廚余垃圾資源化及碳排放分析
——以烏魯木齊市為例

金 晶，吳梅花，張梓婧，藺小怡

（新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，烏魯木齊 830046）

廚余垃圾也叫作濕垃圾，即居民日常生活及食品加工、餐飲服務(wù)、單位供餐等活動中產(chǎn)生的垃圾，包括吃剩的果皮、食物殘渣、蛋殼等[1]。隨著我國城市化水平的提高，日常生活中廚余垃圾的產(chǎn)生量快速提升，2020年我國垃圾清運量約為23 512萬t，雖較2019年的24 206萬t稍有下降，但從歷年數(shù)據(jù)來看，總體上仍然呈現(xiàn)上升趨勢[2]。2018年，烏魯木齊市垃圾清運量為162.48萬t，其中廚余垃圾有2.83萬t，占總清運量的1.74%[3]。廚余垃圾因含有大量有機物且含水量高而容易腐爛，若存儲不當(dāng)，便會腐爛發(fā)臭、滋生細菌。為了提高廚余垃圾處理效率，早日實現(xiàn)碳達峰碳中和目標(biāo)，有必要對比分析現(xiàn)行廚余垃圾處理方式。

1 廚余垃圾產(chǎn)生量及特征

隨著近年來生活水平的提高，我國生活垃圾產(chǎn)生量每年以8%以上的速度增加[4]。2012—2018年，烏魯木齊市生活垃圾產(chǎn)生量增長率略有波動，2013—2015年三年的增長率均低于5%，其余四年的增長率均高于5%，增長率最高的2016年甚至達到8.59%，如表1所示。作為生活垃圾的重要組成部分，廚余垃圾占生活垃圾的比重逐年增高。目前，我國生活垃圾中有40%～60%的成分是廚余垃圾。表1數(shù)據(jù)顯示，烏魯木齊市歷年廚余垃圾在生活垃圾中的占比都小于2%，距我國平均水平相差甚遠。經(jīng)分析，原因可能是居民垃圾分類意識比較淡薄，導(dǎo)致廚余垃圾占比極小。近年來，烏魯木齊市加大投資力度，積極開展垃圾分類，廚余垃圾占比將會大幅增加[5]。如表2所示，烏魯木齊市生活垃圾中，碳元素含量約為45%，氫元素含量約為7.75%，氧元素含量約為24.31%，氮元素含量約為0.67%，硫元素含量約為0.09%，氯元素含量約為0.76%[6]。

表1 烏魯木齊市2011—2018年廚余垃圾產(chǎn)生量

表2 烏魯木齊市廚余垃圾成分分析

2 廚余垃圾處理技術(shù)

2.1 衛(wèi)生填埋

衛(wèi)生填埋就是將要處理的垃圾填入洼地或大坑中，采取防滲、排水、導(dǎo)氣等措施對填埋場進行防護處理[7]。填埋法操作簡單，處理方便，技術(shù)成熟，但廚余垃圾含水量較高，大量滲濾液會在處理過程中生成。廚余垃圾成分復(fù)雜[8]，若處理不當(dāng)，污染物就會影響地表水、地下水及土壤。此外，廚余垃圾填埋過程會快速釋放大量CO2和CH4，加劇全球變暖。截至2021年，全國城市衛(wèi)生填埋場中，約有一半都已滿負荷運行，越來越多的填埋場被封場。傳統(tǒng)的填埋方式影響時間長，這不利于可持續(xù)發(fā)展。垃圾填埋場占地面積大，地球空間有限，必須尋找更合適的代替方法[9]。

2.2 粉碎直排

粉碎直排是指廚余垃圾經(jīng)廚房下水接口配置的機器粉碎后直接排入下水管網(wǎng)。目前，該方法在部分國家普遍使用，美國有90%以上的居民使用粉碎直排機，一些城市甚至強制使用，但此設(shè)備在中國的普及率不及1%[10]。粉碎直排法可以及時處理廚余垃圾，操作簡單，防止垃圾丟棄和轉(zhuǎn)運導(dǎo)致二次污染，研究表明，若提高粉碎直排機的普及率，可為污水處理廠增加碳源，改善水質(zhì)營養(yǎng)平衡[11]。污水處理廠剩余污泥可通過厭氧消化實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化和利用[12]。但是，油污結(jié)塊會降低下水道的排水能力，增加污水處理廠的負荷，下水道的油污會產(chǎn)生污水和臭氣，容易滋生病菌、蚊蟲，導(dǎo)致疾病傳播，同時難以避免二次污染[13]。下水管網(wǎng)中的油脂易被不法分子收集加工成地溝油，影響人們的生命健康[10]。粉碎直排法需要專業(yè)設(shè)備，經(jīng)濟成本相對較高。

2.3 堆肥

2.3.1 好氧堆肥

20世紀(jì)40年代，美國就開始對廚余垃圾進行堆肥處理。北歐一些地區(qū)強制要求使用廚余垃圾堆肥設(shè)備。日本也是較早推廣廚余垃圾處理器的國家之一，2000年，日本頒布法律進一步鼓勵家庭使用廚余垃圾堆肥處理器。未來，堆肥技術(shù)將在我國得到推廣[14]。好氧堆肥是指人工控制水分、碳氮比和通風(fēng)條件，借助微生物發(fā)酵作用和一系列物理化學(xué)反應(yīng)，將不穩(wěn)定的有機物轉(zhuǎn)化為安全穩(wěn)定的腐殖質(zhì)。影響處理效果的因素有含水率、粒徑、碳氮比、添加劑、溫度、通風(fēng)供氧和攪拌翻堆等[15]。目前，好氧堆肥都要借助小型生化處理器，該技術(shù)操作簡單安全，不會產(chǎn)生其他垃圾，降低運輸成本，避免運輸污染。堆肥產(chǎn)品含有豐富的氮磷鉀，可用于種植家庭蔬果植物。合格的堆肥產(chǎn)品不僅可以替代化肥，還能借助有機碳腐殖化實現(xiàn)固碳，符合當(dāng)下節(jié)能減排的要求。但是，小型生化處理器需要加入膨松劑和菌劑，并且一般都有加熱裝置，運行成本較高[14]。研究發(fā)現(xiàn)，廚余垃圾好氧堆肥中，甲烷排放量為4.0 kg/t，N2O排放量為0.3 kg/t，加上收運過程的碳排放，碳排放總量為10～420 kg/t，泄漏的CH4為原始CH4的1%～10%，泄漏的N2O為原始N2O的0.5%～5.0%，最終好氧堆肥的凈碳排放量為165 kg/t。就減少收運過程的碳排放而言，分散式好氧堆肥優(yōu)于集中式好氧堆肥。最后，好氧堆肥一定要保證堆肥時間足夠，達到有機質(zhì)充分降解和腐殖化的要求，否則會導(dǎo)致大量溫室氣體的排放，堆肥產(chǎn)品因不穩(wěn)定不能作為肥料[16]。

2.3.2 蚯蚓堆肥

蚯蚓堆肥是借助蚯蚓生理活動來提高廚余垃圾中原有微生物的活性，它可以加快有機物的分解和轉(zhuǎn)化，極大地減少堆肥過程產(chǎn)生的異味[17]。蚯蚓堆肥操作相對簡單，處理效果良好，運行成本較低，堆肥副產(chǎn)品蚯蚓也是優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)飼料和生物醫(yī)學(xué)材料。但是，它也有一定局限性，廚余垃圾中的油脂和高鹽使蚯蚓生理活動受到限制，甚至使其嚴(yán)重退化，蚯蚓種類也不足，未來需要加強對蚯蚓適應(yīng)性和品種的研究[18]。

2.4 焚燒

焚燒法是將廚余垃圾與其他垃圾或者一些可燃物混合，一起進行高溫燃燒處理，經(jīng)過處理后，廚余垃圾體積和質(zhì)量分別至少減少85%和75%，減容減量效果十分顯著[19]。目前，焚燒處理主要有2種方式。一是直接將廚余垃圾與其他可燃物或其他生活垃圾混合燃燒，但產(chǎn)生的熱量沒有得到回收利用。二是采用熱電聯(lián)產(chǎn)法，將廚余垃圾燃燒產(chǎn)生的熱量回收利用，實現(xiàn)廚余垃圾的資源化。2011年，英國建成世界首個廚余垃圾焚燒發(fā)電廠，廚余垃圾日處理量達到12萬t，并產(chǎn)生150萬kW·h電能，但是目前廚余垃圾焚燒處理后外輸電力的效率較低，僅為14%[3]，若輸電效率有大幅提升，則焚燒發(fā)電將會有很大的進步。烏魯木齊市于2020年建成一座近期日處理量為4 500 t、遠期將增加至6 000 t的垃圾焚燒發(fā)電廠，該電廠每年發(fā)電量可達5.3億kW·h，每年可節(jié)約20多萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減少2 100 t的NOx排放，減少3 360 t的SO2排放。

研究發(fā)現(xiàn)，若采用焚燒處理，可以減少碳排放1.2 kg/t，若能將熱效率提升到60%并采用熱電聯(lián)產(chǎn)，碳減排量將大幅增加至148 kg/t，可以大幅降低碳排放[16]。然而，廚余垃圾焚燒處理亦存在一定的局限性。廚余垃圾不僅具有很高的含水率，而且含有很多的易腐有機物，其在很短的時間內(nèi)便會腐爛和發(fā)酵降解，并且會產(chǎn)生大量的水分和腐臭，所以必須及時焚燒[20]。

2.5 壓榨預(yù)處理+干組分焚燒+濕組分厭氧發(fā)酵

“壓榨預(yù)處理+干組分焚燒+濕組分厭氧發(fā)酵”（簡稱組合處理技術(shù)）是一種新的組合處理模式。壓榨預(yù)處理就是將廚余垃圾控制在60 795～101 325 kPa的高壓中進行擠壓分離，處理后產(chǎn)物主要由干組分（骨頭、餐巾紙、一次性竹筷以及少量無機物）和濕組分（食物殘渣、瓜皮果核、菜幫菜葉等）組成。濕組分質(zhì)量約占分離前垃圾質(zhì)量的2/3，干組分質(zhì)量約占分離前垃圾質(zhì)量的1/3。干組分（熱值不小于1×103kJ/kg）可直接進入焚燒鍋爐進行焚燒發(fā)電，濕組分先進行厭氧發(fā)酵，后使用發(fā)酵產(chǎn)物沼氣進行發(fā)電，如圖1所示。發(fā)酵產(chǎn)物處理后可作為肥料使用。研究發(fā)現(xiàn)，1 t干組分可以產(chǎn)生597.2 kW·h電能，1 t濕組分可以產(chǎn)生162 kW·h電能，經(jīng)組合模式處理，CO2減排量可以達到947 kg/t[21]。

圖1 組合處理技術(shù)工藝流程

2.6 轉(zhuǎn)化能源

2.6.1 甲烷

廚余垃圾可以通過厭氧發(fā)酵來獲得清潔能源甲烷。厭氧處理是指利用厭氧微生物分解廚余垃圾中的有機物，產(chǎn)生CH4和CO2[22-23]。廚余垃圾富含碳水化合物和蛋白質(zhì)，越來越多的國家通過廚余垃圾厭氧處理生產(chǎn)甲烷[24]。影響處理效果的主要因素有3點。一是接種物的甲烷細菌數(shù)量和活性；二是環(huán)境溫度；三是環(huán)境pH。歐洲是有機垃圾干式厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷技術(shù)的起源地，法國、比利時、瑞士等國家技術(shù)較為成熟。我國厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷技術(shù)起步較晚，尚不成熟。目前，較為成功的是杭州天子嶺廚余垃圾處理廠，該廠利用厭氧消化來處理垃圾，并將產(chǎn)生的甲烷用來發(fā)電，僅2018年，該廠靠此項技術(shù)日處理垃圾190 t，沼氣甲烷含量穩(wěn)定在58.63%左右，利用沼氣發(fā)電8.42×106kW·h[25]。研究發(fā)現(xiàn)，厭氧消化處理技術(shù)對垃圾的回收利用率為31%～42%，碳回收率高，碳排放呈負增長[18]。未來，若能大面積應(yīng)用厭氧發(fā)酵技術(shù)，不僅能讓垃圾得到有效利用，減少有害氣體的排放，也有助于我國實現(xiàn)碳達峰碳中和目標(biāo)。

2.6.2 生物柴油

研究顯示，每噸廚余垃圾能夠提煉2%～8%的廢油脂[26]。其中的動植物油脂進行酯交換反應(yīng)，產(chǎn)物進行分層和清洗處理，蒸發(fā)甲醇并通過干燥去除水分，得到生物柴油[27]。生物柴油是幾乎不含硫、含氧量高、容易燃燒的一種可再生清潔能源，既滿足當(dāng)下碳減排控制要求，又可以緩解全球溫室效應(yīng)[28]。目前，生物柴油使用的制備工藝是超臨界甲醇法，該工藝借助甲醇不需要催化劑就可與廢油脂發(fā)生反應(yīng)的性質(zhì)，制備生物柴油[29]。該工藝不需要添加劑，不需要對產(chǎn)物進行過多處理，經(jīng)濟成本較低。該反應(yīng)速率高，沒有副產(chǎn)品生成，增加反應(yīng)壓力和反應(yīng)溫度，就可有效提高產(chǎn)量[30]。研究表明，該工藝產(chǎn)品符合我國0號柴油的標(biāo)準(zhǔn)，也符合部分國外生物柴油標(biāo)準(zhǔn)[31]。

2.6.3 乙醇

乙醇是一種碳排放量很低的清潔能源，可以采用同步糖化發(fā)酵技術(shù)處理廚余垃圾，從而制取乙醇。研究發(fā)現(xiàn)，每噸廚余垃圾可以制備153 L乙醇，運動發(fā)酵單胞菌產(chǎn)乙醇能力比酵母菌更強，耐酸性更好，更適合制備乙醇[32-33]。相比單一廢紙底物發(fā)酵，將廢紙和廚余垃圾混合發(fā)酵，乙醇產(chǎn)率提高近30%[34]。研究發(fā)現(xiàn)，熱葡糖苷酶地芽孢桿菌處理廚余垃圾可以產(chǎn)生乙醇，產(chǎn)物乙醇濃度為18.40 g/L[35]。同步糖化發(fā)酵技術(shù)可有效地將廚余垃圾轉(zhuǎn)化為能源燃料，使廚余垃圾得到再利用。該技術(shù)還需要不斷優(yōu)化，從而達到經(jīng)濟、高產(chǎn)的目的。

2.7 飼料化

廚余垃圾是當(dāng)前極具開發(fā)潛力的飼料資源。廚余垃圾基數(shù)大，富含淀粉、脂肪、Ca、P等營養(yǎng)物質(zhì)，具有較高的營養(yǎng)價值。廚余垃圾飼料化的歷史悠久，我國過去將有營養(yǎng)的廚余垃圾直接喂豬，歐洲也有用剩飯剩菜喂狗、喂雞的習(xí)慣[36]。目前，部分國家采取措施，禁止用同源性動物蛋白飼養(yǎng)同種動物?！恫蛷N垃圾處理技術(shù)規(guī)范》（CJJ 184—2012）要求，廚余垃圾飼料化時必須對病原菌進行滅殺[18]。廚余垃圾應(yīng)用前景不容小覷，經(jīng)過嚴(yán)格處理，它可以用于生產(chǎn)非反芻類飼料。廚余垃圾飼料化主要有兩種方法。生物法借助微生物發(fā)酵制備發(fā)酵飼料，廚余垃圾粗蛋白和粗脂肪含量差別大，采用油水分離技術(shù)分離廚余垃圾中的粗脂肪，以減少絕干物質(zhì)中粗脂肪含量，干廚余垃圾粉碎后借助微生物發(fā)酵制作蛋白飼料，此方法可以很好地利用廚余垃圾的營養(yǎng)成分，但制作工藝較為復(fù)雜，處理時間較長。物理法是指先進行預(yù)處理，后經(jīng)過一系列物理處理制備干飼料。研究顯示，物理法干熱消毒所需時間較長，溫度較高，對營養(yǎng)物質(zhì)的破壞顯著。物理法還需要配備專門的設(shè)備進行脫脂，大大提高了生產(chǎn)成本[37]。濕熱法屬于物理法，但它是一種改進型廚余垃圾處理方法，可以大大降低油脂和鹽的含量，滿足衛(wèi)生安全要求，同時確保營養(yǎng)成分不流失。濕熱法處理廚余垃圾的市場潛力巨大，生產(chǎn)成本低，適用范圍廣，可行性很高[38]。

3 廚余垃圾資源化方案的選擇

據(jù)統(tǒng)計，2020年，新疆有13.3%和85.8%的生活垃圾采用焚燒和填埋處理，但是填埋處理并沒有發(fā)揮垃圾的資源潛力，若僅從減碳效果來看，組合處理技術(shù)無疑是最好的選擇，如表3所示。以2018年為例，若大力推行垃圾分類，烏魯木齊市廚余垃圾在生活垃圾中的比重提升到全國中間值（50%），將會產(chǎn)生81.24萬t廚余垃圾。采用組合處理技術(shù)，可減少碳排放約77萬t，為碳達峰碳中和做出巨大貢獻。

表3 不同處理方法的優(yōu)缺點比較

4 結(jié)論

未來，烏魯木齊市廚余垃圾產(chǎn)生量將大幅增加，其有機物含量多，若處理不當(dāng)，將會對環(huán)境造成危害?，F(xiàn)行的廚余垃圾處理工藝主要有衛(wèi)生填埋、粉碎直排、堆肥、焚燒、飼料化和組合處理技術(shù)，未來，資源化處理將得到極大的發(fā)展。若輸電效率有大幅提升，焚燒法將有不錯的前景。組合處理技術(shù)和焚燒法（熱電聯(lián)產(chǎn)）具有很好的碳減排效果，將會得到長足發(fā)展。未來，焚燒發(fā)電+少部分填埋將是烏魯木齊市主要的垃圾處理方式，焚燒發(fā)電可考慮向組合處理方式轉(zhuǎn)型，以提高廚余垃圾的資源化水平，助力實現(xiàn)碳達峰碳中和目標(biāo)。