餐廚垃圾沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟分析

陳福仲，劉杰，陳晶晶

（1.濟南熱力集團有限公司，濟南 250011；2.青島理工大學，山東青島 266033）

我國餐廚垃圾產(chǎn)量大，按城市人口人均日產(chǎn)餐廚廢棄物0.09 kg/d計算[1]，青島日產(chǎn)餐廚垃圾量約為810 t。餐廚垃圾高有機質(zhì)含量較高，易腐壞，腐壞程度與廢棄時間和溫度呈正相關等特點，若不能及時得到有效處理，勢必產(chǎn)生極大危害。另一方面，餐廚垃圾中蘊含著巨大的能源潛力，因此如何提出資源化能源化技術路線，建立餐廚垃圾回收與無害化處理，實現(xiàn)節(jié)能減排與環(huán)境保護的目標是餐廚垃圾處理的首要問題。為了進一步對餐廚垃圾資源化及能源化處理進行分析，本文以青島某餐廚垃圾處理廠為研究對象，對其主要技術路線、運行情況和經(jīng)濟核算進行分析。

1 餐廚垃圾處理的主要技術路線分析

目前國內(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處理技術。當垃圾收集量達到500 t以上時，采用垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)技術具有較高的經(jīng)濟效益。對于餐廚垃圾，由于區(qū)域收集相對量低，含水率可高達70%～90%，收集運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，項目主要集中在發(fā)達大城市。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，采用清華大學研發(fā)的濕熱處理技術，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路線既實現(xiàn)固體廢棄物減量化、無害化和資源化，又可彌補天然氣缺口，是處理餐廚垃圾的最佳技術路線之一。尤其是目前供熱工程分布式供熱和煤改氣政策的推行，也推動著生物質(zhì)燃氣工程向前發(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，提高有機質(zhì)的去除率，提升厭氧發(fā)酵罐的容積利用率，進而提高產(chǎn)氣效率，實現(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)運輸車隊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，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)甲烷菌在同一反應器中，有機液體由發(fā)酵罐下部定期注入，發(fā)酵時間為30 d，期間不攪拌。生產(chǎn)天然氣達城鎮(zhèn)二級燃氣標準，發(fā)酵中pH值及C/N等參數(shù)使用添加劑進行調(diào)控。該項目餐廚垃圾厭氧發(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備將大件金屬、玻璃和塑料制品等廢品挑出，避免攪入設備中造成故障，然后將有機質(zhì)含量較高的混合物輸送至蒸煮機蒸煮至90℃，蒸煮所得高溫有機混合物進入三相分離機提出廢油脂和細渣，剩余有機液體繼續(xù)泵送到均質(zhì)罐，定時進入發(fā)酵罐進行為期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)凈化處理后供給燃氣發(fā)電機組，驅(qū)動內(nèi)燃機發(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，對外出售。沼氣發(fā)電機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，實現(xiàn)能源的梯級回收利用。

2.1 物料平衡分析

圖2為物料平衡流程圖，該公司設計垃圾日處理量為200 t，實際處理量約為180 t。每天需要消耗2 t自來水用于設備沖洗，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渣約63 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%，其后期處理費用在全部廢棄物的處理費用中占比最大。這些廢棄物中仍含有一定量的有機質(zhì)及熱量，且該公司一直處于不飽和運行狀態(tài)，若繼續(xù)利用，可在節(jié)省部分人工及運輸費用的前提下提高天然氣產(chǎn)量，若直接交給其它處理廠進行填埋，會造成土地的富營養(yǎng)化，土地成本極高，不符合當前政策要求。

2.2 經(jīng)濟效益分析

圖3為各項收入分配圖，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1.26萬元～5.184萬元不等，平均收入為3.24萬元/t。餐廚垃圾厭氧發(fā)酵過程中油脂過量會在設備中形成大量懸浮物，抑制發(fā)酵，影響設備運行，所以提取油脂既可以增加收入又能降低油相對厭氧發(fā)酵的影響，從而提高發(fā)酵效率。我國餐廚垃圾補貼主要有收運補貼、處理補貼以及專項資金補貼，青島地區(qū)處理補貼和收運補貼分別為120元/t和100元/t，是僅次于油脂的盈利點，該公司只負責處理，因此獲處理補貼。此外，該項目產(chǎn)電約為3 500 kW·h/d，全部應用于自身設備。根據(jù)該工程所在地2018年工業(yè)用電單價為0.86～1.8元/kW·h可知該項目可節(jié)約電費約3 010～6 300元/d。綜上所述，該公司月收入可達204.77萬元。

該項目的固定開支主要為人工費、折舊費用和各副產(chǎn)品的后續(xù)填埋費用，其中人工費用約為7萬元/M，折舊費用為31.67萬元/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，因此重點考慮各副產(chǎn)品的后續(xù)處理費用即可。固態(tài)廢棄物處理費一般為60元/t，液態(tài)為30元/t，每日支出為7 080元，每月總支出為25.24萬元。若能最大限度實現(xiàn)餐廚垃圾的無害化和減量化處理，也將得到經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的最佳融合。綜上所述，該公司月利潤約為147.88萬元，年利潤可達1 774.60萬元。

3 經(jīng)濟效益提高方法分析

3.1 天然氣入網(wǎng)政策

我國對天然氣實行以體積計量為主的計價方式，不同品質(zhì)天然氣入網(wǎng)難，補貼少。該項目厭氧發(fā)酵所產(chǎn)成品天然氣未入網(wǎng)時，主要依靠零售獲取利潤，多余部分只能燃燒耗盡，造成能源浪費。因此每日的餐廚垃圾利用不充分問題也未得到重視，后期處理費用居高不下，利潤卻止步不前。餐廚垃圾沼氣能源化發(fā)展自產(chǎn)自銷式利用局限性大，財政補貼成效差，加之實際運行處理量低于設計量，使得項目面臨運行困難、經(jīng)濟性差和產(chǎn)氣效率低等諸多挑戰(zhàn)，不利于實現(xiàn)規(guī)?；蜕虡I(yè)化可持續(xù)發(fā)展。作為國家能源發(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)展的關鍵。

3.2 水解預處理技術

對餐廚垃圾進行預處理是提高發(fā)酵效率的有效方法之一。在多種預處理方式中，污泥熱水解技術和超聲波處理技術是污泥厭氧消化前處理技術中相對其它預處理方法（凍融法、高壓脈沖法、機械破碎法和臭氧法等）更為成熟的技術。研究表明溫度為140℃，經(jīng)30 min時高溫水解預處理效果最佳，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更高效，產(chǎn)氣效率約為無熱壓水解時的2.14倍，熱水解后產(chǎn)氣量實驗結果如圖5所示。副產(chǎn)品中富含大量有機質(zhì)，可以繼續(xù)混合污泥厭氧發(fā)酵，在提高產(chǎn)氣量的同時也可減少后期處理費用。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沼液，降低成本。可見若在餐廚垃圾厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中添加該技術，或聯(lián)合兩種技術，將會大大增加產(chǎn)氣率。

3.3 有機肥的制作

作為餐廚垃圾制沼氣的副產(chǎn)物，沼渣沼液有機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)的高效有機復合肥具有肥效高、可防病抗蟲害和改良土壤的獨特性能。但餐廚垃圾制作的有機肥除肥效緩慢外，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，再配合有機肥養(yǎng)分含量豐富的化肥，在增加產(chǎn)量的同時也達到廢物利用的目的。

4 結語

餐廚垃圾厭氧發(fā)酵前景廣闊，不僅體現(xiàn)在社會效益和環(huán)境效益方面，經(jīng)濟效益也尤為突出。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)濟產(chǎn)物，但現(xiàn)有處理過程未達到利潤最大化，若能在產(chǎn)品銷路穩(wěn)定的前提下，在預處理中加入高溫熱水解預處理技術，可提高產(chǎn)氣率，對原料進行充分利用，將減量化和資源化做到最優(yōu)，經(jīng)濟效益可提高一倍以上，對其進行后續(xù)研究與推廣及對我國能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護具有重要意義。