1 引言(Introduction)

随着我国经济的快速发展和城镇化的加剧, 城市生活垃圾产生量日益增加.据统计, 2015年, 全国内地设市城市生活垃圾清运量为1.91×10⁸ t(中国城市建设统计年鉴, 2015), 终端处理主要有填埋(60.0%)、焚烧(32.3%)和堆肥(1.9%, 包括综合处理)3种形式(中国环境保护产业协会城市生活垃圾处理专业委员会, 2017), 到2020年底, 全国设市城市垃圾焚烧处理能力需达到总处理能力的50%以上(四部委, 2016).垃圾焚烧处理能力还有较大缺口, 而垃圾处理方式的选择与垃圾的组成和特性有关(张海龙等, 2015), 因此, 对城市生活垃圾进行分类, 了解不同类型和现有处理终端的垃圾特性, 选择适合的处理方式, 对实现城市生活垃圾的减量化、资源化、无害化处理处置有重要意义.

本研究以宁波市为例, 研究主城区分类垃圾和现有处理终端生活垃圾的物理组成、容重, 分类垃圾的组分时空变化规律、热值和不同组分的含水率、有机质、可燃物、灰分和C、N、S、P、K元素含量等理化特性, 并在此基础上提出不同生活垃圾的处理对策, 为制定合理的垃圾处理方案提供参考和理论依据.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区域概况

宁波市位于中国东南部, 属亚热带季风气候, 四季分明, 多年平均气温16.4 ℃, 全年降水量为1480 mm.2016年, 宁波市拥有户籍人口591.0万人, 其中市区284.2万人(宁波市统计局等, 2017).全市有垃圾处理厂9家, 垃圾处理量为324.72×10⁴ t, 其中填埋处理148.83×10⁴ t, 焚烧175.89×10⁴ t(宁波市环境保护局, 2017).宁波市自2013年起开始进行垃圾分类试点工作, 将居民小区生活垃圾分为可回收物、厨余垃圾、有害垃圾、其他垃圾4类, 据有关研究, 由于习惯和传统的原因, 价值较高的垃圾在产生源就被单独收集并出售给废品收购者循环再利用, 没有进入生活垃圾处理物流(宗刚等, 2016), 有害垃圾由专门部门组织回收和处理, 本研究不做讨论, 仅针对源头分类后的厨余垃圾和其他垃圾展开研究.

2.2 样品采集与制备

本研究区域为宁波市主城区, 包括市六区：海曙区、江东区、江北区、鄞州区、镇海区和北仑区, 以及国家高新区和东钱湖旅游度假区规划建成区.每区设6~12个居住小区作为采样点, 农贸市场、餐厨垃圾处理厂、生活垃圾焚烧厂和生活垃圾填埋场各设一个采样点, 共69个采样点.各区居住小区采样点产生的其他垃圾均由环卫卡车转运至垃圾中转站, 压缩装箱后运送至处理终端, 厨余垃圾由专门车辆运送至餐厨垃圾处理厂, 垃圾无害化处理率为100%.研究区域和采样点分布如图 1所示.

依据《生活垃圾采样和分析方法》(CJ/T313—2009)进行采样和分析, 采样时间为2016年1—12月, 共取样12次.对每个居住小区, 分别将厨余垃圾和其他垃圾专用桶中当日产生的垃圾倒在清洁塑料布上, 用铁锹将垃圾搅拌均匀后堆成锥体, 分别铲取厨余垃圾和其他垃圾各50 kg, 对农贸市场、处理终端分别从料仓用铁锹随机铲取混合垃圾各50 kg.

对原始样品测定容重、物理组成、含水率等指标后, 将烘干后的样品分级破碎研磨至0.5 mm以下, 采用四分法缩分至500 g后装瓶备用.

2.3 分析方法

容重采用容器法现场测定, 物理组成采用重量法测定, 对采集的垃圾样品手工分拣为以下10类(表 1)：厨果类、纸类、橡塑类、纺织类、木竹类、灰土类、陶瓷类、玻璃类、金属类和其他, 分别称量各组分重量.生活垃圾物理组成按式(1)计算.对分类后的样品采用105 ℃干燥失重法测定含水率, 热值采用5E-AC/PT(L)型自动量热仪测定, 可燃物、灰分含量采用815 ℃灼烧失重法测定, 有机质含量采用高温外加热重铬酸钾氧化-容量法测定, 全C、N、S采用Vario Macro CNS型元素分析仪测定, 全P采用偏钼酸铵分光光度法测定, 全K采用火焰光度法测定.

(1)

式中, C_i为某成份物理组成, M_i为某成份湿重(kg), M为混合垃圾湿重(kg).

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 垃圾物理组成分析

根据图 2可以看出, 居民小区其他垃圾中, 厨果类所占比例最高, 为50.63%, 其次为纸类, 为20.92%, 橡塑类为15.70%, 纺织类为3.63%, 木竹类为2.04%, 灰土类为0.53%, 砖瓦陶瓷类为0.71%, 玻璃类为3.86%, 金属类为1.47%, 其他类为0.51%.厨余垃圾中厨果类占比最高, 为70.04%, 其次为橡塑类和纸类, 分别为13.20%、9.57%, 其余类型占比均低于3%.和其他垃圾相比, 厨余垃圾中厨果类占比高19.41%, 而纸类占比低11.35%, 橡塑类占比略低.厨余垃圾中厨果类以外的垃圾占29.96%, 主要为塑料垃圾袋, 以及部分纸类、纺织类、陶瓷类、金属类等, 混合投入到厨余垃圾专用垃圾桶.而其他垃圾中混有大量厨果类, 由于厨果类含水率较高、流动性强, 装有厨果、食物残渣的垃圾袋易破裂, 致使内容物流出污染可回收的纸类等, 使之变为不可回收类.其他垃圾和厨余垃圾中均未检出电池、荧光灯管等有害垃圾.说明宁波市居民小区生活垃圾分类有一定的成效, 减少了垃圾中的重金属、有机污染物等的含量, 有利于垃圾的无害化处理, 降低了终端处理的水、土壤、大气污染等环境风险, 但分类尚不完全.

从资源回收利用的角度出发, 生活垃圾中许多物质是可以回收或重复利用的(李兵等, 2011).本研究根据干湿程度和回收利用率, 将纺织类、木竹类、玻璃类和金属类归为可回收类, 将纸类、橡塑类进一步分别细分, 其中, 废纸、纸箱、纸板等归为可回收纸类, 尿不湿、厕纸、女性卫生用品、湿脏纸类等归为不可回收纸类, 饮料瓶、干净塑料包装袋等归为可回收橡塑类, 湿脏塑料等归为不可回收橡塑类.其他垃圾和厨余垃圾中可回收类分别占20.28%和11.53%, 说明在生活垃圾中还存在较多的可回收物.研究发现, 其他垃圾中快递包装纸箱和塑料袋较多, 占比可达2.50%, 这可能主要是由于电子商务和快递行业快速发展, 且未对包装物回收利用所导致.因此, 加强居民的垃圾分类投放意识, 将生活垃圾中的可回收物专门投放, 能够促进资源的循环利用, 且有助于生活垃圾的减量化, 降低垃圾终端处理的负荷.

农贸市场垃圾以厨果类为主, 含量为77.34%, 主要为过期的菜叶、瓜果等, 含水量高, 营养丰富, 尚未腐烂, 适合直接作为畜禽养殖饲料.橡塑类主要为包装蔬菜瓜果的塑料袋和网袋, 对农贸市场垃圾进行饲料化利用前, 需将橡塑类捡出.农贸市场垃圾中菜根、泥土量较少, 灰土类仅占0.39%, 表明“净菜进城”对城市生活垃圾减量化有一定的促进作用.餐厨垃圾处理厂中厨果类所占比例为63.85%, 橡塑类为26.35%, 纸类为5.79%, 餐馆、酒店的餐厨垃圾由城管部门组织直收直运, 用餐过程中使用的一次性餐盘、纸巾等混入食物残渣, 未进行分类, 餐厨垃圾处理厂进行处理之前需将非厨果类分离出来.

焚烧厂和填埋场各类垃圾物理组成相近, 均为厨果类所占比例最高, 分别为58.17%、58.19%.与居住小区相比, 纸类占比分别降低12.77%和12.08%, 可能是在居民将垃圾投放到垃圾桶之后, 废品回收者将有较高价值的废弃纸箱等回收, 从而导致纸类比例下降, 居民区产生的垃圾经卡车运输和中转站转移过程中受到不同程度的压缩, 并滤除部分水分, 因此, 焚烧厂和填埋场中含水率较低的木竹类、陶瓷类、玻璃类、金属类等所占比例增加.与填埋场相比, 焚烧厂垃圾纺织类含量较低, 而金属类含量较高.目前, 由于生活垃圾产生量日益增加, 宁波市生活垃圾焚烧厂和填埋场均在超负荷运转, 因此, 将垃圾进行分类, 厨果类统一处理, 对可回收物进行回收再利用, 填埋场库区的使用年限将大为延长, 有机垃圾填埋产生的渗滤液和排放的气体是土壤、地下水和大气的重要污染源(Adhikari et al., 2008), 部分欧盟国家已明令限制可降解垃圾填埋处理(CEWEP, 2014).

3.2 垃圾组成的时空变化

图 3显示了宁波市主城区其他垃圾物理组成在一年内随时间的变化.可以看出厨果类所占比例随季节变化最大, 夏季较高, 且最高值出现在8月, 为61.65%, 这是因为夏季是大量水果成熟与上市的季节, 且天气炎热, 人们对水果需求量增加, 所以水果消耗量和果皮产生量明显增大；冬季次之, 1—2月份厨果类占比较高, 这可能与中国传统节日和生活习俗有关, 春节期间, 聚餐相对增多, 水果消耗量也较大；而秋季厨果类所占比例较低, 春季最低, 最低值出现在4月, 为43.19%.与厨果类相比较, 其余垃圾组分所占比例随季节没有明显变化.

图 4显示了宁波市各区其他垃圾的物理组成, 变化差异较为明显的同样是厨果类, 可以看出整体上, 鄞州区、镇海区、北仑区和江东区的厨果类含量相对较低, 均低于50%, 其中鄞州区最低, 为39.29%；其余几个区均在50%以上, 而最高值出现在海曙区, 为63.35%.这可能与居民生活水平有一定的相关性, 海曙区、江东区和江北区为宁波市原“老三区”, 经济最先得到发展, 人们生活水平相对最为富裕, 高新区和东钱湖区为高新技术产业区和旅游度假区, 经济发展较快, 居民生活水平也相应较高, 这就导致厨果消耗量相对偏高；而江东区厨果类含量较低, 是因为垃圾分类程度较高, 厨果类基本被收集到厨余垃圾中；鄞州区、镇海区和北仑区地理位置相对偏远, 经济发展相对滞后, 居民生活水平较低, 厨果消耗量偏少.各区其他垃圾中均混有可回收的纸类和橡塑类, 其中, 海曙区最低为3.02%, 鄞州区可回收物含量最高为12.79%, 反映出海曙区垃圾分类程度较高而鄞州区较低.北仑区灰土类含量较高为3.81%, 且主要为家庭园艺种植土, 其他区灰土类含量均低于0.5%, 少见燃煤灰渣, 这可能主要由家庭能源逐步由天然气替代燃煤所导致.研究发现, 宁波市在各区均设有垃圾分类示范小区, 目前垃圾分类政策正在全面推进, 居民的垃圾分类意识也在逐步提升, 据推测, 宁波市各区域垃圾组成差异将会逐渐缩小.

与国内其他城市相比, 例如北京(秦宇飞等, 2009)、厦门(肖黎姗等, 2016)、昆明(徐永锋等, 2008)等城市的混合生活垃圾, 宁波市各区其他垃圾中厨果类含量较低, 纸类等可回收物含量较高, 而厨余垃圾中厨果类含量较高, 可回收物含量较低, 表明采取垃圾分类收集措施对于垃圾物理组成影响较大, 对于不同组分分类处理有促进作用.有关研究表明, 芬兰(Horttanainen et al., 2013)、意大利(Giugliano et al., 2008)等发达国家垃圾分类实施较早, 与宁波市各区其他垃圾相比较, 厨果类含量均较低, 纸类、橡塑类、纺织类等可燃物含量则较高, 在垃圾焚烧过程中不需添加其他燃料焚烧厂即可维持正常运行, 因此, 宁波市现阶段需要进一步推进垃圾分类工作, 逐步实现生活垃圾的资源化利用.

3.3 垃圾主要组分理化性质

主要类型垃圾的性质决定了混合垃圾的性质, 宁波市不同来源的垃圾中, 厨果类、纸类、橡塑类、纺织类和木竹类所占比例之和均超过了90%, 本研究选取这5类典型垃圾, 并将纸类和橡塑类分别细分为可回收类和不可回收类, 分别测定了含水率、有机质、可燃物、灰分和干基元素含量等理化性质, 数据结果如表 3所示.研究发现, 厨果类含水率最高, 不适合焚烧处理, 但C/N较低, 为18.13, 淀粉含量为9.08%, 粗蛋白含量为13.41%, 粗脂肪含量为9.33%, 营养丰富, 可用作生物发酵生产氢气(Okamoto et al., 2000)、甲烷(Zhang et al., 2007)等优质能源.不可回收的纸类和橡塑类中由于在混合垃圾中浸含了较多厨果类渗出液等, 导致含水率较高, 对焚烧有不利影响, 且S元素含量较高, 焚烧处理可能会导致酸雨的产生.可回收纸类、可回收橡塑类、纺织类、木竹类等含水率低, 可燃物含量高, 热值较高, 能够在焚烧过程中提供大量热能.各类垃圾灰分含量较低, 有机质含量与可燃物含量基本一致, 这是因为垃圾中的可燃物大多为有机质, 而有机质大多是可燃的.

研究发现宁波市采用带盖式生活垃圾桶, 降水几乎不影响垃圾含水率, 因此, 厨果类是垃圾中水分的主要来源.厨果类所占比例越高, 混合垃圾的容重和含水率越高, 相应的湿基可燃物含量越低.若对城市生活垃圾进行源头分类, 将厨果类按照厨余垃圾单独回收处理, 能够有效提高可燃物含量, 从而提高湿基低位热值, 在降低对垃圾焚烧处理的影响的同时, 还能够最大化促进垃圾的资源循环利用.

3.4 容重和热值分析

通常认为, 容重为100~200 kg·m^-3, 为良质垃圾, 200~300 kg·m^-3为普通垃圾, 300~400 kg·m^-3为劣质垃圾(聂永丰, 2000).本研究发现各区其他垃圾容重最低值出现在江东区, 为124.78 kg·m^-3, 最高值出现在海曙区, 为171.10 kg·m^-3, 均值为145.10 kg·m^-3(图 5), 可认为是良质垃圾.厨余垃圾容重最高值出现在高新区, 为222.25 kg·m^-3, 最低值出现在鄞州区, 为180.83 kg·m^-3, 均值为204.52 kg·m^-3, 可认为是普通垃圾.各区厨余垃圾容重高于其他垃圾容重19.69%~66.66%, 相比较而言其他垃圾更适合焚烧处理.

各处理终端垃圾容重：农贸市场(204.93 kg·m^-3)＜餐厨垃圾处理厂(250.33 kg·m^-3)＜填埋场(268.07 kg·m^-3)＜焚烧厂(269.16 kg·m^-3), 焚烧厂和填埋场垃圾容重约为居住小区其他垃圾容重的1.88倍, 这可能是因为生活垃圾在收集运输过程中, 被垃圾车压缩, 导致容重增大.

本研究发现, 宁波市各区其他垃圾的平均湿基低位热值为8049.57 kJ·kg^-1, 鄞州区热值最低, 为7156.10 kJ·kg^-1, 海曙区、镇海区和高新区的其他垃圾热值均大于8000 kJ·kg^-1(图 5).一般认为, 城市生活垃圾热值介于3300~5000 kJ·kg^-1时, 才适宜焚烧处理；当其热值高于5000 kJ·kg^-1时, 所产生的热能就具有回收利用价值(聂永丰, 2000), 热值达到7000 kJ·kg^-1时, 垃圾才能够持续焚烧(Liu et al., 2006).有研究表明, 四川省典型城市生活垃圾热值介于4200~5500 kJ·kg^-1之间(黄明星等, 2012), 天津市混合生活垃圾为5497 kJ·kg^-1(唐莹, 2013), 深圳市为6462 kJ·kg^-1(黄昌付, 2012), 厦门市为5360 kJ·kg^-1(陈家钦, 2010), 与以上城市相比, 宁波市进行源头分类后, 其他垃圾热值有所提高, 能够保证垃圾持续焚烧, 而且产生的热能能够回收利用.

综合分析宁波市分类垃圾物理组成和容重、热值数据, 表明生活垃圾源头分类后, 其他垃圾中厨果类含量降低, 较为蓬松的纸类和橡塑类含量增加, 从而导致容重降低.厨果类含量的降低导致其他垃圾中含水率的降低, 减少了垃圾焚烧过程中的热量损耗, 纸类和和橡塑类热值较高, 其含量的增加提高了其他垃圾的热值.生活垃圾的物理组成与理化特性主要与分类程度有关, 垃圾分类程度越高, 其他垃圾的容重越低, 热值相对越高, 越有利于垃圾资源化处理.

4 结论(Conclusions)

1) 宁波市主城区的分类生活垃圾, 其他垃圾中厨果类所占比例较低, 热值较高, 适合焚烧处理；厨余垃圾与其他垃圾相比, 厨果类含量较高, 适合进入餐厨垃圾处理厂进行生化处理.农贸市场垃圾厨果类营养丰富, 可作为畜禽养殖饲料.焚烧厂和填埋场各类垃圾物理组成相近, 垃圾源头分类可提高处理效率.

2) 宁波市各区生活垃圾中, 厨果类含量与季节的关系表现为春季最低, 夏季最高, 地区上表现为鄞州区最低, 海曙区最高；其他垃圾容重低于厨余垃圾, 而热值高于其他城市混合垃圾, 说明宁波垃圾分类已初见成效, 为进一步提高分类程度, 建议宁波市政府规范化生活垃圾分类收运体系, 并采取有效的奖惩机制以提高居民垃圾分类意识.

3) 厨果类含水率较高, 对其单独处理, 能够降低对垃圾焚烧的影响.不可回收纸类和塑料类含水率较高, 对焚烧有不利影响；可回收纸类、橡塑类、纺织类、木竹类热值较高, 能为焚烧提供大量热能.