厨余垃圾源头沥水对生活垃圾的减量提质效应

    文章作者:

    张明武1,宋敏英1,刘意立1,干磊2,何晟2,刘建国1*

    1.固体废物处理与环境安全教育部重点实验室,清华大学环境学院,北京 100084

    2.苏州市环境卫生管理处,苏州 215007

    本文原文《生活垃圾源头沥水的减量提质效应研究》发表于《环境科学研究》2017年第3期,有少量删减修改。责任作者为刘建国。

    摘要

    针对我国生活垃圾厨余组分含量高、含水率高和热值低的特点,提出以降低厨余组分含水率为主要手段,实现生活垃圾源头减量和提质为主要目标的源头沥水和选择性分质收集模式。在苏州市两个居民小区进行了为期十个月的项目试点,监测结果显示,居民家庭在厨房对厨余垃圾采取简易的源头沥水措施后,生活垃圾产生量减少6.47%,含水率降低2.23%,低位热值提高10.94%。生活垃圾源头沥水的减量提质效应良好,有助于提高后续焚烧及填埋处理设施运行效率和二次污染控制水平,降低运输及处理成本。

    1.引言

    我国从2000年开始在北京、上海、南京、杭州等八个城市开展生活垃圾分类收集试点,虽然取得了一定进展,但是总体而言,生活垃圾分类准确性、实际减量效果和资源回收利用水平都远不如预期。由于我国居民生活和饮食习惯的影响,大量厨余物质进入生活垃圾,再加上“拾荒者”为主体的废品回收系统对废塑料、废纸和废金属等高价值组分的回收利用率较高,使得生活垃圾中厨余组分占60%以上。我国城市生活垃圾含水率高、热值低、易生物降解,严重影响收运系统及处理设施运行效率和污染控制水平的提升。基于此背景,厨余垃圾单独收集已成为我国各大城市生活垃圾分类收集的重点工作。

    近年来,杭州、上海、青岛等城市先后开展居民区生活垃圾干湿分离的试点工作,但是对居民家庭层面的减水提质措施尚缺乏相关研究和实践。厨余垃圾含水率高达80%,通过源头沥水降低厨余垃圾含水率,可以在显著减少生活垃圾质量的同时提高总体热值。在居民家庭实施源头沥水和选择性分质收集,考察生活垃圾产生量和理化特性的变化,分析减量和提质效果,对提高生活垃圾管理水平和处理效率有重要意义。

    2.方案设计与分析方法

    2.1生活垃圾碱水模式处理

    生活垃圾中的水分可分为结合水和自由水两大类,源头沥水可以去除附在厨余垃圾表面的部分自由水。按照厨余组分比例为65%,含水率为80%进行计算,理论上当厨余垃圾含水率降低5%时,生活垃圾总量将减少13%。为了检验源头沥水的实际效果,选择在苏州市居民小区进行实地试点。

    苏州市固体废物处理设施比较完善,同时建有填埋场、焚烧厂和餐厨垃圾厌氧消化厂,并且成立了专门的再生资源和有害垃圾回收单位。结合苏州市生活垃圾分类收集现状和处理系统构成,提出如图1所示的新模式。在排水条件较好的小区,为部分家庭安装厨余垃圾粉碎机,将厨余垃圾粉碎后排入污水处理系统。其他居民需要将含水率较高的厨余垃圾,比如剩菜剩汤、清洗过的菜叶、茶叶渣等,先放入底部带有网眼的沥水篮中把水分沥出后,再倒入厨余垃圾桶。初期单独收集的厨余垃圾较少,仍与其他垃圾混合后焚烧处理,重点研究源头沥水措施的减量和提质效果。

    图1  生活垃圾源头沥水和分类收集方案

    选定姑苏区的A小区(200户居民)和B小区(230户居民)实施四分类模式,两小区试点前均为三分类模式即把生活垃圾分为可回收物、有害垃圾和其他垃圾。课题组向全部430户居民提供了底部带有网眼的沥水篮、家庭厨余垃圾桶和专用厨余垃圾袋,为自愿报名的50户居民安装了厨余垃圾粉碎机,并选取60户居民发放了台式电子称用于测量沥水前后的厨余垃圾质量。试点小区在2015年3月正式投入运行,连续运行时间为10个月。

    2.2 监测分析方法

    厨余垃圾减量率取自居民家庭反馈的数据,生活垃圾产生量取自收运人员的称量记录,生活垃圾物理组成和组分分析按照《生活垃圾采样和分析方法》(CJ/T 313-2009)执行。C、H、O、N的元素含量采用EA3000元素分析仪,S的含量采用SJCLY-6A快速智能测硫仪,Cl的含量采用高温燃烧水解-电位滴定法。生活垃圾热值分析采用Parr1281氧弹量热仪测定。

    3.结果与讨论

    3.1 试点小区运行情况

    试点小区内设立了生活垃圾分类督导员,负责日常宣传和监督工作。在环卫处的协调下,组织居民到固体废物处理终端和管理中心进行现场参观,普及生活垃圾常识,提高参与积极性。问卷调查是了解居民对垃圾分类知晓率和参与程度的有效途径,试点期间在试点小区发放调查问卷150份,收回有效问卷124份,主要结果列于图2。调查显示,尽管90%以上的居民了解生活垃圾源头沥水和分类收集的具体要求,但是仅有60%的居民能够按照要求采取源头沥水并分类投放,居民长期形成的生活习惯在短时间内难以改变。厨余垃圾粉碎机的实际使用率约为90%,大部分居民对粉碎机的运行效果比较满意。综合来看,试点小区约有60%的居民按要求源头沥水和分类投放厨余垃圾,10%的居民使用了厨余粉碎机,其余30%的居民没有真正参与。

    图2  居民参与试点项目情况

    3.2 厨余垃圾减量率

    试点期间共收集小区居民反馈的厨余垃圾沥水前后质量数据4038条,沥水前后的质量差与沥水前厨余垃圾质量的比值即为厨余垃圾减量率。利用软件IBM SPSS statistics 20进行描述性统计分析,得到厨余垃圾减量率的频率分布直方图(图3)。厨余垃圾减量率主要分布在5%~15%之间,平均值为18%,中位数为12%,其频率分布为右偏分布(偏度,2.27>0)和尖峰分布(峰度,5.14>3)。由于极端值和称量误差的干扰,直接用平均值表示厨余垃圾减量率并不准确,宜采用中位数表征。

    图3  厨余垃圾减量率频率分布直方图

    3.3 生活垃圾产生量

    居民家庭的生活垃圾产生量与日常生活习惯和消费支出有关,试点小区居民户均日产生量如图4所示。试点小区10个月内共收集生活垃圾177 t,户均日产生量为1.37 kg,6~9月生活垃圾产生率较高。统计数据显示,周末和节假日的居民区生活垃圾产生量比工作日高20%以上,生活垃圾产生率与在家停留时间成正相关性。

    图4  生活垃圾户均日产生量

    试点期间,两小区共单独收集厨余垃圾60 t,随着宣传引导工作的深入,单独收集的厨余垃圾比例逐月升高(图5),最终稳定在40%以上。以厨余垃圾在生活垃圾中的比例为65%计算,按要求源头沥水并单独投放厨余垃圾的居民比例约为62%,问卷调查显示60%的居民能够按照要求操作,与监测结果基本吻合。

    图5  厨余垃圾单独收集比例

    3.4 理化特性分析

    物理组成

    生活垃圾的物理组成与多种因素有关,不同产生源的生活垃圾物理组成差异较大。表1列出了试点小区生活垃圾的物理组成,厨余垃圾的含量显著高于其他成分,且5~9月的比例更高。四分类推广过程中,有害垃圾的分类效果最好,可回收物分离效果最差。纸盒、塑料包装和玻璃瓶混在生活垃圾中,被厨余垃圾污染,回收难度加大。试点初期居民将厨房垃圾与厨余垃圾混淆,用过的餐巾纸和食品外包装等大量进入厨余垃圾桶,三个月后,厨余垃圾桶内厨余垃圾比例达到90%以上,满足生物处理的需要。

    组分分析

    生活垃圾的三组分包括水分、可燃分和灰分(图6),厨余垃圾平均含水率为75.24%,生活垃圾平均含水率为65.34%,且5~9月含水率最高。夏季水分含量较高的果蔬类废弃物所占比例明显高于其他季节,导致厨余垃圾比例升高,含水率随之升高。利用软件IBM SPSS statistics 20对生活垃圾含水率和厨余垃圾含水率数据分别进行W检验,在显著性水平α=0.05条件下均满足正态分布。二者Pearson相关系数为0.726,在0.01水平(双侧)显著相关,降低生活垃圾含水率的关键在于降低厨余垃圾含水率。

    图6  生活垃圾三组分和厨余垃圾含水率(上为A小区,下为B小区)

    元素分析

    对厨余垃圾和其他可燃组分进行元素分析(表2),厨余垃圾对可燃组分中N、S、Cl的贡献率分别为67%、96%、62%,是填埋和焚烧处理时各种污染物的主要来源。食品消费结构影响厨余垃圾的元素组成,植物类残渣越多,C/N值越高。

    低位热值

    利用氧弹法测定热值时,将垃圾中的玻璃、金属等惰性物质的热值忽略不计。氧弹法测出生活垃圾的干基高位热值Q,利用《生活垃圾采样和分析方法》(CJ/T 313-2009)推荐的热值计算公式将其转化为湿基低位热值QL,其中Cw表示样品含水率(%),H为干基氢元素含量(%),计算时均采用实测值,结果如图7所示。

    热值与橡塑类和可燃分正相关,与厨余类、含水率和灰分负相关。试点小区生活垃圾平均低位热值为4736 kJ·kg-1,居民区生活垃圾的厨余组分和含水率较高,导致热值较低。在居民生活和饮食习惯不改变的情况下,降低厨余垃圾含水率是提高生活垃圾热值的重要途径。

    图7  生活垃圾低位热值

    3.5 讨论

    生活垃圾产生量和理化特性是基于10%的居民使用厨余粉碎机,60%的居民按要求源头沥水和分类投放厨余垃圾,其余30%的居民没有按要求操作得到的综合效果。厨余垃圾粉碎机能够将80%的厨余垃圾粉碎后排入下水道,全部安装粉碎机后生活垃圾减量率将达到50%以上,减量效果显著。如果不考虑厨余垃圾粉碎机的减量作用,试点小区生活垃圾户均日产生量将由1.37 kg上升至1.44 kg。尽管厨余垃圾粉碎机减量效果可观,但是现阶段由于排水管网、污水厂负荷以及安装成本等问题,大面积推广厨余垃圾粉碎机的时机尚不成熟。

    实施试点前,居民区生活垃圾中厨余组分为70.18%,含水率为67.82%,实施试点后,厨余组分为67.05%,含水率为65.34%。假设安装粉碎机、按要求源头沥水和没有参与源头沥水的居民所产生的生活垃圾物理组成相同,非厨余组分的产生量不变。试点后非厨余组分占生活垃圾的比例从29.82%提高到32.95%,利用物质守恒定律得到如下方程式(x表示厨余垃圾减量率): 

    由上式解得源头沥水的厨余垃圾减量率为9.23%,居民家庭反馈的厨余垃圾减量率为12%,计算值略低于实测值。通常情况下,居民只将汤水类垃圾倒入厨房水槽中利用滤网过滤,采取源头沥水措施后,厨余垃圾表面附着的部分自由水在重力作用下得以去除。实测值反映了原生厨余垃圾的最大减量潜力,计算值代表了实际运用时的真实减量效果。由厨余垃圾减量率可以得到采取源头沥水措施的生活垃圾减量率为6.47%,源头沥水后生活垃圾含水率为65.59%,降低了2.23%。

    据统计,北京市实施垃圾分类的小区厨余垃圾分出量不到实际产生量的10%。相比之下,仅采取源头沥水,生活垃圾减量率即可达到6.47%,源头减量意义显著。2014年苏州市生活垃圾产生量达到178万吨,假设其中50%来自居民区生活垃圾,采取源头沥水后年生活垃圾产生量将减少5.76万吨,能够有效节约运输和处理成本。据研究,基于社区人工分拣模式下的生活垃圾减量率可以达到52.6%,源头沥水的减量率虽然低于人工分拣模式下的减量率,但是源头沥水操作简单,成本较低,不需要专门的人工和设备投入,具有更强的实用性。

    氧弹法测得生活垃圾干基高位热值Q等于19656 kJ·kg-1,干基氢含量平均值为6.34%,利用热值计算公式可以得到,源头沥水前生活垃圾低位热值为4222 kJ·kg-1,源头沥水后上升到4684 kJ·kg-1,提高了10.94%。我国生活垃圾含水率高、热值低,在进入焚烧炉前通常要经过堆酵预处理。堆酵3 d可以使进炉垃圾含水率降低2.98%,源头沥水在居民家庭层面能够实现堆酵2~3 d的提质效果,有利于提高焚烧处理效率。生活垃圾进入填埋场的原始含水率直接决定了垃圾自身可能产生的渗滤液量,降低生活垃圾含水率可以在源头上减少填埋场渗滤液的产生量。

    4.结论

    厨余含量高、含水率高是我国生活垃圾的主要特征,厨余垃圾源头沥水是生活垃圾减量提质的重要途径。在苏州市居民小区开展的试点工作表明,源头沥水措施的生活垃圾减量率为6.47%,生活垃圾源头沥水后含水率降低2.23%,低位热值提高10.94%。源头沥水措施的实施成本低廉,操作简单易懂,便于民众接受,源头减量提质效果较为显著,具有良好的环境和经济效益,值得进一步开展深入研究和示范应用。


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