略的重要内涵,是深化循环经济发展的重要举措,是全面提高资源利用效率
24、的必由之路。2易腐有机固废研究的热点与难点易腐有机固废处理的基本理念是“以资源化为手段,无害化为目标”,在低能耗的基础上,将废弃的易腐有机固废最大程度地转化成生物质能、高附加值产品以及营养物质。从物质元素组成层面上,通过生物或化学手段重新组合 C、H、O、N、P 和 S 等元素,改变以上元素的分子组成,使之从低能量载体转变成高能量载体,以实现易腐有机固废的资源循环利用和降低对环境的污染。以易腐有机固废处理处置全生命周期的视角,当前研究热点主要集中在 4 个方面:生物转化、热化学转化、固液分离与产物资源化。而易腐有机固废作为多介质、多组分交互的复杂体系,生物转化效率低、热化学过程调控难、固液分离
25、能耗高、产物资源利用率低经济效益缺乏,已成为易腐有机固废处理处置技术瓶颈。究其根源,易腐有机固废物质赋存结构与性质及其对后续转化过程的影响机制尚不清晰,“污染物”潜藏资源/能源物质激活释放原理及其转化途径待进一步完善,资源物质回收方法与难降解污染物深度去除效果尚不稳定,生产过程各类产物的环境行为及其交互属性亟待进一步评估。2.1易腐有机固废生物转化生物转化是易腐有机固废的主流处理方式,常用方式包括厌氧消化产甲烷、好氧发酵生物稳定、氮磷物质回收或去除、其他高值产品制备等,如图 2 所示。厌氧消化是从易腐有机固废中回收生物质能最常用的方式。易腐有机固废中的复杂有机物在微生物的作用下,经过水解、产酸
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