陳福仲，劉杰，陳晶晶

（1.濟(jì)南熱力集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250011；2.青島理工大學(xué)，山東青島 266033）

我國(guó)餐廚垃圾產(chǎn)量大，按城市人口人均日產(chǎn)餐廚廢棄物0.09 kg/d計(jì)算[1]，青島日產(chǎn)餐廚垃圾量約為810 t。餐廚垃圾高有機(jī)質(zhì)含量較高，易腐壞，腐壞程度與廢棄時(shí)間和溫度呈正相關(guān)等特點(diǎn)，若不能及時(shí)得到有效處理，勢(shì)必產(chǎn)生極大危害。另一方面，餐廚垃圾中蘊(yùn)含著巨大的能源潛力，因此如何提出資源化能源化技術(shù)路線，建立餐廚垃圾回收與無害化處理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排與環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)是餐廚垃圾處理的首要問題。為了進(jìn)一步對(duì)餐廚垃圾資源化及能源化處理進(jìn)行分析，本文以青島某餐廚垃圾處理廠為研究對(duì)象，對(duì)其主要技術(shù)路線、運(yùn)行情況和經(jīng)濟(jì)核算進(jìn)行分析。

1 餐廚垃圾處理的主要技術(shù)路線分析

目前國(guó)內(nèi)餐廚垃圾主要處理方法有填埋、焚燒、好氧堆肥、厭氧消化、飼料化處理和生物處理機(jī)處理技術(shù)。當(dāng)垃圾收集量達(dá)到500 t以上時(shí)，采用垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于餐廚垃圾，由于區(qū)域收集相對(duì)量低，含水率可高達(dá)70%～90%，收集運(yùn)輸過程成本高且易泄露，這使得采用焚燒或者填埋處理的方法不可行。

傳統(tǒng)處理方式以好氧堆肥和飼料化處理為主，由于收集成本限制，項(xiàng)目主要集中在發(fā)達(dá)大城市。例如北京，餐廚垃圾處理廠主要有董村垃圾處理廠和南宮堆肥廠，采用清華大學(xué)研發(fā)的濕熱處理技術(shù)，固態(tài)部分用于生產(chǎn)廢料和飼料，液態(tài)部分用于生產(chǎn)液態(tài)肥和沼氣發(fā)電；在上海，原處理方式主要有填埋、堆肥、生產(chǎn)寵物飼料和生化處理等，但隨著垃圾分類的實(shí)施，也給餐廚垃圾的處理帶來更多可能；在廈門，餐廚垃圾的處理主要有生物轉(zhuǎn)化制有機(jī)肥、源頭減量化處理、生產(chǎn)生物油和水產(chǎn)飼料等。

餐廚垃圾有機(jī)質(zhì)和油脂含量豐富，含固率為8%的餐廚垃圾，在55℃條件下厭氧發(fā)酵，產(chǎn)氣率可達(dá)633.8 ml/g，能源潛力巨大。為此，采用厭氧發(fā)酵制取生物沼氣的技術(shù)路線既實(shí)現(xiàn)固體廢棄物減量化、無害化和資源化，又可彌補(bǔ)天然氣缺口，是處理餐廚垃圾的最佳技術(shù)路線之一。尤其是目前供熱工程分布式供熱和煤改氣政策的推行，也推動(dòng)著生物質(zhì)燃?xì)夤こ滔蚯鞍l(fā)展[2-3]。此外，污泥與餐廚垃圾按照一定的比例混合可優(yōu)化發(fā)酵基質(zhì)，從而縮短發(fā)酵周期，提高有機(jī)質(zhì)的去除率，提升厭氧發(fā)酵罐的容積利用率，進(jìn)而提高產(chǎn)氣效率，實(shí)現(xiàn)廢棄物資源化利用[4-5]。

2 某餐廚垃圾沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)工藝流程

青島某日處理量為180 t/d的垃圾處理基地由專業(yè)運(yùn)輸車隊(duì)采用專用桶收集輸送至廠區(qū)，全程密封。該公司采用高溫濕式單相連續(xù)厭氧發(fā)酵技術(shù)，發(fā)酵罐中的餐廚垃圾含固率為10%～15%，采用51～53℃高溫發(fā)酵，產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌在同一反應(yīng)器中，有機(jī)液體由發(fā)酵罐下部定期注入，發(fā)酵時(shí)間為30 d，期間不攪拌。生產(chǎn)天然氣達(dá)城鎮(zhèn)二級(jí)燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)，發(fā)酵中pH值及C/N等參數(shù)使用添加劑進(jìn)行調(diào)控。該項(xiàng)目餐廚垃圾厭氧發(fā)酵流程主要包括破碎分揀、蒸煮制漿、厭氧發(fā)酵和沼氣提純四個(gè)步驟，餐廚垃圾處理流程如圖1所示。

物料稱重卸車后，首先通過垃圾分選設(shè)備將大件金屬、玻璃和塑料制品等廢品挑出，避免攪入設(shè)備中造成故障，然后將有機(jī)質(zhì)含量較高的混合物輸送至蒸煮機(jī)蒸煮至90℃，蒸煮所得高溫有機(jī)混合物進(jìn)入三相分離機(jī)提出廢油脂和細(xì)渣，剩余有機(jī)液體繼續(xù)泵送到均質(zhì)罐，定時(shí)進(jìn)入發(fā)酵罐進(jìn)行為期30 d的厭氧發(fā)酵，期間不攪拌。發(fā)酵產(chǎn)出的沼氣中甲烷濃度為60%～75%，部分經(jīng)凈化處理后供給燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，剩余沼氣經(jīng)脫水、脫硫和二氧化碳膜分離提純后，制成天然氣，對(duì)外出售。沼氣發(fā)電機(jī)組的缸套水冷卻熱和煙氣余熱通過熱回收裝置供厭氧發(fā)酵系統(tǒng)再次利用，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)回收利用。

2.1 物料平衡分析

圖2為物料平衡流程圖，該公司設(shè)計(jì)垃圾日處理量為200 t，實(shí)際處理量約為180 t。每天需要消耗2 t自來水用于設(shè)備沖洗，每天分選出陶瓷、金屬和塑料等廢物3～5 t/d，固液分離粗渣約為30 t/d，三相分離細(xì)渣約為15 t/d，發(fā)酵后沼渣約為3 t/d，沼液約130 t/d，天然氣產(chǎn)量約為4 800 m3/d，發(fā)電約為3 500 kW·h/d，整個(gè)過程遵守物料平衡原理。最后需轉(zhuǎn)交給其它處理廠處理的固體殘?jiān)s63 t，占餐廚垃圾總量的33%，需轉(zhuǎn)交給其它處理廠處理的沼液約為130 t，占餐廚垃圾總量的67%，其后期處理費(fèi)用在全部廢棄物的處理費(fèi)用中占比最大。這些廢棄物中仍含有一定量的有機(jī)質(zhì)及熱量，且該公司一直處于不飽和運(yùn)行狀態(tài)，若繼續(xù)利用，可在節(jié)省部分人工及運(yùn)輸費(fèi)用的前提下提高天然氣產(chǎn)量，若直接交給其它處理廠進(jìn)行填埋，會(huì)造成土地的富營(yíng)養(yǎng)化，土地成本極高，不符合當(dāng)前政策要求。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

圖3為各項(xiàng)收入分配圖，由圖3可知，廢油脂在總收入中所占比例最大。三相分離中的廢油提取率可達(dá)90%，每噸餐廚垃圾可提取油脂20～80 kg，180 t原料可產(chǎn)廢油脂3.6～14.4 t，可售得1.26萬(wàn)元～5.184萬(wàn)元不等，平均收入為3.24萬(wàn)元/t。餐廚垃圾厭氧發(fā)酵過程中油脂過量會(huì)在設(shè)備中形成大量懸浮物，抑制發(fā)酵，影響設(shè)備運(yùn)行，所以提取油脂既可以增加收入又能降低油相對(duì)厭氧發(fā)酵的影響，從而提高發(fā)酵效率。我國(guó)餐廚垃圾補(bǔ)貼主要有收運(yùn)補(bǔ)貼、處理補(bǔ)貼以及專項(xiàng)資金補(bǔ)貼，青島地區(qū)處理補(bǔ)貼和收運(yùn)補(bǔ)貼分別為120元/t和100元/t，是僅次于油脂的盈利點(diǎn)，該公司只負(fù)責(zé)處理，因此獲處理補(bǔ)貼。此外，該項(xiàng)目產(chǎn)電約為3 500 kW·h/d，全部應(yīng)用于自身設(shè)備。根據(jù)該工程所在地2018年工業(yè)用電單價(jià)為0.86～1.8元/kW·h可知該項(xiàng)目可節(jié)約電費(fèi)約3 010～6 300元/d。綜上所述，該公司月收入可達(dá)204.77萬(wàn)元。

該項(xiàng)目的固定開支主要為人工費(fèi)、折舊費(fèi)用和各副產(chǎn)品的后續(xù)填埋費(fèi)用，其中人工費(fèi)用約為7萬(wàn)元/M，折舊費(fèi)用為31.67萬(wàn)元/a（1億初投資，25年使用期，折舊殘值為5%），前兩者一般固定不變，因此重點(diǎn)考慮各副產(chǎn)品的后續(xù)處理費(fèi)用即可。固態(tài)廢棄物處理費(fèi)一般為60元/t，液態(tài)為30元/t，每日支出為7 080元，每月總支出為25.24萬(wàn)元。若能最大限度實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的無害化和減量化處理，也將得到經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的最佳融合。綜上所述，該公司月利潤(rùn)約為147.88萬(wàn)元，年利潤(rùn)可達(dá)1 774.60萬(wàn)元。

3 經(jīng)濟(jì)效益提高方法分析

3.1 天然氣入網(wǎng)政策

我國(guó)對(duì)天然氣實(shí)行以體積計(jì)量為主的計(jì)價(jià)方式，不同品質(zhì)天然氣入網(wǎng)難，補(bǔ)貼少。該項(xiàng)目厭氧發(fā)酵所產(chǎn)成品天然氣未入網(wǎng)時(shí)，主要依靠零售獲取利潤(rùn)，多余部分只能燃燒耗盡，造成能源浪費(fèi)。因此每日的餐廚垃圾利用不充分問題也未得到重視，后期處理費(fèi)用居高不下，利潤(rùn)卻止步不前。餐廚垃圾沼氣能源化發(fā)展自產(chǎn)自銷式利用局限性大，財(cái)政補(bǔ)貼成效差，加之實(shí)際運(yùn)行處理量低于設(shè)計(jì)量，使得項(xiàng)目面臨運(yùn)行困難、經(jīng)濟(jì)性差和產(chǎn)氣效率低等諸多挑戰(zhàn)，不利于實(shí)現(xiàn)規(guī)模化和商業(yè)化可持續(xù)發(fā)展。作為國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，沼氣提純后能夠并入現(xiàn)有管網(wǎng)是行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

3.2 水解預(yù)處理技術(shù)

對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行預(yù)處理是提高發(fā)酵效率的有效方法之一。在多種預(yù)處理方式中，污泥熱水解技術(shù)和超聲波處理技術(shù)是污泥厭氧消化前處理技術(shù)中相對(duì)其它預(yù)處理方法（凍融法、高壓脈沖法、機(jī)械破碎法和臭氧法等）更為成熟的技術(shù)。研究表明溫度為140℃，經(jīng)30 min時(shí)高溫水解預(yù)處理效果最佳，餐廚垃圾中的蛋白質(zhì)、淀粉和脂肪的質(zhì)量百分含量分別提高了 20%、17%和 39%[10-12]。

發(fā)酵五天后產(chǎn)氣率逐步穩(wěn)定，添加熱壓水解的產(chǎn)氣速率明顯比無熱水解時(shí)更高效，產(chǎn)氣效率約為無熱壓水解時(shí)的2.14倍，熱水解后產(chǎn)氣量實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。副產(chǎn)品中富含大量有機(jī)質(zhì)，可以繼續(xù)混合污泥厭氧發(fā)酵，在提高產(chǎn)氣量的同時(shí)也可減少后期處理費(fèi)用。脫水污泥與餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵過程需稀釋，可考慮直接采用有機(jī)沼液，降低成本?？梢娙粼诓蛷N垃圾厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中添加該技術(shù)，或聯(lián)合兩種技術(shù)，將會(huì)大大增加產(chǎn)氣率。

3.3 有機(jī)肥的制作

作為餐廚垃圾制沼氣的副產(chǎn)物，沼渣沼液有機(jī)肥用于還田改良土壤，是發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)的重要支撐。目前該公司項(xiàng)目中餐廚垃圾經(jīng)厭氧消化后產(chǎn)生的沼渣和沼液基本作為垃圾需要填埋處理。利用沼渣沼液加工生產(chǎn)的高效有機(jī)復(fù)合肥具有肥效高、可防病抗蟲害和改良土壤的獨(dú)特性能。但餐廚垃圾制作的有機(jī)肥除肥效緩慢外，還存在重金屬和鹽分含量過高的情況，且區(qū)域分異明顯。該公司煙臺(tái)市分公司采用兌水稀釋的方式，將沼液沼渣稀釋液用于果樹培養(yǎng)，稀釋可降低鹽分含量，再配合有機(jī)肥養(yǎng)分含量豐富的化肥，在增加產(chǎn)量的同時(shí)也達(dá)到廢物利用的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

餐廚垃圾厭氧發(fā)酵前景廣闊，不僅體現(xiàn)在社會(huì)效益和環(huán)境效益方面，經(jīng)濟(jì)效益也尤為突出。餐廚垃圾沼氣熱電聯(lián)過程中產(chǎn)生的天然氣、肥料和油脂等均為綠色環(huán)保的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物，但現(xiàn)有處理過程未達(dá)到利潤(rùn)最大化，若能在產(chǎn)品銷路穩(wěn)定的前提下，在預(yù)處理中加入高溫?zé)崴忸A(yù)處理技術(shù)，可提高產(chǎn)氣率，對(duì)原料進(jìn)行充分利用，將減量化和資源化做到最優(yōu)，經(jīng)濟(jì)效益可提高一倍以上，對(duì)其進(jìn)行后續(xù)研究與推廣及對(duì)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。