关注 | 用垃圾分类综合体创新模式解决我国城乡垃圾治理难题
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章
导
读
总结我国 40 年来城乡垃圾治理历程，梳理国内外 20 年来垃圾处理技术的发展状况，积极探索我国城乡垃圾治理迭代技术，发掘出“垃圾分类综合体”这样划时代的先进概念，提出了“用垃圾分类综合体创新模式解决我国城乡垃圾治理难题”的前瞻性论断，并研发成功多个“垃圾机械分选+湿垃圾联合批嘂+干垃圾热解气化”关联核心技术案例，是国家垃圾分类政策与将环保产业打造成战略新兴支柱产业的具体落实与丰富深化，环保、新能源、有机肥及饮食健康问题可以通过该模式的实施而得到切实有效的解决。
一、背景分析
1.1垃圾之患
改革开放 40 年来，由于物质生产的迅猛发展与快消剩余，我国城乡垃圾产量急剧增加，据统计，目前我国年产生活垃圾约 4 亿吨，这还不包括相当部分农村的生活垃圾，按我国城镇化率 60%和城镇人均日产垃圾 1kg 计算，城镇生活垃圾年产量约 3 亿吨，同时，由于城镇垃圾的集中且呈递增趋势的产出，现有的垃圾处理设施已无法满足，因此这些地区的垃圾环境污染问题更加突出，例如以下城市生活垃圾产量排名前十的城市，垃圾围城问题已经困扰二、三十年！
2017 年我国城市生活垃圾产生量排名前十的城市
当前，广大农村的生活垃圾环境污染问题也十分严峻，迫切需要好的技术和资本下乡，“美丽乡村”、振兴乡村经济任重道远。
1.2 分类之烦
混乱是造成垃圾难以处理的主要原因，而且越混合垃圾越难处理，因此经过多年实践探索，人们逐渐总结出：垃圾应该分类处理。
由于机械分选的难度特别高，因此，近 20 年来特别是 2014 年底垃圾分类上升到国家政策层面后，垃圾分类被逐渐强制嵌入到了社区家家户户，最近上海启动惩罚措施，垃圾分类正在成为人们的好习惯、时代的新时尚。
事实上，由于长期来对分类垃圾如何处理的技术储备不足，出现了分类投放的垃圾再次被集中收运、集中处理，没有实现垃圾分类的真正价值。因此，确立末端处理技术的重要性远大于垃圾如何分类，所谓末端决定前端，反之，如果末端处理技术得到广泛应用了，则各种机械自动分选的针对性技术将迅速成熟，相信机器会比人做得更精确更高效。
二、技术剖析
2.1传统三法的本质及窘途
改革开放后，我国的垃圾处理技术不断师法西方，从思路、材料到工艺几乎照搬西方。主流技术包括填埋、焚烧、堆肥三类，而且至目前为止，还是以填埋为主（占比 55%），焚烧（43%）、堆肥等其他（2%）为辅，客观上讲，我国垃圾处理技术从无到有，这些引进技术发挥了相当的历史作用，但根本性的技术创新突破却凤毛麟角。
2007~2018 年我国生活垃圾处理技术构成比例情况
上世纪 80 年代初，我国引进技术建设了不少垃圾堆肥厂，由于国情差别太大，堆肥产品并没有实现它应有的价值，高昂的后续成本及应用场景的极其脆弱，导致这些早期的堆肥厂几乎全军覆没，出现了垃圾不可能“堆”成好有机肥的质疑。1985 年我们开始引进设计中国首座垃圾焚烧厂，至今国内已经有约 400 余座垃圾焚烧发电厂。垃圾焚烧发电厂的建设是垃圾处理阶段的大跨越，缓解了“垃圾围城”问题的同时实现了部分的资源回收利用：热能发电；但这并不是一劳永逸，垃圾焚烧系统工艺会产生 15%的渗沥液、20%的炉渣及 3-5%的危废飞灰，余下超过 60%的焚烧产物排向空中，尽管有多达 7 道的烟气处理，但这些都只能是打补丁式的事后弥补，因为本质的扩散已经产生，因此实际上于事无补。垃圾焚烧是用“粗放”的手段，获取了约 23%的热能回收，由于排放困扰，这点能量回收也显得微不足道了，让人们纠结的是，混合垃圾焚烧不可避免地产生了的环境耐久性二噁英，无论采用多么周全的烟气净化措施，依然存在一定范围内的二噁英暴露区，生态隐患无法消除。
2.2 西方引进技术的诸多弊端及局限
通过近几十年来对西方环保技术在中国应用实践的探索，并随着我国自主创新技术的不断发展及全局视野的不断开阔，我们可以看到西方环保技术有诸多的弊端与局限，主要反映在以下几方面：
1）通常采用分析型思维，而不是采用全局性系统性思维，对需要治理的污染物经常采用打补丁的方式，使得问题解决一个新增一个，没完没了，这一点特别像西医外科手术处理问题的方式；
2）由于采用了粗放的外科手术方式，切断了物质自然循环，例如填埋使得物质良性循环终止，污染恶性循环产生；焚烧则用一把火完全切断了生物质上下游之间的衍生、生态链关系；
3）不仅每一种单一污染物都采用不同的技术，而且这些技术相互兼容与关联度较低，较典型的如“静脉产业园”模式，各项技术之间相互割裂，缺少系统统筹；
4）由于技术没有高度总结与提升，没有形成低碳良性循环，因此不仅没有将污染物进行最合理的处置利用，而且处理成本高昂，甚至是将污染物放在“环境之外”而不惜一切代价地进行治理。
纵观西方垃圾处理技术发展历程，我们也可以看到他们基本上没有作大的改观，例如焚烧技术已经在一条道上发展了 125 年，技术上没有本质的创新和迭代；再如厌氧发酵技术因一开始采用连续式厌氧发酵，就不断沿着老技术进行修补，没有从根本上重新审视或打破传统技术框框，我国作为引进方应当在西方传统技术的基础上，创造符合国情、适应时代的新技术，新思路。
因此，不能循着西方技术的老路去创新突破，应该以“勇于打破传统，敢于领先”的跨界思想来重新整合技术，重构创新技术思路。
三、解决方案——误区与正途
3.1 垃圾分类综合体概念
以中国东方智慧的睿智，我们不可能认识不到垃圾分类处理的好处，很多城市特别是北上广深十多年前就不断探索垃圾综合处理的实践，国内可以寻迹的有上百家设施，但有几方面的原因导致这种处理模式还没形成气候：①分类综合处理技术在不断曲折、失败中徘徊前进，很多企业机构因技术实力与创新能力的差距而停滞不前，甚至倒在黎明前；②目前国内垃圾焚烧仍是主流处理方式，成熟且具有影响力的焚烧企业一定程度上还难以接受承认垃圾分类综合处理；③政府职能部门对不够成熟或尚无示范项目的技术不愿轻易尝试，陷入了“先有鸡还是先有蛋”的逻辑怪圈...... 因此，正确的垃圾分类综合处理打开方式仍然应该是有综合实力的团队引进、提升各种先进理念与技术，最终做出示范标杆项目。
经过数十年的技术储备，特别是近 5 年来垃圾焚烧模式不断受阻，寻找更为先进成熟的垃圾处理理念与技术千呼万唤、呼之欲出，通过对国内外垃圾综合处理思路、技术、装备的大量考察调研，我们逐渐明晰了未来垃圾综合处理应该具有的场景，在国内率先归纳、总结出了“垃圾分类综合体”这一智慧型概念模式。
垃圾分类综合体概念模式可以简单用以下公式概括：
垃圾分类综合体=垃圾机械分选+湿垃圾联合批嘂+干垃圾碳化裂解
其中“嘂”（jiao 同“酵”音），下述章节将依次分析，下图为垃圾分类综合体的两种效果图。
3.2 垃圾分类技术的误区与正途——机械分类
近二十年来，由于都看到了商机，我国垃圾分类行业出现了几十家设备制造企业，技术来源大多有引进改造、矿机转型、自主研发等各种渠道，由于垃圾本身的复杂性以及后续处置出路定位不准，因此这几十家垃圾分选设备制造企业几乎没有很成熟成功的，我们从中引入了两家经验丰富、改造升级能力强的企业作为战略合作对象，强强联合，让彼此逐渐走上未来垃圾分选的合理工艺技术方向。
现阶段各个城市正在推广家家户户垃圾源头分类，虽意义重大，但仍任重而道远，与之相比，垃圾末端机械分类，更具时效性、效率更高、成本低、无需消耗大量政府行政、企业实施及个体人力资源，是现阶段最实用、最可行的一种分类方式。
3.3 厌氧发酵技术的误区与正途——联合批嘂
我国厌氧发酵实际已经发展了近半个世纪，1960 年代末就有很多农村沼气池实践（典型的如习总书记梁家河的沼气实践），这些是单体小规模厌氧发酵沼气池，改革开放后，化肥农业的发展使得很多沼气池废弃了，农业废弃物也因此不断增长最终成为一大影响生态环境的因素。
针对城市湿垃圾（餐厨垃圾、果蔬垃圾、粪污等）的处理，20 多年前引进德国利浦罐连续式厌氧发酵技术，由于技术方向的原因，导致湿垃圾发酵一半就得排出当做渗沥液处理，大多项目都成了烧钱与污染转移的“巨婴”，难以成为推广的示范。
湿式厌氧发酵受阻后，人们开始尝试好氧堆肥、水热分解及干式厌氧发酵，实际上是在选择退而求其次的技术，效果可想而知。
鉴于以上情况，我们 2006 年后陆续在北京、鄂尔多斯及广东进行了厌氧技术的广泛实践（详见后面的案例介绍），对厌氧技术有了巨大的突破，主要探索了序批式、大规模、自动化的厌氧发酵技术——联合批嘂技术的研发创新实践，各种生物质废弃物可大批联合、充分高效地完成厌氧发酵分解，产生高纯度沼气清洁能源、高效固液有机肥，该技术普遍适用于各种湿垃圾（包括餐饮、厨余垃圾、垃圾分选的湿垃圾、渗沥液、污泥粪渣、畜禽废弃物、果蔬垃圾、农林垃圾等等），将是未来垃圾分类综合体及很多生物质废弃物处理场景的标配。
3.4 热解气化技术的误区与正途——碳化裂解
国内外对垃圾焚烧升级技术的探索实践定位在热解气化，然而，人们用了多年的有氧焚烧后，对热解气化技术尚不得要领。德国、日本对热解气化技术也有至少 20 年的研发探索，在 20 年前就逐渐限制新的焚烧项目建设，他们知道唯有通过热解气化技术才能克服二噁英生成问题，但开发的炉子要么处理量太少，要么仍是有氧闷烧，符合中国大规模绝氧碳化裂解（热解段）需求的技术不多。
国内 20 多年热解气化研发探索，呈现了一大批热解气化装备公司与厂家，然而，符合绝氧、大规模处理技术的为数寥寥，大多数都是缺氧焚烧（闷烧），还需要二燃室进行彻底处理，这实际上比炉排炉有氧焚烧更难控制二噁英产生，只是因为严格的监督需要时间，这些有结构性缺陷的技术尚能暂存。
我们着眼于绝氧抽真空碳化裂解技术的研究，十多年来已经经过 50 吨/日、300 吨/日两阶段装备升级，去年对整体碳化裂解工艺又进行了系统全面的提升，包括蓄热稳定温度场的建立、材料工艺可靠性、耐久性设计校核、燃烧器优化设计、炉膛内外热能动力优化校核及工业设计、自动控制更精确的实现等等，在新的开创性垃圾分类综合体项目中，将以全面升级的 3.0 版本呈现在行业面前，开启干垃圾碳化裂解正途。
3.5 系统化、规模化、集约化、自动化——自控系统
自控是现代工业的心脏，是设施运转的操作系统。为了使垃圾分类综合体这样一个新事物一出现就超越现代垃圾焚烧设施，一个强大的自控操作系统是必须的，而这个强大的操作系统必须有具备成熟的工艺、装备和工业自控经验的团队来完成，这正是我们团队的基础和目标。
另外，垃圾分类综合体中主要有三类技术的组合，每类技术都是经过生产实践且经过工业自控设计的，对于设施系统化，上下游反复逻辑梳理与集成，对于工业化、大规模化运行编程，对于各个子项及辅助子项的集成、集约化逻辑运行，必须在整个完善的自控系统中去完成和实现。
垃圾分类综合体自控系统的出现必须是全新的、智能的、超越的。
3.6 垃圾分类综合体的优势——完美质能循环的实现
3.6.1 完美分质循环的实现
垃圾分类综合体不仅让已被切断的物质循环模式重新循环起来，更可贵的是其实现了不同物质形式、不同物质阶段的不同使命与价值，即实现了分质微循环，是对物质品质的尊重，是把“放错了位置的垃圾”通过分类综合体机制进行了正确的重置，最终实现了分质循环。
3.6.2 完美能量循环的实现
本分类综合体能量输出表现形式——氢能、甲烷、一氧化碳，其至少实现了以下几方面的近乎完美的能量循环：
1）大幅节约汽化潜热：低成本高效率转化表现，物质所含水既不会转化成难处理的渗滤液，也不会通过加热、焚烧而大量地带走热量（特别是汽化潜热的大量浪费），而是通过低能耗高效率的联合批嘂后转化成可分离营养液（化腐朽为神奇！），或者残余少量含水只需适度干燥蒸发、循环等，特别节能；
2）充分利用微生物能：让大量“嘂族菌种”像勤奋的蚂蚁、蜜蜂一样将生物质高效转化成沼气、沼肥，用微生物能避开了热力学第二定律中的“熵增”宿命！让人类通过与微生物和谐共处的方式解除对化石能源依赖的恐惧而重新燃起对生物能源依靠的希望，真正做到“惠而不费”；
3）碳化裂解能量循环：通过绝氧“碳化裂解”这一方式，将生物质能清洁、高效地转换成氢气、甲烷和一氧化碳等优质燃气，工艺装置的巧妙设计不仅使得能量传递充分、能量损失极少，更完成了从太阳氢核聚变——光合作用——生物质——氢能的循环，做成了环保、新能源想做而未景的事（当然顺便还做成了炭基钾肥），让人类从粗放、低端的“炊烟农耕”时代跨入了精致、高能的“碳化氢能”时代！
四、案例效果
2006 年北京奥运会前夕，密云水库周边有一个养殖场粪污水直排密云水库，为了在国际友人面前不出现脏乱差环境，北京科委牵头治理该处环境。
当时有 16 个大棚蔬菜种植与养猪场在一起，养猪场的存栏 3000 余头猪，苍蝇肆虐，环境较为恶劣。解决方案决定将 3000 头猪圈养在大棚中，与种植区域用猪栏隔离。猪呼出的 CO2 直接为蔬菜的光合作用提供碳源，光合作用产生的 O2 又促进猪的生长，完成了CO2 和 O2 的第一层互补循环；然后，对猪粪尿采取了及时收集，用厌氧发酵装置进行充分厌氧发酵，产生的沼气供周边村民烧水炊事使用，发酵完成后的沼肥直接用于大棚蔬菜种植；另外，大棚收菜后的剩余果蔬垃圾也与猪粪污一起进行发酵，既处理了果蔬垃圾，又实现了第二层种养互补循环。整个项目很好地完成了种养结合的典型案例。该项目最终经北京科委、北京市政府及国家环保总局联合验收通过。
自该项目运行后，现场还进行了一系列的对比实验：首先是肥料对比实验，用两垄蔬菜进行沼肥和其他肥的种植对比，蔬菜的长势完全不一样，而且成菜的口感也明显不一样，用沼肥种植的黄瓜直接清水洗涤后吃着有小时候的风味；其次是环境对比实验，与附近养猪场相比，苍蝇少了很多，因为猪粪尿经充分厌氧发酵后已经杀菌灭活，虫卵在其中已无法存活，动物的“聪明”本能使其选择附近容易存活的养殖场去产卵，这样病虫瘟疫的交叉传染大大减少，曾经一次瘟疫，周边上万头养猪场死得一头不剩，而该养猪场仅有一两头猪自然死亡！再次，感官对比实验，由于一段时间沼渣沼肥的使用效果“谁用谁知道”，附近菜农争相提取，最后将沼池用围墙围住，付费购买，而且，以前恶臭的排污渠后面一直保持着干爽无味的状态。几年后，该 16 个大棚蔬菜成了首都的特供蔬菜大棚。
北京密云大棚养殖案例充分说明了序批式联合厌氧发酵技术的巨大功效，是种养结合和共生互促之典范。
1）项目简介：
该项目 2010 年投产运行，已连续稳定运行 9 年，系统主要由太阳能中温厌氧反应装置、常温厌氧反应装置和好氧深度污水处理设施等部分组成，可基本消化校园产生的有机固废和生活污水，使之转化成可再生清洁能源、有机肥料和中水。
系统产生的沼气可替代部分天然气用于学校食堂；产生的中水可取代自来水用于校园绿化、景观用水和冲厕；经固液分离后的沼渣是优质有机肥，可施用于绿化地。
该项目具有极高的性价比，可在 5 年左右收回全部投资。
该项目建成后因处理能力富余，陆续完成了多批次 60 吨级污泥、餐饮垃圾序批式中试。
2）主要参数
住校人员：约 3900 人
生活污水（来源于食堂、宿舍以及教学楼等）排放量：约 1000m³/d
有机固废（餐厨垃圾、粪渣、绿化垃圾、有机生活垃圾）处理量：约 3000kg/d
中水产量：400m³/d
沼气产量：220m³/d（热值相当于天然气 154m³/d）。
有机肥产量：800kg/d（含水率 40%左右）。
3）工艺流程
生活污水→常温厌氧消化→好氧深度处理→中水→消毒→绿化、景观用水和冲厕
↓
沼气→净化→储存→食堂炊事能源
↑
有机固废→中恒温厌氧消化→固液分离→有机肥料→绿化用肥
1、垃圾粉碎及系统控制室 2、原料调节池 3、中温厌氧反应装置 4、平板太阳能热水器 5、保温水箱 6、溢料池 7、沼气储存装置 8、沼气燃烧火炬 9、常温厌氧反应装置 10、污水调节池 11、深度好氧污水处理装置 12、中水池
该项目总规模达 600 吨/日，主要处理广州、深圳污泥及部分本地餐厨垃圾，分两期实施，一期 100 吨/日，二期 500 吨/日正在实施。
广东肇庆广宁县污泥餐厨垃圾厌氧发酵产沼发电制肥项目现场（600 吨/日）
该项目 2016 年开始设计建设，处理规模 300 吨/日，由垃圾机械分选和碳化裂解两个主工艺系统组成，是干垃圾碳化裂解的 2.0 版本，项目建成后陆续调试、消缺、试运行，各项检测指标均符合设计要求，特别是废气排放较垃圾焚烧有大幅度改观，实现了垃圾分选+干垃圾碳化裂解的突破。
以上十多年来的部分典型案例的研发实践，有大量的实验运行检测数据，大部分结果都与国内外正在研究的目标基本一致，例如联合批嘂的易腐部分的生物降解率，沼渣可以做到几乎无异味，这跟国外标志性的实验结果完全一致，当然我们已经大规模工程化了；沼渣的热值保持，这一点超乎一般常识，很多人认为经沼气释放后，沼渣热值应该较大幅度下降，实际多次检测的结果表明沼渣干基热值并未明显下降，这是微生物菌种能量转化效应的显现；碳化裂解氢气产量异乎寻常地高，这是一般闷烧型热解气化炉无法想象和达到的，还有炭基钾肥也是意外收获，当然废气处理变得非常简单，更没有二噁英生成之虞，这都是技术、装备升级带来的综合效应，总之，通过十多年的研发实践，一方面，垃圾分类综合体就剩临门一脚，另一方面，该创新模式的综合效应将不断开启令人期待的惊喜效果。
五、技术延伸
5.1 更高效的分类综合体
5.1.1 更高科技的自动分选技术
工业机器人的迅速介入将使垃圾自动分选技术更高效、更精确，充分解放人类繁琐的源头分类，所谓“力胜一、智胜百”。
5.1.2 更高效的“嘂族菌种”
对于类似厌氧氨氧化菌等各种统称“嘂族菌种”的强大微生物菌群，通过现代生物技术大量驯化培养，大幅度缩短发酵周期，提高产气效率与纯度，最终使设施越做越精致而强大。
5.1.3 更稳定高效的碳化裂解转化设计
主要是燃烧设计、蓄热料层、传热介质、温度传感、物料准备、催化裂解等等方面在日常运行中的经验积累与创新突破，使得碳化裂解更加稳定、可靠、高效。
5.1.4 更完美的自动控制技术
作为设施运转的“心脏”，在自动控制运行中将更加智能化、完美化。
5.2 分布式分类综合体
多年来国家大力倡导“分布式”节能理念，以几个街道、几个镇或某些联合体作为组团的分类综合体形式，可以大幅度减少运输成本与沿途污染，可以就地减量、就近循环利用产品，特别符合节约型、低耗型低碳循环社会运行的根本要求。
5.3 蜕化型分类综合体
5.3.1 垃圾分类减量转运站
一些城市将规划配套大型垃圾转运站，为了使转运站不仅仅发挥简单低效的“压缩转运”功能，而增加分拣设施，同时适当增加湿垃圾联合批嘂设施，则可完成就地分类减量功能，大幅度减少垃圾处理边际成本，未来这种分类减量转运站将迅速发展。
5.3.2 畜禽废弃物联合批嘂产沼制肥设施
成熟技术，单就畜禽废弃物（可以顺便处理附近果蔬垃圾）配套联合批嘂项目，产出清洁能源沼气就近利用，沼渣则可用作优质有机肥。
5.3.3 果蔬垃圾联合批嘂产沼制肥设施
成熟技术，单就果蔬垃圾（可以顺便处理附近畜禽废弃物）配套联合批嘂项目，产出清洁能源沼气就近利用，沼渣则可用作优质有机肥。
5.3.4 秸秆碳化裂解产氢制肥设施
由于秸秆干度较高，虽然也可以联合批嘂产沼制肥，但效率偏低了，直接采用高效碳化裂解技术，快速产出更优质的氢气、炭基钾肥等，该类设施特别是氢能生产和利用前景方面具有重大的能源结构配置与农业现代文明建设意义。
5.3.5 工业固废热解气化设施
工业固废处置设施比较缺乏，与垃圾焚烧设施很难融合，与危废处置设施也不相称，最好的处置途径是热解气化，运行成本低、产出多，生产清洁，特别是工业固废产生地往往需要能源，则工业固废热解气化设施将有更好的互补性和低碳循环效应。
5.3.6 快装型联合批嘂热解气化成套装置
针对学校、大型社区、商旅区、厂矿、部队、远村、海岛、荒漠等广大区域，设计和配套快装型、小型化联合批嘂热解气化成套装备，将有广阔的用武之地。
5.4 陈腐与存量垃圾快速处理
多年来，垃圾或被填埋，或被暂存，或弃置荒漠湖海，大多数得不到及时处置，而水土资源等的稀缺，使得这些地方的陈腐、存量垃圾要尽快处置，而这些垃圾又不可能纳入垃圾焚烧厂去焚烧处置（既无裕量又费成本），而这时快装型、灵活性、高效性移动式垃圾分选+碳化裂解成套装备将担负起重要的处置角色，发挥重要的生态修复和资源重置价值。
5.5 现有设施升级改造
针对长期来运行效果比较差的厌氧发酵设施、好氧堆肥设施以及垃圾焚烧设施，可以通过结构性技改升级，将这些设施改造成具有新生命力的各类污染物处置装置。
5.6 沿着一带一路输出
一带一路上很多国家环保技术与环保产业相当落后，需求巨大，垃圾分类综合体模式在国内运作成熟后，可以作为国之重器沿着一带一路输出，为人类环境共同体与气候碳减排做出应有贡献。
垃圾分类综合体开创的是一片集环保、新能源、有机肥和饮食健康“四位一体”之蓝海......
【作者介绍】
俞海峰：高级工程师、高级经济师，从事垃圾资源化及环境污染治理二十余年；江苏省城市管理与行政执法学会常务理事；江苏省发改委宏观经济学会副会长；中国环保产业协会废气净化专委会、恶臭污染控制产业技术创新战略联盟、苏州市环保产业协会等专家委员。
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