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餐厨垃圾无害化处理与资源化利用现状及发展趋势

2019/11/28 15:34:03  环境工程技术学报     人气:798

餐厨垃圾有机质含量高,具有较高的可再利用价值,但处置不当又极易产生各种环境问题,带来较大危害。基于文献资料,总结了国外餐厨垃圾产生量和处理现状,我国餐厨垃圾处理设施建设情况及处理能力;分析了我国餐厨垃圾的特性,阐述了我国餐厨垃圾无害化处理的填埋与焚烧、饲料化和生物处理三大类技术,对比分析了主要技术的特点、原理、适用条件、优缺点与应用情况,重点阐述了当前的主流技术——生物处理技术的主要工艺和应用现状;总结了餐厨垃圾资源化利用和无害化处理中存在的技术及管理问题,从推动多种处理工艺优化融合,实施垃圾源头分类收运,完善餐厨垃圾管理体制和政策等技术及管理方面分析了我国餐厨垃圾处理技术未来的发展趋势。

餐厨垃圾俗称泔水、潲水,即残羹剩饭,是城市固体垃圾中有机垃圾的重要组成部分。随着我国城市化进程加快和人民生活水平的提高,餐厨垃圾已经成为城市生活垃圾的重要组成部分。在城市生活垃圾结构中,餐厨垃圾的占比为30%~50%,清华大学固体废物污染控制及资源化研究所的统计数据表明,我国城市每年产生6 000万t以上餐厨垃圾。餐厨垃圾极易腐烂变质,若处置不当可能会引发“地沟油”“垃圾猪”等食品安全问题,严重影响市容并污染环境,危及居民身体健康。与其他垃圾相比,餐厨垃圾含有丰富的营养元素和有机质,具有很大的回收利用价值。餐厨垃圾资源化处理可以变废为宝、化害为利,从源头上避免直接作为饲料进入食物链,有效解决餐厨垃圾作为生活垃圾填埋或焚烧造成的资源浪费和环境污染问题,实现社会效益、经济效益和环境效益的统一。因此如何实现餐厨垃圾的资源化利用及无害化处理是我国当前面临的迫切问题,也是社会广泛关注的问题。常规的填埋和焚烧方法不仅浪费大量有机物,也带来严重的二次污染。笔者在分析餐厨垃圾特征及阐述餐厨垃圾资源化处理技术的基础上,分析了目前我国餐厨垃圾资源化处理现状及存在的问题,探讨了餐厨垃圾资源化利用未来的发展趋势。

1 国内外餐厨垃圾处理现状

1.1 国外餐厨垃圾处理现状

欧洲餐厨垃圾产量约5 000万t∕a,欧洲各国特别是德国、法国、英国还有北欧地区的较发达国家等对餐厨垃圾的管理和处理都有相对较为完善的系统和体制。如德国关闭了绝大多数垃圾填埋厂,餐厨垃圾采用机械-生物(MBT)或生物技术进行处理;为鼓励垃圾回收和餐厨垃圾利用,丹麦政府于1987年开始征收填埋税,并逐年提高费率;英国约75%的餐厨垃圾主要采用土地利用方式进行处理,并颁布了餐厨垃圾资源化利用的相关法律条文。

美国餐厨垃圾产生量约2 598万t∕a。美国对餐厨垃圾产生量较大的单位设置餐厨垃圾粉碎机和油脂分离装置,分离出来的垃圾排入下水道,油脂则送往相关加工厂(如制皂厂)加以利用。对于产生量较小的居民厨房餐厨垃圾,则混入有机垃圾中统一进行处理或通过餐厨垃圾粉碎机粉碎后排入下水道。美国未来垃圾处理趋势是采用堆肥工艺制成肥料或加工成动物饲料进行资源化回收利用。美国各州关于餐厨垃圾处理的政策和方式略有不同,很多州针对当地具体情况,建立了自己的餐厨垃圾处理回收体系,不同州针对餐厨垃圾肥料化产品的品质规定了各自的标准体系。美国餐厨垃圾资源化利用时的优先次序:抑制产生→救济饥饿穷人→饲养动物→工业利用→堆肥→焚烧或填埋。

日本每年排放的餐厨垃圾约2 000万t。由于餐厨垃圾的倾倒运输费用很高,因此餐厨垃圾处理机得到了推广和应用。为减少餐厨垃圾对环境的污染,并充分利用其中的资源,日本于2000年颁布了《餐厨废物再生法》,该法律规定餐厨加工业、饮食业和流通企业有义务减少餐厨废物的排出量,且就再生利用对象饲料和肥料制定质量标准。《餐厨废物再生法》中规定了餐厨垃圾资源化利用时的优先次序:抑制产生→再资源化(肥料>饲料>油脂等产品>沼气)→减量。

1.2 我国餐厨垃圾处理现状

1.2.1 餐厨垃圾处理设施建设及技术工艺

自2010年开始,国家发展和改革委员会、住房和城乡建设部、原环境保护部、原农业部组织开展了城市餐厨废物资源化利用和无害化处理试点工作。“十二五”期间,成立了100个餐厨垃圾试点城市,覆盖了31个省级行政区并覆盖一、二、三线城市。截至2015年末,全国已投运、在建、筹建(已立项)的餐厨垃圾处理设施(50 t∕d以上)至少有118座,总计处理能力超过2.15万t∕d,其中投入运行的餐厨垃圾处理设施为43座。各地区设施建设总能力相差较大,经济水平较高、人口密度较大的东部沿海城市的餐厨垃圾处理设施规模最大,国内生产总值(GDP)较低的西部地区的处理能力最低。单座设施平均规模相差不大,人口密度较高或城市规模较大的地区单座设施平均规模为150~200 t∕d,人口密度较低或城市规模较小的地区单座设施平均规模为100~150 t∕d,餐厨垃圾处理设施平均规模约为182t∕d,受运行成本和技术稳定性限制,餐厨垃圾集中处理设施的规模一般为100~200 t∕d。由于餐厨垃圾处理处置及资源化利用市场的管理政策欠缺、技术路线单一、运营模式不成熟,导致行业发展不规范,盈利模式不清晰,产业化进程缓慢。

对118座已确定技术路线的餐厨垃圾处理设施中的111座进行统计,发现采用厌氧发酵技术的有80座,处理能力为1.60万t∕d,占总处理能力的75.9%;采用固体堆肥+液体发酵技术的有4座,处理能力为0.07万t∕d,占总处理能力的3.3%;采用好氧堆肥或快速好氧发酵技术的有16座,处理能力为0.30万t∕d,占总处理能力的14.2%;采用制饲料或其他技术的有11座,处理能力为0.14万t∕d,占总处理能力的6.6%。

1.2.2 餐厨垃圾处理能力

E20研究院的《餐厨垃圾处理市场分析报告(2016)》指出,近年来我国经济快速发展,餐厨垃圾以每年10%的增量持续增长。按照城镇人口人均餐厨垃圾产生量为0.15 kg∕(d·人)计算,我国2011年的餐厨垃圾产生量为3 782万t,2015年增至4 222万t,到2020年将增至4 873万t。一方面是餐厨垃圾产生量的快速增长,另一方面是无害化处理能力及水平仍相对不足,大部分城镇的餐厨垃圾难以实现无害化处理,餐厨垃圾收集率及处理率亟待提高。据不完全统计,截至2015年9月,全国已建、在建、筹建的118座餐厨垃圾处理项目,总处理能力约2.15万t ∕d,与“十二五”规划中3万t∕d的处理能力还有差距。此外,《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》中要求,到2020年底力争新增餐厨垃圾处理能力3.44万t∕d,城市基本建立餐厨垃圾回收和再生利用体系。而“十三五”末若完成新增规划处理能力建设,餐厨垃圾无害化、资源化处理率仅达36%。我国餐厨垃圾处理能力仍需进一步提升。

2 我国餐厨垃圾特性及无害化处理技术

2.1 餐厨垃圾特性

餐厨垃圾具有一定的特殊性,和产生群体的饮食、生活习惯以及后续的存放和收集方式有关。我国部分城市餐厨垃圾化学成分主要包括淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机盐等(表1)。由表1可知,我国餐厨垃圾主要特点如下:1)含水率高,通常高达70%~85%;2)有机质含量高,脂肪、蛋白质等含量高达80%~93%(干基);3)油脂含量丰富,约为2%~3%,可以进行回收再加工炼制生物柴油等;4)盐分含量高,约为1%,这会影响后续肥料化利用;5)极易腐烂变质,散发恶臭,传播细菌和病毒,性状和气味都会对环境卫生造成恶劣影响,且容易滋长病原微生物等。

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由于餐厨垃圾具有有机质含量高、易生物降解的特点,因此采用生物处理技术可生产有机肥和生物气等高附加值的产品。生物处理技术(厌氧发酵工艺)是现阶段国内外规模化处理餐厨垃圾的主流工艺,也是实现餐厨垃圾减量化、无害化和资源化利用较安全可行的方法[13]。

2.2 餐厨垃圾无害化处理技术

餐厨垃圾处理技术包括填埋和焚烧、饲料化及生物处理三大类,其中饲料化和生物处理是目前应用较为广泛的新型餐厨垃圾处理技术。

2.2.1 填埋和焚烧

我国传统的餐厨垃圾处置方式有填埋和焚烧。由于我国尚未有效开展餐厨垃圾分类工作,大量餐厨垃圾混入生活垃圾并同生活垃圾一起进行填埋或者焚烧处理。餐厨垃圾进入填埋场占用大量的库容,而且其高含水率及高有机质特性增大渗沥液及高浓度有机污染物的产生量,大大增加填埋场渗沥液处理负荷和处理难度,同时造成餐厨垃圾中有机质资源的浪费,使资源回收利用率基本为零[14]。目前我国正着力控制餐厨垃圾的填埋处置。

2.2.2 饲料化技术

餐厨垃圾中含有大量的有机营养成分,其饲料化具有相当的优势。目前主要有2类饲料化技术:干式饲料及蛋白饲料[14]。其中干式饲料要求物料在95~120 ℃下至少干燥2 h,达到含水率小于15%,杂质低于5%;蛋白饲料由微生物自身及其蛋白分泌物组成(60~80 ℃)。由于餐厨垃圾来源广泛,成分复杂,采用饲料化利用技术时存在很多安全隐患[15],如生物同源性、病菌、重金属、有毒有机物等。为了提高餐厨垃圾饲料化利用过程的可靠性及安全性,CJJ 184—2012《餐厨垃圾处理技术规范》中规定了用于生产饲料的餐厨垃圾及其生产工况。

2.2.3 生物处理技术

生物处理技术包括通过好氧发酵获得生物质肥料和通过厌氧发酵获得洁净的沼气能源等。好氧生物处理技术又包括好氧堆肥、制备生化腐殖酸、快速好氧发酵。

2.2.3.1 好氧堆肥

好氧堆肥是指在有氧条件下,利用好氧微生物对堆积于地面或者专门发酵装置中的有机质进行生物降解,最终形成稳定的高肥力腐殖质[16]。餐厨垃圾中有机质含量高,营养元素全面,C∕N较低,是微生物的良好营养物质,适于采用堆肥处理,主要包括传统好氧堆肥发酵技术及高温好氧堆肥发酵技术2类。还可在好氧堆肥的基础上投入蚯蚓,利用蚯蚓自身丰富的酶系统,将餐厨垃圾有机质转化为其自身或其他生物易于利用的营养物质,加速堆肥的稳定化过程[17]。但我国餐厨垃圾的高盐分、高油分问题,在很大程度限制了肥料化利用技术的推广与应用。

2.2.3.2 制备生化腐殖酸

通过高温复合微生物和酶转化技术、快速腐殖化集成装备、转化工艺精准控制技术集成,筛选自然界生命活力和增殖能力强的高温复合微生物菌种,在生化处理设备中,对餐厨垃圾等有机垃圾进行高温高速好氧发酵,使各种有机物得到快速降解和转化为生物腐殖酸肥料。该腐殖酸肥料可以作为有机源土壤调理剂,用于土壤质量提升,起到降低化肥利用率,提高农产品产量和改善农产品品质的作用[17]。该技术优点是转化速度快,有机质利用率高,产品一致性高,可进入工业产品销售通路。该技术为好氧技术的主流代表工艺,已在北京、广州、成都、乌鲁木齐等城市成功应用,但该工艺的液相进入污水处理系统会造成污水负荷增大及液相中有机质的浪费。

2.2.3.3 厌氧发酵

餐厨垃圾的厌氧发酵是指在无氧条件下,利用兼性微生物及厌氧微生物的代谢作用将复杂有机物分解为小分子有机物及无机物,在此过程中可产生甲烷和氢气等能源物质,此外,利用厌氧发酵可获得各种有机酸和醇类,如乙醇、乙酸、丁酸、葡萄糖糖化酶、乳酸等,从而实现对餐厨垃圾的减容减量及资源化利用。厌氧工艺产生的沼气可转化为电能与燃气,厌氧消化罐中产出的沼渣可以进行二次发酵制肥处理。通常厌氧发酵产生的沼气中甲烷含量为60%~75%,据杭州市餐厨垃圾一期处理工程经验,处理能力为200 t∕d时,沼气产量可达13 000 m3∕d,当沼气中的甲烷浓度为60%时,可产生电能约为26 000 kW·h∕d,油脂回收率可达88%[17]。厌氧发酵后产生的沼气还可以经过净化、加压后进入燃气管网,供给居民日常生活使用。

餐厨垃圾高油脂、高盐分也会导致过度酸化及抑制菌体生长,不利于持续而稳定地降解餐厨垃圾。此外,厌氧消化产生的沼渣处理仍是一大难题,通常需干化处理后填埋,或重新堆肥后制成有机肥[18]。因此,寻找适合我国餐厨垃圾组分与特点的厌氧处理工艺,并保证厌氧消化系统的运行稳定,降低运行管理难度及费用是当前亟待解决的关键技术问题。

2.2.4 技术比较

主要餐厨垃圾处理技术比较见表2。

3 我国餐厨垃圾资源化利用未来趋势

3.1 推动多种工艺融合创新

考虑到餐厨垃圾成分复杂,各地区饮食习惯差别大致使垃圾组分差异较大,往往通过预处理对餐厨垃圾进行杂质去除和油脂回收。由于我国尚未全面开展垃圾分类工作,因此收集到的餐厨垃圾中仍然含有大量杂质,包括金属、玻璃、陶瓷等无机杂质和废纸、废塑料、废餐盒、筷子等非营养性有机物,合理的预处理技术不仅可以实现杂质的有效去除,同时能为后续处理环节创造有利条件。预处理技术应根据收运的餐厨垃圾成分和主体工艺要求而定,并做出针对性设计,以实现预处理效果佳、后续资源化工艺运行稳定的目的。

餐厨垃圾成分的复杂性决定了使用单一的现有处理技术难以完成高效高产值处理,因此,对餐厨垃圾进行组分分离、综合运用已有多项处理技术是必然的处理思路。如将收集到的餐厨垃圾初步去除杂物后,利用离心或压榨等手段得到有机质干渣和油水混合物,有机质干渣可用于微生物好氧发酵生产有机肥;油水混合物再次分离后,油脂可用于生产生物柴油,最终剩下的水分含有丰富的有机质,可进行厌氧发酵生产能源气体[19],作为高品质热源循环用于发酵装备,产生的沼渣可以进入好氧系统发酵。通过融合与技术创新,可以有效解决好氧发酵液相有机质浪费、厌氧发酵沼渣处理难题,达到固相液相全利用,物质能量全回收,既弥补了采用单一处理技术存在的短板,又增加了餐厨资源化产品的多样性,实现投资收益最大化,是未来餐厨垃圾处理技术发展的趋势。

3.2 实施源头减量和垃圾分类

餐厨垃圾源头分类收集不仅可以实现源头减量,有效提高餐厨垃圾收集数量及质量,同时可以降低预处理成本,提高后续资源化产品质量。当前应加大宣传教育,大力开展餐厨垃圾源头减量和分类活动,提高居民环境意识,养成勤俭节约、物尽其用、减少浪费的文明生活习惯,促进源头减量和资源回收。

餐厨垃圾的分类收集不仅可以实现餐厨垃圾的有效回收利用,同时可减少生活垃圾总量的50%以上。餐厨垃圾单独收集将显著提高生活垃圾热值,从而便于后续焚烧或者填埋处理,不仅可以降低焚烧过程的烟气污染,而且可以提高填埋场使用年限,减少渗滤液处理负荷。

垃圾源头分类通过回收可循环利用的垃圾减少资源浪费,改变粗放的垃圾混合收运方式,缓解垃圾后续处理处置的压力,有效降低垃圾处理成本及土地资源的消耗,具有很大的经济效益、生态效益及社会效益。未来餐厨垃圾处理需要做到分类收集、分类运输和分类资源化,不断提高餐厨垃圾处理水平,在确保餐厨垃圾得到无害化处理和处置的基础上,尽可能做到资源化。

3.3 完善餐厨垃圾管理体制和政策

在餐厨垃圾管理体制方面,欧洲等发达国家在餐饮部门设置专门的餐厨垃圾存放点,对餐厨垃圾实行单独分类收集,对运输和处理实行全过程控制管理,特别在食品生产加工环节,采取成品或半成品等净菜进城措施,源头削减和抑制餐厨垃圾的产生,并采取强制资源化利用的措施。我国餐厨垃圾纳入规范化、标准化管理起步较晚(2005年),在收集、运输和处理方面的政策法规和标准相对滞后。因此,餐厨垃圾处理应统筹考虑餐厨垃圾的分类收集和运输、处理设施建设、运行监管等重点环节,落实餐厨垃圾从产生、运输、处理等各环节的污染控制,构建“因地制宜、技术合理、环保达标”的餐厨垃圾处理体系。建立餐厨垃圾处理及资源化利用监控技术体系与信息化管理平台,实现餐厨垃圾处理系统的统筹监控管理与高效信息化运行,显著提升餐厨垃圾资源化利用系统的整体安全程度和信息化水平。

4 结语

(1)我国餐厨垃圾具有高含水率、高有机质含量、高油脂含量、高含盐量的特性,理化特性地域性差异大,导致餐厨垃圾处理难度及资源化利用难度高。目前我国餐厨垃圾处理工艺以厌氧发酵工艺为主,部分为饲料化技术,餐厨垃圾已有的处理设施尚无法满足日益增大的餐厨垃圾量需求,餐厨垃圾处理项目建设运行的标准化体系和管理制度尚未建立。

(2)随着餐厨垃圾资源化处理技术水平的不断提升与餐厨垃圾管理法规的日益完善,应围绕餐厨垃圾处理开展多种技术融合实践与创新,同步实行垃圾分类收运与管理,最终实现餐厨垃圾高效资源化利用及无害化处理的目标,推进循环经济社会的快速发展。

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