城市多源固廢協(xié)同利用與區(qū)域綠色循環(huán)發(fā)展研究
——以東莞海心沙國家資源循環(huán)利用示范基地為例

石垚 李會泉,3* 陳少華 陳偉強(qiáng) 熊彩虹 李松庚 汪印 錢鵬 李雙德華超 陸平 劉宇鵬 張晨牧 褚建文 盧新

1 中國科學(xué)院過程工程研究所 中國科學(xué)院綠色過程與工程重點實驗室 北京 100190

2 戰(zhàn)略金屬資源綠色循環(huán)利用國家工程研究中心 北京 100190

3 中國科學(xué)院大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 北京 100049

4 中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所 中國科學(xué)院城市固體廢棄物資源化技術(shù)工程實驗室/中國科學(xué)院污染物轉(zhuǎn)化重點實驗室 廈門 361021

5 廣東東實環(huán)境股份有限公司 東莞 412007

城市固廢污染防治是改善水、大氣和土壤環(huán)境質(zhì)量，加強(qiáng)防范環(huán)境風(fēng)險的必然要求，維護(hù)人體健康的重要保障。我國城市固廢污染防治工作起步晚、基礎(chǔ)薄弱、歷史欠賬多，在城市固廢污染防治方面仍存在明顯不足，面臨的環(huán)境風(fēng)險依然嚴(yán)峻[1]。然而，城市固廢中又蘊(yùn)含著豐富的可回收物質(zhì)和能量，如果能夠清潔高效地加以利用，不僅有利于解決我國城市固廢重大污染問題，還是緩解我國資源能源短缺瓶頸的重要突破口[2]。另外，實現(xiàn)城市固廢資源的有效回收，既能夠提升我國資源循環(huán)效率，減少我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展對原生資源的依賴，保障國家資源安全，又能緩解實現(xiàn)碳中和目標(biāo)可能面臨的資源約束問題[3]。習(xí)近平總書記多次就發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、推進(jìn)城市固廢處置利用作出重要批示，黨的二十大報告中提出“加快構(gòu)建廢棄物循環(huán)利用體系”“積極穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和”等重大戰(zhàn)略部署[4]，并強(qiáng)調(diào)實施全面節(jié)約戰(zhàn)略，推進(jìn)各類資源節(jié)約集約利用。因此，開展廢棄物資源綜合利用是我國深入實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系、實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和（以下簡稱“雙碳”）目標(biāo)的重要途徑之一。

目前，我國城市固廢來源廣、數(shù)量大、種類多，其綜合處置模式多以分散化、單一化為主。在該模式下，一方面各城市固廢處置單元之間很難通過物質(zhì)、能量代謝的協(xié)同實現(xiàn)資源能源效率的最優(yōu)，另一方面也不利于各管理部門對城市固廢處置全生命周期實施精細(xì)化的監(jiān)管。美國、日本、歐盟等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)通過系統(tǒng)部署新一輪循環(huán)經(jīng)濟(jì)行動計劃，通過數(shù)字、生物、能源、材料等前沿技術(shù)深度融合，以及重構(gòu)知識產(chǎn)權(quán)與標(biāo)準(zhǔn)體系，形成了一批處于壟斷地位的循環(huán)經(jīng)濟(jì)核心技術(shù)和裝備[5,6]。我國循環(huán)經(jīng)濟(jì)總體技術(shù)與工藝研究已經(jīng)整體接近、部分達(dá)到國際先進(jìn)水平，但全過程源頭減量減害、高質(zhì)量循環(huán)利用方面仍然差距較大。因此，本文在系統(tǒng)梳理我國城市固廢綜合處置方式及其存在的問題，尤其是“雙碳”背景下所面臨的重大挑戰(zhàn)基礎(chǔ)上，依托中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（A類）“美麗中國生態(tài)文明建設(shè)科技工程”（以下簡稱“美麗中國專項”）等支持，提出并構(gòu)建了以集中化、資源化、綠色化、智慧化為特征的城市多源固廢循環(huán)經(jīng)濟(jì)處置模式；并以位于粵港澳大灣區(qū)唯一的國家級資源循環(huán)利用基地——東莞海心沙國家資源循環(huán)利用示范基地（以下簡稱“海心沙基地”）建設(shè)為例，闡述了在整合現(xiàn)有生活垃圾焚燒發(fā)電、危險廢物安全焚燒等項目基礎(chǔ)上，如何通過突破焚燒飛灰-餐廚沼渣-市政污泥協(xié)同熱解碳化、電子污泥-廢催化劑-廢活性炭協(xié)同熔煉金屬富集、全過程代謝模擬數(shù)字孿生等一系列固廢集約化協(xié)同處置關(guān)鍵技術(shù)、裝備及軟硬件系統(tǒng)的開發(fā)和集成應(yīng)用，大幅提升示范基地的資源能源綜合回收效率和降低區(qū)域環(huán)境綜合影響水平。以此，為我國從根本上解決固廢復(fù)雜問題、促進(jìn)無廢城市和“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)，提供新的模式和路徑。

1 城市多源固廢處置現(xiàn)狀、問題及挑戰(zhàn)

城市固廢有廣義和狹義之分，學(xué)術(shù)界一般采用狹義的概念，即特指人們生活活動中所產(chǎn)生的固體廢物（municipal solid waste），主要有居民生活垃圾、商業(yè)垃圾和清掃垃圾，以及糞便和污水廠污泥[7]，另外生活垃圾經(jīng)分類回收的各種金屬、塑料、紙屑等廢品也屬于此類范疇。而廣義的城市固廢是指在生產(chǎn)、生活及其他活動過程中產(chǎn)生的喪失原有的利用價值或者雖未喪失利用價值但被拋棄或者放棄的固體、半固體，置于容器中的氣態(tài)物品物質(zhì)，以及法律法規(guī)規(guī)定納入廢物管理的物品物質(zhì)[8]，一般包括城市生活垃圾、城市建筑垃圾、一般工業(yè)固體廢物和危險固體廢物四大類。工程技術(shù)領(lǐng)域一般采用廣義的城市固廢概念，尤其是針對我國目前“無廢城市”“無廢社會”的建設(shè)目標(biāo)，需要將城市生活源有機(jī)固廢、城市礦產(chǎn)類固廢、工業(yè)源一般和危險廢物統(tǒng)籌考慮進(jìn)行協(xié)同處置。

1.1 生活源有機(jī)固廢的能源化處置

生活源有機(jī)固廢主要指人類生產(chǎn)生活中產(chǎn)生的廚余垃圾、餐飲垃圾和城市污泥等，具有組分復(fù)雜、含水率高、易腐敗等特性；有機(jī)固廢的傳統(tǒng)處置方法以填埋和焚燒為主，厭氧發(fā)酵等資源能源協(xié)同利用技術(shù)發(fā)展迅速。發(fā)達(dá)國家在該領(lǐng)域核心技術(shù)和裝備方面仍處于領(lǐng)先地位，其有機(jī)固廢處理方面的研究已從傳統(tǒng)的減量化、資源化和無害化向深度資源化、智慧化、能源化發(fā)展，逐步形成了有機(jī)固廢生物資源能源化、多種有機(jī)固廢協(xié)同處理和高參數(shù)智能發(fā)電的綜合處理模式[9-12]。

我國已實施了促進(jìn)生活源有機(jī)固廢資源回收的策略，以應(yīng)對快速工業(yè)化和城市化帶來的資源短缺問題[13,14]，但在其資源能源化利用方面與發(fā)達(dá)國家相比還存在一定差距。① 我國有機(jī)固廢焚燒基礎(chǔ)研究起步較晚，原始創(chuàng)新能力不足，現(xiàn)有技術(shù)主要依靠引進(jìn)、消化和再創(chuàng)新。經(jīng)過30年的發(fā)展，系統(tǒng)整體運(yùn)行水平雖已接近國際先進(jìn)水平，但在發(fā)電效率、智能化控制、污染排放等方面仍存在短板。② 我國在厭氧發(fā)酵等生活源有機(jī)固廢資源化利用技術(shù)領(lǐng)域，產(chǎn)氣率低、氣化焦油處置率低、沼氣發(fā)電效率低等關(guān)鍵問題還未完全解決。例如，國際上大力推廣的干發(fā)酵技術(shù)[15]，我國在穩(wěn)定性和連續(xù)性、產(chǎn)氣效率等方面也還存在明顯不足。

1.2 城市礦產(chǎn)類固廢的資源化處置

城市礦產(chǎn)主要指產(chǎn)生和蘊(yùn)藏于城市固廢中可循環(huán)利用的鋼鐵、金屬、塑料和橡膠等資源，其具有顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境價值屬性[16,17]。發(fā)達(dá)國家在城市礦產(chǎn)廢舊產(chǎn)品智能拆解高端再造、新能源器件綜合回收與循環(huán)利用、有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料高效環(huán)保熱解與資源回收等方面取得突破性進(jìn)展。例如，德國在高鐵及航空發(fā)動機(jī)拆解回收和再制造領(lǐng)域已形成了完整的管理體系和技術(shù)保障[18,19]；比利時Umicore 公司采用專用豎爐實現(xiàn)了廢舊三元鋰電進(jìn)行高效解離[20]；美國東北大學(xué)開發(fā)的熱解油高效回收裝置，可生產(chǎn)高值化燃料油[21]。

在國家發(fā)展和改革委員會、財政部支持下，我國已建立多個城市礦產(chǎn)示范基地，促進(jìn)了我國城市礦產(chǎn)類固廢資源循環(huán)利用體系的建設(shè)。但我國仍缺乏廢舊產(chǎn)品及零部件高質(zhì)循環(huán)利用的有效途徑，與國外數(shù)字技術(shù)驅(qū)動的循環(huán)經(jīng)濟(jì)差距還十分明顯。尤其在報廢新能源汽車拆解利用、航空發(fā)動機(jī)葉片修復(fù)、退役動力電池有價金屬回收、退役復(fù)合器件/材料熱解裝備智能調(diào)控配伍與穩(wěn)定運(yùn)行等方面，急需二次資源高溫-超高溫精煉提質(zhì)提純、高純材料構(gòu)效精確調(diào)控等一些關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，以及系統(tǒng)集成優(yōu)化和先進(jìn)過程控制能力的提升。

1.3 工業(yè)源危險廢物的安全化資源化處置

工業(yè)源危險廢物是指在工業(yè)生產(chǎn)活動中排放的廢渣、飛灰、粉塵和廢有機(jī)溶劑等，包含46 大類467種，具有種類繁多、成分復(fù)雜和環(huán)境風(fēng)險高等特點。工業(yè)源危險廢物主要以填埋、焚燒和物化等安全化處置方式為主[22]。例如，水泥窯協(xié)同處置作為一種典型工業(yè)危廢資源化技術(shù)，在進(jìn)行水泥熟料生產(chǎn)的同時可實現(xiàn)對危險固廢的無害化處置[23]。發(fā)達(dá)國家在此領(lǐng)域通過構(gòu)建復(fù)雜難用工業(yè)固廢/危廢多產(chǎn)業(yè)協(xié)同利用模式，實現(xiàn)了資源單一利用向多資源跨行業(yè)分質(zhì)協(xié)同、大規(guī)模增值利用的根本性轉(zhuǎn)變。以比利時Umicore 公司為代表的熔池協(xié)同熔煉技術(shù)，可處理幾十種電子廢棄物，同時回收17種有價金屬[20]；美國稀土公司采用膜輔助萃取技術(shù)回收釹鐵硼等廢材，實現(xiàn)稀土綜合回收率達(dá)95%以上[24]。

經(jīng)過多年發(fā)展，目前我國基本形成了以“共性處置技術(shù)為主，大力發(fā)展多源固廢資源化和協(xié)同處置技術(shù)”的多種方式并存的格局，基本實現(xiàn)了危險廢物規(guī)范化和無害化管理。但針對新興產(chǎn)業(yè)危險廢物，尤其是含戰(zhàn)略金屬類危險廢物的資源回收技術(shù)較為缺失。在城市多源含金屬類固/危廢物協(xié)同冶煉技術(shù)、材料、核心部件、高端設(shè)備方面，我國與國際先進(jìn)水平差距明顯，不同種類戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)廢料短流程深度分離—精煉熔煉—產(chǎn)品增值純化利用是未來主要方向。

1.4 綠色低碳循環(huán)體系下的問題挑戰(zhàn)

在國家一系列固廢資源環(huán)境相關(guān)政策的引導(dǎo)下，我國目前基本實現(xiàn)了一般固廢能源化、資源化和危險廢物的無害化處置，降低了固廢處理處置過程中帶來的環(huán)境影響和健康風(fēng)險。但在城鎮(zhèn)化建設(shè)加速發(fā)展和工業(yè)轉(zhuǎn)型快速升級過程中，尤其是在我國綠色循環(huán)、減污降碳新政策要求下，遠(yuǎn)不能實現(xiàn)多源固廢綜合協(xié)同治理與資源高效節(jié)約循環(huán)利用目標(biāo)，構(gòu)建廢棄物循環(huán)利用體系還存在一些挑戰(zhàn)。

（1）協(xié)同化處置未形成共識。我國不同類型固體廢棄物管理歸口不同部門，無法統(tǒng)一統(tǒng)籌協(xié)調(diào)管理，因此城市多源固廢的協(xié)同化處置也很難推動落實。另外，由于政府部門針對固廢處置行業(yè)在宏觀調(diào)控和市場競爭平衡方面存在一定分歧，多源固廢協(xié)同化處置也較難形成共識。

（2）管理政策體系有待完善。我國出臺了許多固廢治理與污染防治相關(guān)政策文件，從國家層面已初步形成相對完整的固廢管理制度體系。但大多地區(qū)尚未結(jié)合自身產(chǎn)業(yè)特點和環(huán)境管理現(xiàn)狀，配套出臺具有地域適用性及可操作性的固廢綜合利用和處理處置方案，尤其是“互聯(lián)網(wǎng)+”等數(shù)字化管理制度體系，以及集約化協(xié)同鏈接技術(shù)體系建設(shè)方面還存在一定缺失。

（3）處置利用能力不平衡。近年來，我國各地陸續(xù)建成城市危險廢物焚燒、填埋、水泥窯協(xié)同等綜合性處置項目。從全國總體來看處理能力基本達(dá)到飽和，但區(qū)域發(fā)展的不平衡導(dǎo)致部分地區(qū)危廢處理能力還存在較大缺口[25]。部分地區(qū)，尤其是東部沿海城市化工業(yè)化水平較高城市，建成的危險廢物綜合利用項目因市場不合理競爭，以及跨省轉(zhuǎn)移政策壁壘等問題，無法實現(xiàn)盈利性健康發(fā)展。

（4）高值化智能化利用水平低。目前，我國大宗工業(yè)固廢主要以生產(chǎn)中低端建材產(chǎn)品為主，缺乏先進(jìn)工藝裝備支撐下的固廢高值化利用產(chǎn)品轉(zhuǎn)化技術(shù)，尤其是含金屬類的工業(yè)固廢；而城市礦產(chǎn)類固廢也存在同樣的困境，這將成為制約我國未來戰(zhàn)略金屬資源二次開發(fā)利用與安全儲備的重要問題。

2 “美麗中國專項”支撐海心沙基地建設(shè)

粵港澳大灣區(qū)是國家“十三五”期間規(guī)劃打造的世界級城市群。系統(tǒng)開展粵港澳大灣區(qū)多源城市固廢高效循環(huán)利用和污染協(xié)同智能控制，不僅是重點地區(qū)固廢污染、治理工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的現(xiàn)實需求，更是服務(wù)、支撐我國資源循環(huán)利用體系建立的戰(zhàn)略需求?；诖耍懊利愔袊鴮ｍ棥敝小盎浉郯拇鬄硡^(qū)城市群生態(tài)建設(shè)工程與生態(tài)系統(tǒng)智能管理示范”項目專門設(shè)立了“粵港澳大灣區(qū)城市群資源循環(huán)利用與綠色發(fā)展技術(shù)裝備集成及示范”課題，以期從大灣區(qū)城市固廢資源環(huán)境屬性特點、建設(shè)世界級城市群的固廢無害化處理處置需求出發(fā)，開展生活垃圾等城市有機(jī)固廢及危險廢物的高效高值化轉(zhuǎn)化與污染協(xié)同控制等關(guān)鍵共性技術(shù)、裝備研發(fā)，以及區(qū)域資源循環(huán)利用與污染智能管控整體解決方案設(shè)計研究。上述關(guān)鍵共性技術(shù)、裝備的集成及整體解決方案的成功應(yīng)用，將為破解垃圾處置“鄰避效應(yīng)”、明顯提高粵港澳大灣區(qū)城市資源利用效率等方面提供技術(shù)支撐，保障國家對垃圾焚燒飛灰安全處置、新興金屬基危險廢物高效清潔資源化利用的嚴(yán)格落實。

海心沙基地占地716 畝，總投資約50 億元人民幣，綜合處理包括生活垃圾、餐廚垃圾、26類危險廢棄物共100 萬噸/年（圖1）。自2019 年“美麗中國專項”啟動以來，“粵港澳大灣區(qū)城市群資源循環(huán)利用與綠色發(fā)展技術(shù)裝備集成及示范”課題牽頭單位中國科學(xué)院過程工程研究所，聯(lián)合中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所圍繞基地項目建設(shè)實際需求，重點開展了以市政污泥、餐廚沼渣、垃圾焚燒飛灰等為代表的有機(jī)固廢循環(huán)利用，以電子污泥、廢礦物油等為代表的城市礦產(chǎn)循環(huán)利用，以及城市多源固廢循環(huán)利用全過程智能監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)和裝備的研發(fā)，支撐基地建成13 萬噸/年電子污泥火法熔煉金屬再生、5萬噸/年廢礦物油資源化再生利用、1 萬噸/年飛灰-沼渣-污泥協(xié)同資源化處理、100 萬噸/年城市多源固廢轉(zhuǎn)化一體化智能管控四大示范工程。以此全面支撐海心沙基地100 萬噸級城市多源固廢資源循環(huán)利用集成示范建設(shè)，并最終形成適用于粵港澳大灣區(qū)城市群，并可向全國推廣的多源固廢集中化循環(huán)利用與綠色發(fā)展系統(tǒng)解決方案。

2.1 固廢資源能源綠色高效轉(zhuǎn)化

（1）污泥-沼渣-飛灰協(xié)同利用關(guān)鍵技術(shù)。城市污泥的處理與處置是國家環(huán)保督察的重點，餐廚垃圾厭氧過程易酸化副產(chǎn)大量需要二次處理的沼渣，以及垃圾焚燒量的持續(xù)提高導(dǎo)致了飛灰產(chǎn)量的快速增加。針對以上城市生活源固體廢物處置過程產(chǎn)生的問題，本研究在污泥-沼渣-飛灰低碳協(xié)同資源化利用方面突破了相關(guān)技術(shù)瓶頸，取得了一系列技術(shù)成果：含水率80%的污泥或沼渣一次性脫水降低到40%以下；餐廚垃圾廢油脂的生物塑料（PHA）轉(zhuǎn)化率達(dá)到60%以上；電化學(xué)強(qiáng)化的污泥/餐廚垃圾水熱液微生物厭氧發(fā)酵化學(xué)需氧量（COD）去除率達(dá)到85%以上，沼氣中甲烷含量最高達(dá)到90%；污泥和沼渣在600℃左右的溫度下熱分解，得到生物炭固體物質(zhì)，其中的抗生素被100%去除，重金屬穩(wěn)定固化超過85%，營養(yǎng)元素中的氮、磷、鉀約80%被固持在生物炭中；污泥減量化達(dá)到90%以上。焚燒飛灰與污泥/沼渣混合水熱后固相的熱解炭中含氯量小于2.0%、重金屬浸出性減少85%、二噁英去除率>99.9%，高溫?zé)Y(jié)制備出的陶粒滿足GB/T 17431.2—2010《輕集料及其試驗方法》要求，達(dá)到飛灰的全量資源化利用目標(biāo)（圖2a）。該技術(shù)在海心沙基地已完成萬噸級工業(yè)示范應(yīng)用。

（2）含銅污泥火法熔煉關(guān)鍵技術(shù)?；浉郯拇鬄硡^(qū)是我國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要集聚區(qū)，金屬表面處理、電鍍、印刷電路板和電線電纜生產(chǎn)廢水處理過程中產(chǎn)生大量的含銅、含鎳污泥。本研究通過含銅電子污泥富氧熔煉實驗室小試和擴(kuò)試工藝的大量研究，探明了富氧濃度、熔煉溫度等關(guān)鍵工藝參數(shù)對冰銅品位和渣相控制的影響機(jī)制，實現(xiàn)了含銅污泥富氧側(cè)吹熔煉溫度1 200℃—1 350℃、富氧濃度26%—28%條件下，銅回收率比現(xiàn)有普通空氣鼓風(fēng)吹煉工藝提高2%以上，床能力提高28%以上水平（圖2b）。該技術(shù)及中試裝備已應(yīng)用在海心沙基地火法熔煉車間，支撐了10 萬噸級含銅污泥富氧熔煉工程的工藝優(yōu)化驗證。

（3）廢棄潤滑油/礦物油資源化關(guān)鍵技術(shù)。針對粵港澳大灣區(qū)廢礦物油回收的全分子蒸餾工藝路線不成熟且設(shè)備投資大的問題，本研究開發(fā)了廢棄潤滑油/礦物油資源化核心技術(shù)（IPE-Reyoil-Tech），實現(xiàn)了有價組分回收率＞85%，裝置正常運(yùn)行時間較傳統(tǒng)工藝提高了50%（圖2c）。該技術(shù)在海心沙基地已完成5萬噸級示范工程應(yīng)用。

2.2 固廢轉(zhuǎn)化過程污染協(xié)同治理

固廢資源能源轉(zhuǎn)化過程同樣會造成較為嚴(yán)重的水、氣二次污染問題，區(qū)別于傳統(tǒng)的污染控制技術(shù)，固廢轉(zhuǎn)化過程的污染協(xié)同治理，一般具有以廢治廢的典型特征。

（1）光熱催化分散揮發(fā)性有機(jī)物（VOCS）高效凈化關(guān)鍵技術(shù)。針對城市多源固廢，尤其是含揮發(fā)性有機(jī)物的危險廢物集中處置全過程產(chǎn)生的VOCS高效治理，本研究以MnOX、CoOX、CoAl2O4及貴金屬鉑（Pt）、鈀（Pd）、釕（Ru）等具有催化氧化功能的物質(zhì)為光致熱催化材料的活性組分，從中篩選出具良好VOCS催化降解性能的物質(zhì)，制備得到整體式光致光熱催化劑（圖3a）。同時開發(fā)了3 000立方米/小時吸附催化耦合間歇凈化加熱設(shè)備，該技術(shù)裝備集成了電熱金屬快速升溫、金屬蜂窩催化劑低阻、高導(dǎo)熱且單位體積比表面積大等優(yōu)勢。該技術(shù)裝備已應(yīng)用在海心沙基地危險廢棄物丙類倉庫，并實現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，總揮發(fā)性有機(jī)組分凈化效率達(dá)到≥90%水平。

圖2 典型城市多源固廢資源能源綠色高效轉(zhuǎn)化關(guān)鍵技術(shù)Figure 2 Resources and energy green efficient conversion technologies for typical urban multi-source solid waste（a）污泥-沼渣-飛灰協(xié)同利用關(guān)鍵技術(shù)；（b）含銅污泥火法熔煉關(guān)鍵技術(shù)；（c）廢棄潤滑油/礦物油資源化關(guān)鍵技術(shù)(a) Municipal sludge-biogas residue-fly ash collaborative utilization technology; (b) Copper containing sludge pyrometallurgical smelt‐ing technology; (c) Waste lubricating/mineral oil recycling technology

（2）生物炭廢水深度凈化關(guān)鍵技術(shù)。固廢轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的污泥沼渣，經(jīng)熱解生成生物炭吸附劑后，開展吸附處理高鹽工業(yè)廢水技術(shù)的研發(fā)。本研究自行設(shè)計、建設(shè)了一套5立方米/天生物炭深度凈化廢水現(xiàn)場驗證評價裝置，配備3 臺相同規(guī)格總填裝量300 千克的活性炭吸附過濾罐。以海心沙基地物化單元產(chǎn)生的高鹽污水及其他單元產(chǎn)生的低鹽污水混合物為目標(biāo)廢水，開展了污泥基生物炭及商業(yè)活性炭的吸附對比評價驗證（圖3b）。該技術(shù)及裝備已應(yīng)用在海心沙基地廢水處理車間，實現(xiàn)了入水COD由554毫克/升降至356 毫克/升，COD 脫除能力達(dá)到商業(yè)活性炭的75%，表現(xiàn)出優(yōu)異的多種污染物協(xié)同脫除效果。

2.3 全過程資源能源環(huán)境智能管控

（1）固廢高毒害組分X 射線熒光光譜在線檢測（在線XRF）技術(shù)。粵港澳大灣區(qū)多金屬渣塵泥類固廢年產(chǎn)生量近300 萬噸，綜合利用率不足40%，資源循環(huán)利用潛力大，而資源轉(zhuǎn)化過程關(guān)鍵組分在線監(jiān)測與數(shù)字化管控技術(shù)的突破是實現(xiàn)其清潔高效循環(huán)利用的關(guān)鍵?；诖?，本研究突破了固廢標(biāo)準(zhǔn)樣品原位高均勻自動制備、關(guān)鍵元素光譜自動濾波校準(zhǔn)、徑向基函數(shù)（RBF）自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)定量等關(guān)鍵技術(shù)，研制了適用于工業(yè)多場景的“樣品取樣—預(yù)處理—檢測分析—精準(zhǔn)定量”全自動一體化固體物料高精度在線快速檢測分析儀器裝備，實現(xiàn)了復(fù)雜相態(tài)物料在線XRF檢測新裝置在海心沙基地現(xiàn)場的首臺套應(yīng)用，檢測精度與國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ 781—2016《固體廢物22 種金屬元素的測定電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》方法對比達(dá)到92%以上水平，檢測頻率達(dá)到3次/小時（圖4a）。該技術(shù)裝備已安裝在海心沙基地含銅污泥火法熔煉示范工程現(xiàn)場并連續(xù)運(yùn)行，并通過與分散控制系統(tǒng)（DCS）的集成，為富氧側(cè)吹爐的穩(wěn)定運(yùn)行和智能配伍提供了重要工藝參數(shù)支撐。

圖3 典型城市多源固廢資源能源轉(zhuǎn)化過程污染協(xié)同治理關(guān)鍵技術(shù)Figure 3 Resources and energy conversion and pollution collaborative control technologies for typical urban multi-source solid waste（a）光熱催化VOCS高效凈化關(guān)鍵技術(shù)；（b）生物炭廢水深度凈化關(guān)鍵技術(shù)(a) Photothermal catalytic VOCS purification technology; (b) Pyrolysis biocha for wastewater deep purification technology

（2）城市多源固廢資源能源環(huán)境轉(zhuǎn)化一體化智能管控技術(shù)。本研究針對固廢資源能源轉(zhuǎn)化效率低、智能管理時效性差等問題，基于大數(shù)據(jù)迭代挖掘分析的物質(zhì)能量代謝模擬算法，實現(xiàn)關(guān)鍵物質(zhì)、能量、元素流股的流向、流量動態(tài)模擬預(yù)測，數(shù)據(jù)運(yùn)算頻次>10分鐘/次（圖4b）。與此同時，開發(fā)了城市多源固廢資源能源環(huán)境轉(zhuǎn)化一體化智能管控系統(tǒng)，實現(xiàn)了多源城市固廢物料轉(zhuǎn)化的實時動態(tài)模擬、關(guān)鍵資源環(huán)境元素全過程跟蹤等應(yīng)用功能部署與建設(shè)。并在海心沙基地建成了100萬噸/年城市多源固廢資源能源環(huán)境轉(zhuǎn)化一體化智能管控平臺示范工程。

2.4 固廢代謝效率綜合分析評價

圖4 城市多源固廢資源能源環(huán)境轉(zhuǎn)化一體化智能管控關(guān)鍵技術(shù)Figure 4 Resources energy and environment integrated intelligent control technologies for urban multi-source solid waste conversion（a）固廢組分在線XRF檢測技術(shù)；（b）城市多源固廢資源能源環(huán)境轉(zhuǎn)化一體化智能管控技術(shù)(a) XRF online detection technology for solid waste component; (b) Integrated intelligent control technology for urban multi-source solid waste

根據(jù)城市多源固廢處置系統(tǒng)代謝結(jié)構(gòu)，結(jié)合國內(nèi)外傳統(tǒng)固廢處置模式，以及“美麗中國專項”成果在海心沙基地實施前后各單元實際處置情況，將城市多源固廢處置模式分成3 種情景；從物質(zhì)流分析及投入產(chǎn)出理論視角出發(fā)，結(jié)合全生命周期評價（LCA）和能量守恒定律構(gòu)建了相應(yīng)的分析框架及其評價指標(biāo)體系，并借助Simapro 和Matlab 軟件，從資源利用、環(huán)境影響和能量效率角度對其進(jìn)行了多維績效評價[26]。其中，固廢單獨處置情景，即我國大多城市多源固廢傳統(tǒng)的單一處置模式；固廢物質(zhì)協(xié)同處置情景，即本研究項目實施前海心沙基地的城市多源固廢處置模式；固廢物質(zhì)能量耦合協(xié)同情景，即本研究項目實施后海心沙基地的城市多源固廢處置模式（圖5）。

從資源效率來看，固廢協(xié)同處置和物質(zhì)能量耦合處置模式下，單位資源化產(chǎn)品固廢處置量較固廢單獨處置模式降低了36.8%，即資源轉(zhuǎn)化效率得到了大幅提高；但固廢協(xié)同處置模式下的資源消耗負(fù)擔(dān)也明顯加大，其單位處置固廢輔料消耗和水耗分別增加了25.4%和23.9%；而固廢物質(zhì)能量耦合處置模式在協(xié)同處置模式基礎(chǔ)上進(jìn)行了資源能源的替代補(bǔ)充，系統(tǒng)整體能源、輔料及水的消耗又顯著降低。

從環(huán)境影響來看，盡管固廢協(xié)同處置和物質(zhì)能量耦合處置模式，一般污染物排放總量較獨立處置模式升高了10.5%，二噁英類排放量也升高了5.4%；但重金屬污染排放量確呈明顯的遞減趨勢，遞減率達(dá)到11.5%，并且鎳（Ni）、鋅（Zn）、鉻（Cr）的遞減占比最高，占總量的34.9%、53.6%、6.7%。

從能源效率來看，不同固廢處置模式的總體能源消耗強(qiáng)度均未超過1，但固廢物質(zhì)能量耦合處置模式下的能源消耗強(qiáng)度最低，較單獨處置和協(xié)同處置模式分別低11.5%和16.2%；而固廢協(xié)同處置模式下的能源產(chǎn)出率最高，比單獨處置和物質(zhì)能量耦合處置模式分別高17.4%和8.0%。另外，盡管固廢物質(zhì)能量耦合處置模式下的能量循環(huán)利用率比協(xié)同處置模式還高47.3%，但也僅達(dá)到12.2%的水平，這說明低溫?zé)煔饧皬U水余熱的利用仍是海心沙基地下一步能源系統(tǒng)優(yōu)化提升的重要著力點。

3 城市多源固廢處置的綠色循環(huán)發(fā)展路徑和對策建議

3.1 加強(qiáng)城市多源固廢處置全生命周期精細(xì)化管理，達(dá)成多源固廢集約化協(xié)同處置共識

圖5 城市多源固廢不同綜合處置情景模式Figure5 Different scenarios of comprehensive disposal of urban multi-source solid waste（a）固廢物質(zhì)協(xié)同情景；（b）固廢物質(zhì)能量耦合協(xié)同情景(a) Material synergy treatment (MST); (b) Material energy co-synergy treatment (MEST)

（1）全面調(diào)研固廢產(chǎn)排與轉(zhuǎn)運(yùn)處置管理現(xiàn)狀，構(gòu)建多源固廢“源-流-匯”全生命周期一體化精細(xì)化智慧監(jiān)管平臺。全面收集包括固廢產(chǎn)生量、分類情況、收集轉(zhuǎn)運(yùn)與處置設(shè)施等關(guān)鍵信息，建立由大數(shù)據(jù)、人工智能和地理信息系統(tǒng)技術(shù)作為支撐，具備標(biāo)準(zhǔn)化的固廢數(shù)據(jù)采集和管理業(yè)務(wù)流程與優(yōu)化數(shù)據(jù)共享機(jī)制的智慧決策平臺，以提高政府部門監(jiān)管效率，實現(xiàn)多源固廢從產(chǎn)存源頭、轉(zhuǎn)運(yùn)流程，到匯集處置過程的全流程精細(xì)化管理和監(jiān)控。

（2）基于多源固廢物質(zhì)能量代謝循環(huán)理論，指導(dǎo)城市固廢綜合處置設(shè)施建設(shè)規(guī)劃，形成多源固廢集約化協(xié)同處置共識。構(gòu)建城市多源固廢物質(zhì)能量代謝循環(huán)模型，通過不同的固廢協(xié)同處置情景設(shè)置，制定科學(xué)合理的固廢處置設(shè)施和布局規(guī)劃，確保設(shè)施的容量和處理能力與固廢產(chǎn)排需求相匹配；由相關(guān)政府部門與企業(yè)聯(lián)合設(shè)立特定部門統(tǒng)一進(jìn)行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)管理，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和協(xié)同合作，從根本上解決城市多源固廢統(tǒng)籌管理難、處置效率低等難題。

3.2 加強(qiáng)難處置、難利用固廢資源化關(guān)鍵技術(shù)的突破和創(chuàng)新，提升高值化智能化利用水平

（1）突破難降解、難分離固廢資源能源清潔化回收利用技術(shù)，提升高值化綠色化利用水平，實現(xiàn)減碳增能。針對結(jié)構(gòu)復(fù)雜或難降解的固廢，鼓勵基于生物降解、低溫?zé)峤?、催化轉(zhuǎn)化、礦相分離、微氣泡強(qiáng)化等固廢高效清潔資源化和能源化利用新技術(shù)開發(fā)和推廣應(yīng)用，實現(xiàn)有機(jī)類固廢循環(huán)利用的減碳增能，以及城市礦產(chǎn)類、高價值危廢類固廢向高端化產(chǎn)品的循環(huán)利用轉(zhuǎn)化。

（2）突破固廢多屬性快速識別與在線檢測技術(shù)，提升全過程智能化分析與數(shù)字化治理能力。鼓勵固廢組分熱值原位在線監(jiān)測、大數(shù)據(jù)挖掘、智能配伍等先進(jìn)計劃排產(chǎn)和先進(jìn)過程控制新技術(shù)開發(fā)和推廣應(yīng)用，構(gòu)架多目標(biāo)效率評估優(yōu)化模型，及時監(jiān)測固廢資源化全生命周期過程中的資源能源利用效率和環(huán)境污染排放水平，促進(jìn)城市多源固廢智能化利用水平的提升。

3.3 關(guān)注多源固廢協(xié)同處置過程中資源-能源-環(huán)境效率的耦合優(yōu)化和集成管理

（1）關(guān)注固廢多維屬性，耦合資源-能源-環(huán)境多目標(biāo)優(yōu)化復(fù)合生態(tài)效率。采取園區(qū)跨產(chǎn)業(yè)協(xié)同利用方式開展多源固廢綜合處置，有效回收固體廢物及其處置過程中產(chǎn)生的廢水、廢氣中的其他有用物質(zhì)和能量，實現(xiàn)資源-能源效率和環(huán)境污染控制的耦合優(yōu)化提升。最大程度地提取和利用廢物資源價值，降低資源能源消耗浪費(fèi)及環(huán)境影響，從多源固廢協(xié)同處置資源-能源-環(huán)境多目標(biāo)優(yōu)化角度，合理規(guī)劃園區(qū)物質(zhì)能量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布局，提高物質(zhì)能源供應(yīng)的可靠性。

（2）注重環(huán)境保護(hù)措施，減少二次污染排放，增強(qiáng)多源固廢協(xié)同處置系統(tǒng)耦合優(yōu)化和集成管理。注重資源-能源-環(huán)境效率，從全生命周期角度出發(fā)，加強(qiáng)對固廢運(yùn)輸、儲存、處置的全過程進(jìn)行一體化管理，包括采用先進(jìn)的固廢運(yùn)輸與存儲技術(shù)和裝備，有效減少固廢及其污染物泄露對環(huán)境的潛在負(fù)面影響，在確保處置過程環(huán)境安全的前提下促進(jìn)資源-能源效率的有效提升。另外，從設(shè)備、工藝、系統(tǒng)不同層次，針對其資源能源轉(zhuǎn)化過程、二次污染排放尤其是碳排放進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測評估和集成優(yōu)化，通過建立多目標(biāo)規(guī)劃、多決策參與耦合模型，優(yōu)化固廢協(xié)同處理的整體流程和運(yùn)行方式，確保資源-能源-環(huán)境的協(xié)調(diào)性和經(jīng)濟(jì)性。

3.4 加強(qiáng)與無廢城市、無廢社會建設(shè)目標(biāo)的有效融合與完善固廢政策管理體系

（1）完善城市多源固廢處置-廢舊資源回收與管理體系。依托“無廢城市”建設(shè)實施方案，建立完善的城市多源固廢處置-廢舊資源回收體系。堅持多源固廢協(xié)同處置的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立回收網(wǎng)絡(luò)，提供智能化的回收服務(wù)；加強(qiáng)垃圾分類及環(huán)境教育等工作以提高回收效率，將廢舊資源轉(zhuǎn)化為可再生資源。最終減少固廢排放，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，促進(jìn)“無廢城市”建設(shè)。

（2）通過多源固廢循環(huán)利用途徑開展固廢處置過程的環(huán)境影響分析，完善固廢治理與污染防治體系。開發(fā)城市固廢多元化循環(huán)利用途徑，實現(xiàn)廢物資源化、能源化和循環(huán)利用。注重城市固廢處理過程中的環(huán)境保護(hù)與居民健康保障，基于現(xiàn)有排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行城市固廢處置過程的環(huán)境影響評估和實時通報，減少城市固廢處理對環(huán)境與社會的負(fù)面影響。