餐廚垃圾處理節(jié)能降耗措施分析

鄧松圣，戴飛，冷夕杜

（重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402260）

隨著我國(guó)人民生活水平的持續(xù)提升，餐廚垃圾的產(chǎn)生量也在逐年增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年我國(guó)餐廚垃圾的產(chǎn)生量高達(dá)12 775萬(wàn)噸。若這些垃圾得不到妥善處理，將會(huì)對(duì)水體和大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染。同時(shí)，餐廚廢油若回流至餐桌，將嚴(yán)重威脅居民的身體健康。此外，未經(jīng)有效處理的餐廚垃圾若被用作飼料，還可能引發(fā)動(dòng)物疫情的擴(kuò)散。例如，2020年前后我國(guó)部分地區(qū)爆發(fā)的非洲豬瘟疫情，不僅導(dǎo)致豬肉供應(yīng)緊張，價(jià)格大幅上漲，而且增加了居民的消費(fèi)負(fù)擔(dān)。因此，加強(qiáng)城鄉(xiāng)餐廚垃圾的有效處理對(duì)于環(huán)境保護(hù)和保障人民群眾身體健康具有至關(guān)重要的意義。然而，目前我國(guó)餐廚垃圾的處理能力仍顯不足，截至2020年9月，全國(guó)已建、在建、籌建的餐廚垃圾處理項(xiàng)目的總處理能力僅為約2.15×104t/d（年處理能力7.847 5×106t），相較于每年1.2×108t的產(chǎn)生量，處理缺口依然巨大[1]。

餐廚垃圾實(shí)際上是一種被放錯(cuò)位置的資源，其中含有的油脂和有機(jī)質(zhì)等有用物質(zhì)均可被視為城市礦產(chǎn)。所謂城市礦產(chǎn)，是指在工業(yè)化和城鎮(zhèn)化過(guò)程中產(chǎn)生并蘊(yùn)藏于各類城市廢棄物中的可循環(huán)利用資源，其利用價(jià)值不亞于原生礦產(chǎn)資源[2]。因此，推動(dòng)餐廚垃圾的資源化回收利用對(duì)于促進(jìn)我國(guó)城鄉(xiāng)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。但與此同時(shí)，我們也應(yīng)看到餐廚垃圾處理過(guò)程中的能耗問(wèn)題。它直接關(guān)系到企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本、經(jīng)濟(jì)效益乃至整個(gè)行業(yè)的發(fā)展前景。在碳達(dá)峰和碳中和的背景下，我們探究影響餐廚垃圾處理能耗的因素并尋求降低能耗的有效措施，對(duì)于推動(dòng)餐廚垃圾處理行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用。

一、餐廚垃圾處理中節(jié)能降耗的必要性和重要性

隨著我國(guó)積極推進(jìn)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)，全社會(huì)正努力減少對(duì)化石能源的依賴，轉(zhuǎn)而開發(fā)非化石能源和可再生能源。同時(shí)，高效能源利用技術(shù)、節(jié)能降耗技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用也在不斷深入，以提高能源利用效率。其中，少碳－用碳－零碳能源原理的創(chuàng)新與顛覆性技術(shù)得到了大力發(fā)展。在這些技術(shù)中，節(jié)能降耗技術(shù)因其能直接減少能源消費(fèi)，成為最顯著、最直接的碳減排手段，是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的優(yōu)先發(fā)展路徑。節(jié)能降耗的核心在于通過(guò)提高能源利用效率，減少能源消費(fèi)總量和不必要的能源浪費(fèi)。數(shù)據(jù)顯示，2020年我國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗為3.38tce/萬(wàn)美元，是世界平均水平的1.4～1.5倍，是美國(guó)的2倍。如果能將這一數(shù)值降至世界平均水平，我國(guó)每年可節(jié)省的能源將達(dá)到13億tce，減排CO234億噸[3]。由此可見，提高能源利用率、減少能源消耗對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)具有至關(guān)重要的意義。

在餐廚垃圾處理行業(yè)中，節(jié)能降耗的需求尤為迫切。目前，該行業(yè)廣泛應(yīng)用的肥料化、厭氧發(fā)酵、焚燒以及聯(lián)合生物綜合處理工藝等各具特點(diǎn)，但仍在不斷完善中。特別是這些工藝中涉及的高溫加熱與消毒、添加輔助燃料、相變傳熱、多相分離以及水處理等環(huán)節(jié)，能耗較大，成為制約餐廚垃圾處理技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)推廣的瓶頸。

因此，本文在簡(jiǎn)要分析餐廚垃圾處理工藝特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將對(duì)各環(huán)節(jié)工藝能耗進(jìn)行詳細(xì)剖析，以明確主要的能耗環(huán)節(jié)。同時(shí)，通過(guò)工藝優(yōu)化、科學(xué)設(shè)計(jì)、科技創(chuàng)新以及強(qiáng)化管理等多方面的探討，我們將系統(tǒng)地提出餐廚垃圾處理工藝節(jié)能降耗的具體措施。這些措施的實(shí)施將有助于餐廚垃圾處理行業(yè)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

二、餐廚垃圾不同處理方式的能耗分析

（一）基本前提

餐廚垃圾的各種處理方法通常都會(huì)涉及餐廚垃圾前處理工藝，包括篩分、破碎、壓榨、原料加熱以及油水分離（即毛油回收）等步驟。不同的處理方法對(duì)這些前處理工藝的要求存在差異，例如，聯(lián)合生物綜合處理工藝就對(duì)前處理有較高要求。此外，所有處理方式都需要對(duì)車間進(jìn)行臭氣負(fù)壓抽吸與處理、滲濾液處理，以確保達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。所有處理方式都需配備監(jiān)控管理系統(tǒng)來(lái)監(jiān)視、控制和管理整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。為了簡(jiǎn)化分析，我們通常認(rèn)為各種處理方法的前處理工藝能耗相差不大，主要的能耗差異體現(xiàn)在主體工藝上。

（二）不同處理模式能耗分析

1.餐廚垃圾填埋

餐廚垃圾填埋是一種較為原始的處理方式。在填埋過(guò)程中，餐廚垃圾與周圍的水土、空氣等構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)不僅會(huì)進(jìn)行生物代謝，而且會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)，最終產(chǎn)生甲烷、二氧化碳、硫化氫等酸性氣體以及腐殖質(zhì)，并釋放出熱量。然而，早期建設(shè)的餐廚垃圾填埋場(chǎng)由于長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行且管理不善，已經(jīng)導(dǎo)致了土壤和地下水的污染，同時(shí)產(chǎn)生了大量的二氧化硫和硫化氫等惡臭氣體，對(duì)附近居民的健康構(gòu)成了威脅。此外，排放的甲烷和二氧化碳是溫室氣體。其中，甲烷的積聚還容易引發(fā)燃燒爆炸事故[4]。目前，我國(guó)已經(jīng)不再將餐廚垃圾填埋作為主流的處理工藝，而已建的垃圾填埋場(chǎng)則成為環(huán)境綜合治理的重點(diǎn)對(duì)象[5-6]。這種方法的能耗主要包括水噴淋、氣體抽采、凈化處理、加壓輸送等環(huán)節(jié)，還包括氣體除臭和滲濾液處理等。

2.飼料化

餐廚垃圾的飼料化處理包括物理法和生物法兩種。物理處理法涉及餐廚垃圾的分揀、破碎、固液分離、高溫滅菌、干燥、壓榨和研磨等環(huán)節(jié)，最終將處理后的物質(zhì)與基礎(chǔ)飼料均勻混合制成干飼料。在這個(gè)過(guò)程中，高溫滅菌、干燥、壓榨和研磨等環(huán)節(jié)會(huì)消耗大量的能量。而生物法則是通過(guò)培養(yǎng)特定的菌種，將餐廚垃圾與其他介質(zhì)（如秸稈粉）按一定比例混合進(jìn)行生化反應(yīng)，從而生產(chǎn)出富含蛋白質(zhì)的飼料[7]。在適宜的條件下，我們利用特定的生物，如蠅蛆、水虻和蝗蟲等，將餐廚垃圾中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為腐殖物，同時(shí)獲得這些生物的幼體作為蛋白飼料。然而，這種方法生產(chǎn)的飼料，安全性尚未得到充分保障，存在潛在的疾病傳播風(fēng)險(xiǎn)[8]。因此，我國(guó)并不提倡簡(jiǎn)單的餐廚垃圾飼料化處理方法。在這種方法中，通風(fēng)、溫控、除臭、干燥、破碎以及滲濾液處理等環(huán)節(jié)都需要消耗一定的能量。

3.肥料化

餐廚垃圾的肥料化處理主要包括好氧堆肥和厭氧堆肥兩種方法。好氧堆肥是將餐廚垃圾放置在地面或特制的發(fā)酵裝置中，在有氧環(huán)境下，通過(guò)添加細(xì)菌、真菌等堆肥菌劑，或利用物料本身所含的微生物，使有機(jī)物分解成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)、水、二氧化碳和氨氣等的生物化學(xué)過(guò)程[9]。然而，如果好氧發(fā)酵制肥過(guò)程中的供風(fēng)量不足，會(huì)導(dǎo)致厭氧發(fā)酵，進(jìn)而產(chǎn)生甲烷、氨氣和硫化氫等惡臭氣體。肥料化處理的能耗主要涉及破碎、通風(fēng)、翻堆、干燥、包裝等環(huán)節(jié)的電力和其他動(dòng)力消耗。

4.焚燒

餐廚垃圾的焚燒處理需要先對(duì)其進(jìn)行壓榨以降低水分，然后進(jìn)行篩選，與生活垃圾一同焚燒。這種方法能徹底分解有機(jī)物，顯著減少垃圾的體積和重量。焚燒產(chǎn)生的熱量可用于供熱或發(fā)電，產(chǎn)生的惰性爐渣也可加以利用[10]。但由于餐廚垃圾含水率較高，焚燒可能不充分，從而產(chǎn)生二氧化硫、氯化氫和二噁英等對(duì)人體有害的氣體，對(duì)周邊環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。這是當(dāng)前尚未徹底解決的技術(shù)難題。餐廚垃圾熱值較低，焚燒時(shí)需要添加柴油、天然氣等輔助燃料。同時(shí)，處理燃燒產(chǎn)生的有毒煙氣和滲濾液需要消耗電力、水和藥劑，排煙過(guò)程中也會(huì)損失一部分煙氣余熱。

5.厭氧消化

厭氧消化技術(shù)在處理生活垃圾、餐廚垃圾等方面得到廣泛應(yīng)用。在無(wú)氧條件下，該技術(shù)利用兼性微生物和厭氧微生物的代謝作用，將復(fù)雜有機(jī)物分解為小分子有機(jī)物及無(wú)機(jī)物，并產(chǎn)生甲烷和二氧化碳等[11]。通過(guò)控制發(fā)酵過(guò)程，我們還可以獲得各種有機(jī)酸和醇類。產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過(guò)凈化、加壓后可進(jìn)入燃?xì)夤芫W(wǎng)，或進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能并入電網(wǎng)。厭氧消化具有規(guī)模化處理能力強(qiáng)、資源化效果好的優(yōu)點(diǎn)，因此，成為餐廚垃圾處理的主流方向。但是，該技術(shù)也存在一次性投資大、占地面積大、工藝復(fù)雜、發(fā)酵工藝操作要求高以及沼渣沼液處理難度大等不足之處。在厭氧消化過(guò)程中，為了維持一定的溫度，我們需要對(duì)料漿提供熱能，還需要對(duì)產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行脫水、除雜等凈化處理。此外，對(duì)污水、臭氣、沼渣等的處理也需要消耗大量能量。

6.其他綜合處理技術(shù)

餐廚垃圾具有成分復(fù)雜、有用成分多樣的特點(diǎn)。聯(lián)合生物處理技術(shù)（CBP）[12]采用一種新型的“噬污酵母”，可以在同一個(gè)體系內(nèi)同時(shí)進(jìn)行多種生化活動(dòng)。該技術(shù)能夠降解和轉(zhuǎn)化餐廚垃圾的復(fù)雜成分，結(jié)合油脂高效分離等技術(shù)，生產(chǎn)出非糧乙醇、工業(yè)毛油、酒糟飼用蛋白等多種高附加值的粗產(chǎn)品。然而，該過(guò)程涉及高溫消毒、蒸餾、干燥及水處理等多個(gè)能耗環(huán)節(jié)，導(dǎo)致能耗較高。節(jié)能降耗成為該技術(shù)發(fā)展和推廣過(guò)程中必須解決的技術(shù)難題。

經(jīng)過(guò)分析，我們得出了不同技術(shù)路線下餐廚垃圾處理的平均能耗與成本，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同技術(shù)路線下餐廚垃圾處理平均能耗與成本分析[13]（單位：元/噸）

三、節(jié)能降耗措施分析

餐廚垃圾處理是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，其節(jié)能降耗工作應(yīng)從多個(gè)方面入手，包括優(yōu)選餐廚垃圾處理工藝、生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、節(jié)能設(shè)備的選用以及加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程管理等。只有開展系統(tǒng)性的研究工作，餐廚垃圾處理才能取得顯著的節(jié)能降耗效果。

1.優(yōu)選餐廚垃圾處理工藝是節(jié)能降耗的前提

餐廚垃圾處理工藝的確定需綜合考慮處理規(guī)模、處理對(duì)象的源頭屬性等因素。從表1可見，雖然填埋處理方式成本消耗最低，但受應(yīng)用地點(diǎn)限制，僅適用于人煙稀少、處理量較小、產(chǎn)品能就近利用的場(chǎng)景。機(jī)關(guān)食堂和大型飯店等產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)含量高的餐廚垃圾，更適宜采用厭氧發(fā)酵或生物轉(zhuǎn)化法，以獲取更多的沼氣、蛋白質(zhì)粉及其他有機(jī)物。盡管此類工藝能耗較高，但所獲收益更高。若餐廚垃圾與生活垃圾混雜，則肥料化或焚燒處理更為合適，其能耗低于厭氧發(fā)酵或聯(lián)合生物處理。

2.生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)是節(jié)能降耗基礎(chǔ)

為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，我們需進(jìn)行成本效益核算，確定合理的處理規(guī)模，優(yōu)化各種設(shè)備的負(fù)荷及容量配置。通過(guò)協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，我們既能降低設(shè)備成本和建設(shè)成本，又能減少能耗，降低運(yùn)行成本。此外，我們可以對(duì)各種泵進(jìn)行優(yōu)化選型，使其高效工作。我們還可以對(duì)負(fù)壓抽氣點(diǎn)進(jìn)行流場(chǎng)模擬，以優(yōu)化布局和抽氣負(fù)荷。我們還可以通過(guò)模擬分析確定反應(yīng)容器的最佳容量、反應(yīng)條件、結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)等。這些工作涉及流體力學(xué)、傳熱學(xué)、熱力學(xué)、傳質(zhì)學(xué)、化學(xué)及生物化學(xué)等多學(xué)科知識(shí)。有些工作還需借助先進(jìn)的模擬軟件進(jìn)行仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.采用性能先進(jìn)的低能耗技術(shù)裝備是節(jié)能降耗的保障

選用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)和裝備對(duì)餐廚垃圾處理工藝至關(guān)重要，為節(jié)能降耗提供了有力保障。我們可以采用性能卓越的燃燒設(shè)備提高蒸汽鍋爐的效率并降低能耗，采用高效換熱器提升換熱效率并實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，選用優(yōu)質(zhì)保溫材料減少散熱損失，實(shí)施節(jié)約用水和水的回用策略減少水量消耗，優(yōu)化生產(chǎn)控制過(guò)程降低能量消耗。

4.科技攻關(guān)和技術(shù)革新是節(jié)能降耗的根本

技術(shù)創(chuàng)新和新型裝備研發(fā)可以推動(dòng)餐廚垃圾處理技術(shù)的進(jìn)一步成熟與完善。目前，餐廚垃圾的前處理技術(shù)裝備普遍不具備差異化處理能力，導(dǎo)致資源嚴(yán)重浪費(fèi)。某些不善于處理沼氣的處理系統(tǒng)，將沼氣燃燒后排放二氧化碳，造成了資源的極大浪費(fèi)?，F(xiàn)有的餐廚垃圾發(fā)酵廢水處理技術(shù)存在投資成本高的問(wèn)題。

5.科學(xué)管理是節(jié)能降耗的倍增器

企業(yè)節(jié)能降耗是一個(gè)綜合性的過(guò)程。一方面，我們要采用先進(jìn)的節(jié)能工藝和技術(shù)產(chǎn)品。另一方面，我們要全面關(guān)注生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)施科學(xué)的企業(yè)生產(chǎn)管理，以確保設(shè)備充分發(fā)揮效益，使企業(yè)的節(jié)能降耗工作系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。我們應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)管理，保持設(shè)備處于良好工作狀態(tài)，減少事故，確保企業(yè)穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)；加強(qiáng)生產(chǎn)調(diào)度管理，精細(xì)操作與控制生產(chǎn)工藝，使生產(chǎn)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行；樹立全面的節(jié)水觀念，杜絕水資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)利用，減少市政用水，同時(shí)收集雨水用于綠化和場(chǎng)地清洗；加強(qiáng)換熱設(shè)備的維護(hù)，定期清洗，提高傳熱效率；做好設(shè)備保溫工作，減少熱量損失；定期對(duì)鍋爐進(jìn)行維護(hù)，減少燃燒積碳和設(shè)備結(jié)垢，優(yōu)化燃燒器運(yùn)行，合理確定燃燒負(fù)荷，提高燃燒效率；在車間、辦公區(qū)及室外安裝聲控?zé)?，道路安裝太陽(yáng)能板和路燈，以節(jié)約照明用電。

四、結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合餐廚垃圾處理的特點(diǎn)，本文指出在碳達(dá)峰、碳中和的背景下開展餐廚垃圾節(jié)能降耗研究的必要性。本文分析了各種影響餐廚垃圾處理方式能耗的因素，系統(tǒng)性地提出了優(yōu)選處理工藝、生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、節(jié)能設(shè)備選擇和加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程管理等一系列節(jié)能降耗措施。這對(duì)完善和發(fā)展餐廚垃圾處理技術(shù)，推動(dòng)餐廚垃圾處理行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。