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

（新疆大學建筑工程學院，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、單位供餐等活動中產生的垃圾，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，但從歷年數據來看，總體上仍然呈現上升趨勢[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，便會腐爛發臭、滋生細菌。為了提高廚余垃圾處理效率，早日實現碳達峰碳中和目標，有必要對比分析現行廚余垃圾處理方式。

1 廚余垃圾產生量及特征

隨著近年來生活水平的提高，我國生活垃圾產生量每年以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數據顯示，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。經分析，原因可能是居民垃圾分類意識比較淡薄，導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

2.1 衛生填埋

衛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。廚余垃圾成分復雜[8]，若處理不當，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。傳統的填埋方式影響時間長，這不利于可持續發展。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廚房下水接口配置的機器粉碎后直接排入下水管網。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，防止垃圾丟棄和轉運導致二次污染，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，改善水質營養平衡[11]。污水處理廠剩余污泥可通過厭氧消化實現能量轉化和利用[12]。但是，油污結塊會降低下水道的排水能力，增加污水處理廠的負荷，下水道的油污會產生污水和臭氣，容易滋生病菌、蚊蟲，導致疾病傳播，同時難以避免二次污染[13]。下水管網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設備，經濟成本相對較高。

2.3 堆肥

2.3.1 好氧堆肥

20世紀40年代，美國就開始對廚余垃圾進行堆肥處理。北歐一些地區強制要求使用廚余垃圾堆肥設備。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、碳氮比和通風條件，借助微生物發酵作用和一系列物理化學反應，將不穩定的有機物轉化為安全穩定的腐殖質。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，該技術操作簡單安全，不會產生其他垃圾，降低運輸成本，避免運輸污染。堆肥產品含有豐富的氮磷鉀，可用于種植家庭蔬果植物。合格的堆肥產品不僅可以替代化肥，還能借助有機碳腐殖化實現固碳，符合當下節能減排的要求。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]。研究發現，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，達到有機質充分降解和腐殖化的要求，否則會導致大量溫室氣體的排放，堆肥產品因不穩定不能作為肥料[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化，極大地減少堆肥過程產生的異味[17]。蚯蚓堆肥操作相對簡單，處理效果良好，運行成本較低，堆肥副產品蚯蚓也是優質的蛋白質飼料和生物醫學材料。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，甚至使其嚴重退化，蚯蚓種類也不足，未來需要加強對蚯蚓適應性和品種的研究[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，經過處理后，廚余垃圾體積和質量分別至少減少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，但產生的熱量沒有得到回收利用。二是采用熱電聯產法，將廚余垃圾燃燒產生的熱量回收利用，實現廚余垃圾的資源化。2011年，英國建成世界首個廚余垃圾焚燒發電廠，廚余垃圾日處理量達到12萬t，并產生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的垃圾焚燒發電廠，該電廠每年發電量可達5.3億kW·h，每年可節約20多萬噸標準煤，減少2 100 t的NOx排放，減少3 360 t的SO2排放。

研究發現，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%并采用熱電聯產，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，其在很短的時間內便會腐爛和發酵降解，并且會產生大量的水分和腐臭，所以必須及時焚燒[20]。

2.5 壓榨預處理+干組分焚燒+濕組分厭氧發酵

“壓榨預處理+干組分焚燒+濕組分厭氧發酵”（簡稱組合處理技術）是一種新的組合處理模式。壓榨預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。濕組分質量約占分離前垃圾質量的2/3，干組分質量約占分離前垃圾質量的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電，濕組分先進行厭氧發酵，后使用發酵產物沼氣進行發電，如圖1所示。發酵產物處理后可作為肥料使用。研究發現，1 t干組分可以產生597.2 kW·h電能，1 t濕組分可以產生162 kW·h電能，經組合模式處理，CO2減排量可以達到947 kg/t[21]。

圖1 組合處理技術工藝流程

2.6 轉化能源

2.6.1 甲烷

廚余垃圾可以通過厭氧發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，產生CH4和CO2[22-23]。廚余垃圾富含碳水化合物和蛋白質，越來越多的國家通過廚余垃圾厭氧處理生產甲烷[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量和活性；二是環境溫度；三是環境pH。歐洲是有機垃圾干式厭氧發酵產甲烷技術的起源地，法國、比利時、瑞士等國家技術較為成熟。我國厭氧發酵產甲烷技術起步較晚，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，并將產生的甲烷用來發電，僅2018年，該廠靠此項技術日處理垃圾190 t，沼氣甲烷含量穩定在58.63%左右，利用沼氣發電8.42×106kW·h[25]。研究發現，厭氧消化處理技術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，若能大面積應用厭氧發酵技術，不僅能讓垃圾得到有效利用，減少有害氣體的排放，也有助于我國實現碳達峰碳中和目標。

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，產物進行分層和清洗處理，蒸發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，既滿足當下碳減排控制要求，又可以緩解全球溫室效應[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生反應的性質，制備生物柴油[29]。該工藝不需要添加劑，不需要對產物進行過多處理，經濟成本較低。該反應速率高，沒有副產品生成，增加反應壓力和反應溫度，就可有效提高產量[30]。研究表明，該工藝產品符合我國0號柴油的標準，也符合部分國外生物柴油標準[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酵技術處理廚余垃圾，從而制取乙醇。研究發現，每噸廚余垃圾可以制備153 L乙醇，運動發酵單胞菌產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酵，將廢紙和廚余垃圾混合發酵，乙醇產率提高近30%[34]。研究發現，熱葡糖苷酶地芽孢桿菌處理廚余垃圾可以產生乙醇，產物乙醇濃度為18.40 g/L[35]。同步糖化發酵技術可有效地將廚余垃圾轉化為能源燃料，使廚余垃圾得到再利用。該技術還需要不斷優化，從而達到經濟、高產的目的。

2.7 飼料化

廚余垃圾是當前極具開發潛力的飼料資源。廚余垃圾基數大，富含淀粉、脂肪、Ca、P等營養物質，具有較高的營養價值。廚余垃圾飼料化的歷史悠久，我國過去將有營養的廚余垃圾直接喂豬，歐洲也有用剩飯剩菜喂狗、喂雞的習慣[36]。目前，部分國家采取措施，禁止用同源性動物蛋白飼養同種動物。《餐廚垃圾處理技術規范》（CJJ 184—2012）要求，廚余垃圾飼料化時必須對病原菌進行滅殺[18]。廚余垃圾應用前景不容小覷，經過嚴格處理，它可以用于生產非反芻類飼料。廚余垃圾飼料化主要有兩種方法。生物法借助微生物發酵制備發酵飼料，廚余垃圾粗蛋白和粗脂肪含量差別大，采用油水分離技術分離廚余垃圾中的粗脂肪，以減少絕干物質中粗脂肪含量，干廚余垃圾粉碎后借助微生物發酵制作蛋白飼料，此方法可以很好地利用廚余垃圾的營養成分，但制作工藝較為復雜，處理時間較長。物理法是指先進行預處理，后經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，對營養物質的破壞顯著。物理法還需要配備專門的設備進行脫脂，大大提高了生產成本[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，滿足衛生安全要求，同時確保營養成分不流失。濕熱法處理廚余垃圾的市場潛力巨大，生產成本低，適用范圍廣，可行性很高[38]。

3 廚余垃圾資源化方案的選擇

據統計，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揮垃圾的資源潛力，若僅從減碳效果來看，組合處理技術無疑是最好的選擇，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%），將會產生81.24萬t廚余垃圾。采用組合處理技術，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 不同處理方法的優缺點比較

4 結論

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