協(xié)同模式下餐廚垃圾的資源化處理探究

徐振，王國城，羅小榮，任濟偉，陳憲輝

（光大環(huán)保能源（天津）有限公司，天津 300383）

十四五期間，國家大力推行“垃圾分類”和“無廢城市”建設，國內餐廚垃圾處理需求的迅速增長，得益于國家政策的支持，餐廚垃圾處理行業(yè)快速發(fā)展，各地餐廚垃圾處理項目相繼提上日程。部分生活垃圾焚燒廠憑借經濟技術優(yōu)勢，紛紛投資建設餐廚垃圾協(xié)同處理項目。據統(tǒng)計，全國累計在運行的生活垃圾焚燒廠超過500 座，焚燒設施處理能力達5.8×105t/d[1]。協(xié)同生活垃圾焚燒的餐廚垃圾處理模式是在生活垃圾焚燒發(fā)電廠中建設餐廚垃圾處理單元，能實現資源共享、能源互相利用、廢棄物協(xié)同處理。該模式充分體現了循環(huán)經濟的要求，具有工藝簡單、投資低、經濟效益高等優(yōu)點，正逐漸替代傳統(tǒng)獨立餐廚垃圾處理廠，成為一種新型餐廚垃圾處理模式[2]。

固相廢棄物是餐廚垃圾經過預處理工段分離出的雜物（如骨頭、玻璃、貝殼、塑料、砂石、布等）和有機廢棄物（富含粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、碳水化合物）的總稱。其作為餐廚垃圾預處理系統(tǒng)的第二大產物，具有明顯污染和資源的雙重特性。茍劍鋒[3]、王玲[4]、蘇玉萍[5]等對國內部分城市餐廚垃圾成分進行采樣分析，結果表明：固相廢棄物中雜物含量占10%～24.3%，有機廢棄物的含量占75.7%～90%，具有較高的資源再利用價值。因此，一些不法人士收集有機廢棄物進行家畜養(yǎng)殖，進而導致“泔水豬”、“瘋牛病”等惡劣影響，嚴重影響了食品安全和居民健康。協(xié)同工藝能將固相廢棄物引入垃圾倉，經發(fā)酵后實現100%焚燒處理。但相較獨立餐廚垃圾項目的全混厭氧、好氧堆肥等處理技術，有機廢棄物的協(xié)同焚燒處理方式資源化利用率低。在垃圾分類政治背景下，面臨前端分類末端混合焚燒的尷尬局面。因此，如何提高協(xié)同模式下有機廢棄物的資源化再利用是餐廚垃圾協(xié)同生活垃圾焚燒處理的主要難題。

1 工程概況

某廠建設2 250 t/d 的生活垃圾處理設施和200 t/d餐廚垃圾處理設施，其餐廚垃圾處理工藝如圖1。餐廚垃圾經該生產線后可實現廢水、廢氣、固相廢棄物、油脂分離。其中廢氣和固相廢棄物最終排入焚燒爐焚燒處理，廢水排入污水處理系統(tǒng)協(xié)同處理，油脂提取后出售給生物柴油加工商實現其資源化再利用。

圖1 餐廚垃圾處理工藝

經過對該廠2021年全年生產數據進行統(tǒng)計分析，餐廚垃圾經該處理工藝的產物和產率詳見表1。

表1 餐廚垃圾處理產物的產率 %

由表1 可知，餐廚垃圾處理后產物的產率由高到低分別為廢水、有機廢棄物、雜物和油脂。其中有機廢棄物是不可資源化利用雜物的161.76%。按照200 t 的設計規(guī)模，有機廢棄物的日產量可達36.04 t，產量大，資源再利用潛力大。

2 垃圾成分檢測和分析

為了深入分析協(xié)同模式下有機廢棄物對焚燒單元的影響，將有機廢棄物和入爐生活垃圾進行成分和熱值檢測，詳細結果見表2 和表3。

表2 有機廢棄物和入爐生活垃圾元素及主要特性

表3 有機廢棄物成分分析

由表2 可知，在含水量方面，有機廢棄物較入爐生活垃圾高21.06%；在低位熱值方面，有機廢棄物僅為入爐生活垃圾的70.13%，且低于生活垃圾焚燒的設計規(guī)范中對垃圾熱值（5 MJ/kg）的要求。此外，在硫、氮、氯的含量方面有機廢棄物普遍高于入爐生活垃圾，特別是氮含量，高達285.29%。

由表3 可知，有機廢棄物的廚余含量很高，且富含粗蛋白、脂肪、纖維等營養(yǎng)物質，其本質仍表現為“食物”特性。

在運行中發(fā)現，當將有機廢棄物投入爐中后，爐膛中溫度波動大，煙氣中氮氧化物、二氧化硫、氯化氫指標突升,給焚燒系統(tǒng)穩(wěn)定性造成一定沖擊。綜上所述，餐廚垃圾處理中產生有機廢棄物不適合直接投入焚燒爐焚燒處理。協(xié)同模式下有機廢棄物的資源化利用可結合其“食物”特性進行下一步探究。

3 有機廢棄物處理工藝比選

目前國內外餐廚垃圾中有機廢棄物的處理工藝主要包括填埋法、焚燒法、堆肥法、全混厭氧消化法、飼料化處理等。其中填埋法屬于早期垃圾處理技術，填埋后存在二次污染，已不符合未來垃圾處理的方向；焚燒法面臨資源化利用率低的尷尬局面；堆肥法因其占地面積大、氣味大、處理周期長[6]、經濟效益低、土地鹽堿化風險高而逐漸被淘汰。全混厭氧消化法是當前市場主流的餐廚垃圾的處理方式；但餐廚垃圾組分單一，全混厭氧消化過程不穩(wěn)定，容易出現反應器酸化現象,以及因反應器中微量元素不足[7]，氨抑制、反應器中油脂難去除、污泥難脫水等引起的一系列問題，直觀表現為厭氧反應器甲烷產量的指標波動大[8]。而飼料化處理技術是當前研究最熱餐廚垃圾處理技術，其利用方式符合有機廢棄物“食物”特性，可實現有機廢棄物高資源化利用。因此，計劃采用飼料化處理技術實現有機廢棄物的處理。

常見飼料化處理技術包括脫水處理法、生物發(fā)酵法、昆蟲過腹法，其主要原理及優(yōu)缺點如表4 所示。

表4 飼料化處理技術比選

基于表4 可以看出，相較于脫水處理法和生物發(fā)酵法，昆蟲過腹化具有明顯的安全和經濟效益優(yōu)勢。該法將餐廚垃圾預處理產生的有機廢棄物當作“食物”，實現有機廢棄物按照自然界食物鏈規(guī)律進行處理。其中，昆蟲過腹法中常見的昆蟲有黑水虻、蟑螂、蚯蚓和家蠅。其中，蚯蚓和家蠅以處理畜禽糞便和農業(yè)廢棄物為主，蟑螂和黑水虻在實際應用中處理餐廚垃圾較多[10]。而黑水虻具有繁殖快、生長周期短、食性廣泛、食量大、有機廢棄物吸收轉化率高等特性[11]，能基本實現有機廢棄物的完全資源化，且成蟲經濟效益高，產生的二次污染小。因此，協(xié)同模式可借鑒黑水虻養(yǎng)殖技術處理有機廢棄物，進而實現有機廢棄物的資源化，補足協(xié)同模式下餐廚垃圾處理資源轉化率低的問題。

4 黑水虻養(yǎng)殖工藝的可行性

黑水虻處理有機廢棄物是昆蟲過腹轉化的過程，該處理方式將餐廚垃圾中的有機廢棄物通過食物鏈進行處理，符合大自然生態(tài)發(fā)展規(guī)律，安全性好。任立斌[12]在黑水虻生物轉化餐廚垃圾試驗的研究發(fā)現：餐廚垃圾的特性對黑水虻生長繁殖影響大小為含水率＜pH 值＜含油率＜含鹽率。作為協(xié)同模式下餐廚垃圾預處理后的產物，有機廢棄物成分中的油脂、鹽分含量較餐廚垃圾大幅減少。因此，利用黑水虻處理有機廢棄物將更加符合黑水虻生長要求。

黑水虻要經歷卵期、幼蟲期、蛹期、成蟲期。其中黑水虻在卵期和幼蟲期食入有機廢棄物后，可利用其營養(yǎng)物質轉化為蛋白質、脂肪、幾丁質等。目前，通過人工干預控制黑水虻的生長環(huán)境，也能實現黑水虻的快速生長。培養(yǎng)兩周內，黑水虻幼蟲體長可達17 mm[13]，這為黑水虻工業(yè)化生產提供了有力實踐支持。此外，從黑水虻預蛹干物質成分分析得出，其約含42.1%粗蛋白，7%粗纖維和34.8%脂肪，比傳統(tǒng)的普通魚粉、豆粕的蛋白含量還高，可擔當當今世界上重要的蛋白質來源之一[14]。

協(xié)同模式下有機廢棄物的產量穩(wěn)定，有效解決了黑水虻養(yǎng)殖過程食物量不穩(wěn)定的難題。目前市場已存在自動化程度高、日處理量大的黑水虻養(yǎng)殖成套設備，該設備每天可將50 t 有機廢棄物轉化為12%鮮蟲和20%的蟲糞。根據熊彩虹[15]針對黑水虻養(yǎng)殖的成本和利潤測算可知：在日處理28 t 時，黑水虻養(yǎng)殖項目能實現項目自身的盈虧平衡，年投資回報率達7.3%。而該協(xié)同項目日產有機廢棄物36.04 t，若利用有機廢棄物養(yǎng)殖黑水虻，則可以避免有機廢棄物對協(xié)同模式焚燒爐工況的影響，更重要的是解決了協(xié)同模式處理餐廚垃圾資源化轉化不足問題。

5 結論

5.1 協(xié)同模式中，餐廚垃圾預處理產生的有機廢棄物熱值低，不適合直接焚燒。且有機廢棄物的成分更貼合“食物”的特性，可根據其特性進行下一步研究。

5.2 采用黑水虻處理協(xié)同模式中餐廚垃圾預處理產生的有機廢棄物，可有效解決協(xié)同模式餐廚垃圾資源化利用率低的問題。打破了協(xié)同模式面臨餐廚垃圾分類后，末端焚燒的尷尬局面，提高了協(xié)同模式的推廣性。