餐廚垃圾厭氧消化過程養(yǎng)分綜合利用研究

周海云，張桐，邊博，袁思佳，劉波，楊珍珍，顧凰琳

1.江蘇省環(huán)境工程技術(shù)有限公司

2.南京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院

3.江蘇省環(huán)保集團(tuán)有限公司

4.江蘇省重點(diǎn)行業(yè)減污降碳協(xié)同控制工程研究中心

隨著餐飲行業(yè)的快速發(fā)展，餐廚垃圾的產(chǎn)量也在快速增加[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國主要城市年餐廚垃圾產(chǎn)生量高于6 000 萬t[2]。餐廚垃圾制備生物有機(jī)肥可提升土壤固碳能力，提高土壤養(yǎng)分利用的有效性，從而提升耕地土壤質(zhì)量，減少化肥施用量，是我國貧瘠黃褐土改良的有效施肥模式[3]。目前，厭氧消化是國內(nèi)餐廚垃圾處理的主流工藝[4]，但對餐廚垃圾中的有機(jī)質(zhì)降解率偏低（約40%～60%），造成磷、氮等資源的浪費(fèi)[5]。在厭氧消化前段加入預(yù)處理逐漸流行，濕熱預(yù)處理可以改變餐廚廢物中碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪的理化性質(zhì)，影響其厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)酸類型，達(dá)到改善餐廚廢物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效能的目的[6]，但其消化殘余物產(chǎn)量大、有機(jī)物含量高、微量元素豐富，若不加以妥善利用和處置，不僅會造成大量有機(jī)營養(yǎng)元素的流失，還會給環(huán)境帶來二次污染。

未來的研究和技術(shù)發(fā)展包含著大量的可能性，情景則是對這種可能狀態(tài)和發(fā)展的描述[7]。Yakubu等[8]采用情景模擬，為尼日利亞截至2035 年的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展制定了4 條替代情景路徑。Sun 等[9]預(yù)測了在3 種情景下，2020—2035 年中國塑料垃圾的產(chǎn)生趨勢。劉永等[10]以邛海流域的環(huán)境規(guī)劃為案例進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了2005—2015 年的4 種情景，并利用系統(tǒng)動力學(xué)模型(SD)和不確定性模糊多目標(biāo)模型(IFMOP)對情景進(jìn)行了定量描述和分析。事實(shí)表明，情景分析在環(huán)境領(lǐng)域已經(jīng)成為一種被廣泛認(rèn)可和使用的方法。物質(zhì)流分析方法在資源管理、廢物管理和環(huán)境管理中是一種非常有效的決策支持工具[11]。物質(zhì)流分析的基礎(chǔ)在于質(zhì)量守恒，目的是量化特定物料在特定過程中的流動情況。Tasmeea等[12]利用物質(zhì)流分析方法對孟加拉國城鄉(xiāng)磷流進(jìn)行了定量研究。Han 等[13]則利用貝葉斯-蒙特卡羅（Bayesian-Monte Carlo）模擬的物質(zhì)流分析方法對我國磷流進(jìn)行了系統(tǒng)分析。黨春閣等[14]采用物質(zhì)流分析方法研究了我國黃磷生產(chǎn)工藝的磷污染減排，并建立磷平衡圖。綜上，由于現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜性和資源化方式的多樣性，情景分析方法可作為探索未來餐廚垃圾厭氧發(fā)酵副產(chǎn)物資源化方式的有效手段，而物質(zhì)流分析可以對資源化方式的全過程展開定量分析。

磷作為一種不可再生資源近年來得到了廣泛關(guān)注[15]。探究餐廚垃圾厭氧消化副產(chǎn)物在不同處理情景中磷的利用情況，可為磷資源管理找到合適的路徑提供支撐，此外對緩解餐廚垃圾處置導(dǎo)致的環(huán)境污染問題也具有重要的參考價值。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

物質(zhì)流分析中涉及的養(yǎng)分含量、養(yǎng)分去向、排放系數(shù)等參數(shù)通過文獻(xiàn)[16-24]獲取。選取的文獻(xiàn)以近5 年為主，但限于部分指標(biāo)相關(guān)文獻(xiàn)較少，因此部分?jǐn)?shù)據(jù)超過5 年。為了避免該部分?jǐn)?shù)據(jù)對論文的影響，在蘇南地區(qū)進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該部分?jǐn)?shù)據(jù)與目前市場數(shù)值相差較小，因此該部分?jǐn)?shù)據(jù)可用。物質(zhì)流分析過程以100 t 餐廚垃圾為基準(zhǔn)，利用元素物質(zhì)流分析方法開展不同情景物質(zhì)流分析。水稻產(chǎn)量來自維爾利環(huán)保科技集團(tuán)股份有限公司的現(xiàn)場試驗(yàn)，其中每hm2施49.5 t 沼液肥的水稻產(chǎn)量為7 800 kg；每hm2施7.5 t 沼渣肥的水稻產(chǎn)量為8 205 kg；每hm2施7.5 t 蟲糞有機(jī)肥的水稻產(chǎn)量為8 730 kg。

1.2 情景分析方法

建立3 種餐廚垃圾資源化情景（圖1）：情景1（S1），厭氧消化產(chǎn)生的沼液進(jìn)行水處理，沼渣焚燒；情景2（S2），沼液還田，沼渣制有機(jī)肥；情景3（S3），沼液進(jìn)行水處理，沼渣制有機(jī)肥。3 種情景中，餐廚垃圾預(yù)處理產(chǎn)生的有機(jī)殘?jiān)糜谙壪x養(yǎng)殖，蟲糞用于生產(chǎn)有機(jī)肥。

圖1 不同餐廚垃圾資源化情景模型Fig.1 Scenario model for resource utilization of different kitchen waste

1.3 物質(zhì)流分析方法

如圖2 所示，總磷（TP）的流動分析貫穿餐廚垃圾處理全過程，即包括餐廚垃圾預(yù)處理殘?jiān)奶幚砗蛥捬跸碑a(chǎn)物的處理過程。堆肥過程關(guān)注物料和產(chǎn)品中的TP 含量，堆肥過程中由于工藝的差別會導(dǎo)致不同的TP 損失率，本研究中假定堆肥過程中磷不會損失，這是因?yàn)楝F(xiàn)代化的堆肥廠不同于傳統(tǒng)的露天堆肥，因此徑流導(dǎo)致的磷損失可以忽略不計(jì)。由于在現(xiàn)場試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)施肥前后土壤的TP 含量均下降，因此認(rèn)為肥料輸入的TP 除徑流和淋濾損失外，其余全部被水稻吸收。

圖2 不同情景養(yǎng)分流動模型Fig.2 Nutrient flow model of different scenarios

1.4 綜合評價法

從資源化利用率和經(jīng)濟(jì)性能方面對3 種情景進(jìn)行綜合評價。資源化利用率是指回收的養(yǎng)分占原始物料養(yǎng)分的比例；經(jīng)濟(jì)性能分析基于現(xiàn)場調(diào)查的數(shù)據(jù)，僅指日常運(yùn)維成本，不包括項(xiàng)目建設(shè)成本。

2 結(jié)果與討論

2.1 餐廚垃圾處理物質(zhì)流分析結(jié)果

各試驗(yàn)材料和不同沼渣、沼液處理情景的中間產(chǎn)物、產(chǎn)品的質(zhì)量和營養(yǎng)濃度如表1 所示。

表1 試驗(yàn)材料、中間產(chǎn)物、產(chǎn)品和不同沼渣沼液處理情景中的質(zhì)量和營養(yǎng)濃度Table 1 Quality and nutrient concentration of experimental materials,intermediate products,products and different biogas slurry treatment scenarios

2.1.1 餐廚垃圾處理質(zhì)量流

餐廚垃圾質(zhì)量流的輸入包括100 t 餐廚垃圾和15 t 沖洗水，預(yù)處理后產(chǎn)生的漿液進(jìn)行厭氧消化，產(chǎn)生了95.5 t 消化液，經(jīng)固液分離后產(chǎn)生92.3 t 沼液和3.2 t 沼渣。此外，預(yù)處理還會產(chǎn)生1.9 t 的無機(jī)殘?jiān)?.1 t 毛油和8 t 的三相殘?jiān)瑹o機(jī)殘?jiān)膺\(yùn)焚燒，毛油出售，三相殘?jiān)糜谙壪x養(yǎng)殖，大約產(chǎn)生1.68 t 蟲糞，經(jīng)好氧堆肥后產(chǎn)生0.27 t 蟲糞有機(jī)肥出售。S1 中3.2 t 沼渣和沼液水處理產(chǎn)生的3.4 t 污泥全部焚燒，同時水處理設(shè)施還將產(chǎn)生88.3 t 水進(jìn)入市政管網(wǎng)。S2 沼渣可以制備1.07 t 有機(jī)肥用于還田，沼液則全量還田。S3 沼渣制備1.07 t 有機(jī)肥用于還田，沼液水處理產(chǎn)生的3.4 t 污泥全部焚燒。

2.1.2 餐廚垃圾處理過程磷質(zhì)量流

餐廚垃圾中的TP 流動如圖3 所示。100 t 餐廚垃圾中的TP 質(zhì)量為67.85 kg，經(jīng)預(yù)處理得到的殘?jiān)蠺P 質(zhì)量為4.8 kg，有機(jī)殘?jiān)M(jìn)行蠅蟲養(yǎng)殖得到的蟲糞中TP 質(zhì)量為1.3 kg，蟲糞進(jìn)行堆肥得到有機(jī)肥中的TP 質(zhì)量為0.99 kg，該有機(jī)肥被還田利用。厭氧消化產(chǎn)生的沼液中TP 質(zhì)量為55.4 kg，進(jìn)行沼液還田利用或進(jìn)行水處理，進(jìn)行水處理得到的污泥中TP 質(zhì)量為54.7 kg。厭氧消化產(chǎn)生的沼渣中TP 質(zhì)量為7.7 kg，沼渣進(jìn)行焚燒或者堆肥，經(jīng)堆肥得到的有機(jī)肥中TP 質(zhì)量為7.7 kg。

圖3 餐廚垃圾處理過程中TP 總量流動Fig.3 Total TP flow during the treatment of kitchen waste

2.1.3 餐廚垃圾處理全過程物質(zhì)流分析

根據(jù)《水稻化肥施用限量標(biāo)準(zhǔn)》（征求意見稿），土壤高肥力情況下，一季水稻輸入的磷推薦量48 kg/hm2。在此基礎(chǔ)上利用物質(zhì)流分析方法量化TP 的流動，結(jié)果如圖4 所示。S1 餐廚垃圾中的TP 質(zhì)量為67.85 kg，餐廚垃圾預(yù)處理殘?jiān)频孟x糞有機(jī)肥還田，包括TP 0.99 kg。對農(nóng)田系統(tǒng)中的TP 流動進(jìn)行分析，養(yǎng)分的投入包括蟲糞肥料、大氣沉降、種子帶入的養(yǎng)分；輸出包括水稻、養(yǎng)分的損失，最終有0.96 kg TP 進(jìn)入水稻。

圖4 不同情景餐廚廢物資源化全過程TP 流動Fig.4 TP flow of the whole process of kitchen waste recycling in different scenarios

S2 餐廚垃圾中的TP 質(zhì)量為67.85 kg，餐廚垃圾預(yù)處理殘?jiān)频孟x糞有機(jī)肥還田，厭氧消化產(chǎn)生的沼液作為液態(tài)肥還田，產(chǎn)生的沼渣制得有機(jī)肥還田，還田TP 共計(jì)64.05 kg。對農(nóng)田系統(tǒng)中的TP 流動進(jìn)行分析，養(yǎng)分的投入包括蟲糞肥料、大氣沉降、種子帶入的養(yǎng)分；輸出包括水稻、養(yǎng)分的損失，最終有62.10 kg TP 進(jìn)入水稻。

S3 餐廚垃圾中的TP 含量為67.85 kg，餐廚垃圾預(yù)處理殘?jiān)频孟x糞有機(jī)肥還田，厭氧消化產(chǎn)生的沼渣制得有機(jī)肥還田，還田TP 共計(jì)8.67 kg。對農(nóng)田系統(tǒng)中的TP 流動進(jìn)行分析，養(yǎng)分的投入包括蟲糞肥料、大氣沉降、種子帶入的養(yǎng)分；輸出包括水稻、養(yǎng)分的損失，最終有8.49 kg TP 進(jìn)入水稻。

2.2 餐廚垃圾處理性能分析

2.2.1 經(jīng)濟(jì)性能分析

餐廚垃圾厭氧消化、蠅蟲養(yǎng)殖和蟲糞有機(jī)肥生產(chǎn)在3 個情景中均有涉及，故在成本分析時不予考慮。表2 列出了本研究中利用的幾種技術(shù)在蘇南地區(qū)的平均成本和利潤。其中，水處理成本中包含了水處理的費(fèi)用和沼液脫鹽的費(fèi)用，在實(shí)際生產(chǎn)中這2 項(xiàng)支出各占1/2 左右。沼渣由生活垃圾焚燒廠處理，由于焚燒廠為公共設(shè)施，因此采用收費(fèi)制度，300 元/t 包含運(yùn)輸和處置費(fèi)用。

表2 經(jīng)濟(jì)性能分析指標(biāo)Table 2 Economic performance analysis indicators

表3 中經(jīng)濟(jì)性能的分析均基于100 t 餐廚垃圾產(chǎn)生的厭氧消化副產(chǎn)物的處理。從表3 可看出，目前各項(xiàng)開支均為凈支出，成本相對較高，尤其對于S1 和S3，僅從經(jīng)濟(jì)性能方面考察的話，幾乎沒有區(qū)別。但S2 經(jīng)濟(jì)性能較好，主要原因在于節(jié)約了大量的水處理費(fèi)用和脫鹽費(fèi)用，當(dāng)前由于尚未建立沼液交易市場，如果著眼于長期，市場和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)完善以后，S2 還將產(chǎn)生潛在的利潤。因此，S2 的經(jīng)濟(jì)性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的處理方案和基于傳統(tǒng)優(yōu)化后的方案。

表3 經(jīng)濟(jì)性能分析結(jié)果[25-26]Table 3 Economic performance analysis results

對S2 經(jīng)濟(jì)性能產(chǎn)生影響最大的為沼液還田處理成本及沼液還田處理量，因此在S2 的基礎(chǔ)上，以二者為自變量進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果如表4 所示。其中沼液還田處理成本和沼液還田處理量分別以60 元/t、92.3 t 為中心上下20%浮動。從表4 可以看出，沼液處理的最小成本為3 542.4 元，最大為7 974.72 元。在沼渣堆肥處理量、處理成本、產(chǎn)品量及利潤不變的情況下，S2 的最大凈收益為?3 052.2元，最小凈收益為?7 482.52 元。

表4 S2 沼液還田處理成本Table 4 Sensitivity analysis of S2 biogas slurry returning to the field 元

2.2.2 環(huán)境性能分析

沼液水處理過程會產(chǎn)生大量N、P 排放至水體，這在蘇南地區(qū)尤其是環(huán)太湖地區(qū)是不可接受的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球有機(jī)固廢年產(chǎn)生量約為1 050億t，但其有效處理率僅為2%。根據(jù)國際沼氣協(xié)會統(tǒng)計(jì)，通過厭氧消化處理有機(jī)固廢可實(shí)現(xiàn)碳減排約55 億t/a，使全球碳排放量減少約10%。餐廚厭氧消化沼渣作為有機(jī)固廢的重要部分，資源化利用是最優(yōu)選擇，同時沼渣焚燒也違背了碳減排理念，不利于“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此從環(huán)境性能方面分析，S2 的沼液還田及沼渣堆肥仍是餐廚垃圾厭氧消化的最佳處理模式。

2.3 餐廚垃圾資源化優(yōu)化模式綜合評價

在本研究建立的3 種情景中，按照資源化利用率的情景排序?yàn)镾2＞S3＞S1，其中S2 的資源化利用率達(dá)到了91.53%，遠(yuǎn)超S3 和S1 的12.51%和1.42%，資源化水平較高。按照經(jīng)濟(jì)性能，情景排序?yàn)镾2＞S3＞S1，由2.2 節(jié)分析可知，S2 還具有尚未完全挖掘的市場潛力。綜上考慮，S2 無論是從資源回收角度還是經(jīng)濟(jì)性能的角度均具備顯著優(yōu)勢，該模式可作為將來餐廚垃圾處理的范式。

3 結(jié)論

（1）以100 t 餐廚垃圾計(jì)，TP 質(zhì)量為67.85 kg。S1 餐廚垃圾中有0.99 kg TP 還田，0.96 kg TP 進(jìn)入水稻；S2 有64.05 kg TP 還田，62.10 kg TP 進(jìn)入水稻；S3 有8.67 kg TP 還田，8.49 kg TP 進(jìn)入水稻。

（2）S2 的資源化利用率達(dá)到91.53%，遠(yuǎn)超S3的12.51%和S1 的1.42%，其資源化水平較高；此外S1 和S3 成本相對較高，而S2 在經(jīng)濟(jì)性能方面遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的處理方案和基于傳統(tǒng)優(yōu)化后的方案。

（3）基于資源化利用率、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境性能評價的結(jié)果，建議將S2，即沼液還田、沼渣堆肥作為將來餐廚垃圾處理可推廣的模式。