濕垃圾集中處理技術(shù)的困境分析及發(fā)展建議*

胡愈之 樓紫陽(yáng) 陳芳源 賈 悅 趙由才

(1.上海交通大學(xué)中英國(guó)際低碳學(xué)院，上海 201306；2.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；3.上海市固體廢物處理與資源化工程研究中心，上海 200240；4.中國(guó)城市治理研究院，上海 200030；5.上海市農(nóng)工民主黨上海市委員會(huì),上海 200241；6.上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200232；7.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

上海市于2019年7月開(kāi)始實(shí)施《上海市生活垃圾管理?xiàng)l例》，該條例提出垃圾強(qiáng)制分類(lèi)要求，對(duì)垃圾分類(lèi)工作具有顯著的推進(jìn)作用。垃圾的強(qiáng)制分類(lèi)一方面改變了城市垃圾管理模式和群眾分類(lèi)習(xí)慣，另一方面也直接影響了垃圾組分和產(chǎn)量，對(duì)垃圾的末端處理系統(tǒng)提出了新的要求。傳統(tǒng)的填埋、焚燒已不能滿(mǎn)足濕垃圾處理的需求，面對(duì)當(dāng)前濕垃圾量大、技術(shù)選擇的不確定性，本研究以上海市為例，通過(guò)聚焦?jié)窭淖兓卣鳎瑫r(shí)結(jié)合已實(shí)施和試運(yùn)行的濕垃圾實(shí)際處理工程案例，開(kāi)展了實(shí)地調(diào)研和監(jiān)測(cè)，探討垃圾分類(lèi)對(duì)其處理過(guò)程和穩(wěn)定運(yùn)行的影響，總結(jié)其處理過(guò)程中遇到的困境以及技術(shù)的適應(yīng)性，為各地垃圾分類(lèi)處理的實(shí)施和推廣提供經(jīng)驗(yàn)。

1 濕垃圾特點(diǎn)和產(chǎn)量

1.1 濕垃圾組分特點(diǎn)

濕垃圾主要包括餐廚垃圾和餐飲垃圾，受飲食習(xí)慣和消費(fèi)觀(guān)念的影響，我國(guó)分出的濕垃圾具有高油鹽、高含水率、高有機(jī)質(zhì)等特點(diǎn)。以上海市分類(lèi)推進(jìn)的力度為例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣分析得到分類(lèi)后濕垃圾特性(見(jiàn)表1)。與混合垃圾相比，隨著垃圾分類(lèi)的實(shí)施，濕垃圾品質(zhì)顯著提升，廚余類(lèi)物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升至95%以上，紙類(lèi)、橡塑類(lèi)和紡織類(lèi)等雜質(zhì)明顯減少，偏弱酸性(pH=4.5～6.5)。

表1 分類(lèi)后濕垃圾特性1)

1.2 濕垃圾產(chǎn)量

濕垃圾產(chǎn)量與垃圾分類(lèi)覆蓋面積和推進(jìn)力度密切相關(guān)。以上海市為例，2019年2月上海市開(kāi)展垃圾分類(lèi)試點(diǎn)工作，濕垃圾產(chǎn)量為4 400 t/d，隨著垃圾分類(lèi)工作逐步開(kāi)展，濕垃圾產(chǎn)量逐步上升，2019年6月，上海市濕垃圾產(chǎn)量增致6 950 t/d。2019年7月上海市正式實(shí)施垃圾強(qiáng)制分類(lèi)，8月濕垃圾產(chǎn)量迅速升至9 200 t/d，并一直保持在近萬(wàn)噸的日產(chǎn)量[1]。

按2019年上海市人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(常住人口2 428.14萬(wàn))[2]計(jì)算，上海市人均濕垃圾產(chǎn)量約0.39 kg/d，而其他試點(diǎn)城市北京市、深圳市人均濕垃圾產(chǎn)量分別為0.27、0.35 kg/d[3-4]。濕垃圾的人均產(chǎn)量主要與城市食物消費(fèi)和經(jīng)濟(jì)水平有直接關(guān)聯(lián)，對(duì)比美國(guó)(0.83 kg/d)[5]、德國(guó)(0.41 kg/d)[6]和日本(0.43 kg/d)[7]等經(jīng)濟(jì)水平較高的國(guó)家，我國(guó)未來(lái)濕垃圾的產(chǎn)量還有可能增長(zhǎng)。另外，雖然政府部門(mén)主導(dǎo)推行光盤(pán)行動(dòng)等一系列活動(dòng)，但目前仍存在食物浪費(fèi)現(xiàn)象，導(dǎo)致濕垃圾產(chǎn)量居高不下[8]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)城市平均食物浪費(fèi)率達(dá)93 g/(人·餐)，廚余類(lèi)食物垃圾量占到生活垃圾總量的53.3%[9]，遠(yuǎn)高于德國(guó)(26.9%)[10]等發(fā)達(dá)國(guó)家。

2 典型濕垃圾處理技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 濕垃圾處理典型技術(shù)

為充分利用濕垃圾中有機(jī)質(zhì)，可以采用的集中處理技術(shù)主要包括好氧堆肥、厭氧消化和生物轉(zhuǎn)化技術(shù)(如黑水虻養(yǎng)殖)等。根據(jù)上海市實(shí)際工程案例，3種典型技術(shù)的工藝流程見(jiàn)圖1至圖3，技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)見(jiàn)表2。

圖1 濕垃圾好氧堆肥工藝流程

圖2 濕垃圾厭氧消化工藝流程

圖3 濕垃圾黑水虻養(yǎng)殖生物轉(zhuǎn)化工藝流程

由表2可見(jiàn)，3種典型處理技術(shù)對(duì)于濕垃圾進(jìn)料需求各異，一般黑水虻養(yǎng)殖生物轉(zhuǎn)化技術(shù)要求垃圾低油脂、低鹽度，而厭氧消化為充分發(fā)揮其傳質(zhì)性能，大多需經(jīng)過(guò)漿化處理，好氧堆肥為了保證通風(fēng)，通常粒徑偏大。對(duì)于黑水虻養(yǎng)殖生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，餐廚垃圾的收運(yùn)和存儲(chǔ)時(shí)間更有嚴(yán)格要求，因大城市垃圾收運(yùn)距離過(guò)長(zhǎng)，基本在1 d以上，餐廚垃圾易酸化而影響品質(zhì)[11]，因此應(yīng)用黑水虻養(yǎng)殖生物轉(zhuǎn)化技術(shù)時(shí)需控制垃圾收運(yùn)距離在合適范圍以保證為生物提供適宜的營(yíng)養(yǎng)成分和活性物質(zhì)。

表2 濕垃圾處理技術(shù)比較

2.2 濕垃圾處理典型技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性

幾種典型濕垃圾集中處理技術(shù)的適用規(guī)模以及處理后產(chǎn)物有較大的差別，具體見(jiàn)表3。黑水虻養(yǎng)殖生物轉(zhuǎn)化技術(shù)一般適用于少量濕垃圾處理，目前在試和推進(jìn)的黑水虻養(yǎng)殖生物轉(zhuǎn)化技術(shù)項(xiàng)目基本在100 t/d以下；厭氧消化技術(shù)由于可以通過(guò)規(guī)?；\(yùn)作，處理規(guī)模相對(duì)較大，老港濕垃圾資源化處置中心處理規(guī)模高達(dá)1 000 t/d；好氧堆肥技術(shù)需要有較大的場(chǎng)地來(lái)滿(mǎn)足產(chǎn)品堆肥的需求，但隨著工程化技術(shù)的應(yīng)用，機(jī)械化程度逐漸升高，占地面積有所減少，其處理規(guī)模介于前兩者之間。

表3 濕垃圾典型處理技術(shù)的適用性比較

技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性是決定其市場(chǎng)化、可持續(xù)性的關(guān)鍵要素。通過(guò)對(duì)上海市閔行區(qū)某500 t/d的餐廚垃圾資源化利用中心(好氧堆肥技術(shù))、浦東新區(qū)某600 t/d有機(jī)質(zhì)固廢處理廠(chǎng)(厭氧消化技術(shù))和紹興市某40 t/d餐廚垃圾處理中心(生物轉(zhuǎn)化技術(shù))的調(diào)研，對(duì)3種典型技術(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果見(jiàn)表4。經(jīng)過(guò)對(duì)比，好氧堆肥過(guò)程需提供大量的曝氣裝置并保持一定溫度，同時(shí)也受到進(jìn)料垃圾不穩(wěn)定因素的影響，其運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較高；而厭氧消化、生物轉(zhuǎn)化技術(shù)本身運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)偏低。濕垃圾處理過(guò)程中，油脂、動(dòng)物蛋白、有機(jī)肥料等資源化產(chǎn)品是重要的收益源，其價(jià)值從上百到上千元不等；沼氣再利用是厭氧消化技術(shù)的主要收益來(lái)源，其產(chǎn)量與進(jìn)料垃圾中有機(jī)質(zhì)含量及反應(yīng)條件有關(guān)，提高產(chǎn)氣及發(fā)電效率是厭氧消化技術(shù)后續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

表4 3種典型濕垃圾處理技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性分析

3 討論與建議

基于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)層面的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，3種典型濕垃圾處理技術(shù)的適用范圍、經(jīng)濟(jì)性等都有差別。除此之外，濕垃圾處理產(chǎn)物的出路是目前較為棘手的問(wèn)題，由于季節(jié)性變化，城市濕垃圾產(chǎn)量存在一定波動(dòng)性，厭氧消化技術(shù)由于生化反應(yīng)周期長(zhǎng)(約25 d)、沼液產(chǎn)量大(單位垃圾沼液產(chǎn)量約0.5 t/t)等問(wèn)題，目前大都依靠焚燒托底處置。而好氧堆肥易受進(jìn)料垃圾組分影響，且堆肥產(chǎn)物當(dāng)前未有相應(yīng)的土地利用質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范而影響其后續(xù)出路。生物轉(zhuǎn)化技術(shù)受進(jìn)料品質(zhì)和運(yùn)行條件影響較大，黑水虻等生物經(jīng)養(yǎng)殖后理論上雖然可以作為高質(zhì)量的蛋白，但在未有規(guī)?；\(yùn)行條件下，產(chǎn)品出路仍不能持久。

濕垃圾的出路成為影響處理技術(shù)選擇的關(guān)鍵因素，在以農(nóng)林業(yè)為主的區(qū)域，可以大力發(fā)展好氧堆肥或生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，提高資源化產(chǎn)品質(zhì)量，形成相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈以實(shí)現(xiàn)就地?zé)o害化回收還田、生態(tài)利用。另外，投資成本和經(jīng)濟(jì)收益也是技術(shù)選擇的重要依據(jù)。好氧堆肥和生物轉(zhuǎn)化技術(shù)在保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定和下游銷(xiāo)路暢通的基礎(chǔ)上，能以較低的投資成本，在實(shí)現(xiàn)濕垃圾減量處理的同時(shí)為地方帶來(lái)一定經(jīng)濟(jì)利益，可利用相應(yīng)的市場(chǎng)行為推進(jìn)其發(fā)展，如政府購(gòu)買(mǎi)服務(wù)、特許經(jīng)營(yíng)、建設(shè)—經(jīng)營(yíng)—轉(zhuǎn)讓模式(BOT)等，而厭氧消化技術(shù)通常需要相關(guān)部門(mén)在前期有較大的資金投入以完善設(shè)施建設(shè)，故適用于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。因此，就目前我國(guó)城市發(fā)展規(guī)模而言，人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好的超大或特大型城市可優(yōu)先采用厭氧消化技術(shù)對(duì)濕垃圾進(jìn)行大規(guī)模集中處理，以應(yīng)對(duì)城市巨大的濕垃圾產(chǎn)生量，在中小型城市或邊緣地區(qū)，需結(jié)合實(shí)際情況因地制宜開(kāi)展選擇，可考慮好氧堆肥或生物轉(zhuǎn)化技術(shù)以實(shí)現(xiàn)就近資源化處理。

濕垃圾處理中心大多是已有垃圾處理模式下的新工程項(xiàng)目，從現(xiàn)有運(yùn)行中心實(shí)際情況看，惡臭等二次污染仍然較為嚴(yán)重，且滲濾液就地處理困難較大，在現(xiàn)有垃圾處理布局基本完備的基礎(chǔ)上，這些新項(xiàng)目的選址和運(yùn)行還需考慮惡臭等可能帶來(lái)的鄰避問(wèn)題。

另外濕垃圾作為重要的生物質(zhì)，其處理處置過(guò)程中碳排放的影響也是關(guān)注點(diǎn)。有人認(rèn)為厭氧消化技術(shù)產(chǎn)沼利用過(guò)程的低碳化程度達(dá)93.7%[12]，通過(guò)有效回收熱量和電能降低溫室氣體排放量[13-15]，可認(rèn)為是具有較小綜合環(huán)境影響的處理技術(shù)[16]。濕垃圾厭氧消化處理設(shè)備的運(yùn)行效率將直接影響其環(huán)境效應(yīng)，一般情況下單相厭氧消化的節(jié)能和溫室氣體減排效果優(yōu)于雙相[17]，而厭氧、好氧相結(jié)合的處理模式與單一厭氧處理相比可帶來(lái)更多正向的環(huán)境效應(yīng)[18]。肥料作為濕垃圾中碳源的有機(jī)載體，其土壤再利用過(guò)程亦能有效減少碳排放[19]，但實(shí)際上從源頭節(jié)約食物、避免食物浪費(fèi)和食物垃圾才是最佳的碳減排舉措[20]，可以從根本上實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境利益最大化。此外，濕垃圾處理技術(shù)的選擇還應(yīng)關(guān)注其環(huán)境效應(yīng)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，需要充分發(fā)展適合我國(guó)特點(diǎn)的生命周期分析理論，建立符合實(shí)際情況的數(shù)據(jù)庫(kù)和案例。對(duì)照已有研究可以發(fā)現(xiàn)，研究系統(tǒng)的邊界條件、產(chǎn)物后續(xù)利用等均有所不同，使得研究結(jié)果間的比較存在困難，后續(xù)應(yīng)以實(shí)際工程案例為基礎(chǔ)，開(kāi)展相同邊界條件下的對(duì)比，構(gòu)建相關(guān)的基礎(chǔ)框架和數(shù)據(jù)庫(kù)以及對(duì)固廢處理處置及其所需數(shù)據(jù)提供支撐的系統(tǒng)。

4 結(jié)論與展望

(1) 濕垃圾處理技術(shù)的產(chǎn)物出路是目前亟需解決的主要問(wèn)題，制定針對(duì)濕垃圾處理的技術(shù)規(guī)范和產(chǎn)物出路標(biāo)準(zhǔn)，使其有法可依，對(duì)打通末端資源化產(chǎn)物出路、有機(jī)肥可持續(xù)穩(wěn)定利用以及形成良好的市場(chǎng)環(huán)境具有重要意義。

(2) 濕垃圾處理技術(shù)選擇需關(guān)注環(huán)境效應(yīng)，因地制宜開(kāi)展多維度的綜合評(píng)估，形成符合濕垃圾特點(diǎn)的具有可操作性的技術(shù)選擇機(jī)制。在有效推進(jìn)垃圾分類(lèi)收集的基礎(chǔ)上，以可持續(xù)發(fā)展為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)濕垃圾集中處理的規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化。

(3) 以濕垃圾處理為契機(jī)，以實(shí)際分類(lèi)分流處理的垃圾處置項(xiàng)目為基礎(chǔ)，建立本土化固廢管理框架和數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合定性、定量指標(biāo)綜合分析，搭建適合垃圾特征的固廢評(píng)估體系，從而為垃圾分類(lèi)的推廣和實(shí)施提供可靠的評(píng)估方法和科學(xué)支撐。