名稱：我國廚余垃圾處理模式的綜合比較和優(yōu)化策略
廚余垃圾是生活垃圾分類工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。如何選擇廚余垃圾處理模式以實(shí)現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益的最大化是生活垃圾分類工作中的一個(gè)關(guān)鍵問題。本文以回收利用率、碳排放和全周期費(fèi)用為衡量指標(biāo)，綜合比較了混合焚燒、厭氧消化、好氧堆肥和飼料化4種廚余垃圾處理模式。
1.1 回收利用率。廚余垃圾有機(jī)質(zhì)可以部分轉(zhuǎn)化為肥料、飼料或能量，為了便于對不同技術(shù)進(jìn)行比較，按式（1）計(jì)算回收利用率，其包括了物質(zhì)回收和能量回收。
式中：R為回收利用率，%；MR為回收產(chǎn)物中來自于廚余垃圾的質(zhì)量，kg·t-1；MFW為廚余垃圾干固體總質(zhì)量，kg·t-1；ER為從廚余垃圾中回收的能量，kJ·t-1；EFW為廚余垃圾干固體的生物質(zhì)能，kJ·t-1。根據(jù)式（1），可以計(jì)算4種廚余垃圾處理模式的回收利用率。
1.2 碳排放。廚余垃圾中的碳均為生物源碳，其轉(zhuǎn)化生成的CO2不計(jì)入碳排放。碳排放來自于收運(yùn)處理過程中消耗外部能量、物質(zhì)引起的間接碳排放，而碳減排效應(yīng)來自于系統(tǒng)輸出的產(chǎn)品或能量產(chǎn)生的替代效應(yīng)。同時(shí)，處理過程中溫室氣體CH4和N2O的泄漏也會(huì)導(dǎo)致碳排放。
式中：EC為系統(tǒng)總碳排放，kg·t-1；ECextra為處理過程中消耗能源、藥劑等帶來的附加碳排放，kg·t-1；ECleak為處理過程中泄漏的溫室氣體的碳排放當(dāng)量，kg·t-1；Poutput為系統(tǒng)產(chǎn)物，fp為系統(tǒng)產(chǎn)物所替代的能量或產(chǎn)品的單位碳排放。
1.3 全周期費(fèi)用。廚余垃圾分類系統(tǒng)涉及投放、收運(yùn)、處理處置和監(jiān)管等環(huán)節(jié)，不同區(qū)域、不同設(shè)施、不同運(yùn)行水平的廚余垃圾全周期費(fèi)用會(huì)有較大差異。對于管理部門，財(cái)政支出是其制定廚余垃圾管理策略的重要依據(jù)。因此，該部分不對各個(gè)環(huán)節(jié)企業(yè)的運(yùn)營成本進(jìn)行財(cái)務(wù)分析，而是直接參考多個(gè)城市管理部門的調(diào)研數(shù)據(jù)，對廚余垃圾處理模式進(jìn)行全周期費(fèi)用的比較。
結(jié)果與討論
2.1 回收利用率分析
混合焚燒的回收利用率主要受廚余垃圾含固率和系統(tǒng)熱效率的影響。廚余垃圾進(jìn)入焚燒廠后，在儲(chǔ)坑排出部分水分，含水率從80%降至70%，該條件下的回收利用率僅為9%。這是因?yàn)椋瑥N余垃圾干基熱值遠(yuǎn)低于橡塑、紙類等，而且含有大量水分。實(shí)際上，廚余垃圾焚燒的外輸電量僅76 kWh·t-1。即使廚余垃圾含水率進(jìn)一步降低至60%，回收利用率也僅提升至11%。要提升回收利用率，還必須提升焚燒系統(tǒng)的熱效率；如果熱效率為60%，則回收利用率可以達(dá)到29%，但這需要焚燒廠周邊有穩(wěn)定的熱需求。
對于厭氧消化處理，油脂回收量取決于廚余垃圾特性，而整個(gè)處理系統(tǒng)的回收利用率主要受有機(jī)質(zhì)降解率和沼氣發(fā)電熱效率的影響。如廚余垃圾有機(jī)質(zhì)降解率為70%，則沼氣產(chǎn)率為115 m3·t-1。每t廚余垃圾產(chǎn)生廢液（含沼液和廠區(qū)其他外排廢水）約0.92 t，含有機(jī)質(zhì)7 kg；產(chǎn)生沼渣210 kg，含有機(jī)質(zhì)為42 kg，其余為水分。假設(shè)無機(jī)質(zhì)10 kg全部進(jìn)入沼液，而工藝消耗的藥劑不計(jì)入質(zhì)量平衡，則系統(tǒng)物質(zhì)流如圖1所示。廚余垃圾厭氧消化廠的上網(wǎng)電量為204 kWh·t-1，沼渣在焚燒廠外輸電量為14 kWh·t-1，共外輸電力218 kWh·t-1，整個(gè)系統(tǒng)的回收利用率為36%，顯著高于焚燒處理。當(dāng)廚余垃圾有機(jī)質(zhì)降解率為65%~75%、綜合熱效率為30%~40%、CH4泄漏率為0.5%~5%，則系統(tǒng)的回收利用率在31%~42%之間波動(dòng)。
廚余垃圾厭氧消化過程中的物質(zhì)流
廚余垃圾好氧堆肥時(shí)，大部分有機(jī)質(zhì)礦化為二氧化碳和水，少部分腐殖化進(jìn)入堆肥產(chǎn)物。典型條件下，廚余垃圾中70%的有機(jī)質(zhì)降解，同時(shí)含水率從80%降低至40%（以滿足堆肥產(chǎn)品要求），這樣得到的堆肥產(chǎn)物為112 kg·t-1（其中干固體為67 kg·t-1），即產(chǎn)率為11%。在這種條件下，好氧堆肥的回收利用率為34%。當(dāng)廚余垃圾有機(jī)質(zhì)降解率為65%~75%時(shí)，回收利用率為29%~38%。
廚余垃圾干熱處理時(shí)，有少量有機(jī)質(zhì)損失，而大部分干固體進(jìn)入到飼料產(chǎn)品中。干熱處理的回收利用率為80%~95%。因此，干熱處理這種短流程的物理加工方式可以最大限度的利用有機(jī)質(zhì)。當(dāng)采用微生物或昆蟲幼體處理廚余垃圾時(shí)，微生物和昆蟲幼體本身會(huì)消耗有機(jī)質(zhì)，同時(shí)在產(chǎn)物分離過程中會(huì)有一定的質(zhì)量損失，所以回收利用率會(huì)有所下降。
不同廚余垃圾處理模式的回收利用率總結(jié)在圖2中。飼料化具有最高的回收利用率，這是由于干熱處理最大限度地利用了廚余垃圾有機(jī)質(zhì)。厭氧消化的回收利用率略高于好氧堆肥，這是由于厭氧條件下有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷，但甲烷利用率較低；而好氧條件下大量有機(jī)質(zhì)被礦化為二氧化碳。與焚燒處理相比，厭氧消化系統(tǒng)轉(zhuǎn)化有機(jī)質(zhì)的效率略高，同時(shí)無需蒸發(fā)水分，而且自用電比例更低，因此具有更高的回收利用率。如果厭氧消化系統(tǒng)有機(jī)質(zhì)降解率降低，則進(jìn)入到沼渣的有機(jī)質(zhì)變多，由于焚燒發(fā)電的效率較低，則系統(tǒng)的回收利用率會(huì)下降。如果厭氧消化系統(tǒng)不進(jìn)行沼氣發(fā)電，而是直接外輸沼氣或甲烷，則可以避免沼氣發(fā)電環(huán)節(jié)的損耗，提高系統(tǒng)的回收利用率。
不同廚余垃圾處理模式的回收利用率
2.2 碳排放分析
廚余垃圾焚燒后可以向外輸電，同時(shí)焚燒系統(tǒng)（包括運(yùn)輸、滲濾液處理、飛灰處理、爐渣處理、煙氣治理等）中輸入的材料、能量和水等會(huì)帶來附加碳排放。在典型條件下，餐廚垃圾焚燒處理后外輸電力的效率僅14%，即76 kWh·t-1，對應(yīng)碳減排量為67 kg·t-1；扣除收運(yùn)過程、自身消耗能量與材料、滲濾液處理產(chǎn)生的碳排放后，廚余垃圾焚燒處理的碳排放為−1.2 kg·t-1，碳減排效應(yīng)可忽略不計(jì)。如通過熱電聯(lián)產(chǎn)提高熱效率至60%，則廚余垃圾焚燒處理的碳排放為−148 kg·t-1，具有顯著的碳減排效應(yīng)。
廚余垃圾厭氧消化時(shí)，系統(tǒng)總的外輸電力為218 kWh·t-1，生物柴油產(chǎn)量為20 kg·t-1，前者通過替代效應(yīng)實(shí)現(xiàn)碳減排192 kg·t-1，后者實(shí)現(xiàn)碳減排62 kg·t-1。上述效應(yīng)加和，同時(shí)考慮收運(yùn)過程碳排放、系統(tǒng)附加碳排放和泄漏引起的碳排放，系統(tǒng)總的碳排放為−104 kg·t-1。當(dāng)廚余垃圾有機(jī)質(zhì)降解率為60%~90%、綜合熱效率為30%~40%、CH4泄漏率為0.5%~5%時(shí)，系統(tǒng)的碳排放為−65~−209 kg·t-1。
與焚燒和厭氧消化相比，好氧堆肥不僅可以替代化肥，還可以通過有機(jī)碳腐殖化實(shí)現(xiàn)固碳，總的碳減排效應(yīng)為105 kg·t-1。然而，好氧堆肥過程中溫室氣體泄漏較多，疊加收運(yùn)過程的碳排放，廚余垃圾好氧堆肥的凈碳排放為165 kg·t-1。當(dāng)有機(jī)質(zhì)降解率為65%~75%、CH4泄漏率為碳含量的1%~5%、N2O泄漏率為氮的0.5%~5%時(shí)，系統(tǒng)的碳排放為10~420 kg·t-1。
廚余垃圾干熱處理加工飼料時(shí)，碳排放主要來自于加熱能耗，不同能源的碳排放差異較大。當(dāng)采用天然氣供熱，飼料產(chǎn)率為80%~95%時(shí)，系統(tǒng)的碳排放為−67~−112 kg·t-1，具有顯著的碳減排效應(yīng)。如果采用電加熱，則碳排放將大幅增加；反之，如果可以利用余熱加工廚余垃圾，或者利用相對干燥的食品廢棄物作為原料，則可以進(jìn)一步減少碳排放。
根據(jù)上述分析，不同廚余垃圾處理模式的碳排放如圖3所示。在廚余垃圾處理過程中，附加碳排放一般不到50 kg·t-1，收運(yùn)過程的碳排放也相對較小，因此系統(tǒng)熱效率、有機(jī)質(zhì)降解率和溫室氣體泄漏率是影響不同處理模式碳排放的主要因素。飼料化和厭氧消化具有最好的碳減排效應(yīng)，而混合焚燒的碳減排效應(yīng)可忽略不計(jì)。好氧堆肥受到溫室氣體泄漏的影響，會(huì)產(chǎn)生較多的碳排放，當(dāng)堆肥工藝運(yùn)行良好，無CH4和N2O排放時(shí)，好氧堆肥可產(chǎn)生碳減排效應(yīng)。
不同廚余垃圾處理模式的碳排放量
2.3 費(fèi)用分析
1）投放費(fèi)用。根據(jù)深圳數(shù)據(jù)分析，垃圾投放費(fèi)用為38元·t-1，督導(dǎo)費(fèi)用為48元·t-1；與北京市結(jié)果相近。因此，分類投放的總費(fèi)用為86元·t-1。
2）收運(yùn)費(fèi)用。深圳廚余垃圾的平均收運(yùn)費(fèi)用按275元·t-1計(jì)，上海收運(yùn)費(fèi)用約為290元·t-1，而杭州農(nóng)村地區(qū)的平均收運(yùn)費(fèi)用為284元·t-1，均與深圳接近。
3）處理費(fèi)用。深圳市生活垃圾混合焚燒補(bǔ)貼（含垃圾處理費(fèi)和發(fā)電補(bǔ)貼）平均為280元·t-1，與上海市補(bǔ)貼費(fèi)用類似，但一些三四線城市的補(bǔ)貼較低。深圳市廚余垃圾處理補(bǔ)貼為284元·t-1，而上海為270元·t-1，杭州市為207元·t-1，太原為220元·t-1，北京豐臺(tái)項(xiàng)目為308元·t-1（含收運(yùn)）。本文按284元·t-1計(jì)算，當(dāng)然企業(yè)的實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用會(huì)不同程度地低于該值。
4）宣教監(jiān)管費(fèi)用。以深圳市為例，宣教費(fèi)用約25元·t-1，分類監(jiān)管費(fèi)用約6元·t-1，處理監(jiān)管費(fèi)用約1元·t-1，合計(jì)32元·t-1。當(dāng)采用混合收運(yùn)模式時(shí)，僅有處理過程的監(jiān)管費(fèi)用，即1元·t-1。
不同廚余垃圾處理模式的政府支出匯總?cè)鐖D4所示。可以看出，混合焚燒的全周期費(fèi)用最低，而分類處理的全周期費(fèi)用高出125元·t-1。這主要是由于垃圾分類增加了前端投放督導(dǎo)和宣教監(jiān)管費(fèi)用，此外收運(yùn)費(fèi)用也略高于混合焚燒。除上述費(fèi)用外，垃圾收運(yùn)處理設(shè)施也會(huì)占用一定的土地，由于占地面積和工藝路線、設(shè)計(jì)方案有關(guān)，同時(shí)土地費(fèi)用差別很大，這里不計(jì)入比較。
不同廚余垃圾處理模式的全周期費(fèi)用
2.4 綜合比較
根據(jù)前述分析，雖然分類收集處理的全周期費(fèi)用較高，但這些費(fèi)用主要來自于垃圾分類工作開始階段的宣教、監(jiān)管支出，一旦分類體系成熟，這部分費(fèi)用可以降低乃至取消；另一方面，廚余垃圾分類具有顯著的環(huán)境效益，因此廚余垃圾適宜分類處理。在分類體系下，源頭減量如光盤行動(dòng)、源頭瀝水等措施不需要額外的費(fèi)用、能耗和材料，也可以顯著提升整個(gè)系統(tǒng)的表現(xiàn)，因此是最優(yōu)策略。對于產(chǎn)出的廚余垃圾，在各類處理模式中，飼料化的回收利用率最高且碳減排效應(yīng)顯著。厭氧消化具有較高的回收利用率和最大的碳減排效應(yīng)，但厭氧消化設(shè)施應(yīng)穩(wěn)定運(yùn)行，以保證較高的有機(jī)質(zhì)降解率，否則系統(tǒng)表現(xiàn)會(huì)顯著下降。好氧堆肥的回收利用率與厭氧消化相當(dāng)，但在無法確保充分好氧的條件下，會(huì)形成CH4和N2O排放，造成較高的碳排放。
相對而言，混合焚燒比好氧堆肥更易控制，可以避免溫室氣體泄漏。雖然垃圾焚燒余熱發(fā)電的回收利用率較差，但如果采用熱電聯(lián)產(chǎn)，則可以實(shí)現(xiàn)更多的碳減排。對于廚余垃圾厭氧消化和其他垃圾焚燒構(gòu)成的綜合處理體系，廚余垃圾分出可以提高其他垃圾的焚燒效率。這符合高含水率、低熱值垃圾進(jìn)行厭氧消化，而低含水率、高熱值垃圾進(jìn)行焚燒處理的理想情形。因此，當(dāng)新建焚燒設(shè)施時(shí)，應(yīng)充分考慮廚余垃圾分出后其他垃圾水分減少、熱值上升的情況；而對于已有的焚燒設(shè)施，為了保證進(jìn)爐垃圾熱值處于最優(yōu)范圍，進(jìn)爐垃圾中廚余垃圾含量在30%左右為宜。這樣，廚余垃圾的管理策略如圖5所示。
