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我国厨余垃圾处理模式的综合比较和优化策略
关键词:垃圾处理垃圾收集系統垃圾处理公司污物水平输送系统
厨余垃圾是生活垃圾分类工作的重点和难点。如何选择厨余垃圾处理模式以实现环境、经济效益的最大化是生活垃圾分类工作中的一个关键问题。本文以回收利用率、碳排放和全周期费用为衡量指标,综合比较了混合焚烧、厌氧消化、好氧堆肥和饲料化4种厨余垃圾处理模式。
1.1 回收利用率。厨余垃圾有机质可以部分转化为肥料、饲料或能量,为了便于对不同技术进行比较,按式(1)计算回收利用率,其包括了物质回收和能量回收。
式中:R为回收利用率,%;MR为回收产物中来自于厨余垃圾的质量,kg·t-1;MFW为厨余垃圾干固体总质量,kg·t-1;ER为从厨余垃圾中回收的能量,kJ·t-1;EFW为厨余垃圾干固体的生物质能,kJ·t-1。根据式(1),可以计算4种厨余垃圾处理模式的回收利用率。
1.2 碳排放。厨余垃圾中的碳均为生物源碳,其转化生成的CO2不计入碳排放。碳排放来自于收运处理过程中消耗外部能量、物质引起的间接碳排放,而碳减排效应来自于系统输出的产品或能量产生的替代效应。同时,处理过程中温室气体CH4和N2O的泄漏也会导致碳排放。
式中:EC为系统总碳排放,kg·t-1;ECextra为处理过程中消耗能源、药剂等带来的附加碳排放,kg·t-1;ECleak为处理过程中泄漏的温室气体的碳排放当量,kg·t-1;Poutput为系统产物,fp为系统产物所替代的能量或产品的单位碳排放。
1.3 全周期费用。厨余垃圾分类系统涉及投放、收运、处理处置和监管等环节,不同区域、不同设施、不同运行水平的厨余垃圾全周期费用会有较大差异。对于管理部门,财政支出是其制定厨余垃圾管理策略的重要依据。因此,该部分不对各个环节企业的运营成本进行财务分析,而是直接参考多个城市管理部门的调研数据,对厨余垃圾处理模式进行全周期费用的比较。
结果与讨论
2.1 回收利用率分析
混合焚烧的回收利用率主要受厨余垃圾含固率和系统热效率的影响。厨余垃圾进入焚烧厂后,在储坑排出部分水分,含水率从80%降至70%,该条件下的回收利用率仅为9%。这是因为,厨余垃圾干基热值远低于橡塑、纸类等,而且含有大量水分。实际上,厨余垃圾焚烧的外输电量仅76 kWh·t-1。即使厨余垃圾含水率进一步降低至60%,回收利用率也仅提升至11%。要提升回收利用率,还必须提升焚烧系统的热效率;如果热效率为60%,则回收利用率可以达到29%,但这需要焚烧厂周边有稳定的热需求。
对于厌氧消化处理,油脂回收量取决于厨余垃圾特性,而整个处理系统的回收利用率主要受有机质降解率和沼气发电热效率的影响。如厨余垃圾有机质降解率为70%,则沼气产率为115 m3·t-1。每t厨余垃圾产生废液(含沼液和厂区其他外排废水)约0.92 t,含有机质7 kg;产生沼渣210 kg,含有机质为42 kg,其余为水分。假设无机质10 kg全部进入沼液,而工艺消耗的药剂不计入质量平衡,则系统物质流如图1所示。厨余垃圾厌氧消化厂的上网电量为204 kWh·t-1,沼渣在焚烧厂外输电量为14 kWh·t-1,共外输电力218 kWh·t-1,整个系统的回收利用率为36%,显著高于焚烧处理。当厨余垃圾有机质降解率为65%~75%、综合热效率为30%~40%、CH4泄漏率为0.5%~5%,则系统的回收利用率在31%~42%之间波动。
厨余垃圾厌氧消化过程中的物质流
厨余垃圾好氧堆肥时,大部分有机质矿化为二氧化碳和水,少部分腐殖化进入堆肥产物。典型条件下,厨余垃圾中70%的有机质降解,同时含水率从80%降低至40%(以满足堆肥产品要求),这样得到的堆肥产物为112 kg·t-1(其中干固体为67 kg·t-1),即产率为11%。在这种条件下,好氧堆肥的回收利用率为34%。当厨余垃圾有机质降解率为65%~75%时,回收利用率为29%~38%。
厨余垃圾干热处理时,有少量有机质损失,而大部分干固体进入到饲料产品中。干热处理的回收利用率为80%~95%。因此,干热处理这种短流程的物理加工方式可以最大限度的利用有机质。当采用微生物或昆虫幼体处理厨余垃圾时,微生物和昆虫幼体本身会消耗有机质,同时在产物分离过程中会有一定的质量损失,所以回收利用率会有所下降。
不同厨余垃圾处理模式的回收利用率总结在图2中。饲料化具有最高的回收利用率,这是由于干热处理最大限度地利用了厨余垃圾有机质。厌氧消化的回收利用率略高于好氧堆肥,这是由于厌氧条件下有机质转化为甲烷,但甲烷利用率较低;而好氧条件下大量有机质被矿化为二氧化碳。与焚烧处理相比,厌氧消化系统转化有机质的效率略高,同时无需蒸发水分,而且自用电比例更低,因此具有更高的回收利用率。如果厌氧消化系统有机质降解率降低,则进入到沼渣的有机质变多,由于焚烧发电的效率较低,则系统的回收利用率会下降。如果厌氧消化系统不进行沼气发电,而是直接外输沼气或甲烷,则可以避免沼气发电环节的损耗,提高系统的回收利用率。
不同厨余垃圾处理模式的回收利用率
2.2 碳排放分析
厨余垃圾焚烧后可以向外输电,同时焚烧系统(包括运输、渗滤液处理、飞灰处理、炉渣处理、烟气治理等)中输入的材料、能量和水等会带来附加碳排放。在典型条件下,餐厨垃圾焚烧处理后外输电力的效率仅14%,即76 kWh·t-1,对应碳减排量为67 kg·t-1;扣除收运过程、自身消耗能量与材料、渗滤液处理产生的碳排放后,厨余垃圾焚烧处理的碳排放为−1.2 kg·t-1,碳减排效应可忽略不计。如通过热电联产提高热效率至60%,则厨余垃圾焚烧处理的碳排放为−148 kg·t-1,具有显著的碳减排效应。
厨余垃圾厌氧消化时,系统总的外输电力为218 kWh·t-1,生物柴油产量为20 kg·t-1,前者通过替代效应实现碳减排192 kg·t-1,后者实现碳减排62 kg·t-1。上述效应加和,同时考虑收运过程碳排放、系统附加碳排放和泄漏引起的碳排放,系统总的碳排放为−104 kg·t-1。当厨余垃圾有机质降解率为60%~90%、综合热效率为30%~40%、CH4泄漏率为0.5%~5%时,系统的碳排放为−65~−209 kg·t-1。
与焚烧和厌氧消化相比,好氧堆肥不仅可以替代化肥,还可以通过有机碳腐殖化实现固碳,总的碳减排效应为105 kg·t-1。然而,好氧堆肥过程中温室气体泄漏较多,叠加收运过程的碳排放,厨余垃圾好氧堆肥的净碳排放为165 kg·t-1。当有机质降解率为65%~75%、CH4泄漏率为碳含量的1%~5%、N2O泄漏率为氮的0.5%~5%时,系统的碳排放为10~420 kg·t-1。
厨余垃圾干热处理加工饲料时,碳排放主要来自于加热能耗,不同能源的碳排放差异较大。当采用天然气供热,饲料产率为80%~95%时,系统的碳排放为−67~−112 kg·t-1,具有显著的碳减排效应。如果采用电加热,则碳排放将大幅增加;反之,如果可以利用余热加工厨余垃圾,或者利用相对干燥的食品废弃物作为原料,则可以进一步减少碳排放。
根据上述分析,不同厨余垃圾处理模式的碳排放如图3所示。在厨余垃圾处理过程中,附加碳排放一般不到50 kg·t-1,收运过程的碳排放也相对较小,因此系统热效率、有机质降解率和温室气体泄漏率是影响不同处理模式碳排放的主要因素。饲料化和厌氧消化具有最好的碳减排效应,而混合焚烧的碳减排效应可忽略不计。好氧堆肥受到温室气体泄漏的影响,会产生较多的碳排放,当堆肥工艺运行良好,无CH4和N2O排放时,好氧堆肥可产生碳减排效应。
不同厨余垃圾处理模式的碳排放量
2.3 费用分析
1)投放费用。根据深圳数据分析,垃圾投放费用为38元·t-1,督导费用为48元·t-1;与北京市结果相近。因此,分类投放的总费用为86元·t-1。
2)收运费用。深圳厨余垃圾的平均收运费用按275元·t-1计,上海收运费用约为290元·t-1,而杭州农村地区的平均收运费用为284元·t-1,均与深圳接近。
3)处理费用。深圳市生活垃圾混合焚烧补贴(含垃圾处理费和发电补贴)平均为280元·t-1,与上海市补贴费用类似,但一些三四线城市的补贴较低。深圳市厨余垃圾处理补贴为284元·t-1,而上海为270元·t-1,杭州市为207元·t-1,太原为220元·t-1,北京丰台项目为308元·t-1(含收运)。本文按284元·t-1计算,当然企业的实际运行费用会不同程度地低于该值。
4)宣教监管费用。以深圳市为例,宣教费用约25元·t-1,分类监管费用约6元·t-1,处理监管费用约1元·t-1,合计32元·t-1。当采用混合收运模式时,仅有处理过程的监管费用,即1元·t-1。
不同厨余垃圾处理模式的政府支出汇总如图4所示。可以看出,混合焚烧的全周期费用最低,而分类处理的全周期费用高出125元·t-1。这主要是由于垃圾分类增加了前端投放督导和宣教监管费用,此外收运费用也略高于混合焚烧。除上述费用外,垃圾收运处理设施也会占用一定的土地,由于占地面积和工艺路线、设计方案有关,同时土地费用差别很大,这里不计入比较。
不同厨余垃圾处理模式的全周期费用
2.4 综合比较
根据前述分析,虽然分类收集处理的全周期费用较高,但这些费用主要来自于垃圾分类工作开始阶段的宣教、监管支出,一旦分类体系成熟,这部分费用可以降低乃至取消;另一方面,厨余垃圾分类具有显著的环境效益,因此厨余垃圾适宜分类处理。在分类体系下,源头减量如光盘行动、源头沥水等措施不需要额外的费用、能耗和材料,也可以显著提升整个系统的表现,因此是最优策略。对于产出的厨余垃圾,在各类处理模式中,饲料化的回收利用率最高且碳减排效应显著。厌氧消化具有较高的回收利用率和最大的碳减排效应,但厌氧消化设施应稳定运行,以保证较高的有机质降解率,否则系统表现会显著下降。好氧堆肥的回收利用率与厌氧消化相当,但在无法确保充分好氧的条件下,会形成CH4和N2O排放,造成较高的碳排放。
相对而言,混合焚烧比好氧堆肥更易控制,可以避免温室气体泄漏。虽然垃圾焚烧余热发电的回收利用率较差,但如果采用热电联产,则可以实现更多的碳减排。对于厨余垃圾厌氧消化和其他垃圾焚烧构成的综合处理体系,厨余垃圾分出可以提高其他垃圾的焚烧效率。这符合高含水率、低热值垃圾进行厌氧消化,而低含水率、高热值垃圾进行焚烧处理的理想情形。因此,当新建焚烧设施时,应充分考虑厨余垃圾分出后其他垃圾水分减少、热值上升的情况;而对于已有的焚烧设施,为了保证进炉垃圾热值处于最优范围,进炉垃圾中厨余垃圾含量在30%左右为宜。这样,厨余垃圾的管理策略如图5所示。
 
 
 
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