项目名称：生活垃圾能源化与资源化关键技术及应用
主要完成人：赵由才、陈泽智、赵爱华等
完成单位：同济大学、南京大学、上海市环境工程设计科学研究院有限公司、中国环境科学研究院等
所获奖项：2013年国家科技进步奖二等奖
项目简介：本项目系统地研发与应用了生活垃圾源头减量与废品回收、卫生填埋与填埋气利用以及焚烧发电、二次污染控制关键技术，使卫生填埋和炉排焚烧发电逐步成为我国生活垃圾大规模、快速消纳处置的两大主流技术。
赵由才教授
生活垃圾毫无疑问是每个市民都再熟悉不过的现象，然而也是大多数人不愿直面的现实。与工业垃圾、建筑垃圾有相对集中的生产者不同，居住在城市里的每个人都是生活垃圾的生产者。吃剩的食物、拆解的塑料、破碎的玻璃、损坏的家具、失修的电器，等等这些，每时每刻都出现在城市各个角落的垃圾箱里。老港填埋场，上海的几大垃圾归属地之一，填埋量已经累计达4000万吨。据报道，2014年上海每人每天产生的生活垃圾将控制在0.7公斤以下。增速虽然减慢，但考虑到上海的人口基数，不难想象总量在未来只会更加庞大。
“垃圾包围城市”
垃圾真正成为人们必须面对的城市问题其实只有30年的时间。1980年以前，由于工业化、城镇化程度不高，我国大部分城市的生活垃圾产量很少，而且大多不是成份复杂的难处理垃圾。30年前生活在农村的人们应该有印象，很多生活垃圾直接倾倒在粪池里，待到农田施肥时直接使用即可。
然而随着工业化、城镇化的铺开，垃圾农用已经成为不可能。垃圾体量增大，成份不再像过去那样简单，农田也渐渐被林立的建筑取代。从1984年开始，城市生活垃圾被纳入到城市统一管理范畴。从那时起，很多城市的周围都设置了大量简易堆场。但是随着垃圾堆置越来越多，堆场往往成了污水横流、苍蝇乱舞、臭气熏天的人迹难至之地。“垃圾包围城市”之说也自此出现。
更重要的是，城市垃圾组分的变化使得简单的堆放已经无法满足处理需求。在现代化的生活中，有机物、塑料、玻璃以及纸张所占垃圾的比例明显增长。这些化工产物必须通过物理、化学、生物等学科的复杂技术才能处理。一个城市的垃圾组成还依赖于当地的工业、文化、废弃物管理和气候等条件，欠发达地区有机质占到垃圾总量的20%，而上海、北京等大城市达到了70%，垃圾因此又具备了地方性特点。垃圾的这些特点，使得新型的垃圾处理方式，既需综合运用多学科的技术手段，还须考虑因地制宜的个性化要求。
仅仅靠技术专家的力量显然不够。垃圾问题是每个城市无法回避的民生问题，垃圾处理需要企业日常化地运作解决，因此除了依靠技术支撑，处理垃圾这样的项目，还需要政府相关部分的财政投入、设计院的方案设计、企业的常规化运营。这些单位机构，也是垃圾处理项目的当然参与者。而垃圾处理的难度，有时候也在于各个参与单位之间的平衡协调。
能回收的先回收
处理垃圾，首先是认清垃圾、细分垃圾。
垃圾分类的不同，决定了生活垃圾处理的方法和手段。结合城市生活垃圾处理处置方式，可以简单将一个城市的垃圾分为有机废物、无机废物和可回收废物。
垃圾在处理之前，如果能将其中可回收的废物回收，是最好不过的了。由于有一定的补贴政策，我们经常看到有人从垃圾桶里拣出饮料瓶，这类行为使这一类废物在进入垃圾处理场之前大部分得到了回收。
而项目组所要回收的范围，是已经进入垃圾场的废物。并非所有废物都能够得到处理或者都需要处理。比如塑料袋很难降解，处理起来也难；比如混迹垃圾中的砖块瓦砾，本身无害，并不需要处理。将这些废物挑选出来，需要一定的机械设备和技术。赵由才团队的技术手段，能够针对性地将生活垃圾中的塑料、橡胶、化学纤维以及纸张回收，而且回收率可达90%-95％。他们的技术手段也可以使垃圾中混杂的大部分无机物和大块砖石得到分离。经过这一程序，20%-30%的生活垃圾得以回收。也就是说，真正需要下一步处理的垃圾――末端处理量――将减少五分之一多。
末端处理一般使用化学、生物手段。按化学成分，垃圾可分为无机废物和有机废物――这种分类将决定生活垃圾是否能用微生物“吃掉”有机质的办法。按可燃性性能，垃圾分为可燃性废物和不可燃性废物――这种分类可以判断城市生活垃圾是否适合焚烧处理。
填埋，或者焚烧
以我国当前的经济发展背景，垃圾的处理方式主要就两种，填埋，或者焚烧。对于回收无用又无法焚烧的垃圾，填埋是最好的办法。
我国城市生活垃圾处理大致经历了垃圾农用、简易堆放、卫生填埋和可持续填埋等4个阶段。赵由才团队的项目，在可持续填埋方面，保证了安全可控且卫生的填埋并且能够充分利用填埋气发电，同时还做到了填埋的可持续。这里有四个关键词，“安全可控”、“卫生”、“充分发电”和“可持续”。“卫生”下文解释，这里先解释其他三个关键词。
关于安全可控填埋，主要是如何保证填埋场的稳定。垃圾经填埋后，大量的有机质需要用生物进行降解，再加上垃圾本身就有高含水率、高湿垃圾含量的特点，会不断有渗滤液、填埋气产生并排出。排水排气，填埋场势必会有沉降发生。
福建省宁德市生活垃圾焚烧发电厂国产化炉排现场。10年以前，我国生活垃圾焚烧发电厂炉排基本上全部依靠进口。在本项目的推动下，如今我国炉排国产化已经大幅度提升，焚烧厂建设与运行成本明显下降
赵由才团队操刀的亚洲最大填埋场――上海老港填埋场，既是实际的垃圾处理场，也是他们的观测平台。他们在此进行了为期20年的考察和研究，系统地建立了填埋场沼气量和浓度、渗滤液浓度衰减、表面沉降、垃圾组成及分子量分散度等与填埋时间的定量关系。将这一填埋场的研究结果与全国其他各地大、中、小填埋场现场进行取样分析结合，他们建立了填埋场的相关稳定化进程模型。
仅就上海老港填埋场而言，通过计算生活垃圾沉降与填埋时间关系，他们发现当表面沉降速度小于5厘米每年时，生活垃圾即达到结构上稳定，结合地基加固等工程措施，可以继续堆高而不会发生塌方、作业机械下陷等严重危害填埋作业的问题。
此即“安全可控”。
对于垃圾处理来说，人们并非必须被动地等待填埋场自然稳定。赵由才团队开发了集排水集气功能于一体的排水集气井，实现堆体内水分的高效排出和填埋气的高效收集。水分的排出使得填埋场更加稳定，而填埋气的高效收集则有利于提高发电效率。利用填埋气发电，是人们较为熟悉的概念，但如何提高填埋气的利用率，则需要不断地改进技术手段和收集方法。这也正是赵由才团队所一直努力的。
此即“充分发电”。
排出水分、抽走气体，是为了填埋场的稳定和发电的需要。而填埋的垃圾的最终处理要靠生物降解。提供何种微生物进行如何处理，需要针对垃圾成分不断摸索，“对症下药”。而经过一定时间的生物降解后，填埋的垃圾将趋于稳定，乃至矿化。
项目组经过长期的对比观察分析，发现我国南方地区填埋场填埋8-10年生活垃圾的有机质含量约9%-15%，有机无机复合量为2.2%-3.2%，此时，生活垃圾转化为稳定的矿化垃圾。矿化垃圾这一概念在国内就是由赵由才课题组首次提出的。他们认为，填埋场封场数年后,垃圾中易降解物质完全或接近完全降解,垃圾填埋场表面沉降非常小,垃圾本身已很少或不产生渗滤液和填埋气,垃圾中可生物降解含量较小,渗滤液中化学需氧量浓度较低,垃圾填埋场达到稳定化状态即无害化状态,此时填埋场内的垃圾即为矿化垃圾。
填埋场垃圾一旦矿化，还可以再次回收。在矿化垃圾中回收塑料、橡胶、化学纤维废品等有机垃圾的同时，也释放出了填埋容量、修复了堆场。填埋场越来越大，总有一天我们的土地会被垃圾完全占领。而通过对矿化垃圾的回收处理，则会使填埋场不至于过快扩容。
此即“可持续”。
赵由才团队的卫生填埋与填埋气利用技术，已经在国内得到了广泛的认可。他们首先将其应用于上海老港填埋场，随后更是推广应用到了23个直辖市和省会城市以及95个地县级市的160座卫生填埋或填埋气利用工程。
焚烧，是与填埋并列的另一种主流垃圾处理方式。
对于一些没有回收价值又可以焚烧的垃圾来说，焚烧将不会有填埋所带来的占地问题。垃圾焚烧的三个关键词是：脱水、发电和清洁。
生活垃圾含水率随生物堆酵时间的延长而降低，项目组在大量的观测基础上，确定我国南方地区生物堆酵脱水适宜时间为5天，辅助以原位机械脱水，生活垃圾含水率可从60%-65%降到47%-53%。项目组在生活垃圾源头脱水与焚烧发电方面，开发了适合我国生活垃圾特点的垃圾仓生物堆酵与机械压榨联合技术，并且引进吸收了相关的设备，使得吨生活垃圾的焚烧发电量提高10%-22％以上，实现了大型焚烧厂长时间、高效稳定运行。
课题组针对我国生活垃圾特点研发的焚烧发电关键技术与设备，已经成功应用于上海也是我国最早建设和运行的二座现代化千吨级生活垃圾焚烧发电厂，另外在成都、青岛等34座千吨级焚烧发电厂也进行了推广应用。
与垃圾场做邻居的前提
在垃圾填埋和焚烧的过程中，二次污染是周边居民最为直观的印象，比如四处乱飞的苍蝇，刺鼻难闻的气味、浑浊渗流的污水。填埋场注重的“卫生”，焚烧场注重的“清洁”，都属于二次污染的解决问题。
在现有国情和发展阶段下，无论垃圾处理厂建在哪里，一定都会引发周边居民的反感和反对。相对而言，发达国家较少这方面的问题。发达国家上世纪六七十年代的时候已经把填埋场焚烧厂都建好，而且有一些还建在市中心。据说这样设立是因为石油危机。由于石油缺乏，居民冬季供暖困难，政府因此建议就近燃烧垃圾以供暖。当时的垃圾并没有特别严重污染，所以居民也愿意垃圾处理场建在居民区附近甚至市中心。好在后来西方国家更加注重环保，这些建设于市区或者居民区的垃圾处理场也并没有得到过分的埋怨。时隔二十多年后，垃圾已经变的很具污染性，彼时我们国家才刚刚开始建场，有矛盾出现也就在所难免了。
对垃圾处理场的排斥，也使得填埋场、焚烧场的二次污染处理显得尤其重要。总的来说，垃圾处理场所带来的二次污染主要有四种：尾水、尾气、废渣和恶臭。
如果防渗措施不到位，生活垃圾填埋场和焚烧厂渗滤液就会污染周边环境。解决的办法，是针对渗滤液进行消解。渗滤液中的还原性物质以有机碳类物质与非碳类物质并重，渗滤液中金属的形态主要以碳酸盐、碳酸氢盐、溶解性有机物等为主，且无机态的碳酸盐形式所占比例较大。根据这些成分，对应性地使用化学、生物方法，尾水即可以控制在可容忍的范围内。
上海老港固体废物处理基地。该基地是本项目的主要研发与示范应用实例，是世界上规模最大的生活垃圾能源化与资源化企业，为我国生活垃圾处理事业的发展起到了示范性和先导性作用
填埋过程产生的气体主要是甲烷。甲烷虽然对人基本无毒，但其浓度过高，将导致空气中氧含量明显降低，使人窒息。为解决填埋场填埋前后期，低甲烷浓度填埋气的无序排放问题，项目组通过生物方法，开发了含大量可高效氧化甲烷的微杆菌和金黄杆菌，能够使甲烷氧化率达99%，而在填埋场沼气管周围配置50厘米矿化垃圾材料，辅以定期喷洒低成本的某种营养液，也可使沼气管90%低浓度甲烷被氧化为二氧化碳。
生活垃圾焚烧之后的烟气和飞灰，是重要污染源。项目组开发了焚烧厂炉渣制建材和路基的资源化技术，废物利用，免除了灰渣的污染。另外针对飞灰中有害的二噁英和超标重金属，项目组也通过喷洒化学试剂，对其实施了回收。
对于垃圾填埋场，人们最为直观的感受可能就是恶臭了。恶臭的形成有各种不同的原因。项目组通过长时间不间断的观测和研究，查明了生活垃圾处置现场不同过程释放的恶臭组成，通过研发氢氧化铁悬浮液和植物提取液等适合于不同臭气源特征的控制技术与药剂，项目组让恶臭削减率超过60%。恶臭引来苍蝇蚊子，项目组又经过持续现场观测和实验室模拟蚊蝇的生命周期，发现清晨由于露水附着，蚊蝇集中附着生活垃圾，通过他们发明的两性灭蚊药剂的定时喷洒，使蚊蝇产生数量下降了60%。
当然，由于每个垃圾处理场的独特性，即便一些技术非常成熟，在具体的实施中也难免不尽如人意。无论国内外，概莫能外，这大概就是发展的代价，我们无法回避。
拔河绳子上面的标志带
从1984年建设部提出“我国城市垃圾治理近期以卫生填埋和高温堆肥为主，有条件的地方还可以发展焚烧技术”，到1986年全国环境保护委员会提出“我国城市垃圾治理以减量化、资源化、无害化为最终目的”，再到1995年我国颁布《中华人民共和国固体废弃物污染环境防治法》规定“城市生活垃圾应当及时清运，并积极开展合理利用和无害化处置。城市生活垃圾应当逐步做到分类收集、储存、运输和处置”，国家对于城市生活垃圾处理的要求越来越明确和严格。
这背后有人们环保意识增强的主动诉求，更有城市污染必须直面解决的迫切压力。随着城市的发展，垃圾已经与废气、废水、噪声并驾齐驱，其治理甚至超过了废水的建设投资和运营投入。据说，就上海而言，每年在垃圾处理方面的财政投入已达几十亿元人民币。然而垃圾的资源化和能源化，真正实施起来绝非易事。回收、填埋和焚烧，每一种处理方式都包含一定的技术和设备支撑，再加上复杂的二次污染处理，其中的技术难度可想而知。况且垃圾问题还是民生问题、经济问题以及社会问题，这些问题的组合要比纯粹的技术难题更具挑战性了。
新城镇化正在展开，美丽中国正在建设。在如此的国情和时代背景下，垃圾处理无疑问已经成为了全民议题。每天持续不断产生的垃圾，仿佛拔河比赛中绳子上的中间红带，在左右的摇摆中不断考验着发展与环保之间的拉力。垃圾处理，依然任重而道远。