廚余垃圾就地處理技術(shù)現(xiàn)狀分析及建議

鄭 葦，陳子璇，馬換梅，高 波

(中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300074)

前 言

我國廚余垃圾產(chǎn)生量巨大，超8 000萬噸/年(按每人每天160g[1]和全國14億人口估算)。同時隨著生活垃圾分類推進，廚余垃圾(主要指家庭生活產(chǎn)生的有機垃圾)收集量逐年增長，但目前46個重點城市廚余垃圾集約化處理能力仍不足5%，處理缺口巨大，集約、就地協(xié)同處理模式逐漸被采納。由于廚余垃圾富含水分和易腐有機物，就地處理過程污染嚴(yán)重；設(shè)備處理水平參差不齊，處理產(chǎn)物特性差異顯著，導(dǎo)致產(chǎn)物適宜資源化利用途徑迥異。因此本文就各類廚余垃圾就地處理設(shè)備進行了調(diào)研，總結(jié)了就地處理環(huán)境污染特征和產(chǎn)物特性，為就地處理資源化利用提供了適宜、可行的新模式。

1 我國廚余垃圾就地處理現(xiàn)狀

1.1 廚余垃圾就地處理政策導(dǎo)向

隨著我國生活垃圾分類政策不斷加碼，廚余垃圾分類收集處理已成大勢所趨。國家先后發(fā)布《關(guān)于在中央和國家機關(guān)推進餐廚垃圾就地資源化處理的通知》《關(guān)于進一步加強“地溝油”治理工作的意見》《農(nóng)村人居環(huán)境整治三年行動方案》等系列文件，倡導(dǎo)廚余垃圾就地?zé)o害化處理和資源化利用。為響應(yīng)國家政策，同時結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，北京、上海、廣州、杭州等地先后頒布生活垃圾管理條例，提出按照集中與分散處理相結(jié)合，鼓勵廚余垃圾就地資源化處理與利用。

1.2 廚余垃圾就地處理應(yīng)用現(xiàn)狀

各地生活垃圾管理條例的發(fā)布，進一步推進了廚余垃圾分類處理工作的落實，各地廚余垃圾就地處理工作逐步展開。例如，上海松江、奉賢、青浦、嘉定、金山、崇明等郊區(qū)，有336個點位采用了廚余垃圾就地處理設(shè)備[2]。蘇州有66個試點小區(qū)開展了分類廚余垃圾就地處理工作，廚余垃圾就地處理日總規(guī)模達(dá)6.06t。鄭州已在各中轉(zhuǎn)站規(guī)劃布置了廚余垃圾就地處理裝置。廚余垃圾就地處理可補充目前集約處理能力不足，以及遠(yuǎn)距離運輸不經(jīng)濟問題，為廚余垃圾合理化處理提供了新思路。

2 就地處理設(shè)備現(xiàn)狀

2.1 就地處理設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)要求

對于就地處理設(shè)備，我國已頒布了《有機垃圾生物處理機》CJ/T227-2018和《餐飲業(yè)餐廚廢棄物處理與利用設(shè)備》GBT 28739-2012兩部相關(guān)規(guī)范。規(guī)范根據(jù)處理目的不同，將設(shè)備分為減量型和資源型兩類。減量型處理機以產(chǎn)物減量化處理為目的；資源型處理機以產(chǎn)物資源化利用為目的。減量型設(shè)備主要規(guī)定了產(chǎn)物的減容率和減重率，即經(jīng)過就地處理物料減量要明顯、達(dá)標(biāo)；資源型設(shè)備主要規(guī)定了產(chǎn)物的利用率和好氧速率，即經(jīng)過就地處理物料要穩(wěn)定、腐熟(具體參數(shù)詳見表1)。

表1 就地處理設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)要求Tab.1 Standard requirements for in-situ treatment equipment

2.2 就地處理設(shè)備工藝類型

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，各就地處理設(shè)備廠家生產(chǎn)制造了系列設(shè)備產(chǎn)品。對國內(nèi)十余家效益較好就地處理企業(yè)進行調(diào)研，包括北京嘉博文生物科技有限公司、北京琦海松科技有限公司、北京中源創(chuàng)能工程技術(shù)有限公司、北京綠色空間生物科技有限公司、上海藝邁實業(yè)有限公司、上海蒙克環(huán)?？萍加邢薰?、上海壹科環(huán)境科技公司、安徽天健環(huán)保股份有限公司、山東城礦環(huán)境技術(shù)有限公司、廈門愿景環(huán)保有限公司、河南潔永環(huán)?？萍加邢薰镜?，就地處理目前主要采用的工藝可分烘干脫水、生物干化和好氧堆肥三大類。

2.2.1 烘干脫水

廚余垃圾經(jīng)分揀、破碎、擠壓初步脫水后，在高溫(溫度>100℃)下烘干3～8h，進一步降低含水率。由于擠壓脫水，僅能將含水率80%～75%的廚余垃圾，脫水至70%，減容50%，減重30%[3]。即便在高溫高壓下(溫度85～101℃，擠壓壓力5～10MPa)，產(chǎn)物含水率也僅為50%左右[4]。僅破碎+擠壓脫水工藝，遠(yuǎn)不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求減容率和減重率≥70%，含水率≤15%的要求。因此破碎+擠壓脫水僅作為廚余垃圾就地處理的預(yù)處理工序，后續(xù)還需增加烘干脫水工序，進一步蒸發(fā)水分，實現(xiàn)再次減容、減重。

2.2.2 生物干化

將廚余垃圾分揀、破碎、擠壓脫水后，采用耐高溫微生物，在60～85℃高溫發(fā)酵10～24h，進一步脫水，并部分降解有機物。

2.2.3 好氧堆肥

將廚余垃圾分揀、破碎、擠壓脫水后，利用好氧菌，在55～70℃好氧堆肥8天左右，進一步降低含水率，并產(chǎn)生堆肥產(chǎn)品。烘干脫水和生物干化都以減容、減重為主要目標(biāo)，是減量型就地處理設(shè)備；高溫堆肥雖然也能實現(xiàn)減量，但主要目的是獲得資源化的堆肥產(chǎn)品，屬資源型就地處理設(shè)備。

2.3 就地處理設(shè)備工程指標(biāo)分析

廚余就地處理工程應(yīng)用中，工程占地、設(shè)備投資、能耗、運營費用等工程參數(shù)是規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)的決策依據(jù)，關(guān)系工程的可行性和生存能力。

2.3.1 工程占地

針對六個設(shè)備廠家提供設(shè)備尺寸參數(shù)，結(jié)合各設(shè)備的進出料形式，即設(shè)備一頭進料、側(cè)邊出料，為節(jié)約用地，考慮設(shè)備兩側(cè)靠墻布設(shè)，其余兩側(cè)按3m空地預(yù)留，則不同處理規(guī)模單位重量占地如圖1所示。同時考慮與集約處理進行對比，參考了杭州(規(guī)模200t/d)和合肥(規(guī)模400t/d)兩個工程實例數(shù)據(jù)。

圖1 廚余垃圾就地和集約處理規(guī)模與占地關(guān)系圖Fig.1 Relationship between treatment scale and land occupation of in-situ treatment and intensive processing

可見，對于就地處理工程，單位重量廚余垃圾占地面積隨著處理規(guī)模的增大而減少，處理規(guī)模50 kg/d的設(shè)備占地0.37 m2/kg，而處理規(guī)模5t/d的設(shè)備占地僅僅需要0.02 m2/kg。對于集約處理工程，單位重量廚余垃圾占地面積約0.08 m2/kg，與分散式就地處理規(guī)模300～500kg/d占地相當(dāng)，但此處計入分散式就地處理的占地面積未考慮滲濾液處理、人員管理、周邊綠化和道路車行的用地面積。

2.3.2 能耗

6個設(shè)備廠家提供了系列設(shè)備的能量消耗，對 比考慮與集約處理(杭州與合肥兩工程)差異，單位重量能耗如圖2所示。就地處理設(shè)備能耗隨規(guī)模增大而減小，從規(guī)模50kg/d能耗約1 kW·h/kg，降至5t/d單位能耗0.25 kW·h/kg。烘干脫水減量型設(shè)備，雖然單位時間能耗較生物干化高，但由于處理時間短，處理單位重量垃圾的能耗反而較低(約低20%～50%)。根據(jù)《生活垃圾生化處理能源消耗限額》DB11/T 1120-2014，以及標(biāo)煤和電的換算系數(shù)0.122 9 kgce/kwh，廚余垃圾好氧堆肥處理能耗應(yīng)≤0.043 kW·h/kg，厭氧發(fā)酵處理能耗應(yīng)≤0.059 kW·h/kg。而廚余垃圾處理集約工程單位重量能耗為0.084 kW·h/kg?？梢?，分散式就地處理能耗較集中規(guī)模化處理能耗高。

圖2 廚余垃圾就地和集約處理規(guī)模與能耗關(guān)系圖Fig.2 Relationship between treatment scale and energy consumption of in-situ treatment and intensive processing

2.3.3 設(shè)備投資和運營費用

廚余垃圾就地處理設(shè)備投資和運行費用調(diào)研結(jié)果詳見表2?？梢娋偷靥幚碓O(shè)備投資和運營費用隨規(guī)模增加整體呈下降趨勢。設(shè)備投資從100～150萬元/t，逐漸降為萬40萬元/t；運營費用從500～800元/t，逐漸降為萬300元/t。王輝等[5]指出，不包括人工費用，100～200kg/d規(guī)格的生化處理機運營費用約為200～900元/t垃圾。廚余垃圾集約處理的設(shè)備投資約35～45萬元/t，運營費用約為260～280元/t?？梢?，即便分散就地處理不考慮滲濾液處理和其他公輔設(shè)施，其設(shè)備投資和運營費用也高于集約處理。但就地處理的主要經(jīng)濟優(yōu)勢是將廚余垃圾源頭減量，極大減少了垃圾的運輸量和體積，同時使廚余垃圾生物穩(wěn)定性得到提高，降低運輸途中的環(huán)境風(fēng)險。因此，就地處理特別適合于遠(yuǎn)距離運輸?shù)膱鼍啊?/p>

表2 廚余垃圾就地和集約處理規(guī)模與設(shè)備投資關(guān)系表Tab.2 Relationship between treatment scale and equipment investment of in-situ treatment and intensive processing

3 廚余垃圾就地處理污染特性

3.1 廢水特征及處理建議

廚余垃圾就地處理產(chǎn)生污水主要來自機械破碎和擠壓過程中產(chǎn)生廢水，約0.1～0.2m3/t 濕垃圾。產(chǎn)生廢水具有高COD、高生化性、高SS特征(詳見表3)。

表3 廚余垃圾就地處理廢水特性表Tab.3 Characteristics of wastewater from in-situ treatment of kitchen waste (mg/L)

就地處理產(chǎn)生的污水量少，對污水管網(wǎng)影響有限，一般采用直排方式進入市政污水管網(wǎng)。

3.2 惡臭特征及處理建議

廚余垃圾就地處理的主要工藝如生物干化和好氧堆肥，都是在好氧條件下進行處理，因此參考堆肥釋放的惡臭物質(zhì)，認(rèn)為就地處理產(chǎn)生的主要臭氣物質(zhì)為氨氣、H2S、甲硫醇[7]、甲硫醚和二甲二硫[8-9]等。并有研究表明[5-6]，在沒有除臭裝置時，就地處理現(xiàn)場惡臭濃度從高到低依次為烘干脫水、生物干化、好氧堆肥。

4 廚余垃圾就地處理產(chǎn)物特征及利用途徑

4.1 就地處理產(chǎn)物特征

4.1.1 含水率

廚余垃圾經(jīng)烘干脫水和生物干化減量型設(shè)備就地處理后，出料含水率皆可達(dá)到含水率25%以下，部分設(shè)備出料含水率可達(dá)20%以下，減重率和減容率均可實現(xiàn)《餐飲業(yè)餐廚廢棄物處理與利用設(shè)備》70%以上的限值要求。但目前市場上的設(shè)備都達(dá)不到《有機垃圾生物處理機》減重率98%以上的要求。從理論上講，減重98%以上如果不采用焚燒的方式，基本無法實現(xiàn)。廚余垃圾經(jīng)好氧發(fā)酵資源型設(shè)備就地處理后，含水率約30%，可滿足《餐飲業(yè)餐廚廢棄物處理與利用設(shè)備》利用率28%以上的限值要求。

針對《餐飲業(yè)餐廚廢棄物處理與利用設(shè)備》中要求產(chǎn)物含水率低于15%，認(rèn)為要求過于嚴(yán)格。對于技術(shù)應(yīng)用的能耗和經(jīng)濟性，由于過多的脫除水分需要更多的能量需求，從而使技術(shù)經(jīng)濟性變差。對于產(chǎn)物的利用，若產(chǎn)物焚燒處置，廚余垃圾從含水率75%，熱值2 000kJ/kg，脫水至含水率25%的產(chǎn)物，其熱值可提高為9 600 kJ/kg，已經(jīng)遠(yuǎn)大于垃圾適宜焚燒熱值5 000kJ/kg以上的要求；若產(chǎn)物土壤施用，根據(jù)《有機肥料》NY 525-2012、《生物有機肥標(biāo)準(zhǔn)》NY-884-2012、《復(fù)合微生物肥料標(biāo)準(zhǔn)》NY/T 798-2015，含水率≤30%即可，另外根據(jù)《綠化用有機基質(zhì)》GB/T 33891-2017，用于開放綠地和林地含水率≤40%即可。因此建議依據(jù)產(chǎn)物利用途徑，考慮適當(dāng)放寬產(chǎn)物含水率要求。

4.1.2 有機質(zhì)、總養(yǎng)分、及重金屬含量

廚余垃圾就地處理產(chǎn)物有機質(zhì)含量50%～90%(平均75%)，遠(yuǎn)超肥用標(biāo)準(zhǔn)大于40%的要求。產(chǎn)物總養(yǎng)分4%～8%(平均6.5%)，滿足土壤調(diào)理劑養(yǎng)分要求，但不滿足肥料要求，因此產(chǎn)物不二次加工，不能作為肥料施用。

廚余垃圾就地處理產(chǎn)物重金屬含量與廚余垃圾分類投放準(zhǔn)確率密切相關(guān)，畢珠潔[6]針對含雜率1%的廚余垃圾就地處理產(chǎn)物特征進行了研究，重金屬含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值要求(詳見表4)。但是針對含雜率30%的廚余垃圾設(shè)備堆肥產(chǎn)物研究表明[10]，其重金屬含量有超標(biāo)風(fēng)險，特別是鉛、鎘、鉻。因此，廚余垃圾前端良好的分類，對產(chǎn)物利用，特別是土壤施用尤為重要。

表4 廚余垃圾就地處理產(chǎn)物養(yǎng)分和重金屬含量表Tab.4 Nutrient and heavy metal contents of kitchen waste in-situ treatment products

4.1.3 腐熟度和衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)

廚余垃圾經(jīng)烘干脫水的產(chǎn)物，其有機物并未得到降解，產(chǎn)物中有機物仍以易生物降解有機物為主；生物干化的產(chǎn)物，由于微生物作用時間短，雖有部分降解，但剩余有機物遠(yuǎn)未腐熟；好氧發(fā)酵的產(chǎn)物，因經(jīng)8天高溫發(fā)酵，產(chǎn)物生物穩(wěn)定性和腐熟程度得到極大提高。但目前廚余垃圾就地處理好氧發(fā)酵后，產(chǎn)物腐熟度相關(guān)指標(biāo)具體數(shù)值尚未見的具體報道。

由于烘干脫水和生物干化產(chǎn)物腐熟度差，不適用于土壤施用，因此不用考慮其衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)。好氧堆肥工藝是在55～70℃發(fā)酵8天左右。《生活垃圾堆肥處理技術(shù)規(guī)范》要求55℃以上持續(xù)5天，或65℃以上持續(xù)不少于4天即可實現(xiàn)無害化。因此認(rèn)為廚余垃圾經(jīng)好氧發(fā)酵工藝處理后產(chǎn)物衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)符合土壤施用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于糞大腸桿菌≤100個/g，蛔蟲卵死亡率≥95%的要求。

4.2 產(chǎn)物利用途徑分析

廚余垃圾經(jīng)烘干脫水和生物干化減量型處理后，產(chǎn)物含水率≤25%，但生物穩(wěn)定性差，未腐熟，施用于土壤易被微生物利用，其與植物的根或種子間發(fā)生對O2的競爭[11]，從而產(chǎn)生植物毒性[12]，影響其土壤肥力。因此廚余垃圾減量就地處理后產(chǎn)物不適宜直接施用于土壤。

另外，廚余垃圾減量就地處理后產(chǎn)物含水率低，而微生物活性在含水率低于30%時低，直接進行再次生化處理(如堆肥)，難以繼續(xù)腐熟，植物毒性大，如李相儒[10]研究表明了干化脫水后物料再次堆肥30～45d，種子發(fā)芽指數(shù)低于30%?？梢姕p量后產(chǎn)物再次生化處理必須添加大量水分，因此不建議廚余垃圾減量就地處理后產(chǎn)物進行好氧或厭氧生物處理。

然而，廚余垃圾減量就地處理產(chǎn)物含水率低，產(chǎn)物熱值極大提高，按原始垃圾75%含水率，熱值2 000kJ/kg計，則脫水至25%含水率產(chǎn)物熱值為9 600 kJ/kg，大于垃圾適宜焚燒熱值5 000kJ/kg以上的要求，產(chǎn)物適于焚燒處置。因此建議減量就地處理產(chǎn)物運至生活垃圾焚燒發(fā)電廠進行處置，實現(xiàn)能源再利用。

分類良好的廚余垃圾，經(jīng)好氧堆肥資源化處理后產(chǎn)物，有機質(zhì)含量、衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)、重金屬含量皆滿足施用土壤要求，在植物毒性(如種子發(fā)芽率)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求條件下，應(yīng)優(yōu)先作為土壤調(diào)理劑使用。

5 結(jié)論與建議

我國廚余垃圾分類收集，分散就地和集約規(guī)模處理協(xié)同格局已逐步形成。分散就地處理雖然單位處理量的設(shè)備投資、占地、能耗、運營費用等方面均高于集約規(guī)?；幚恚哂袦p少運輸量和改善收運環(huán)境的優(yōu)勢，特別適用于運輸距離遠(yuǎn)的郊區(qū)和農(nóng)村。就地處理主要采用烘干脫水減量型工藝、生物干化減量型工藝和好氧發(fā)酵資源型工藝。減量型工藝處理產(chǎn)物適于運至生活垃圾焚燒廠處置，資源型工藝處理產(chǎn)物適于作為土壤調(diào)理劑施用于土壤利用。