左 樂(lè)，聶劍文 ，袁 野，李向蓉（.上海建科環(huán)境技術(shù)有限公司， 上海 000；.上海老港固廢綜合開發(fā)有限公司， 上海 006；.上海環(huán)境工程建設(shè)項(xiàng)目管理有限公司， 上海 006）

厭氧發(fā)酵是上海市等地區(qū)餐廚垃圾處置普遍采用的工藝。在其過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢物，其中包括餐廚垃圾預(yù)處理產(chǎn)生的毛油，廢棄油脂提純產(chǎn)生的三相固渣，以及厭氧消化后殘留在發(fā)酵罐底部的半固體物質(zhì)經(jīng)脫水形成的固態(tài)沼渣。上述固體廢物目前采用的處理方式主要為毛油外售處理，三相固渣經(jīng)均質(zhì)后進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵系統(tǒng)最后成為沼渣，而對(duì)沼渣則是進(jìn)行外運(yùn)焚燒處置，總體而言資源利用率低。因此，本文將介紹餐廚垃圾處理過(guò)程中產(chǎn)生的各類固體廢物資源化利用方式，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行環(huán)境經(jīng)濟(jì)損益計(jì)算，對(duì)比分析采用資源化利用前后的環(huán)保效費(fèi)比變化情況，以期為分析和評(píng)價(jià)餐廚垃圾資源化的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益比較提供參考。

1 毛 油

餐廚垃圾中油脂含量一般約為 4%，經(jīng)離心分離后會(huì)產(chǎn)生毛油，毛油的主要成分三脂肪酸甘油酯，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后可加工生成生物柴油或油酸。柴油或油酸可作化學(xué)原料，達(dá)到資源化利用的目的。

1.1 生物柴油

以毛油作為原料生產(chǎn)生物柴油是實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾毛油高值化利用的一種重要手段。生物柴油是一種生物質(zhì)能，其物理性質(zhì)近似于石化柴油。生物柴油具有高十六烷值、低含硫量、可生物降解、潤(rùn)滑性能優(yōu)良和閃點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn)，而且其中的硫含量相對(duì)于石化柴油下降約 30%，是一種新型的綠色環(huán)保型燃料，已廣泛應(yīng)用并普遍成為石化柴油替代品。

生物柴油的生產(chǎn)工藝為：原料油（毛油）轉(zhuǎn)入酯化反應(yīng)器，隨后加入酸性催化劑，與過(guò)量甲醇進(jìn)行兩次酯化反應(yīng)后，通過(guò)精餾提取生物柴油。其中，產(chǎn)物分為輕質(zhì)柴油（C 14 甲酯）和重質(zhì)柴油（植物瀝青、油酸甲酯、棕櫚酸甲酯等）。

1.2 油 酸

以毛油生成油酸也是其資源化利用的一個(gè)重要方式。油酸是一種油脂化工的基礎(chǔ)原料，其制備工藝是對(duì)毛油進(jìn)行水解，然后經(jīng)過(guò)精餾而逐步分離出油酸、硬脂酸、瀝青、粗甘油等產(chǎn)品。其主要工藝流程如圖1 所示。

圖1 油酸生產(chǎn)工藝流程圖

生成的油酸及其副產(chǎn)物產(chǎn)品可用于日用化工、石油化工、鑄造、金屬加工、油墨、涂料、食品、醫(yī)藥、紡織、橡塑、采礦、交通運(yùn)輸?shù)雀餍懈鳂I(yè)，用途較為廣泛。

2 三相固渣

廢棄油脂在提純過(guò)程中產(chǎn)生的三相固渣一般會(huì)進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)酵，最后作為沼渣處理，但是該處理方法資源利用率低，并且大量油脂含量較高，將影響后續(xù)厭氧發(fā)酵。研究表明，三相固渣中蛋白質(zhì)含量高且種類豐富，可用于養(yǎng)殖低等生物制備蛋白飼料，帶來(lái)較高的經(jīng)濟(jì)效益。

通過(guò)飼養(yǎng)昆蟲（如蚯蚓、蝗蟲、黑水虻等）作為蛋白質(zhì)來(lái)源回收餐廚垃圾并生產(chǎn)蛋白飼料是三相固渣高值化利用的一種方法，目前推廣的為黑水虻養(yǎng)殖。黑水虻是一種腐生性水虻科昆蟲，繁殖速度快，具有對(duì)有機(jī)物吸收轉(zhuǎn)化率高、可高密度養(yǎng)殖、飼養(yǎng)成本低等特點(diǎn)。

利用黑水虻消化餐廚垃圾中有機(jī)成分，而其幼蟲和蛹可用于制作高價(jià)值的動(dòng)物蛋白飼料。含水率約 70% 的三相固渣經(jīng)粉碎后喂食于黑水虻，經(jīng) 5～7 d 養(yǎng)殖后，將黑水虻虻體蛋白和蟲糞采用蟲料篩分設(shè)備進(jìn)行蟲糞分離，最終得到的優(yōu)質(zhì)的水虻鮮蟲，可作為有機(jī)肥產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾資源化利用。

3 沼 渣

沼渣主要由分解的原料固形物與新產(chǎn)生的微生物菌體組成[1]。其特點(diǎn)是有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分含量較高，重金屬含量較低，具有較高的營(yíng)養(yǎng)成分和較低的生物毒性，具備良好的資源化利用潛力[2]。

3.1 飼 料

沼渣作為飼料或飼料添加劑是其資源化利用的途徑之一，多應(yīng)用在水產(chǎn)和畜禽養(yǎng)殖方面。沼液中含有豐富的蛋氨酸和賴氨酸及一定量的糖類、蛋白質(zhì)及脂質(zhì)，還含有大量的微量元素，還可以用作畜禽養(yǎng)殖的飼料和淡水養(yǎng)殖的餌料，達(dá)到廢棄物資源利用的最大化[3]。

3.2 肥 料

沼渣中含有豐富的有機(jī)及無(wú)機(jī)物質(zhì)，速效養(yǎng)分含量高，被認(rèn)為是一種優(yōu)質(zhì)高效的土壤改良劑和有機(jī)物肥料。

通常沼渣經(jīng)脫水后還會(huì)通過(guò)干化處理使其含水率降至40% 左右，干化后沼渣的資源化途徑主要為生產(chǎn)有機(jī)肥料。根據(jù)某工程厭氧發(fā)酵的沼渣干化處理后的檢測(cè)數(shù)據(jù)，其各類指標(biāo)可滿足 NY 525—2012《有機(jī)肥料》要求，如表1所示。

表1 干化沼渣指標(biāo)檢測(cè)值對(duì)比分析結(jié)果

3.3 生物質(zhì)炭

熱解碳化沼渣是目前最新的資源化處理方式，尚處于試驗(yàn)階段未正式投入大規(guī)模生產(chǎn)。該方法通常采用固定床汽化爐進(jìn)行熱解氣化，碳化沼渣在限氧或者無(wú)氧的條件下進(jìn)行裂解，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為熱解油、可燃性氣體以及多用途的熱解炭（生物炭）。

熱解炭化工藝流程如圖2 所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由回轉(zhuǎn)式干化機(jī)和空氣加熱、冷凝交換機(jī)組組成。干化機(jī)利用炭化余熱產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)熱交換器將常溫風(fēng)轉(zhuǎn)換成熱風(fēng)，對(duì)沼渣進(jìn)行干化；此階段的風(fēng)進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷凝水回收，再循環(huán)至干化機(jī)。炭化機(jī)采用外熱型干餾炭化，物料與高溫?zé)煔獠恢苯咏佑|。

圖2 沼渣熱解炭化工藝流程圖

熱解是在無(wú)氧的條件下進(jìn)行的，熱解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生三種物質(zhì)，分別是熱解氣、生物質(zhì)炭和焦油，均可被回收利用。熱解氣為可燃?xì)怏w，主要為 CH4、H2、CO、CO2等，可以作為熱解炭化系統(tǒng)的內(nèi)循環(huán)燃料。生物質(zhì)炭具有多孔性，并含有一定量的氮、磷、鉀等元素，可以用作土壤性能改良劑以及炭基肥生產(chǎn)的原材料，也可以用作環(huán)境功能材料，用于污水治理、煙氣凈化、土壤修復(fù)、固體成型燃料、燃料電池、固體酸催化劑和電極材料等[4]。焦油經(jīng)過(guò)提純后可以作為焦化工業(yè)的原料，生產(chǎn)重整柴油。沼渣的熱解炭化處理在無(wú)害化過(guò)程中最大程度實(shí)現(xiàn)了資源化利用，是未來(lái)沼渣資源化處理方式的主要發(fā)展趨勢(shì)。

此外，對(duì)于炭化熱解，一些學(xué)者比較關(guān)注該過(guò)程中二噁英污染物的產(chǎn)生。熱解反應(yīng)系統(tǒng)一般分為固體熱解區(qū)和氣體燃燒區(qū)。固體熱解區(qū)為無(wú)氧狀態(tài)，缺少二噁英產(chǎn)生的必要條件—氧；熱解氣體燃燒區(qū)，則無(wú)可作為催化劑的重金屬，且該區(qū)域溫度在 850 ℃ 以上，亦不構(gòu)成二噁英產(chǎn)生的條件。因此，在無(wú)氧或缺氧條件下，二噁英等因缺少生成的條件而從源頭上減少了二噁英的排放，降低了熱解炭化生產(chǎn)工藝的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[5]。根據(jù)上海市某濕垃圾項(xiàng)目沼渣熱解炭化試驗(yàn)結(jié)果，熱解廢氣中污染物 SO2、顆粒物、氮氧化物的含量均相對(duì)較低，對(duì)于 SO2、含汞重金屬和二噁英則顯示未檢出，如表2 所示。因此炭化熱解處理沼渣對(duì)環(huán)境造成的損害較低，具有良好的環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益。

表2 濕垃圾沼渣炭化熱解廢氣檢測(cè)數(shù)據(jù)

4 環(huán)保效費(fèi)比

環(huán)境經(jīng)濟(jì)損益分析是衡量一個(gè)建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)。在環(huán)境影響評(píng)價(jià)中常采用環(huán)保效費(fèi)比的數(shù)值來(lái)判斷。一般認(rèn)為環(huán)保效費(fèi)比的值≥1 時(shí)，該項(xiàng)目的環(huán)境控制方案是可行的，否則認(rèn)為該方案在環(huán)保經(jīng)濟(jì)上不合理。

基于上述固廢資源化利用方式，本次研究以一座處理能力為餐廚垃圾 500 t/d 的處理設(shè)施為例來(lái)進(jìn)行餐廚垃圾處理設(shè)施產(chǎn)生的固廢資源化利用前后的環(huán)保效費(fèi)比對(duì)比分析，其固廢的資源化利用方式為：毛油制備油酸，三相固渣用作黑水虻養(yǎng)殖，沼渣作為有機(jī)肥。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查和題設(shè)規(guī)模餐廚垃圾運(yùn)行實(shí)際情況，一般有機(jī)肥單價(jià)為 200 元/t，產(chǎn)量約 19 370.00 t/a；鮮蟲單價(jià)為 3 500 元/t，產(chǎn)量約 2 190.00 t/a；蟲糞單價(jià)為200 元/t，產(chǎn)量約 32.85 t/a；油酸單價(jià)為 5 000 元/t，產(chǎn)量約 2 810.00 t/a；油酸制備副產(chǎn)物單價(jià)為 200 元/t，產(chǎn)量約 1 245.00 t/a。

通過(guò)計(jì)算及前文得出的結(jié)果[5]，在未采用資源化利用工藝之前，餐廚垃圾處理設(shè)施的環(huán)境年凈效益計(jì)算結(jié)果為1 782 萬(wàn)元，其環(huán)保效費(fèi)比為 1.26，在進(jìn)行資源化利用后，餐廚垃圾厭氧發(fā)酵處理的環(huán)境年凈效益達(dá)到 4 366 萬(wàn)元，其環(huán)保效費(fèi)比達(dá) 1.65，提高了約 30%，說(shuō)明餐廚垃圾末端固廢資源化利用率的提高將明顯有助于項(xiàng)目環(huán)保效費(fèi)比的提高，從而有利于項(xiàng)目具有更加穩(wěn)定持續(xù)的運(yùn)營(yíng)模式，有益于環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益的可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié) 語(yǔ)

近年開展的生活垃圾分類引起的餐廚垃圾處理設(shè)施興建，目前處于一種全新的生活垃圾處理模式發(fā)展時(shí)期。根據(jù)調(diào)查，上海市大部分餐廚垃圾厭氧發(fā)酵處理的沼渣多采用外運(yùn)焚燒的處置方式。從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)角度考慮，該方法一方面增加了生活垃圾焚燒場(chǎng)的工作負(fù)荷，一方面也削弱了生活垃圾分類處理的實(shí)際意義。因此，在源頭做好餐廚垃圾消化處理的同時(shí)，從末端提高處理過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢物如毛油、三相固渣、沼渣等的資源化利用率，對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵處理設(shè)施的可持續(xù)運(yùn)行大有裨益。

上海市已有少數(shù)餐廚垃圾處理設(shè)施在嘗試采用不同的固廢資源化利用組合方案，而炭化熱解工藝，尚處于探索階段。但是，不論采取何種資源化處理方式，都存在利用途徑較窄，產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)有待提高等問(wèn)題，尤其對(duì)于炭化熱解工藝的全面推廣還需要更加深入和細(xì)致的試驗(yàn)和研究。