《Recycling》：Transforming Municipal Solid Waste into Value: A Critical Review of Technologies from Bin to Circularity
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城市固体废物（MSW）管理是推进回收和循环经济方法的关键挑战。本综述全面概述了MSW管理，涵盖来源、政策框架、表征技术、分拣技术、预处理策略和利用途径。首先，在美国和全球背景下讨论了产生模式和来源机制，重点强调了政策框架对废物减量和分流的影响。其次，评估了表征
城市固体废物（MSW）管理是推进回收和循环经济方法的关键挑战。本综述全面概述了MSW管理，涵盖来源、政策框架、表征技术、分拣技术、预处理策略和利用途径。首先，在美国和全球背景下讨论了产生模式和来源机制，重点强调了政策框架对废物减量和分流的影响。其次，评估了表征技术，重点关注用于材料可回收性的物理和化学分析。第三，批判性地回顾了分拣技术，包括传统方法和新兴的基于传感器的方法。然后评估了预处理技术在提高下游转化效率方面的作用。最后，评估了废物转化为合成气、废物转化为生物炭和废物转化为可持续航空燃料（SAF）等价值化途径在气候缓解和循环经济中的作用。研究人员预期，本综述将为旨在加强可回收性基础设施并在循环经济框架内最大化MSW管理系统效率的研究人员、政策制定者和行业利益相关者提供基础参考。
**2. MSW管理概述**
固体废物处理涵盖MSW管理的全过程，包括储存、收集、运输、处理和利用。最终阶段包括回收和再循环、生物能源生产、能源转换以及填埋。废物组分和表征的数据收集对于制定有效处理计划至关重要。全球和区域层面的废物管理数据收集不可或缺，因为当前数据集缺乏不同MSW组分（纸张、塑料、食物、纺织品、金属和玻璃）及其湿基和干基组成信息。全球废物产生量上升、不同地区MSW组分多样性、监管框架差异以及处理方法（包括回收和能源回收）的技术差距，是收集更多数据以支持可持续废物管理的重要考虑因素。缺乏全球统一的标准化术语进一步复杂化了这些挑战。
**3. 影响MSW管理的政府政策**
政策制定通过建立实现循环经济目标和保护公众健康与环境的监管框架，推动有效的MSW管理实践。准确的数据收集和分析是有效政策制定的基础。两种主要概念方法用于估算MSW产生量：“自上而下”的物料平衡模型和“自下而上”的基于测量的模型。政策框架不仅通过设定处置标准影响MSW管理，还通过定义机构责任、量化目标、源头分类义务、经济激励和执法机制。在美国，《资源保护与回收法案》（RCRA）建立了联邦固体废物基线，但实施严重依赖州计划、地方许可和执法能力，导致各州在定义、报告和项目设计上存在显著差异。欧盟的《废物框架指令》通过建立废物层级（预防、再利用准备、回收、其他回收和处置）提供更协调的监管架构。欧盟的《2018/851号指令》通过具有约束力的市政回收目标、强化生产者责任延伸（EPR）以及可回收组分、生物废物、纺织品和家庭危险废物的单独收集义务来进一步实施这一层级。中国通过“无废城市”试点项目展示了从以处置为中心的管理向源头减量、回收和减少填埋依赖转型的治理模式。南非的《2020年国家废物管理战略》将循环经济置于国家废物政策中心。总体而言，美国MSW治理已从RCRA下的填埋标准和危险废物控制转向更广泛的回收、食物废物减量和循环材料策略，但仍缺乏全国性综合回收立法。欧盟依赖具有约束力的循环经济目标、单独收集义务、EPR要求和填埋分流指令。新兴亚洲和非洲政策框架越来越强调分阶段制度化、基础设施发展、执法能力以及包含非正规回收系统。
**4. MSW的来源**
MSW管理的有效性受地理位置、气候、季节性、人力资源和废物处置设施可用性的影响。MSW来源影响处理过程。识别MSW来源对于了解产生趋势和管理策略至关重要。本节区分了三种来源背景：美国、欧盟和新兴经济体（亚洲和非洲）。美国住宅来源包括单户和多户住宅，商业来源包括小企业、仓库、教育机构、政府办公室和餐馆。全球范围内，欧洲优先源头分类收集，而许多亚太地区依赖混合收集系统，非洲和拉丁美洲的收集基础设施有限。住宅MSW的产生模式在发达和发展中国家之间差异显著，但产生率本身并不决定价值化潜力。残余MSW在材料回收设施（MRF）处理后送往填埋场，包括受污染材料、多层塑料和工业复合材料。
**5. MSW处理、收集和运输**
四种主要收集方法：路边/小巷收集、投放点收集、上门收集和气动收集。路边收集在美国最常见，居民将废物放入指定容器，由配备压实机的卡车运输。投放点用于收集可回收物和大型非可回收废物。上门收集常见于南亚国家。气动收集通过中央管道系统利用气流吸走废物。收集和运输成本约占发达国家废物管理总成本的50-75%，发展中国家占70-90%。混合废物收集后送至MRF进行分拣。在美国，处理方式包括热处理（焚烧、气化、热解）和非热处理（填埋、厌氧消化）。残余废物通常送填埋场或焚烧厂。
**6. MSW的表征**
废物表征是MSW管理系统的关键连续过程，涵盖物理、化学和生物性质。物理表征重点：含水率、堆积密度和粒径。化学表征包括工业分析和元素分析。生物性质采用生化产甲烷潜力（BMP）评估。美国EPA提倡两种方法：取样分拣称重和物料流分析。ASTM D5231-92标准提供了未处理MSW组分的测定方法。危险废物的表征遵循EPA分类（F-list、K-list、P-list、U-list及特性：易燃性、腐蚀性、反应性、毒性）。可回收废物表征对于设计有效回收系统和政策干预至关重要，但存在缺乏标准化、时间分辨率有限、商业和工业可回收物代表性不足等问题。电子废物（e-waste）表征数据缺乏，因其组分复杂（含贵金属和有害物质），且缺乏统一联邦EPR框架导致碎片化监管。
**7. 增强回收的MSW分拣**
分拣技术分为直接分选和间接分选。直接分选利用材料固有属性，包括磁选、空气分选、涡流分选和沉浮分选。磁选使用钕铁硼（NdFeB）磁体分离铁磁性和非铁磁性组分。空气分选利用惯性原理分离轻重物料。涡流分选基于法拉第电磁感应定律分离有色金属。沉浮分选基于密度差异分离塑料。间接分选通过传感器提取材料特征，包括激光诱导击穿光谱（LIBS）、X射线分选（双能X射线透射DE-XRT和X射线荧光XRF）。LIBS利用激光脉冲产生等离子体进行元素分析，可分类塑料和金属。XRF可识别聚合物和污染物。这些传感器技术可提高MRF的分选效率和选择性。
**8. MSW的预处理**
预处理指收集后到后处理之间的单元操作，以满足所选路径要求。MSW面临的挑战包括高含水率（常超过75%）和组分异质性。预处理方法包括机械预处理、热预处理、造粒和洗涤去污。机械预处理包括压实、粉碎、筛分（转筒筛）。粉碎可增加表面积，提高反应效率。热预处理包括低温干燥、巴氏杀菌、蒸汽高压灭菌、热水解、水热碳化（180-250°C）和烘焙（200-300°C）。蒸汽爆破用于木质纤维素预处理。造粒将可燃组分压制成致密圆柱体，生产垃圾衍生燃料（RDF）。洗涤去污对塑料和纸张进行清洗，包括湿洗（使用清洁剂或NaOH）和干洗（摩擦去污）。
**9. MSW用于生物能源和增值产品的利用**
MSW组分和性质因气候、政策、经济地位等变化显著。转化路径包括生化、热化学、物理化学和前沿技术。生化路径（如厌氧消化）适用于高含水率有机组分。热化学路径（如气化、热解、焚烧）适用于干燥、高木质素含量的组分。物理化学路径包括酯交换生产生物柴油。前沿技术包括暗发酵、光发酵、微生物燃料电池（MFC）和微生物电解池（MEC）。热化学性质方面，塑料（除PVC和PET）具有高挥发分和高低位热值（LHV），但食物废物高含水率降低整体LHV。灰分中碱金属（钾、钠）具有催化活性，但氯结合碱金属（KCl、NaCl）会导致腐蚀和结渣。废物转化为可持续航空燃料（SAF）路径（如费托合成FT-SPK）具有巨大脱碳潜力，但受限于原料异质性、合成气洁净度要求和缺乏综合生命周期评价（LCA）与技术经济分析（TEA）。废物转化为合成气：气化产气质量受原料含水率、灰分和污染物影响，焦油是主要瓶颈。废物转化为生物炭：通过热解生产生物炭可实现碳封存，但需要原料标准化和污染物管理。共热解可影响生物炭产率和性质，并稳定重金属。
**10. MSW价值化路径的生命周期评价（LCA）与技术经济分析（TEA）**
LCA和TEA是评估MSW价值化路径可行性和可持续性的关键工具。费托合成路径显示出最高的SAF产率，而醇制航煤（ATJ）路径具有最高的技术就绪水平（TRL）。合成气作为中间化学品在小规模生产方面具有潜力。乙醇生产可减少温室气体（GHG）排放。生物炭生产（慢速热解）TRL高，碳排放相对较低。多个价值化路径在生物精炼框架内整合可提高经济可行性和环境绩效。
**11. 结论**
MSW产生量增长，需要从末端处置转向集成循环系统。两个关键干预措施：有效的源头分离（尤其是有机组分）和高保真度分拣。分拣技术的进步（多传感器、人工智能AI系统）将MRF转变为数据驱动平台。价值化路径中，原料调理和污染物控制是性能的主要决定因素。生化路径适用于湿、可生物降解组分；热化学路径是异质性MSW最部署就绪的选择。生物炭生产结合了填埋分流和持久碳封存。MSW-to-SAF路径受限于原料异质性和合成气洁净度。未来方向是数字化、基础设施级优化，包括集成源头分离、标准化表征、实时传感、AI分拣、自适应预处理和路径特定原料分配。政策协调（统一表征标准、源头分离激励、EPR、回收材料市场发展）对规模化部署至关重要。研究应优先发展标准化MSW表征协议、传感器和AI分拣的开放数据集、新兴转化技术的试点验证、协调的LCA和TEA框架以及污染物控制策略。
