餐廚垃圾處理設(shè)施產(chǎn)生的固體廢物資源化利用探討

左 樂，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。在其過程中會產(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)后進入?yún)捬醢l(fā)酵系統(tǒng)最后成為沼渣，而對沼渣則是進行外運焚燒處置，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)上進行環(huán)境經(jīng)濟損益計算，對比分析采用資源化利用前后的環(huán)保效費比變化情況，以期為分析和評價餐廚垃圾資源化的環(huán)境與經(jīng)濟效益比較提供參考。

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、潤滑性能優(yōu)良和閃點高等優(yōu)點，而且其中的硫含量相對于石化柴油下降約 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，與過量甲醇進行兩次酯化反應(yīng)后，通過精餾提取生物柴油。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，其制備工藝是對毛油進行水解，然后經(jīng)過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

廢棄油脂在提純過程中產(chǎn)生的三相固渣一般會進入?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，帶來較高的經(jīng)濟效益。

通過飼養(yǎng)昆蟲（如蚯蚓、蝗蟲、黑水虻等）作為蛋白質(zhì)來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，具有對有機物吸收轉(zhuǎn)化率高、可高密度養(yǎng)殖、飼養(yǎng)成本低等特點。

利用黑水虻消化餐廚垃圾中有機成分，而其幼蟲和蛹可用于制作高價值的動物蛋白飼料。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)備進行蟲糞分離，最終得到的優(yōu)質(zhì)的水虻鮮蟲，可作為有機肥產(chǎn)品，實現(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]。其特點是有機質(zhì)養(yǎng)分含量較高，重金屬含量較低，具有較高的營養(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及無機物質(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物肥料。

通常沼渣經(jīng)脫水后還會通過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)有機肥料。根據(jù)某工程厭氧發(fā)酵的沼渣干化處理后的檢測數(shù)據(jù)，其各類指標(biāo)可滿足 NY 525—2012《有機肥料》要求，如表1所示。

表1 干化沼渣指標(biāo)檢測值對比分析結(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行熱解氣化，碳化沼渣在限氧或者無氧的條件下進行裂解，將有機物轉(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。整個系統(tǒng)主要由回轉(zhuǎn)式干化機和空氣加熱、冷凝交換機組組成。干化機利用炭化余熱產(chǎn)生的蒸汽通過熱交換器將常溫風(fēng)轉(zhuǎn)換成熱風(fēng)，對沼渣進行干化；此階段的風(fēng)進入冷凝器進行冷凝水回收，再循環(huán)至干化機。炭化機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

熱解是在無氧的條件下進行的，熱解過程中會產(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。熱解氣為可燃氣體，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害化過程中最大程度實現(xiàn)了資源化利用，是未來沼渣資源化處理方式的主要發(fā)展趨勢。

此外，對于炭化熱解，一些學(xué)者比較關(guān)注該過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[5]。根據(jù)上海市某濕垃圾項目沼渣熱解炭化試驗結(jié)果，熱解廢氣中污染物 SO2、顆粒物、氮氧化物的含量均相對較低，對于 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環(huán)境造成的損害較低，具有良好的環(huán)境及經(jīng)濟效益。

表2 濕垃圾沼渣炭化熱解廢氣檢測數(shù)據(jù)

4 環(huán)保效費比

環(huán)境經(jīng)濟損益分析是衡量一個建設(shè)項目環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)。在環(huán)境影響評價中常采用環(huán)保效費比的數(shù)值來判斷。一般認(rèn)為環(huán)保效費比的值≥1 時，該項目的環(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)施為例來進行餐廚垃圾處理設(shè)施產(chǎn)生的固廢資源化利用前后的環(huán)保效費比對比分析，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，沼渣作為有機肥。

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

通過計算及前文得出的結(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)境年凈效益計算結(jié)果為1 782 萬元，其環(huán)保效費比為 1.26，在進行資源化利用后，餐廚垃圾厭氧發(fā)酵處理的環(huán)境年凈效益達到 4 366 萬元，其環(huán)保效費比達 1.65，提高了約 30%，說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目環(huán)保效費比的提高，從而有利于項目具有更加穩(wěn)定持續(xù)的運營模式，有益于環(huán)境與經(jīng)濟效益的可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié) 語

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焚燒的處置方式。從經(jīng)濟和環(huán)境保護角度考慮，該方法一方面增加了生活垃圾焚燒場的工作負(fù)荷，一方面也削弱了生活垃圾分類處理的實際意義。因此，在源頭做好餐廚垃圾消化處理的同時，從末端提高處理過程中產(chǎn)生的固體廢物如毛油、三相固渣、沼渣等的資源化利用率，對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵處理設(shè)施的可持續(xù)運行大有裨益。

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)有待提高等問題，尤其對于炭化熱解工藝的全面推廣還需要更加深入和細致的試驗和研究。