有機固體廢棄物資源化利用市場潛力研究

李 平 邵 敏 劉玉坤 管志云

（上海環(huán)境工程設計研究院有限公司 上海 200040）

引言

有機固體廢棄物通常具有可生化降解性較高，能夠進行可生化降解，含水率一般低于85%～90%，通常包括農(nóng)林廢棄物、污泥、餐廚垃圾等。有機固廢中蘊含著大量的生物質能,有效利用這類生物質能源,對實現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。一般地，有機固體廢棄物采用厭氧消化產(chǎn)生沼氣,對沼氣的合理高效利用在實現(xiàn)污染物綜合處置的同時，將實現(xiàn)新能源的開發(fā)和溫室氣體的減排[1，2]。

1 有機固體廢棄物處理現(xiàn)狀

1.1 農(nóng)林廢棄物處理現(xiàn)狀分析

農(nóng)林廢棄物是指在整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中被丟棄的有機類物質，主要為農(nóng)、林、牧、漁業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的生物質類殘余物，包括作物秸稈、畜禽糞便、動物殘體、骨骼及羽毛等，以作物秸稈和畜禽糞便為最為普遍[3]。

根據(jù)北極星節(jié)能環(huán)保網(wǎng)提供的資料顯示，2016年，我國糧食總產(chǎn)量為6.1億噸，秸稈產(chǎn)量約8億噸。隨著糧食產(chǎn)量增加，每年秸稈產(chǎn)量遞增1200萬噸，對此。截至2020年，我國秸稈產(chǎn)量約為8.5億噸，占中國生物質資源總量的一半[4]。2016年8月，國家農(nóng)業(yè)部等多部委聯(lián)合印發(fā)《關于推進農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用試點的方案》指出，全國每年產(chǎn)生畜禽糞污38億噸。秸稈富含多種養(yǎng)分（N、P、K、Mg、Ca、S 等）和有機質，畜禽糞便含有 N、P、K、Mg、Ca、Zn、Fe、Cu等營養(yǎng)元素，二者都是極為寶貴的資源，資源化潛力巨大[5]。

1.2 餐廚垃圾處理現(xiàn)狀分析

餐廚垃圾是食物垃圾中最主要的一種，主要是通過家庭、學校、食堂及餐飲行業(yè)對食物進行加工而產(chǎn)生的下腳料和烹飪后的殘羹剩飯。其成分比較復雜，是油、水、果皮、蔬菜、米面，魚、肉、骨頭以及廢餐具、塑料、紙巾等多種物質的混合物。廚余垃圾中糖類含量高，而泔腳則以蛋白質、淀粉和動物脂肪等為主，且鹽分、油脂含量高[6]。

隨著我國當下餐飲業(yè)的高速發(fā)展，餐廚垃圾產(chǎn)量也迅速增長。根據(jù)《2017-2022年中國餐廚垃圾處理行業(yè)發(fā)展前景預測與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》，2014年全國餐廚垃圾產(chǎn)生量達8395萬噸，日均產(chǎn)量達23萬噸/日，其中主要城市餐廚垃圾產(chǎn)生量為6000多萬噸。2015年，全國餐廚垃圾產(chǎn)生量約為9110萬噸，以此增量進行估算，2020年全國餐廚垃圾產(chǎn)量將達到12685萬噸。

1.3 污泥處理現(xiàn)狀分析

污泥是污水處理后的產(chǎn)物，含有大量有機物，寄生蟲卵等病原微生物，鎘、鉻、銅、鋅等重金屬，如處理不當，很容易對環(huán)境造成二次污染。

《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)顯示，2014年，我國城鎮(zhèn)生活污水有效處理率為97%，城鎮(zhèn)生活污水處理量為495億噸。按照城鎮(zhèn)生活污水排放量年增長率4%計算，則2020年城鎮(zhèn)生活污水處理量為626億噸。一般情況下，污水處理廠處理1萬噸生活污水可產(chǎn)生含水率80%的污泥5-8噸。預計2020年我國城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)生量為4382萬噸。

2 有機固體廢棄物厭氧消化產(chǎn)沼氣量分析

厭氧消化的機理是在缺氧條件下，利用厭氧環(huán)境中的厭氧菌將有機物分解，轉化為二氧化碳和甲烷的過程。Zeikuslao等人提出了厭氧消化的四類群理論,反映了同型產(chǎn)乙酸菌的作用。該理論認為厭氧發(fā)酵過程可分為四個階段,第一階段(水解階段):將不溶性大分子有機物分解為小分子水溶性的低脂肪酸;第二階段(酸化階段):發(fā)酵細菌將水溶性低脂肪酸轉化為H2、CH3OOH、CH3CH2OH等,酸化階段料液pH值迅速下降;第三階段(產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段):專性產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌對還原性有機物的氧化作用,生成 H2、HCO3-、CH3COOH。同型產(chǎn)乙酸細菌將 H2、HCO3-轉化為CH3COOH,此階段由于大量有機酸的分解導致pH值上升;第四階段 (甲烷化階段):產(chǎn)甲烷菌將乙酸轉化為CH4和CO2,利用H2還原CO2成CH4,或利用其他細菌產(chǎn)生甲酸形成CH4[7]。

2.1 農(nóng)林廢棄物厭氧消化產(chǎn)沼氣分析

農(nóng)作物秸稈是一種重要的富含有機質（80%～90%）的生物質能源，利用現(xiàn)代厭氧發(fā)酵技術將農(nóng)作物秸稈轉化為方便、潔凈、高效的高品位能源——沼氣，對緩解我國常規(guī)能源短缺，促進社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善都有重要意義[8]。李平[9]、康佳麗[10]等通過研究不同情況及處理條件下的厭氧發(fā)酵，能達到產(chǎn)氣率達300L/KgTS以上。另外，根據(jù)《秸稈沼氣工程工藝設計規(guī)范》數(shù)據(jù)顯示：

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那么，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)氣率取平均350L/KgTS進行估算，到2020年全國秸稈資源8.5億噸，其中含固率35%，可產(chǎn)生沼氣1041億m3/年，可發(fā)電2082億度電/年。

通過厭氧消化對畜禽糞便進行處理,在獲得生物質能源——沼氣的同時,發(fā)酵后殘余的沼液、沼渣又可作為肥料進行土壤改良，然而由于各類畜禽糞便組成成分的差別，其產(chǎn)氣情況也各不相同。根據(jù)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理工程技術規(guī)范》數(shù)據(jù)顯示：

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那么，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)氣率取平均300L/KgTS進行估算，到2020年全國糞污資源38億噸，其中含固率20%，可產(chǎn)生沼氣2280億m3/年，可發(fā)電4560億度電/年。

2.2 餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)沼氣分析

我國餐廚垃圾以蛋白質、淀粉和脂肪為主要成分，存在高有機物含量、高含水率、高油、高鹽分的特性，適合采用生物降解?，F(xiàn)階段餐廚垃圾處理市場中以濕式厭氧發(fā)酵工藝為主,市場占有率為74.3%[11]。

餐廚垃圾經(jīng)預處理，調整原料碳氮比（20～30最佳），維持適宜的pH條件,通過加熱等方式使溫度達到中溫（30～35℃）和高溫（50～65℃）的要求，通過工藝的連續(xù)穩(wěn)定運行，可實現(xiàn)餐廚垃圾產(chǎn)氣量80～100m3/t[12]。那么到2020年，中國餐廚垃圾通過厭氧消化處理可產(chǎn)生沼氣的量為114億m3/年，可發(fā)電228億度電/年。

2.3 污泥厭氧消化產(chǎn)沼氣分析

污泥中含有大量的蛋白質、多糖等有機物和氮(N)、磷(P)、鉀(K)等元素，這些物質可以被植物利用或者通過微生物厭氧消化產(chǎn)生沼氣供生產(chǎn)和生活使用[13]。污泥脫水及污泥厭氧消化是污泥處理的主要方法，通過對污泥預處理可提高污泥的厭氧消化效果。

孫曉進行了高含固污泥厭氧消化系統(tǒng)的試驗研究，結果發(fā)現(xiàn)含固率為10%的的污泥1m3污泥沼氣產(chǎn)量約為16～18m3，而含固率為5%時1m3污泥產(chǎn)氣量為8～10m3[14],那么污泥厭氧消化產(chǎn)氣率平均180L/KgTS。截止到2020年，年污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量能達到15.8億m3，可發(fā)電31.6億度/年。

結語

通過對我國有機固體廢棄物總量的分析及預測，截至2020年，農(nóng)林廢棄物、餐廚垃圾、污泥的沼氣市場規(guī)模分別達到3321億m3/年、114億m3/年、15.8億m3/年，可發(fā)電分別為6641億度電/年、228 億度電/年、31.6 億度電/年，共計 6900.6 億度電/年。

我國有機固體廢棄物數(shù)量巨大，若能將有機固體廢棄物完全實現(xiàn)資源化利用，必將形成巨大的生態(tài)效益及經(jīng)濟效益。當下，增大有機固體廢棄物的資源化利用率，是實現(xiàn)資源化利用的關鍵。

另外，不斷加大對有機固體廢棄物的厭氧消化技術研究，提高有機固體廢棄物的生物降解速度，提高處理負荷、有機質去除率和產(chǎn)氣率，為工程應用提供支持。