廚余垃圾處理技術(shù)應(yīng)用分析及綜合評估

楊麗?孫國芬?許曉敏?范玉龍?郭禹佳

一、引言

廚余垃圾是生活垃圾的重要組成部分，包括家庭廚余垃圾、餐廚垃圾和其他廚余垃圾。隨著城市生活垃圾分類工作的深入推進(jìn)，廚余垃圾的處理需求日益增長。廚余垃圾具有“四高”特性和雙重屬性，其中，油脂含量高和有機(jī)質(zhì)含量高，體現(xiàn)了其資源屬性；含水率和含鹽量高、易腐爛變質(zhì)，體現(xiàn)了其危害屬性。因此，如何選擇合適的處理技術(shù)對廚余垃圾進(jìn)行資源化、減量化和無害化處理，已成為當(dāng)前城市面臨的一個重要難題。

二、廚余垃圾主要處理技術(shù)應(yīng)用情況

根據(jù)處理原理不同，廚余垃圾處理技術(shù)可分為物理法、生物法和其他法。其中，由于廚余垃圾成分較復(fù)雜，在進(jìn)行綜合處理前，首先需要通過物理方式進(jìn)行除水、除雜、除油等預(yù)處理，篩分出各類物料，并對不同物料進(jìn)行分類分級處理及利用。常用的物理預(yù)處理方法包括壓榨脫水和三相分離等技術(shù)。同時，由于廚余垃圾有機(jī)質(zhì)含量高，可利用生物法深度處理進(jìn)一步實現(xiàn)資源化利用。常用的生物法包括厭氧消化、好氧堆肥、生物養(yǎng)殖等技術(shù)，廚余垃圾經(jīng)不同生物法處理后可產(chǎn)生沼氣、肥料或飼料等資源產(chǎn)品。部分地區(qū)還采用其他法，如通過與其他垃圾協(xié)同焚燒或填埋處理，以實現(xiàn)對廚余垃圾無害化處理的目的。在實際處理技術(shù)工藝設(shè)計及應(yīng)用時，通常會將物理法、生物法或其他法處理技術(shù)組合應(yīng)用，以實現(xiàn)處理效益的最大化（圖1）。

本研究通過調(diào)研獲取深圳市廚余垃圾處理技術(shù)應(yīng)用案例投入及產(chǎn)出情況，總結(jié)了不同技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢及不足，如表1所示。

三、指標(biāo)體系構(gòu)建及分析

由于廚余垃圾處理技術(shù)應(yīng)用類型多樣，對技術(shù)的選擇是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會等多個方面。目前關(guān)于城市生活垃圾處理技術(shù)方案的研究較多，如層次分析法和模糊評價法。其中，層次分析法（Analytical Hierarchy Process，AHP）是采用優(yōu)化方法將復(fù)雜的系統(tǒng)分析簡化為各種因素之間的成對比較判斷和簡單排序計算，從而使難以用參數(shù)型數(shù)學(xué)模型方法解決的復(fù)雜系統(tǒng)的分析成為可能。本研究采用AHP方法對不同廚余垃圾處理技術(shù)進(jìn)行簡化對比分析及排序。

一是構(gòu)建比選指標(biāo)體系。指標(biāo)體系分為3層（圖2），其中，目標(biāo)層A是廚余垃圾處理技術(shù)方案選擇；中間層是需要考慮的因素和決策的準(zhǔn)則，分為準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，其中準(zhǔn)則層B包括技術(shù)可達(dá)性、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益，指標(biāo)層C是由構(gòu)成技術(shù)可達(dá)性、環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的關(guān)鍵指標(biāo)組成；方案層D是指不同的廚余垃圾處理技術(shù)，本研究共分為6種。

二是構(gòu)造判斷矩陣。根據(jù)參與比較的兩個因素相對于上一層它們共同隸屬的因素的重要性，賦予一個1～9的標(biāo)度值，并寫成矩陣的形式。

三是對于形成的判斷矩陣，計算其最大特征值及其相應(yīng)的特征向量，經(jīng)過對特征向量的數(shù)學(xué)處理，進(jìn)一步得出各指標(biāo)因素的權(quán)重。在計算得到某一層次相對于其上緊鄰層次各個因素的單排序權(quán)重后，用上一層次因素本身的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)綜合，得到層次總排序的權(quán)重值。最終根據(jù)判斷矩陣標(biāo)度，對廚余垃圾處理技術(shù)指標(biāo)體系中各指標(biāo)進(jìn)行歸一化值的計算，得到各技術(shù)選擇的得分。

四、結(jié)果分析與討論

由表2可知，不同廚余垃圾處理技術(shù)的綜合排序為：厭氧制酸＞厭氧產(chǎn)沼＞生物養(yǎng)殖＞三相分離＞壓榨脫水＞小型處理機(jī)。

其中，厭氧制酸技術(shù)得分最高，該技術(shù)應(yīng)用綜合優(yōu)勢最好；厭氧產(chǎn)沼技術(shù)和生物養(yǎng)殖技術(shù)得分較接近，可以根據(jù)適用場景和條件進(jìn)行選擇應(yīng)用；三相分離和壓榨脫水技術(shù)得分次之，主要可作為廚余垃圾預(yù)處理工藝與其他工藝組合應(yīng)用；小型處理機(jī)技術(shù)得分最低，該技術(shù)可作為備選，在處理能力不足時的過渡期選擇應(yīng)用。

各類技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用場景，從技術(shù)應(yīng)用方面看，厭氧產(chǎn)沼技術(shù)相對成熟可靠，自動化程度高、有機(jī)負(fù)荷承擔(dān)能力高，一般應(yīng)用于大型處理項目，但該技術(shù)工藝復(fù)雜、處理周期長，處理后會產(chǎn)生大量的沼渣、沼液需要進(jìn)一步處理。相比厭氧產(chǎn)沼技術(shù)，厭氧制酸技術(shù)由于沒有產(chǎn)甲烷階段，因而處理周期大幅度縮短。生物養(yǎng)殖技術(shù)通過生物質(zhì)形態(tài)的完全轉(zhuǎn)化，完全阻斷同源性蛋白病毒在食物鏈中的傳播，技術(shù)相對可靠，但在分選進(jìn)料、臭氣控制、穩(wěn)定存儲方面仍具有較大挑戰(zhàn)，一般處理規(guī)模在100 t/d以下。壓榨脫水及三相分離通常適合作為預(yù)處理技術(shù)與其他處理工藝組合協(xié)同應(yīng)用，不僅能通過分類分級處理減少后端設(shè)施的處理壓力，同時還能降低雜質(zhì)和油脂等物料對末端設(shè)施運(yùn)行造成的損耗，減量化優(yōu)勢明顯，但其資源化利用水平不高，若將其單獨(dú)作為處理設(shè)施應(yīng)用，需考慮其處理后各類產(chǎn)物的去向。小型處理機(jī)技術(shù)具有工藝簡單、占地小、建設(shè)快及處理周期較短等優(yōu)勢，基本能實現(xiàn)日產(chǎn)日處理，但一般以幾噸或十幾噸的設(shè)備為主，且由于市場上設(shè)備類型多、更新快，運(yùn)行穩(wěn)定性還有待提高。

從經(jīng)濟(jì)效益方面看，厭氧消化可通過規(guī)?；ㄔO(shè)實現(xiàn)集約化處理，提高土地利用率，降低處理成本。然而，該技術(shù)工藝鏈長，需配套設(shè)施設(shè)備數(shù)量多、占地大、建設(shè)及運(yùn)維要求高，前期建設(shè)投資較大，噸投資為30～60萬元，后期運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用高，處理產(chǎn)生的沼氣可用于發(fā)電，整體經(jīng)濟(jì)效益一般。生物養(yǎng)殖處理后能產(chǎn)生高價值的蛋白飼料和肥料，市面上優(yōu)質(zhì)的蛋白飼料產(chǎn)品每噸售價為8000～10 000元，產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益高。小型處理機(jī)技術(shù)總體投資建設(shè)成本偏低，但由于處理規(guī)模小，折合至噸成本費(fèi)用明顯偏高，同時其運(yùn)行成本較高，為400～600 元/t，部分設(shè)備的運(yùn)行成本甚至超過1000 元/t。整體而言，經(jīng)濟(jì)效益相對較差。

從環(huán)境效益方面看，一方面，避免或減少對環(huán)境造成污染是關(guān)鍵。規(guī)模化的處理設(shè)施在建設(shè)應(yīng)用時，通常會配套完善的環(huán)保處理設(shè)施，并嚴(yán)格執(zhí)行污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，對環(huán)境污染影響較小。然而，部分小型處理機(jī)存在污水、臭氣排放不達(dá)標(biāo)等問題。另一方面，在“雙碳”背景下，碳排放是目前關(guān)注的焦點(diǎn)。綜合考慮工藝模式、產(chǎn)品類型及產(chǎn)量、處理能耗等因素，李歡等證明了厭氧消化具有較好的環(huán)境效應(yīng)，碳排放相對較低。生物養(yǎng)殖技術(shù)可通過生物轉(zhuǎn)化實現(xiàn)固碳，再加上能耗低，碳排放相對低。小型處理機(jī)雖然能通過有機(jī)碳腐殖化實現(xiàn)固碳，但是由于處理時間短降解不充分，再加上設(shè)備運(yùn)行需保持較高溫度，電耗偏高，部分設(shè)備可達(dá)到200 kW·h/t，因此碳排放量偏高。

從社會效益方面看，厭氧制酸和生物養(yǎng)殖技術(shù)的資源化利用程度相對較高，其處理后的產(chǎn)品應(yīng)用價值也較高。厭氧制酸產(chǎn)生的有機(jī)酸液C/N比達(dá)40%以上，可作為優(yōu)質(zhì)生物活性炭源用于污水廠的碳源補(bǔ)充，實現(xiàn)廚余垃圾與城市市政污水的協(xié)同處置。生物養(yǎng)殖得到的產(chǎn)品能作為一種基礎(chǔ)性原料被廣泛應(yīng)用于飼料生產(chǎn)、生態(tài)養(yǎng)殖等領(lǐng)域，技術(shù)發(fā)展前景廣闊。小型處理機(jī)處理產(chǎn)生的肥料腐熟度不高，僅適合作為土壤調(diào)理劑用于園林綠化，或者進(jìn)一步加工完全腐熟后再作為農(nóng)作物肥料使用。同時采用該技術(shù)的設(shè)備一般以就近原則設(shè)置在小區(qū)、學(xué)校、市場、超市和轉(zhuǎn)運(yùn)站等場所，鄰避風(fēng)險較大，目前大部分城市將該技術(shù)作為廚余垃圾應(yīng)急處理渠道。

五、結(jié)論及建議

一是不同廚余垃圾處理技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)及其適用條件，厭氧制酸技術(shù)處理產(chǎn)生高濃度有機(jī)酸，可作為優(yōu)質(zhì)外部碳源補(bǔ)充。厭氧產(chǎn)沼技術(shù)成熟可靠，可規(guī)?；瘧?yīng)用，但需解決沼渣、沼液的資源化處理去向問題。生物養(yǎng)殖技術(shù)資源化利用水平較高，且環(huán)境效益較好，但占地大、進(jìn)料要求、臭氣控制、穩(wěn)定存儲方面限制了其規(guī)模生產(chǎn)。三相分離和壓榨脫水技術(shù)可作為集中處理設(shè)施的預(yù)處理單元，或者作為單獨(dú)運(yùn)營的廚余垃圾處理設(shè)施，其優(yōu)勢在于減量化明顯，但需要考慮后續(xù)固形物的配套處理去向。小型處理機(jī)技術(shù)雖能在短期內(nèi)建成并投產(chǎn)運(yùn)行，但運(yùn)行費(fèi)用高，存在環(huán)保不達(dá)標(biāo)、運(yùn)行不穩(wěn)定等風(fēng)險問題。

二是通過層次分析法對不同廚余垃圾處理技術(shù)進(jìn)行簡化對比分析及排序，綜合得分排序結(jié)果為：厭氧制酸＞厭氧產(chǎn)沼＞生物養(yǎng)殖＞三相分離＞壓榨脫水＞小型處理機(jī)。

三是建議決策者根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H應(yīng)用場景和適用條件，因地制宜選擇合適的處理技術(shù)。從可持續(xù)發(fā)展角度考慮，宜優(yōu)先選用厭氧消化等綜合效益較高的處理技術(shù)作為廚余垃圾的主要處理去向，但同時可探索發(fā)展不同方向的廚余垃圾處理技術(shù)路線，提升廚余垃圾處理能力。

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（責(zé)任編輯：張秋辰）