江蘇農(nóng)村廚余垃圾資源化處理模式研究

邱小燕, 劉海春, 騰雅琪, 蘇 艷

(1.揚州職業(yè)大學(xué), 江蘇 揚州 225009; 2.揚州市高郵生態(tài)環(huán)境局, 江蘇 揚州 225600)

據(jù)第七次全國人口普查，截至2020年11月1日,江蘇省農(nóng)村人口達2250萬,生活垃圾產(chǎn)出量大。為此,江蘇省構(gòu)建了“組保潔、村收集、鎮(zhèn)轉(zhuǎn)運、縣處理”的城鄉(xiāng)統(tǒng)籌生活垃圾收運治理體系,農(nóng)村生活垃圾混合收集后由鄉(xiāng)鎮(zhèn)轉(zhuǎn)運至地縣處理。2021年12月國家發(fā)布的《農(nóng)村人居環(huán)境整治提升五年行動方案(2021—2025年)》中規(guī)定,推進農(nóng)村生活垃圾分類減量與利用,易腐垃圾應(yīng)就地就近消納,要以鄉(xiāng)鎮(zhèn)或行政村為單位建設(shè)一批區(qū)域農(nóng)村有機廢棄物綜合處置利用設(shè)施,探索垃圾就地就近就農(nóng)處理和資源化利用的路徑。江蘇省在蘇州、南京、徐州等城市已投建運營廚余垃圾資源化處理系統(tǒng)。農(nóng)村有別于城市,人口密度低，居住點相對分散,垃圾分類意識較弱,農(nóng)村廚余垃圾資源化處理尚處于起步階段。隨著農(nóng)村生活垃圾分類工作的推進,合理選擇廚余垃圾資源化處理技術(shù)是實現(xiàn)就地就近處理、減少垃圾出村量、提高資源回收率的關(guān)鍵。

1 江蘇農(nóng)村廚余垃圾產(chǎn)生量

農(nóng)村居民生活產(chǎn)生的易腐垃圾主要為廚余垃圾,包括家庭日常生活中丟棄的果蔬及食物下腳料、剩菜剩飯、瓜果皮等易腐有機廢棄物。廚余垃圾水分含量高、有機成分多、熱值低、易腐爛，具有危害環(huán)境和資源回收的雙重特性[1]。本研究通過調(diào)查典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾轉(zhuǎn)運量及物理組成,估算江蘇農(nóng)村廚余垃圾產(chǎn)生量。

1.1 江蘇農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生量及產(chǎn)生特征

選取江蘇三個建制鎮(zhèn)生活垃圾轉(zhuǎn)運站對垃圾轉(zhuǎn)運量進行統(tǒng)計分析。Z1轉(zhuǎn)運站位于宿遷市宿城區(qū)東南部,Z2轉(zhuǎn)運站位于揚州市邗江區(qū)北部,Z3轉(zhuǎn)運站位于蘇州吳中區(qū)西部。采用生活垃圾運轉(zhuǎn)車輛的額定裝載重量統(tǒng)計三個站點2020年8月至2021年7月的垃圾轉(zhuǎn)運量,數(shù)據(jù)見表1。

表1 三個站點生活垃圾轉(zhuǎn)運量

由表1可知,江蘇農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生特點:(1)垃圾轉(zhuǎn)運量受季節(jié)因素影響較大。江蘇省春、夏季降雨量較大,梅雨顯著,加之農(nóng)村垃圾時有露天堆放情況,導(dǎo)致垃圾含水率增加,故春、夏季生活垃圾轉(zhuǎn)運量較秋、冬季高。(2)江蘇農(nóng)村人均垃圾轉(zhuǎn)運量南北不均衡。人均轉(zhuǎn)運量總體呈現(xiàn)南高北低的特點,蘇南經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)的生活消費水平較高,生活垃圾產(chǎn)生量較蘇北地區(qū)高。

經(jīng)計算，江蘇農(nóng)村人均生活垃圾產(chǎn)生量1.057kg·d-1,可得出江蘇省農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生量約為8680612.5t·a-1。

1.2 江蘇農(nóng)村廚余垃圾產(chǎn)生量

筆者調(diào)查期間,在上午垃圾壓縮之前對三個站點的生活垃圾分別進行了每月一次的采樣分析,得出農(nóng)村不同生活垃圾的重量百分比物理組成如表2所示。

由表2可知,農(nóng)村生活垃圾主要成分為廚余、灰土、橡塑和紙類，三個站點廚余垃圾均值為48.65%,灰土占比為11.46%,而2014年全國農(nóng)村生活垃圾中灰土占比最大達到42.38%,廚余垃圾占比為35.97%[2]。該變化主要由于近年我國扎實推進農(nóng)村人居環(huán)境整治,村莊環(huán)境基本實現(xiàn)干凈整潔,尤其是江蘇農(nóng)村道路、庭院硬化率高,故灰土比例下降。此外,江蘇農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展較為迅速。據(jù)江蘇省統(tǒng)計局發(fā)布的統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù),江蘇省農(nóng)村居民人均可支配收入2016年為17606元,2020年為24198元,5年增幅達37.4%。農(nóng)村居民生活水平提高的同時飲食頻次有所增加,導(dǎo)致廚余垃圾占比增幅明顯。

表2 三個轉(zhuǎn)運站生活垃圾成分 單位:%

根據(jù)江蘇農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生量及廚余垃圾占比,可估算出江蘇農(nóng)村廚余垃圾產(chǎn)生量約為4223118.0t·a-1。

2 江蘇農(nóng)村廚余垃圾收運、處理存在的問題

因農(nóng)村居民垃圾分類意識較低、分類收集、處置設(shè)施不完善等原因,生活垃圾源頭分類尚未得到全面實施,廚余垃圾與其他垃圾混合收集、轉(zhuǎn)運后進行焚燒處理,存在如下主要問題:

2.1 滲濾液產(chǎn)生量大,二次污染嚴重

廚余垃圾含水量可高達80%[3],混合垃圾滲濾液產(chǎn)出率約8%～12%,由此推算出江蘇農(nóng)村生活垃圾滲濾液產(chǎn)生量可達694449.0～1041673.5t·a-1。農(nóng)村生活垃圾轉(zhuǎn)運站大多未配備滲濾液處理系統(tǒng),滲濾液收集處理成本約為50～80元·t-1,因此處理費用達到0.35億元·a-1～0.83億元·a-1。

滲濾液普遍呈酸性,色度高、鹽分高，COD可高達20000～30000mg·L-1,污染成分復(fù)雜且散發(fā)惡臭氣體。由于農(nóng)村人口居住分散導(dǎo)致垃圾滯留時間較長,堆放、運輸過程中產(chǎn)生的滲濾液如得不到及時有效的收集處理,會對大氣、土壤和水環(huán)境造成二次污染,危害農(nóng)村生態(tài)環(huán)境及居民身體健康。

2.2 垃圾轉(zhuǎn)運量大,運輸成本高

統(tǒng)計表明,運輸環(huán)節(jié)總能耗超過垃圾處理全鏈條的一半[4]。在混合運輸情景下,噸垃圾運輸至焚燒廠成本約占生活垃圾處置總費用的48%～75%[5]2401。根據(jù)三個站點運輸距離及運輸費,得出垃圾運輸至焚燒廠成本平均為 232元·t-1,按運輸成本及廚余垃圾產(chǎn)生量估算,江蘇農(nóng)村家庭廚余垃圾運輸費高達9.8億元·a-1。

2.3 焚燒處理成本高

江蘇生活垃圾主要采用焚燒處理法,廚余垃圾混合焚燒主要問題有:垃圾含水率與垃圾熱值成明顯的反比關(guān)系[6],高含水率的廚余垃圾降低了垃圾燃燒熱值,需要足夠的輔助燃料才能充分燃燒;廚余垃圾中的鹽分容易導(dǎo)致垃圾焚燒裝置腐蝕、結(jié)垢,導(dǎo)致檢修成本投入較大;廚余垃圾焚燒容易產(chǎn)生酸性氣體、二噁英等污染物,導(dǎo)致大氣污染。生活垃圾焚燒廠建設(shè)成本一般在35萬元·t-1～65萬元·t-1,符合環(huán)保要求的全程垃圾焚燒處理成本可達800元·t-1。按此計算,如全省農(nóng)村廚余垃圾全部采用焚燒處理,則總建設(shè)費為14780.91億元～27450.27億元,處理費用約為33.78億元·a-1。

3 廚余垃圾資源化處理模式

廚余垃圾含水量大、有機物含量高、營養(yǎng)物質(zhì)豐富,可資源化潛力大。在垃圾分類收集的前提下,廚余垃圾資源化處理技術(shù)主要有厭氧發(fā)酵、好氧堆肥、飼料化等。 目前,中國廚余垃圾資源化技術(shù)占比為厭氧發(fā)酵74.3%、 好氧堆肥13.5%和飼料化12.2%[7]。

3.1 分類收集+厭氧發(fā)酵

廚余垃圾在進行破碎后進入三相分離系統(tǒng),分離得到粗油脂、固渣和液體,粗油脂用于加工生物柴油,固渣和液體進行厭氧發(fā)酵[5]2400。厭氧發(fā)酵利用厭氧微生物、兼性微生物將有機質(zhì)進行降解,同時產(chǎn)生沼氣。厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣可用于照明、烹飪?nèi)剂系?沼渣可二次發(fā)酵制肥、沼液進入水處理系統(tǒng)。典型的厭氧發(fā)酵工藝見圖1。

圖1 廚余垃圾厭氧發(fā)酵工藝流程

厭氧發(fā)酵的優(yōu)點是可實現(xiàn)自動化控制、大規(guī)模處理，占地面積小且可獲得清潔能源,有顯著的減碳效果。缺點和應(yīng)用中面臨的主要問題有:降解速率低,沼液、沼渣需要進行再處理,系統(tǒng)投資成本高;廚余垃圾中存在一部分木質(zhì)纖維素等難以被生物降解或利用的組分;厭氧發(fā)酵系統(tǒng)易出現(xiàn)氨氮抑制現(xiàn)象,降低系統(tǒng)的產(chǎn)氣效率;產(chǎn)甲烷菌生產(chǎn)周期長,消耗有機酸的能力有限,當系統(tǒng)有機負荷較高時,容易出現(xiàn)酸化現(xiàn)象[8]。主流的廚余垃圾厭氧消化發(fā)酵工藝項目建設(shè)費約為50萬元·t-1～80萬元·t-1。施慶文[9]通過調(diào)查某500t·d-1的厭氧發(fā)酵項目,測算出濕垃圾厭氧發(fā)酵運營成本(不含設(shè)備折舊等)為327元·t-1。廚余垃圾厭氧發(fā)酵甲烷產(chǎn)率可達460mL·g-1[10],甲烷折合電力3.35kWh·m-3。如全省農(nóng)村廚余垃圾全部采用厭氧發(fā)酵法處理,則總建設(shè)成本約為21115.59億元～33784.94億元,運營成本約為13.81億元·a-1,甲烷總產(chǎn)量194311萬m3,按0.5元·(kW·h)-1的電力價格計算,則甲烷收益約為32.54億元。

3.2 分類收集+好氧堆肥

廚余垃圾好氧堆肥技術(shù)是將廚余垃圾破碎至一定粒度，調(diào)節(jié)水分后進行好氧堆肥,在堆肥過程中需控制含水率、粒徑、碳氮比、溫度、通風(fēng)等工藝參數(shù),以滿足好氧微生物降解有機質(zhì)的條件需求,從而將廚余垃圾轉(zhuǎn)化成具有一定肥力的腐殖質(zhì)[11]。典型的好氧堆肥工藝流程見圖2。

圖2 廚余垃圾好氧堆肥工藝流程

好氧堆肥的優(yōu)點是技術(shù)成熟,降解速度較快,投資小,適合分散式、中小規(guī)模就地就近處理,對目前農(nóng)村分散的村莊、鄉(xiāng)鎮(zhèn)具有良好的適應(yīng)性,且堆肥可以產(chǎn)生有機肥料,在實現(xiàn)廢物資源化利用的同時改善了土壤,具有極好的應(yīng)用價值。缺點及主要問題有:預(yù)處理過程復(fù)雜、系統(tǒng)占地面積大,溫室氣體排放較多,能耗高;堆肥過程中產(chǎn)生的臭氣、滲濾液需要再處理;堆肥技術(shù)受垃圾成分的制約很大,廚余垃圾需要經(jīng)過脫水或與園林、農(nóng)業(yè)廢物等進行調(diào)質(zhì)后才適合進行好氧堆肥處理。目前好氧堆肥技術(shù)在農(nóng)村尚處于起步階段,而在城市餐廚垃圾處理中應(yīng)用較廣泛,工藝項目建設(shè)費約為40萬元·t-1～60萬元·t-1。張軍等[12]對某市餐廚垃圾快速好氧堆肥工藝研究表明:在工藝穩(wěn)定情況下運營成本約177.57元·t-1,有機肥可實現(xiàn)成本回收22.14元·t-1。如全省農(nóng)村廚余垃圾全部采用好氧堆肥法處理,則總建設(shè)成本約為16892.47億元～25338.71億元,運營成本約為7.50億元·a-1,有機肥收益0.93億元·a-1。

3.3 分類收集+飼料化

廚余垃圾中各種食物混雜,不可直接作為動物飼料,以避免同源性飼料可能導(dǎo)致的動物傳染病。廚余垃圾經(jīng)過處理后必須滿足飼料的安全標準,目前的主要處理技術(shù)有干熱法、昆蟲轉(zhuǎn)化法。干熱法是將廚余垃圾破碎后脫水脫油、高溫干燥、造粒膨化,該法技術(shù)成熟,可大規(guī)模應(yīng)用,但是其產(chǎn)物的飼喂對象受限[13]。昆蟲轉(zhuǎn)化法中黑水虻是產(chǎn)業(yè)化養(yǎng)殖應(yīng)用最廣泛的昆蟲種類[14],廚余垃圾黑水虻養(yǎng)殖轉(zhuǎn)化工藝流程見圖3。

圖3 廚余垃圾黑水虻養(yǎng)殖轉(zhuǎn)化工藝流程

黑水虻易成活、吃食范圍廣、生長發(fā)育周期適中、抗逆性強、耐油耐鹽、生態(tài)安全性高、幼蟲營養(yǎng)價值豐富[15],在高端養(yǎng)殖領(lǐng)域優(yōu)勢明顯。黑水虻轉(zhuǎn)化飼料面臨的主要問題有:養(yǎng)殖溫度、濕度要求較高,黑水虻生長活動最適溫度為25～30℃,溫度降到15℃以下時生長緩慢或冬眠,低于5℃死亡,35℃以上則要采取降溫措施。相對濕度要求為75%～85%,濕度過低易造成蛹大量死亡。此外,廚余垃圾成分難以保持一致性,需調(diào)配均衡從而為昆蟲提供穩(wěn)定營養(yǎng)條件。如黑水虻培養(yǎng)條件參數(shù)控制不當,會導(dǎo)致黑水虻幼蟲過小、黑水虻蛹羽化率低等問題。

黑水虻處理工藝建設(shè)費、運營費較低,粟穎[16]調(diào)查研究廣東省黑水虻處理廚余垃圾工藝項目的建設(shè)費約為10萬元·t-1～35萬元·t-1,運營費約為90元·t-1,10噸廚余垃圾可產(chǎn)生2噸幼蟲及1噸蟲糞,烘干的黑水虻幼蟲和蟲糞的售價分別為6000元·t-1和500元·t-1,有良好的經(jīng)濟效益。如全省農(nóng)村廚余垃圾全部采用黑水虻處理法,則總建設(shè)成本約為4223.12億元～14780.91億元,運營成本約為3.80億元·a-1,黑水虻幼蟲和蟲糞收益為52.79億元·a-1。

綜上,廚余垃圾資源化處理模式在經(jīng)濟投資、占地面積、處理投資、適宜場景等方面差異較大，廚余垃圾焚燒與資源化處理各項技術(shù)綜合比較見表3[17-19]。

表3 廚余垃圾焚燒與資源化處理各項技術(shù)綜合比較

4 江蘇農(nóng)村廚余垃圾資源化技術(shù)選擇

江蘇共720個鄉(xiāng)鎮(zhèn),14000多個行政村,近19萬個自然村,各地經(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)狀況、處理要求不同,廚余垃圾資源化技術(shù)選擇除了要充分考察和比較各技術(shù)本身工藝特點之外,還要結(jié)合地方實際情況。

4.1 結(jié)合自然、經(jīng)濟狀況

江蘇一般以淮河、蘇北灌溉總渠一線為界,北部地區(qū)屬暖溫帶濕潤、半濕潤季風(fēng)氣候,南部地區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,南北常年氣溫存在約3℃差異,資源化處理技術(shù)對溫度均有要求,運行溫度與環(huán)境溫度相差越大,能耗水平就越高,運行費也高。由于各地經(jīng)濟條件不同,進行技術(shù)選擇要綜合考慮建設(shè)投資及運行費。對于蘇州等經(jīng)濟發(fā)展較好的蘇南地區(qū)農(nóng)村可以選擇厭氧發(fā)酵技術(shù),雖然建設(shè)投資較高,但運行費較低;而宿遷等經(jīng)濟發(fā)展相對一般，以種植業(yè)為主的蘇北地區(qū),可以選擇建設(shè)投資費、運行費較低的好氧堆肥技術(shù)。

4.2 依據(jù)人口密度、廚余垃圾產(chǎn)生量及經(jīng)濟狀況

蘇北農(nóng)村人口密度低,耕地面積大,土地資源較豐富,廚余垃圾可采用占地面積較大、運行費低的好氧堆肥處理方法,就地就近處理,將產(chǎn)生的有機肥還田。蘇南農(nóng)村人口密度大,廚余垃圾產(chǎn)生量大,耕地面積少,廚余垃圾可采用占地面積較小的厭氧發(fā)酵法、飼料法等。

4.3 參考地方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)

廚余垃圾的處理需要綜合地方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu),以養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)為主的農(nóng)村地區(qū),可采用厭氧發(fā)酵技術(shù),同時處理廚余垃圾、禽畜糞便、農(nóng)作物秸稈等;以種植業(yè)為主的農(nóng)村地區(qū),農(nóng)作物秸稈與廚余垃圾按照一定比例混合,可實現(xiàn)對廚余垃圾的調(diào)質(zhì),宜采用好氧堆肥技術(shù)。

4.4 結(jié)合運行維護水平

不同資源化處理技術(shù)對運營參數(shù)的控制要求不同,有的處理方法存在安全風(fēng)險,如厭氧發(fā)酵處理技術(shù)存在發(fā)生沼氣爆炸事故的可能性,故必須有專業(yè)人員運維管理。

5 結(jié)論

經(jīng)計算，江蘇農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生量為8682755.6t·a-1,其中廚余垃圾產(chǎn)生量為4224160.6t·a-1,在目前混合收運、焚燒處理的情況下,運行成本高,資源回收率低,存在二次污染。

厭氧發(fā)酵、好氧堆肥、飼料化三種主要的資源化處理技術(shù)工藝特點、成本及適宜性不同,其中好氧堆肥適宜分散式、中小規(guī)模處理,在國家鼓勵農(nóng)村廚余垃圾就地就近處理的政策下具有較廣泛的應(yīng)用場景。

采用何種資源化處理技術(shù)對農(nóng)村廚余垃圾進行處理,應(yīng)在充分調(diào)查研究各技術(shù)特點基礎(chǔ)上,結(jié)合江蘇農(nóng)村各地差異,重點考慮地方自然、經(jīng)濟狀況、人口密度、廚余垃圾產(chǎn)生量、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、運行維護水平等具體情況后加以確定。