廚余垃圾的資源化技術(shù)

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1、廚余垃圾的資源化技術(shù)姓名：學(xué)號：專業(yè)：導(dǎo)師：一 我國城市垃圾的特點 城市垃圾是指人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活所產(chǎn)生的固體廢棄物，其產(chǎn)生源主要分為居民生活垃圾、街道保潔垃圾和集團(tuán)（機(jī)關(guān)、團(tuán)體、工廠和服務(wù)業(yè)）垃圾三大類。1.1 垃圾數(shù)量越來越多垃圾數(shù)量越來越多 隨著城市化的加劇，城市人口的增加，我國城市垃圾的排放量在逐年增加。據(jù)國家統(tǒng)計局公布的最新數(shù)據(jù)顯示，我國目前的城市化率已由1993年的28%上升到2003年的40.5%。另據(jù)中國城市建設(shè)統(tǒng)計年報顯示，2003年我國城市垃圾清運量已由1993年8791萬噸增加到1.49億噸，比2002年增長8.8%。1.2 組成越來越復(fù)雜組成越來越復(fù)雜 隨著城市居民生活

2、與消費水平的不斷提高和燃料結(jié)構(gòu)的變化，我國城市垃圾的組成也在發(fā)生著變化。變化趨勢是無機(jī)成分逐年減少，有機(jī)成分逐年上升，可回收利用成分不斷增加（如廢紙張、廢塑料、廢金屬、廢玻璃等可回收利用成分逐年增加，約3040%），且熱值亦明顯上升，見表1-1。1 城市垃圾的特點城市食物紙類塑料織物草本渣石玻璃金屬其他北京56.01 11.76 12.60 2.75 8.56 2.79 3.84 1.69 0.00 上海55.47 8.20 12.10 2.38 14.49 1.47 4.03 0.60 0.00 杭州55.28 1.80 5.02 1.50 0.39 33.17 1.42 1.12 0.30

3、 深圳57.00 4.65 14.05 6.55 11.07 3.50 1.25 0.35 1.60 廣州56.63 3.65 13.05 4.55 1.20 5.00 3.25 0.55 12.00 表1-1 我國部分城市生活垃圾的組成 如表格所示，城市垃圾中大部分是食物垃圾。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，廚余垃圾的產(chǎn)生量逐漸上升。然而由于廚余垃圾數(shù)量龐大，且具有有機(jī)質(zhì)含量高和易腐敗等特性，如不及時處理，則會引起惡臭污染大氣環(huán)境，腐敗產(chǎn)生的致病菌會引起各種傳染疾病，產(chǎn)生的滲濾液含有高濃度的有機(jī)質(zhì)，嚴(yán)重污染地表水和地下水。目前廚余垃圾問題已經(jīng)對人們的生產(chǎn)生活構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此尋求廚余

4、垃圾有效的處置方法迫在眉睫，這也是解決各個城市日益嚴(yán)重的“垃圾圍城”重要出路之一。2廚余垃圾的特征，危害及其管理現(xiàn)狀 （1）高含水率 （2）易腐爛 （3）營養(yǎng)豐富 2.1 廚余垃圾的特點廚余垃圾的特點 廚余垃圾是居民在生活消費過程中形成的生活廢物,居民區(qū)、飯店、各種企事業(yè)單位的食堂是其集中排放的場所。盡管廚余垃圾的組成、性質(zhì)和產(chǎn)生量受社會經(jīng)濟(jì)條件、地區(qū)差異、居民生活習(xí)慣、飲食結(jié)構(gòu)、季節(jié)變化的不同而有所差別,但具備如下總體特征:廚余垃圾的含水率高(水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于80%),這給其收集、運輸和處理都帶來很大的難度。垃圾滲濾水可通過地表徑流和滲透作用,污染地表水和地下水,而且由于廚余垃圾單位質(zhì)量的熱

5、值在2 100 kJ/kg左右,不能滿足垃圾焚燒發(fā)電的熱值要求。廚余垃圾中有機(jī)物含量高(約占干物質(zhì)質(zhì)量的95%以上),易腐敗發(fā)臭,易滋生病菌,會造成疾病的傳播。除了有機(jī)物含量高之外,廚余垃圾還富含氮、磷、鉀、鈣以及各種微量元素,具有營養(yǎng)元素齊全、再利用價值高的特點。2.2 2.2 廚余垃圾的危害廚余垃圾的危害 據(jù)報道，廚余垃圾已經(jīng)占到城市固體廢物的50-70%。廚余垃圾目前己是城市環(huán)境污染的主要來源之一，嚴(yán)重威脅人們的日常生活及身體健康。廚余物的危害主要是：1.廚余垃圾有機(jī)物含量高，容易腐敗變質(zhì)，產(chǎn)生惡臭，污染大氣環(huán)境;2.廚余垃圾中有病源菌，隨意堆放容易滋生蚊蠅，傳播病菌;3.廚余垃圾含水率

6、較高，運輸過程中會發(fā)生滴漏現(xiàn)象，污染市鎮(zhèn)環(huán)境，產(chǎn)生的滲濾液會嚴(yán)重污染地表和地下水;4.廚余垃圾數(shù)量巨大，給城市垃圾處理帶來難度，大大提高處理成本。廚余垃圾的處理是全世界各個國家都普遍關(guān)注和亟待解決的問題。不同的國家和地區(qū)因不同的生活方式和國情特點,對廚余垃圾的處理一般都具有一定的差異性。中國 填埋法是目前我國垃圾處理的主要方式。一般采用露天堆放、自然填溝和填坑等方式，利用厭氧微生物、兼性微生物和好氧微生物等將垃圾降解消化。由于廚余物垃圾數(shù)量龐大，且具有含水率高，如和城市其它垃圾一起填埋，則會產(chǎn)生大量的滲濾液，造成土壤和地下水的污染。而且廚余物有機(jī)成分高和易腐爛，會導(dǎo)致蚊蠅、老鼠等大量繁殖。廚余

7、垃圾的填埋不僅增加了填埋場的占地，而且提高運行成本，甚至?xí)鹫託獗ǖ目赡?。因此在我國，廚余垃圾填埋處理越來越受到限制，整體呈下降趨勢。隨著人們觀念的普遍改變以及新技術(shù)的出現(xiàn),在我國各種關(guān)于廚余垃圾處理的管理法規(guī)也正在制定中,同時,廚余垃圾處理的一些新技術(shù)也在慢慢地取代傳統(tǒng)的處置方法,例如廚余垃圾制取飼料、焚燒發(fā)電甚至制取燃料油等。2.3國內(nèi)外廚余垃圾的管理現(xiàn)狀美國 美國2000年廚余垃圾的回收率僅為2.6%，遠(yuǎn)低于城市垃圾回收利用率的平均值30.1%。就目前來看,美國處理廚余垃圾的方式也是以填埋為主,對廚余垃圾產(chǎn)生量較大的單位設(shè)置廚余垃圾粉碎機(jī)和油脂分離裝置,分離出來的垃圾排入下水道,油脂

8、則送往相關(guān)加工廠(如制皂廠)加以利用;對于廚余垃圾生產(chǎn)量較小的單位如居民廚房,則被混入有機(jī)垃圾中統(tǒng)一處理或通過安裝廚余垃圾處理機(jī),將垃圾粉碎后排入下水道。美國各州對處理廚余垃圾的政策和方式都有所不同,很多州針對當(dāng)?shù)氐木唧w情況,建立了自己的廚余垃圾處理回收體系,例如在加利福尼亞,該州正在推廣利用廚余垃圾發(fā)電的技術(shù),并取得了一定成績,同時在美國的中西部地區(qū),蚯蚓堆肥、密封式容器堆肥處理廚余垃圾的應(yīng)用也越來越多。歐洲 歐洲每年的廚余垃圾量在5000萬t左右,相對來說,歐洲各國特別是像德國、法國、英國還有北歐地區(qū)的較發(fā)達(dá)國家等對廚余垃圾的管理和處理都有相對較為完善的系統(tǒng)和體制。例如德國，德國是一個非常

9、重視生態(tài)平衡的國家,目前絕大多數(shù)垃圾填埋廠已被關(guān)閉，很多大企業(yè)正在實現(xiàn)廚余垃圾變廢為寶的目標(biāo)。丹麥政府從1987年開始進(jìn)行填埋稅的征收，費率逐年提升，其目的就是鼓勵垃圾回收，特別是對廚余垃圾這些可利用的有機(jī)垃圾;荷蘭在1996年開始就禁止了有機(jī)生物垃圾的填埋處理，其廚余垃圾主要是通過好氧處理為主，在1999年時全國就有23個堆肥廠。日本 日本每年的廚余垃圾總量為2000萬t左右,其中52%來自于家庭。為了減少廚余垃圾對環(huán)境的污染,充分利用其中的資源,日本在2000年頒布了廚余廢物再生法。在過去,日本廚余垃圾的處理方式主要為堆肥處理,這幾年出現(xiàn)了很多新的研究方向,主要包括廚余垃圾生產(chǎn)動物飼料及利

10、用廚余垃圾生產(chǎn)生物氣發(fā)電供熱等。據(jù)統(tǒng)計,目前日本制造家庭廚余廢物處理機(jī)的企業(yè)已達(dá)250家。韓國一家公司近日推出一款家庭廚余垃圾處理機(jī)。經(jīng)其處理的菜葉、剩飯等廚余垃圾只要24小時就可以變成清水。據(jù)生產(chǎn)這款處理機(jī)的韓國sinkpia公司的專家介紹，這款機(jī)器的核心部件是一種名為“生物環(huán)”的螺旋狀過濾器。它們對微生物的吸附能力強(qiáng)，并適宜微生物自然繁殖。由于螺旋狀結(jié)構(gòu)和外界的接觸面較大，垃圾容易被粉碎成小顆粒，并被過濾器中的微生物分解。他說，這款機(jī)器可處理所有的有機(jī)垃圾，包括米飯和面包等碳水化合物制品、魚和肉等富含蛋白質(zhì)的食品、蔬菜等纖維素含量高的食物。處理過程中生成的物質(zhì)只有清水，連垃圾的腐臭味也可以

11、同時消除。而現(xiàn)有的其他家庭用廚余垃圾處理機(jī)多采取粉碎垃圾的原理，處理后或多或少都有殘余物。據(jù)悉，這款垃圾處理機(jī)將于明年推向中國市場。韓國 韓國2000年城市生活垃圾生產(chǎn)量約為1700萬t,其中餐廚垃圾占25%。自2007年回收利用以來,垃圾率的增加,特別是實施分類收集之后,廚余垃圾的生產(chǎn)量和所占城市垃圾的比重都有所下降。韓國從1995年起實施垃圾專用袋制度,一般家庭都將其它垃圾與廚余垃圾分開包裝放在門外,由垃圾車和廚余垃圾車分別收取。由于韓國特殊的飲食文化,導(dǎo)致其廚余垃圾鹽分很高,這些鹽主要來自泡菜、豆瓣醬等高鹽分食物,因此在韓國堆肥方式處理廚余垃圾并不盛行,在過去很長一段時間內(nèi)韓國的主要處理

12、方法就是填埋。但是在2005年韓國政府全面禁止了將廚余垃圾進(jìn)行填埋處理,因此近年來,韓國廚余垃圾的處理方式主要為厭氧消化-生物氣回收。二 廚余垃圾資源化技術(shù) 目前,國內(nèi)外廚余垃圾資源化技術(shù)主要有飼料化技術(shù)、肥料化處理技術(shù)、生物厭氧發(fā)酵處理技術(shù)和生物柴油技術(shù)等。1 1餐廚垃圾飼料化技術(shù)餐廚垃圾飼料化技術(shù)1.1 1.1 技術(shù)種類技術(shù)種類 餐廚垃圾飼料化的基本要求是實現(xiàn)殺毒滅菌,達(dá)到飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn),并最大限度地保留營養(yǎng)成分,改善餐廚垃圾的飼用價值,消除或降低不利因素的影響。目前國內(nèi)生產(chǎn)廚余再生飼料工藝主要是生物法和物理法。生物法：利用微生物菌體將廚余垃圾發(fā)酵,利用微生物的生長繁殖和新陳代謝,積累有用的

13、菌體、酶和中間體,經(jīng)過烘干后制成蛋白飼料。物理法：是直接將廚余垃圾脫水后進(jìn)行干燥消毒，粉碎后制成飼料。濕熱法：可以解決物理法導(dǎo)熱不均、加熱溫 度過高的問題。該工藝是將廚余垃圾加水后置于密閉容器中加熱，反應(yīng)后，上層是油脂，中間是水，下層是固態(tài)物質(zhì),將下層物質(zhì)脫水干燥粉碎后得到飼料,上層油脂回收。濕熱法處理后的廚余垃圾飼用價值明顯提高,既是良好的飼料原料,又方便回收油脂。減壓油溫脫水法：是以油為熱媒體，在減壓(或真空)特定條件下進(jìn)行油炸廚余垃圾。所用油可以利用飯店、食品工廠用過的廢食用油。由 于采用真空處理,被炸物的氧化大大減少，保證了飼料的營養(yǎng)成分，同時也進(jìn)行了真空消毒處理。1.2 1.2 現(xiàn)存

14、問題及對策現(xiàn)存問題及對策 廚余垃圾常摻有砂礫、鐵絲、牙簽、塑料等 雜物,會對畜禽消化道造成物理傷害;有些廚余垃圾受到重金屬、苯類等有害物質(zhì)的污染，被動物食用后有害物質(zhì)會蓄積在牲畜體內(nèi),人食用了這樣的肉類達(dá)到一定程度后,會導(dǎo)致肝臟、腎臟等系統(tǒng)免疫功能下降。另外,現(xiàn)有的廚余垃圾飼料化技術(shù)存有缺陷,如加熱烘干的方式很難去除霉桿霉菌等菌種,若提高消毒溫度,又會破壞飼料中的營養(yǎng)物質(zhì)(如維生素等熱敏性物質(zhì)),導(dǎo)致產(chǎn)品存在安全隱患。瘋牛病爆發(fā)就是由于飼料消毒技術(shù)達(dá)不到要求造成的。流行病學(xué)調(diào)查表明,飼喂了被羊癢病朊毒體(Prion)污染的肉粉再生飼料導(dǎo)致了瘋牛病的發(fā)生，這是瘋牛病流行的主要原因。Prion對所

15、有殺滅病毒的物理化學(xué)因素均有抵抗力，只有在136高溫高壓2h下才能滅活。廚余垃圾中含有大量的動物性殘余物,若消毒不完全，這種病毒就很可能通過飼料大面積傳播。鑒于此，歐美大部分國家已嚴(yán)禁廚余垃圾飼養(yǎng)禽畜。2 2 肥料化處理技術(shù)肥料化處理技術(shù)2.1 2.1 技術(shù)種類技術(shù)種類 國內(nèi)外運用較多的堆肥技術(shù)是廚余垃圾的高溫機(jī)械堆肥法，其核心的生物處理階段是采用高溫好氧無污染生物處理法(EATAD)，該工藝采用高溫嗜熱微生物進(jìn)行發(fā)酵，溫度高，發(fā)酵速度快，對廚余垃圾等有機(jī)垃圾具有較好的處理效果。該技術(shù)的重點是供氧方式和速率。集裝箱堆肥法特別適合產(chǎn)生量不多的有機(jī)垃圾堆肥。反應(yīng)器由封閉集裝箱反應(yīng)器和多層生物過濾器

16、組成，一般有20多個集裝箱并聯(lián),每個箱體 50 m3，堆肥周期1520d，所產(chǎn)生的氣體可以回收利用,剩余無機(jī)物可回填土壤。蚯蚓堆肥是近年來發(fā)展起來的一項新技術(shù)，蚯蚓體內(nèi)可分泌多種酶類,對絕大多數(shù)廚余垃圾有較強(qiáng)的分解作用,同時還能有效抑制堆肥過程中產(chǎn)生的臭味。2000年悉尼奧運會期間,利用4000條蚯蚓處理奧運村包括廚余在內(nèi)的生活垃圾，做到了垃圾不出村就地消納。除此之外,針對廚余垃圾具有產(chǎn)生相對集中的特點,目前國內(nèi)外出現(xiàn)了一種小型的廚余垃圾生化處理機(jī),特別適用于食堂、飯店等場所。廚余垃圾與特定的優(yōu)勢菌種以及麥麩等輔料按照一定比例倒入處理機(jī)中反應(yīng)，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有加熱、攪拌以及抽氣裝置。1224h后,

17、一部分有機(jī)物在微生物作用下分解為CO2和水蒸氣,經(jīng)抽氣裝置排出,剩余的有機(jī)物烘干后制成肉松狀的有機(jī)肥料。2.2 2.2 現(xiàn)存問題及對策現(xiàn)存問題及對策 好氧堆肥占地面積大，處理時間長，易產(chǎn)生大量臭氣；以混合收集為主，分選效果差，廚余垃圾中雜質(zhì)多，不易分解，肥料質(zhì)量差；病原微 生物未徹底消除,肥料中重金屬高,銷路不暢。廚余肥料含鹽高也是一個突出問題。施用廚余肥料后,土壤鹽含量升高，且與施用量成正相關(guān),因此中度鹽漬土不適合使用垃圾堆肥。而 且，當(dāng)用廚余堆肥作為容器育苗基質(zhì)時，用量也不宜過高。且堆肥前廚余垃圾也必須水洗脫鹽。有研究表明可以用水作溶劑降低廚余垃圾中過高的油脂含量和食鹽含量，含鹽量由4.5

18、9%降為3.93%；同時還可以在廚余堆肥中加入無機(jī)肥，進(jìn)一步降低鹽分的影響，有研究表明有機(jī)肥與無機(jī)肥結(jié)合，可以促進(jìn)脫鹽，抑制返鹽。3 3 厭氧發(fā)酵技術(shù)厭氧發(fā)酵技術(shù) 廚余垃圾的厭氧發(fā)酵是在特定的厭氧條件下，微生物將有機(jī)質(zhì)分解,其中一部分碳素物質(zhì)轉(zhuǎn)換為甲烷和二氧化碳。根據(jù)廚余垃圾的特點,厭氧 發(fā)酵技術(shù)具有很多優(yōu)勢：不需要進(jìn)行水分調(diào)節(jié),反應(yīng)不受供氧限制,機(jī)械能損失少；可以產(chǎn)生具有利用價值的甲烷，發(fā)酵后沼渣和沼液可以利用；由于反應(yīng)在密閉容器中進(jìn)行，不會產(chǎn)生臭氣等污染物，對環(huán)境影響較小。3.1 3.1 國內(nèi)外廚余垃圾厭氧發(fā)酵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外廚余垃圾厭氧發(fā)酵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 1979 年美國建立了世界上第1

19、個年處理5000t的生活垃圾發(fā)酵實驗工廠，其工藝流程如圖-1。此工藝是以后各種高固體厭氧消化工藝的基礎(chǔ)。目前較成熟的技術(shù)有法國VALORGA（干法厭氧消化工藝）工藝,丹麥 Carl Bro 工藝等。我國上海普陀垃圾綜合處 理廠的厭氧發(fā)酵采用 VALORGA 工藝，設(shè)計處理能力22.75 t/a，該工藝與其它工藝最大的不同是 反應(yīng)器沒有任何運動的機(jī)械部件,而是利用產(chǎn)生 的甲烷進(jìn)行壓縮回流,起攪拌作用，因此運轉(zhuǎn)更可靠，維護(hù)更簡化。（2010建的，暫時還沒有數(shù)據(jù)顯示效果）3.2 3.2 研究進(jìn)展及現(xiàn)存問題研究進(jìn)展及現(xiàn)存問題 汪群慧等從廚余垃圾中分離出一株乳桿菌TD175,可以強(qiáng)化廚余垃圾的乳酸發(fā)酵。

20、在不控制pH條件下厭氧發(fā)酵2d,比不接種的對照實驗 乳酸濃度高88%；運用電滲析法從中提取乳酸，可將乳酸濃縮至70%80%。乳酸是合成聚乳酸類可完全生物降解性塑料的主要原料，不但可使廚余垃圾資源化，而且還有望解決困擾人類的白色污染難題。另外，生物制氫以及甲烷發(fā)酵與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)，也必將為廚余垃圾變清潔能源開辟新的途徑。但是厭氧消化在國內(nèi)的應(yīng)用還不成熟,利用 發(fā)酵工藝處理廚余垃圾對進(jìn)料純度要求很高,即分類收集要求高。同時,由于廚余垃圾油量和纖維素含量高,可能導(dǎo)致厭氧過程過度酸化。4 4 生物柴油技術(shù)生物柴油技術(shù)4.1 4.1 廚余垃圾生產(chǎn)生物柴油廚余垃圾生產(chǎn)生物柴油 據(jù)統(tǒng)計，每噸廚余垃圾

21、可以提煉出2080 kg 廢油脂，經(jīng)過集中加工處理,則可以制成脂肪酸甲酯等低碳酯類物質(zhì)，即生物柴油。預(yù)處理和酯交換，以及脂肪酸甲酯和甘油回收構(gòu)成廚余垃圾生產(chǎn)生物柴油工藝流程的主要階段。而預(yù)處理包括沉淀除雜、酸化脫膠、水蒸氣 蒸煮脫臭、真空脫水等。酯交換反應(yīng)酯交換反應(yīng)(transesterification),即酯與醇在酸或堿的催化下生成一個新酯和一個新醇的反應(yīng)，即酯的醇解反應(yīng)。脂肪酸甲酯主要是由甘油三酯與甲醇通過酯交換制備，其反應(yīng)如下：油脂（甘油三酯）先與一個甲醇反應(yīng)生成甘油二酯和甲酯，甘油二酯和甲醇繼續(xù)反應(yīng)生成甘油單酯和甲酯，甘油單酯和甲醇反應(yīng)最后生成甘油(丙三醇)和甲酯。4.2 4.2 技

22、術(shù)技術(shù)進(jìn)展及現(xiàn)存問題進(jìn)展及現(xiàn)存問題 超臨界甲醇制程是利用甲醇在超臨界狀態(tài)下的特殊物理化學(xué)性質(zhì)，與廢油脂發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)生物柴油的一種新工藝。該工藝不需要催化劑,無副產(chǎn)物產(chǎn)生,因此也不需要對產(chǎn)物進(jìn)行分離，不會產(chǎn)生大量廢水；同時，反應(yīng)效率大大提高，只需要 24 min 就可達(dá)到反應(yīng)平衡,而且,對原料純度要求不高，水分和脂肪酸對反應(yīng)的影響不大。由于廚余垃圾中雜質(zhì)較多,制備生物柴油時,必須采取有針對性的預(yù)處理措施和正確的工藝，才能保證轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)品純度不受影響。在生產(chǎn)中，必須保證酯交換反應(yīng)完全，且徹底去除甘油等副產(chǎn)品，否則會造成發(fā)動機(jī)工作不正常等問題。另外，生物柴油雖然具有很大的環(huán)境效益,單在經(jīng)濟(jì)和市場上仍

23、需政策的鼓勵和支持，才能使它與石化柴油競爭。在國外靠大量減稅或免稅使其價格與現(xiàn)有柴油相近。3研究展望研究展望 家庭垃圾堆肥處理機(jī)和小容量垃圾系列處理機(jī)是一種從源頭減量的資源化方法,它將實現(xiàn)易腐敗發(fā)臭的廚余垃圾的單獨收集,減少蚊、蠅對環(huán)境和人體健康的影響;可使垃圾體積大大減少,從而減少垃圾收集的頻率,大大降低收集和運輸?shù)某杀?可獲得較為優(yōu)質(zhì)的土壤改良劑和有機(jī)肥料,它還有利于紙張、塑料等其他生活垃圾不受污染,便于清理、分類及其資源化利用。廚余垃圾生物制氫以及甲烷發(fā)酵與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā),必將為廢物變清潔能源開辟新的途徑。經(jīng)過消毒的廚房垃圾作為養(yǎng)牲畜的飼料,是傳統(tǒng)垃圾利用途徑的有效改善。利用廚余垃圾發(fā)酵生產(chǎn)乳酸,進(jìn)而合成聚乳酸類完全可生物降解性塑料,不但可以解決廚余垃圾的資源化問題,還有利于生物降解塑料早日取代通用塑料,有望解決困擾人類的“白色污染難題”,因此具有廣闊的開發(fā)前景。