楊 娜,邵立明,何品晶*

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我國(guó)城市生活垃圾組分含水率及其特征分析

楊 娜1,邵立明2,何品晶2*

(1.深圳市環(huán)境科學(xué)研究院, 廣東 深圳 518001；2.同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所,上海 200092)

含水率是預(yù)測(cè)生活垃圾能源回收和滲濾液污染潛力的關(guān)鍵參數(shù),對(duì)選擇合適的生活垃圾處理技術(shù)有重要意義.根據(jù)各物理組分組成比例和組分含水率,估算混合生活垃圾含水率,是規(guī)劃和設(shè)計(jì)生活垃圾處理設(shè)施時(shí)的重要方法.本文通過分析近年來的文獻(xiàn)資料,提出適合我國(guó)生活垃圾特征的典型物理組分含水率數(shù)據(jù)清單;比較20個(gè)中國(guó)城市文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的模擬估算與實(shí)測(cè)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)對(duì)大部分城市的估算誤差在10%以內(nèi),遠(yuǎn)低于采用丹麥,美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)據(jù)的估算誤差.對(duì)比中國(guó)、丹麥和美國(guó)的組分含水率數(shù)據(jù)清單,發(fā)現(xiàn)我國(guó)生活垃圾中的紙類、織物、塑料、渣石等組分的含水率顯著偏高,原因在于我國(guó)生活垃圾的食品廢物含量高,混合收集過程中水分在組分間遷移所致.

城市生活垃圾；垃圾組分；含水率；數(shù)據(jù)清單；水分轉(zhuǎn)移

我國(guó)城市生活垃圾的含水率普遍較高,給處理和利用帶來了大量問題:在混合垃圾分類回收中,各組分相互黏連,降低分選效率;在焚燒處理中,降低垃圾低位熱值,不利于熱能回收;在填埋處置中,滲濾液產(chǎn)量高,增加二次污染控制成本.獲取可靠的混合生活垃圾含水率,是預(yù)測(cè)垃圾低位熱值和滲濾液產(chǎn)生潛力的關(guān)鍵參數(shù),對(duì)選擇合適的生活垃圾處理方式有重要意義.

混合生活垃圾中的水分來自垃圾中的各物理組分.因此,含水率由混合垃圾的物理組分組成比例和各組分含水率共同決定.獲取混合生活垃圾含水率有兩種方法:一是直接對(duì)混合垃圾取樣測(cè)試,這是我國(guó)大部分研究者采用的方法[1-4].但由于生活垃圾的高度異質(zhì)性,采樣代表性將顯著影響測(cè)試結(jié)果;且獲得的含水率數(shù)據(jù)僅能代表當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐那樾?無法推衍垃圾組分發(fā)生變化后的情況.二是測(cè)試混合生活垃圾物理組分組成比例,然后,再根據(jù)各物理組分的含水率計(jì)算混合垃圾含水率.這種方法能夠節(jié)省大量測(cè)試工作,且能發(fā)現(xiàn)對(duì)含水率貢獻(xiàn)大的生活垃圾物理組分,為源頭控制混合生活垃圾含水率提供依據(jù).目前,我國(guó)垃圾物理組分性質(zhì)的調(diào)研資料積累尚少,研究者在估算混合生活垃圾含水率時(shí),常引用發(fā)達(dá)國(guó)家垃圾的物理組分含水率數(shù)據(jù)[5-7],估算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果存在較大偏差.例如,對(duì)天津垃圾含水率的估算值為44.4%[6],遠(yuǎn)低于實(shí)測(cè)值55%[3].

本文系統(tǒng)分析了我國(guó)生活垃圾物理組分含水率的已有研究結(jié)果,建立了適合我國(guó)生活垃圾組成特征的組分含水率數(shù)據(jù)清單;應(yīng)用數(shù)據(jù)清單估算了典型中國(guó)城市混合生活垃圾含水率,并通過與實(shí)測(cè)值對(duì)比,判斷數(shù)據(jù)清單的可靠性和適用性.同時(shí),本文對(duì)比了我國(guó)生活垃圾物理組分含水率與發(fā)達(dá)國(guó)家的差異,并分析造成差異的原因,為研究者科學(xué)選擇引用數(shù)據(jù)提供依據(jù).

1 數(shù)據(jù)收集和分析方法

1.1 建立生活垃圾物理組分含水率數(shù)據(jù)清單

本文通過分析整理學(xué)術(shù)論文、研究報(bào)告,系統(tǒng)收集了近十幾年中國(guó)生活垃圾物理組分含水率的研究結(jié)果.以采樣規(guī)范性和代表性為依據(jù)篩選數(shù)據(jù)后,引用數(shù)據(jù)見表1.為方便后續(xù)數(shù)據(jù)整理和分析,將生活垃圾物理組分統(tǒng)一為8類:食品廢物、紙類、竹木、織物、塑料、渣石、玻璃和金屬.對(duì)原始文獻(xiàn)中報(bào)道的其它組分,根據(jù)其屬性歸并到性質(zhì)類似組分中(例如,“皮革”歸入織物類,“橡膠”歸入塑料類,“其它”歸入渣石類),并根據(jù)濕基重量進(jìn)行加權(quán)平均,計(jì)算獲得歸并后的物理組分含水率.通過對(duì)表1中我國(guó)生活垃圾物理組分含水率的統(tǒng)計(jì)分析,得到了代表中國(guó)生活垃圾組成特征的物理組分含水率數(shù)據(jù)清單,見表2.

發(fā)達(dá)國(guó)家已較系統(tǒng)地研究了生活垃圾物理組分性質(zhì).例如,評(píng)價(jià)固體廢物生命周期的專業(yè)軟件EASETECH[16]自帶數(shù)據(jù)庫(kù)中有豐富的生活垃圾組分化學(xué)性質(zhì)(通過測(cè)試丹麥生活垃圾獲得);國(guó)際上廣泛應(yīng)用的教材《固體廢物全過程管理》[18]總結(jié)了主要生活垃圾組分的化學(xué)性質(zhì).這些研究成果很容易被研究者獲得并引用.但是,由于發(fā)達(dá)國(guó)家和我國(guó)居民的消費(fèi)特點(diǎn)和生活習(xí)慣不同,生活垃圾組分統(tǒng)計(jì)口徑并不完全一致.例如,發(fā)達(dá)國(guó)家生活垃圾中通常有“園林垃圾”一項(xiàng),主要來源于修剪庭院植物,我國(guó)生活垃圾中有“竹木”一項(xiàng),主要來自日常消費(fèi)品或家庭裝修.本文按照我國(guó)生活垃圾組分劃定類別,對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家垃圾組分進(jìn)行重新歸類統(tǒng)計(jì).在此基礎(chǔ)上,對(duì)上述2組物理組份含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,形成丹麥數(shù)據(jù)清單和美國(guó)數(shù)據(jù)清單(表2),代表發(fā)達(dá)國(guó)家生活垃圾物理組分含水率特征.

表1 我國(guó)生活垃圾物理組分含水率數(shù)據(jù)研究結(jié)果匯總

注:wf,濕基物理組分基準(zhǔn).--,無數(shù)據(jù).

表2 中國(guó)、丹麥、美國(guó)生活垃圾物理組分含水率

注:wf,濕基物理組分基準(zhǔn).--,無數(shù)據(jù).“竹木”、“渣石”,發(fā)達(dá)國(guó)家統(tǒng)計(jì)口徑通常為“園林垃圾”、“不可燃物”.

1.2 混合生活垃圾含水率

應(yīng)用生活垃圾物理組分的含水率數(shù)據(jù)(表2)和物理組分組成比例,可以估算混合收集生活垃圾的含水率,計(jì)算方法見公式1.

式中:mc指混合收集生活垃圾含水率的估算值,% ww(濕基基準(zhǔn));mc,j指物理組分的含水率,% ww;W指混合生活垃圾中,物理組分的重量百分比,% ww.

為判斷估算結(jié)果的可靠性,以混合收集生活垃圾含水率的實(shí)測(cè)值為基準(zhǔn),計(jì)算估算值與實(shí)測(cè)值的偏差百分比,計(jì)算方法見公式2.

式中:mc代表混合收集生活垃圾含水率估算值相對(duì)于實(shí)測(cè)值的偏差百分比,%;’mc代表混合收集生活垃圾含水率的實(shí)測(cè)值,% ww.

1.3 生活垃圾物理組分組成百分比及混合生活垃圾含水率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)甄別,本文從大量文獻(xiàn)資料中挖掘了20個(gè)中國(guó)城市的生活垃圾物理組分組成百分比,及混合垃圾含水率實(shí)測(cè)值,見表3.需要說明的是,由于垃圾物理組分隨季節(jié)變化較大,混合垃圾含水率與季節(jié)顯著相關(guān).這在北方地區(qū)尤其明顯,夏季瓜果消費(fèi)量高,食品廢物占比高,混合垃圾含水率較高;冬季采暖用煤,渣石含量較高,含水率相對(duì)較低.為降低季節(jié)對(duì)混合垃圾含水率數(shù)據(jù)的影響,本文重點(diǎn)選取具有全年平均值或夏、冬兩季均值的數(shù)據(jù).

表3 20個(gè)中國(guó)城市的生活垃圾物理組分組成百分比及混合垃圾含水率

ww,濕基混合生活垃圾基準(zhǔn).-- ,無數(shù)據(jù).

2 結(jié)果

2.1 中國(guó)生活垃圾物理組分含水率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖1顯示了中國(guó)生活垃圾物理組分含水率(表1中11組數(shù)據(jù))的數(shù)值分布統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果.由于紙類、竹木、塑料、渣石、玻璃等組分的含水率分布較分散,織物組分出現(xiàn)了異常值,為了剔除分散值和異常值對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響,本文采用中位值代表物理組分的含水率.在8個(gè)物理組分中,食品廢物的含水率最高,中位值為68.2%;其次是紙類、竹木、織物和塑料組分,分別為43.2%、44.2%、43.5%和43.5%;渣石組分的含水率中位值為29.6%;玻璃和金屬的含水率最低,中位值分別為2.4%和5.4%.就含水率數(shù)值分布規(guī)律看,食品廢物分布最集中,說明測(cè)量統(tǒng)計(jì)偏差較小,數(shù)據(jù)可靠度較高;而渣石分布最分散,統(tǒng)計(jì)偏差最大,說明數(shù)據(jù)不確定性較高.需要注意的是,玻璃組分的含水率數(shù)據(jù)較少(僅5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)),且分布范圍0.31%至12.7%,統(tǒng)計(jì)誤差較大.將上述11組數(shù)據(jù)根據(jù)城市地理分布進(jìn)行分類比較,并沒有發(fā)現(xiàn)顯著的地區(qū)分布特征.

圖1 中國(guó)生活垃圾物理組分含水率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

2.2 混合垃圾含水率估算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

分別利用本文建立的生活垃圾物理組分含水率數(shù)據(jù)清單(簡(jiǎn)稱“中國(guó)數(shù)據(jù)清單”),以及丹麥和美國(guó)的數(shù)據(jù)清單(表2),估算表3中20個(gè)中國(guó)城市的混合垃圾含水率,并以表3中的含水率實(shí)測(cè)值為基準(zhǔn),計(jì)算3組估算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的偏差百分比,結(jié)果見圖2.

采用中國(guó)數(shù)據(jù)清單估算得到的20個(gè)中國(guó)城市混合垃圾含水率結(jié)果中,有15個(gè)城市(占城市總數(shù)的75%)的估算偏差在10%以內(nèi),其余5個(gè)城市沈陽(yáng)、哈爾濱、重慶、拉薩和烏魯木齊的估算偏差分別為11.5%、13.5%、15.0%、21.8%和28.0%.采用丹麥數(shù)據(jù)清單時(shí),估算偏差在10%以內(nèi)的僅有合肥、武漢、成都和杭州4個(gè)城市;而采用美國(guó)數(shù)據(jù)清單時(shí),除拉薩外,其它14個(gè)城市的估算偏差均高于10%,貴陽(yáng)甚至高達(dá)36.4%.對(duì)比3個(gè)數(shù)據(jù)清單對(duì)同一城市的估算結(jié)果,除了烏魯木齊和拉薩外,采用中國(guó)數(shù)據(jù)清單估算的偏差最小;其次是丹麥數(shù)據(jù)清單,為采用中國(guó)數(shù)據(jù)清單時(shí)的1.6~28倍(合肥是例外,為0.84倍);美國(guó)數(shù)據(jù)清單造成的估算偏差最大,是采用中國(guó)數(shù)據(jù)清單的2.4~58倍,為采用丹麥數(shù)據(jù)清單的1.4~2.8倍.

圖2 20個(gè)中國(guó)城市混合生活垃圾含水率估算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

通過上面的分析,可見烏魯木齊和拉薩的混合垃圾含水率估算結(jié)果與其它城市顯著不同.從數(shù)據(jù)上看,這2個(gè)城市食品廢物的重量百分比(分別為76%和57%)與大部分城市類似,但混合垃圾含水率實(shí)測(cè)值(分別為47%和46.7%)卻遠(yuǎn)低于大部分城市.原因可能在于這2個(gè)城市氣候干燥,食品廢物中的水分易于在收集和運(yùn)輸過程中散失.

3 我國(guó)城市生活垃圾含水率的影響因素探討

3.1 物理組分含水率數(shù)據(jù)的影響

本文2.2節(jié)分別采用中國(guó)、丹麥和美國(guó)生活垃圾物理組分含水率數(shù)據(jù)清單,估算同一城市混合收集的生活垃圾含水率.結(jié)果顯示,大部分情況下,采用發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)據(jù)清單的計(jì)算結(jié)果都低于實(shí)測(cè)值,并且偏離度均大于采用中國(guó)數(shù)據(jù)清單的結(jié)果.通過比較3組數(shù)據(jù)清單,可以發(fā)現(xiàn)造成這一現(xiàn)象的原因:在丹麥和美國(guó)數(shù)據(jù)清單中,紙類、織物、塑料和渣石的組分含水率普遍低于中國(guó).例如,前者一般僅為后者的一半甚至1/4,而這些物理組分在中國(guó)城市生活垃圾中的濕基比例僅次于食品廢物,為18%~61%(均值35%).因此,紙類、織物、塑料和渣石組分含水率的差異是影響混合垃圾含水率估算結(jié)果的主要原因.

3.2 生活垃圾物理組分組成的影響

表4 發(fā)達(dá)國(guó)家生活垃圾物理組分百分比

注 :ww,混合生活垃圾濕基基準(zhǔn).“竹木”、“渣石,發(fā)達(dá)國(guó)家統(tǒng)計(jì)口徑通常為“園林垃圾”、“不可燃物”.

表4為典型發(fā)達(dá)國(guó)家生活垃圾物理組分的組成百分比.對(duì)比表3和表4可以發(fā)現(xiàn),中國(guó)城市生活垃圾中食品廢物組成百分比通常大于50%,而發(fā)達(dá)國(guó)家均小于50%.中國(guó)的食品廢物中,由于含有大量蔬菜水果的組織水和食品剩余物的湯汁,初始棄置狀態(tài)一般具有非常高的含水率(80%左右),這些水分很容易在重力和堆積壓力的作用下流出;另一方面,中國(guó)生活垃圾中的紙類組分多為面巾紙、衛(wèi)生巾和尿不濕[2,15],渣石組分通常是燃煤殘?jiān)?這些組分的吸水性較強(qiáng),當(dāng)食品廢物與紙類、織物、渣石等組分在生活垃圾收集設(shè)施(通常為家庭垃圾桶或居民區(qū)垃圾收集點(diǎn))中混合時(shí),食品廢物中的部分水分會(huì)被后者吸收,使其含水率大幅提高,甚至達(dá)到水分飽和狀態(tài).這與發(fā)達(dá)國(guó)家以辦公用紙和卡板紙為主的紙類組分組成很不一樣.此外,中國(guó)城市生活垃圾中的塑料組分有相當(dāng)大比例為食品包裝袋和一次性飯盒[15],大量食品殘?jiān)掣皆谄渖?從而造成水分“轉(zhuǎn)移”,導(dǎo)致測(cè)試獲得的塑料組分的含水率“上升”.

3.3 生活垃圾樣品采集地點(diǎn)的影響

研究者在分析生活垃圾性質(zhì)時(shí),通常在垃圾收集和處理階段采集樣品.而此時(shí),生活垃圾各組分已經(jīng)混合,通過手工分揀獲得樣品測(cè)試的各組分含水率并不是其“原始含水率”(即初始棄置時(shí)的含水率),而是經(jīng)歷了水分從食品廢物向易吸水組分“遷移”后的含水率.在中國(guó),生活垃圾中食品廢物比例高,可遷移水分量大,而紙類和織物等組分含量少且吸水性強(qiáng),極易吸收較多水分.而在發(fā)達(dá)國(guó)家,生活垃圾中的食品廢物含量不高,上述組分間的水分遷移現(xiàn)象不明顯,也就是說其物理組分含水率數(shù)據(jù)清單中的數(shù)據(jù)更接近“原始含水率”.采用丹麥和美國(guó)數(shù)據(jù)清單對(duì)中國(guó)城市混合垃圾含水率的估算結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果偏差低的原因,應(yīng)是生活垃圾組分含水率數(shù)據(jù)(混合前)和組分組成比例數(shù)據(jù)(混合后)不匹配所致.

4 結(jié)論

4.1 提出了適合中國(guó)生活垃圾組成特征的物理組分含水率數(shù)據(jù)清單.應(yīng)用這套數(shù)據(jù)清單估算典型中國(guó)城市混合生活垃圾含水率,估算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的誤差基本在10%以內(nèi).

4.2 與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,中國(guó)生活垃圾中食品廢物組分含量高,而紙類和織物等易吸水組分比例較低,導(dǎo)致生活垃圾混合收集過程中,食品廢物中水分向易吸水組分遷移,使后者含水率顯著升高.

4.3 估算我國(guó)混合收集生活垃圾的含水率時(shí),不宜直接引用發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)據(jù),可參考本文提出的數(shù)據(jù)清單.此外,應(yīng)注意積累我國(guó)生活垃圾典型物理組分的化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù).

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Study on the moisture content and its features for municipal solid waste fractions in China.

YANG Na1, SHAO Li-ming2, HE Pin-jing2*

(1.Shenzhen Academy of Environmental Science, Shenzhen 518001, China；2.Institute of Waste Treatment and Reclamation, Tongji University, Shanghai 200092, China)., 2018,38(3)：1033~1038

Moisture content is one of the key parameters to forecast energy recovery potential and leachate generation potential during municipal solid waste treatment. To calculate the moisture content of mixed waste, a dataset of moisture content of individual fractions for Chinese waste was established through careful data screening. By utilizing this dataset to estimate moisture content of mixed waste in 20cities, the discrepancies between the estimated results and the laboratory-analyzed values were less than 10% in most cases. This was significantly lower than the estimated results using the datasets in Denmark and in the USA. Compared to the situation in developed countries, the moisture contents of paper, textiles, and plastics fractions were significantly higher for Chinese waste, due to water diffusion from food waste.

municipal solid waste；waste fraction；moisture content；datasets；water diffusion

X703.5

A

1000-6923(2018)03-1033-06

楊 娜(1986-),女,山東聊城人,工程師,博士,主要從事固體廢物處理與資源化研究.發(fā)表論文10余篇.

2017-07-31

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011CB201504, 2012CB719801);國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目(2015-4-1)

* 責(zé)任作者, 教授, solidwaste@#edu.cn