餐廚垃圾厭氧沼渣處理及資源化利用研究進展

胡世梯，姚 賽，易志剛，李 娟，彭 星

(1.湖南仁和環(huán)?？萍加邢薰?，長沙 410005；2.湖南仁和環(huán)境股份有限公司，長沙 410005)

引 言

隨著人口增長和經(jīng)濟發(fā)展，2021年中國餐廚垃圾產(chǎn)生量超過1.2億噸[1]。餐廚垃圾處理主要分兩種方式：好氧處理和厭氧處理，其中70%以上的餐廚垃圾處理項目采用厭氧處理[2]。然而，厭氧過程產(chǎn)生大量的沼液、沼渣，為餐廚垃圾的處理帶來了極大的挑戰(zhàn)[3]。餐廚垃圾厭氧沼渣作為濕垃圾的一種，通過現(xiàn)有處理設施對其進行填埋或焚燒，表現(xiàn)出能耗高、碳排放大、資源化利用效率低的困境[4]。因此，如何有效地實現(xiàn)餐廚沼渣資源化利用是全社會關注的焦點。

目前，國內關于沼渣的研究文獻較多，但餐廚(廚余)沼渣的研究文獻還很不夠，從知網(wǎng)中僅檢索出29個結果。此外，知網(wǎng)不乏一些與沼渣相關的綜述文章，但這些文章選用的角度是“沼渣”、“禽畜糞便沼渣”、“有機廢棄物沼渣”、“沼渣有機肥”等的資源化利用，還未發(fā)現(xiàn)1篇餐廚垃圾或廚余垃圾沼渣資源化利用的綜述文章[5～7]。因此，對餐廚垃圾沼渣進行綜述很有必要。本文首次對餐廚垃圾厭氧沼渣處理及資源化利用研究進展進行綜述，闡明了餐廚沼渣的特點，分析了餐廚沼渣的處理現(xiàn)狀及處理方式，重點討論了餐廚沼渣資源化利用技術研究進展，比較了不同處理和利用方式的經(jīng)濟和環(huán)境效益，總結并展望了餐廚沼渣未來的資源化路徑，為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供參考。

1 我國餐廚垃圾沼渣現(xiàn)狀

1.1 特點

餐廚沼渣本質上是異質性的，其特征高度依賴于厭氧類型、原材料和操作條件等[8]。餐廚垃圾處理工程多采用離心脫水分離沼液沼渣，得到的餐廚沼渣含水率高，通常為75%～85%(2021年數(shù)據(jù))[9]。餐廚沼渣的pH為7.3 ～ 8.9(2012年～2022年數(shù)據(jù))，在厭氧消化過程中，由于碳酸銨的形成、揮發(fā)性脂肪酸的降解和多價離子的還原，pH變得更加呈堿性[10]。一般地，大型處理廠的餐廚垃圾含鹽量為1.26～2.62wt%(2017年數(shù)據(jù))，經(jīng)過厭氧消化后殘余物中含鹽量基本與初始物料保持一致，經(jīng)過脫水后的餐廚沼渣鹽含量高達2%，餐廚沼渣直接施入土壤存在土壤鹽堿化的風險[11]。

1.2 現(xiàn)狀

按濕垃圾處理工藝，每100t餐廚垃圾經(jīng)厭氧消化后，將產(chǎn)生20～30t高含水率的沼渣[15]。雖然餐廚沼渣具有豐富的營養(yǎng)條件、資源化利用潛力巨大，但由于其具有污染環(huán)境和攜帶致病菌的風險，我國大部分餐廚沼渣采用了填埋和焚燒兩種最終處理方式[16]。餐廚沼渣資源化利用率低，也取決于資源化利用標準比較模糊。《沼肥》(NY/T 2596-2014)涉及沼渣的肥料化,僅適用于以農業(yè)有機物為原料得到的沼渣,不適用于餐廚沼渣[17]。近期,NY/T 2596-2022《沼肥》將代替NY/T 2596-2014《沼肥》,將餐廚沼渣納入新標準沼肥原料的呼聲很高。2021年頒布的《有機肥料NY/T 525-2021》首次提出，經(jīng)分類和陳化后的廚余廢棄物，進行安全性評價合格后方可作有機肥原料，但并未明確禁止廚余沼渣作有機肥原料，模棱兩可[18]。此外，餐廚沼渣制肥僅在小范圍的垃圾處理廠使用，沼渣須通過高溫殺滅病原微生物、腐熟陳化后用作肥料，僅限生產(chǎn)用于周邊農田施用的非商品肥。

2 無害化處理和資源化利用方式

餐廚沼渣可通過不同的方式實現(xiàn)無害化處理和資源化利用，最直接的方式是土地利用，我國最常用的方式為填埋和焚燒[19]。此外，近年來好氧堆肥和熱化學處理成為餐廚沼渣資源利用的研究趨勢[20]。下圖列舉了餐廚沼渣處理和資源化方式以及產(chǎn)生相應產(chǎn)品的途徑。

圖 餐廚沼渣無害化處理及資源化利用方式Fig. Methods of innocuous disposal and resource utilization of kitchen waste biogas residue

2.1 填埋

“衛(wèi)生填埋”的概念是由美國20世紀30年代最早提出，具有技術成熟、處理量大、投資和運行費用低等優(yōu)點，是我國運用最廣泛的垃圾處理技術[21]。然而，填埋場具有土地占用大、環(huán)境污染風險大、場地復墾困難等挑戰(zhàn)，目前歐洲各國已全面禁止可生化降解垃圾進入填埋場[22]。多年來，我國餐廚沼渣經(jīng)脫水至60%以下可填埋，隨著國家全面控制垃圾填埋量，沼渣將被限制或禁止填埋[23]。

2.2 焚燒

焚燒是一種最直接的固體廢棄物處置方法，是我國生活垃圾主要處理方式之一，焚燒可對餐廚沼渣進行徹底減量化，直接將生物質能轉化為熱能或電能[24]。沼渣含水率高，進入焚燒爐之前必須干化，在120℃烘干24h后，餐廚沼渣的熱值大約為23MJ/kg[16]。用含水率低、熱值高的原料與沼渣混合焚燒，是提高餐廚沼渣能源轉化效率、降低有害氣體排放的有效途徑。Wei[25]等人將餐廚沼渣與生活垃圾共燃燒，1∶9實驗組綜合燃燒指數(shù)增長32.9%，隨升溫速率增加，燃燒指數(shù)呈指數(shù)增長。

2.3 土地利用

餐廚沼渣含豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)，經(jīng)脫水除雜、堆漚和腐熟陳化后，生產(chǎn)非商品化的肥料、土壤調理劑，用于近距離的農田施肥[26]。但餐廚垃圾由眾多原料組成，生成的沼渣存在致病風險，土地利用模式未獲大規(guī)模推廣[27]。一些餐廚項目遠離城區(qū)，配套了農業(yè)產(chǎn)業(yè)園、牲畜養(yǎng)殖廠等，沼渣通過除雜、堆肥腐熟后施入土壤，實現(xiàn)了所謂的“零排放”，但并未解決餐廚行業(yè)沼渣的出路[28]。少量文獻研究了未脫水的餐廚沼液沼渣混合物施入土壤后營養(yǎng)物質歸趨、氣體排放和植物生長的情況，但未發(fā)現(xiàn)單獨記載餐廚沼渣土地利用的文獻[29]。

2.4 堆肥

沼渣含有未降解有機質，施入土壤后會繼續(xù)發(fā)酵，對植物造成傷害，餐廚沼渣通過好氧堆肥可完全腐熟，臭味極大降低，生成有機肥[30]。好氧堆肥最適宜水分約40%～60%，C/N比為25∶1～30∶1，蓬松的結構有助于空氣進入原料內部促進好氧進程[31]。然而，餐廚沼渣含水率高、C/N低、結構致密，直接堆肥達不到腐熟標準。低含水率、高C/N物質(木屑、麩皮)可將餐廚沼渣的水分和C/N調節(jié)到最適宜條件，高孔隙度、大比表面積的支撐性物質(鋸木片、樹葉)可作膨脹劑使堆體透氣性升高，共堆肥是另一種能有效調節(jié)堆體特性的方式，將餐廚沼渣與其他原料(秸稈、園林垃圾、牛糞)共堆肥可顯著改善堆肥條件[32]。表 1總結了不同添加物質對餐廚沼渣好氧堆肥的影響。

表1 不同添加物對餐廚沼渣好氧堆肥的影響Tab.1 Effects of different additives on for aerobic composting of kitchen waste biogas residue

續(xù)表1

2.5 熱化學轉化

生物質的熱化學轉化是指生物質在一定的溫度和條件下，發(fā)生汽化、炭化、熱解和催化液化，以生產(chǎn)氣態(tài)燃料、液態(tài)燃料、固態(tài)燃料和化學物質的技術，包括熱解、氣化和水熱處理[38]。餐廚垃圾是各種生物質混合成的有機垃圾，厭氧消化后沼渣中含有殘余的有機質[39]。熱化學轉化是將餐廚沼渣中有機質轉化為高價值能源和資源的重要手段，表 2介紹了幾種主要的餐廚沼渣熱化學處理方法。

表2 餐廚沼渣幾種主要的熱化學處理方法Tab.2 Thermochemical treatment methods for kitchen waste biogas residue

2.5.1 熱解

熱解可將生物質原料轉化為功能性生物炭，附帶生成的熱解氣和生物油具有作為高價值燃料的潛力[43]。在無氧條件下，餐廚沼渣通過高溫熱解產(chǎn)生生物炭，比表面積大、活性位點多，可用作吸附劑和催化劑[44]。不同的反應條件使餐廚沼渣生物炭產(chǎn)生不同的特性，獲得不同的功能[45]。Peng[46]等人研究了餐廚沼渣在300～900℃熱解制備的生物炭對水中磷的吸附能力，其中700℃熱解制備的生物炭吸附效果最高，達到100.7 mg-P/g-char。Liu[47]等人將餐廚沼渣在800℃反應2h，產(chǎn)物再用HCl去除灰分，獲得的生物炭用作催化劑，可高效地催化過硫酸鹽降解偶氮染料，0.5 g/L生物炭在1.5nM 過硫酸鹽存在下，去除92%活性紅染料X-3B(1g/L)。此外，餐廚沼渣制備的鐵摻雜石墨生物炭，具有活化過硫酸銨獲得高效降解苯并a芘的能力[48]。

生物油是熱解的必然產(chǎn)物，具有潛在的能量價值或化學品回收價值，生物油或稱凝析物，是冷凝水和其他各組化合物的復雜混合物，成分可分為酚類、碳氫化合物和含氮有機物[38]。餐廚沼渣通過500℃熱解得到的生物油的熱值約為13.5MJ/kg，含有大量的活性含氧成分酸和酯，被認為是不良的燃料；酯在生物油中占主導地位，研究液體燃料成分，可提高其在燃燒過程中的能量效率[49]。此外，生物油可視為生物化學品生產(chǎn)的原材料，如苯酚生產(chǎn)[50]。

2.5.2 氣化

氣化可將原料轉化成孔隙結構發(fā)達的焦炭，產(chǎn)生高熱值的合成氣，顯著提高合成氣中H2含量及燃料轉化率，是生物質高效潔凈利用領域的研究熱點[51]。餐廚沼渣通過高溫蒸汽氣化可產(chǎn)生熱值很高的合成氣,主要成分有H2、CH4和CO。Nakajima[52]等人比較同等溫度700～1000℃下餐廚沼渣熱解、蒸汽氣化生成氣體的熱化學特性，發(fā)現(xiàn)900℃氬氣蒸汽氣化沼渣的氣體產(chǎn)量比熱解高得多，氣化沼渣比熱解生成的合成氣的熱值高出40%，氣化過程中溫度越高，合成氣中H2含量顯著提高、CH4降低。生物質的蒸汽氣化是產(chǎn)生H2的一種替代方法，Akarsu[53]等人采用兩步法研究餐廚沼渣合成氣中H2的產(chǎn)量，先將沼渣在200℃下生成水熱炭，再通過850℃氮氣氛圍蒸汽氣化水熱炭，得到的H2產(chǎn)量高達57～59 mol/kg。

2.5.3 水熱處理

餐廚沼渣成分復雜，水熱汽化和水熱液化處理餐廚沼渣的資源化利用難度大，還未有文獻專門研究；水熱碳化技術操作簡單，是將生物質轉化為高價值炭材料的有效途徑，廣泛用于餐廚沼渣的研究[54]。水熱碳化過程發(fā)生在一個封閉的水介質中，在相對較低溫度(80～250℃)下完成反應[55]。餐廚沼渣經(jīng)水熱碳化可獲得水熱炭，175～250℃下水熱炭的產(chǎn)率為43%～52%，其中200℃下反應30min可獲得燃料特性最好的水熱炭，燃燒特性與褐煤類似[53]。研究發(fā)現(xiàn)，催化-共水熱碳化能顯著提高沼渣水熱炭的能源效率，將餐廚沼渣與園林垃圾按1∶1混合，0.5M HCl作催化劑，250℃反應30min，獲得高熱值水熱炭；催化-共水熱碳化制備的水熱炭熱值到達 22.7 MJ/kg，比僅用餐廚沼渣的對照組(13.9 MJ/kg)增加63%，水熱處理液中固氮量增加2倍，磷保留量增加129倍[56]。此外，水熱碳化產(chǎn)生的水熱處理液可進一步厭氧消化產(chǎn)沼，具有較大的營養(yǎng)回收前景[57]。

3 經(jīng)濟和環(huán)境效益分析

餐廚沼渣填埋和焚燒主要依靠城市現(xiàn)有設施，具有便利性，但這兩種方式的資源利用率較低。填埋處理餐廚沼渣的成本低，占用大量的土地，具有滲濾液泄露、臭氣耗散及致病菌傳播的環(huán)境風險，對環(huán)境影響最大[58]。焚燒成本略低于填埋，沼渣含水率高導致運輸費用高，由于我國沼渣須經(jīng)脫水至60%以下方可填埋，因此烘干沼渣增加了填埋的成本，高含水率也會影響焚燒爐的熱效率，焚燒廠對沼渣進廠的定價往往在常規(guī)生活垃圾的2倍以上，此外餐廚沼渣焚燒過程產(chǎn)生二惡英、多環(huán)芳烴、揮發(fā)性有毒有害氣體，產(chǎn)生的碳排放將加速全球變暖趨勢[59]。據(jù)悉，焚燒1kg沼渣將產(chǎn)生3.6～3.7kg碳排放，沼渣進入焚燒爐將不利于《2030年前碳達峰行動方案》的實施[60]。

餐廚沼渣堆肥是一種對環(huán)境影響最小的處理方法，但周期長、需添加輔料和臭氣處理量大使得堆肥成本最高，市場接受度低也成為沼渣堆肥成本高的原因，然而堆肥被認為是一種理想的、可持續(xù)的資源循環(huán)利用方式，可將碳固定在土壤中，實現(xiàn)“零排放”，餐廚沼渣堆肥值得大力推廣[32]。目前，熱化學轉化技術只存在于實驗室研究階段，還無法對其處理成本及環(huán)境效益進行有效計算。

4 結 論

熱化學轉化技術是當前餐廚沼渣資源化利用的研究熱點，但該類研究大多處在實驗室小試階段。熱解可將餐廚沼渣制備成具有吸附或催化功能的生物炭，生成的合成氣和生物油具有作為高價值燃料的潛力。今后如何尋找餐廚沼渣制備生物炭、水熱炭材料的產(chǎn)業(yè)化突破口，需要科研學者們的持續(xù)攻關。餐廚沼渣通過水熱碳化生成熱值較高的水熱炭燃料、合成氣和具有產(chǎn)沼潛力的水熱液，是一種多重資源化方法。此外，餐廚沼渣通過高溫蒸汽氣化可生成高熱值合成氣，優(yōu)化反應條件可顯著提升H2的產(chǎn)生量。運用蒸汽氣化技術處理餐廚沼渣，提高合成氣中H2的含量，具有生產(chǎn)利用氫能的前景。