餐廚垃圾無害化處理與資源化利用現狀及發展趨勢

北極星固廢網訊:摘要

餐廚垃圾有機質含量高,具有較高的可再利用價值,但處置不當又極易產生各種環境問題,帶來較大危害。基於文獻資料,總結了國外餐廚垃圾產生量和處理現狀,我國餐廚垃圾處理設施建設情況及處理能力;分析了我國餐廚垃圾的特性,闡述了我國餐廚垃圾無害化處理的填埋與焚燒、飼料化和生物處理三大類技術,對比分析了主要技術的特點、原理、適用條件、優缺點與應用情況,重點闡述了當前的主流技術——生物處理技術的主要工藝和應用現狀;總結了餐廚垃圾資源化利用和無害化處理中存在的技術及管理問題,從推動多種處理工藝優化融合,實施垃圾源頭分類收運,完善餐廚垃圾管理體制和政策等技術及管理方面分析了我國餐廚垃圾處理技術未來的發展趨勢。

關鍵詞：餐廚垃圾，資源化，無害化，發展趨勢

餐廚垃圾俗稱泔水、潲水,即殘羹剩飯,是城市固體垃圾中有機垃圾的重要組成部分。隨著我國城市化進程加快和人民生活水平的提高,餐廚垃圾已經成為城市生活垃圾的重要組成部分。在城市生活垃圾結構中,餐廚垃圾的佔比為30%~50%,清華大學固體廢物汙染控制及資源化研究所的統計數據表明,我國城市每年產生6 000萬t以上餐廚垃圾。餐廚垃圾極易腐爛變質,若處置不當可能會引發「地溝油」「垃圾豬」等食品安全問題,嚴重影響市容並汙染環境,危及居民身體健康。與其他垃圾相比,餐廚垃圾含有豐富的營養元素和有機質,具有很大的回收利用價值。餐廚垃圾資源化處理可以變廢為寶、化害為利,從源頭上避免直接作為飼料進入食物鏈,有效解決餐廚垃圾作為生活垃圾填埋或焚燒造成的資源浪費和環境汙染問題,實現社會效益、經濟效益和環境效益的統一。因此如何實現餐廚垃圾的資源化利用及無害化處理是我國當前面臨的迫切問題,也是社會廣泛關注的問題。常規的填埋和焚燒方法不僅浪費大量有機物,也帶來嚴重的二次汙染。筆者在分析餐廚垃圾特徵及闡述餐廚垃圾資源化處理技術的基礎上,分析了目前我國餐廚垃圾資源化處理現狀及存在的問題,探討了餐廚垃圾資源化利用未來的發展趨勢。

1 國內外餐廚垃圾處理現狀

1.1 國外餐廚垃圾處理現狀

歐洲餐廚垃圾產量約5 000萬t∕a,歐洲各國特別是德國、法國、英國還有北歐地區的較發達國家等對餐廚垃圾的管理和處理都有相對較為完善的系統和體制。如德國關閉了絕大多數垃圾填埋廠,餐廚垃圾採用機械-生物(MBT)或生物技術進行處理;為鼓勵垃圾回收和餐廚垃圾利用,丹麥政府於1987年開始徵收填埋稅,並逐年提高費率;英國約75%的餐廚垃圾主要採用土地利用方式進行處理,並頒布了餐廚垃圾資源化利用的相關法律條文。

美國餐廚垃圾產生量約2 598萬t∕a。美國對餐廚垃圾產生量較大的單位設置餐廚垃圾粉碎機和油脂分離裝置,分離出來的垃圾排入下水道,油脂則送往相關加工廠(如制皂廠)加以利用。對於產生量較小的居民廚房餐廚垃圾,則混入有機垃圾中統一進行處理或通過餐廚垃圾粉碎機粉碎後排入下水道。美國未來垃圾處理趨勢是採用堆肥工藝製成肥料或加工成動物飼料進行資源化回收利用。美國各州關於餐廚垃圾處理的政策和方式略有不同,很多州針對當地具體情況,建立了自己的餐廚垃圾處理回收體系,不同州針對餐廚垃圾肥料化產品的品質規定了各自的標準體系。美國餐廚垃圾資源化利用時的優先次序:抑制產生→救濟飢餓窮人→飼養動物→工業利用→堆肥→焚燒或填埋。

日本每年排放的餐廚垃圾約2 000萬t。由於餐廚垃圾的傾倒運輸費用很高,因此餐廚垃圾處理機得到了推廣和應用。為減少餐廚垃圾對環境的汙染,並充分利用其中的資源,日本於2000年頒布了《餐廚廢物再生法》,該法律規定餐廚加工業、飲食業和流通企業有義務減少餐廚廢物的排出量,且就再生利用對象飼料和肥料制定質量標準。《餐廚廢物再生法》中規定了餐廚垃圾資源化利用時的優先次序:抑制產生→再資源化(肥料>飼料>油脂等產品>沼氣)→減量。

1.2 我國餐廚垃圾處理現狀

1.2.1 餐廚垃圾處理設施建設及技術工藝

自2010年開始,國家發展和改革委員會、住房和城鄉建設部、原環境保護部、原農業部組織開展了城市餐廚廢物資源化利用和無害化處理試點工作。「十二五」期間,成立了100個餐廚垃圾試點城市,覆蓋了31個省級行政區並覆蓋一、二、三線城市。截至2015年末,全國已投運、在建、籌建(已立項)的餐廚垃圾處理設施(50 t∕d以上)至少有118座,總計處理能力超過2.15萬t∕d,其中投入運行的餐廚垃圾處理設施為43座。各地區設施建設總能力相差較大,經濟水平較高、人口密度較大的東部沿海城市的餐廚垃圾處理設施規模最大,國內生產總值(GDP)較低的西部地區的處理能力最低。單座設施平均規模相差不大,人口密度較高或城市規模較大的地區單座設施平均規模為150~200 t∕d,人口密度較低或城市規模較小的地區單座設施平均規模為100~150 t∕d,餐廚垃圾處理設施平均規模約為182t∕d,受運行成本和技術穩定性限制,餐廚垃圾集中處理設施的規模一般為100~200 t∕d。由於餐廚垃圾處理處置及資源化利用市場的管理政策欠缺、技術路線單一、運營模式不成熟,導致行業發展不規範,盈利模式不清晰,產業化進程緩慢。

對118座已確定技術路線的餐廚垃圾處理設施中的111座進行統計,發現採用厭氧發酵技術的有80座,處理能力為1.60萬t∕d,佔總處理能力的75.9%;採用固體堆肥+液體發酵技術的有4座,處理能力為0.07萬t∕d,佔總處理能力的3.3%;採用好氧堆肥或快速好氧發酵技術的有16座,處理能力為0.30萬t∕d,佔總處理能力的14.2%;採用制飼料或其他技術的有11座,處理能力為0.14萬t∕d,佔總處理能力的6.6%。

1.2.2 餐廚垃圾處理能力

E20研究院的《餐廚垃圾處理市場分析報告(2016)》指出,近年來我國經濟快速發展,餐廚垃圾以每年10%的增量持續增長。按照城鎮人口人均餐廚垃圾產生量為0.15 kg∕(d·人)計算,我國2011年的餐廚垃圾產生量為3 782萬t,2015年增至4 222萬t,到2020年將增至4 873萬t。一方面是餐廚垃圾產生量的快速增長,另一方面是無害化處理能力及水平仍相對不足,大部分城鎮的餐廚垃圾難以實現無害化處理,餐廚垃圾收集率及處理率亟待提高。據不完全統計,截至2015年9月,全國已建、在建、籌建的118座餐廚垃圾處理項目,總處理能力約2.15萬t ∕d,與「十二五」規劃中3萬t∕d的處理能力還有差距。此外,《「十三五」全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃》中要求,到2020年底力爭新增餐廚垃圾處理能力3.44萬t∕d,城市基本建立餐廚垃圾回收和再生利用體系。而「十三五」末若完成新增規劃處理能力建設,餐廚垃圾無害化、資源化處理率僅達36%。我國餐廚垃圾處理能力仍需進一步提升。

2 我國餐廚垃圾特性及無害化處理技術

2.1 餐廚垃圾特性

餐廚垃圾具有一定的特殊性,和產生群體的飲食、生活習慣以及後續的存放和收集方式有關。我國部分城市餐廚垃圾化學成分主要包括澱粉、纖維素、蛋白質、脂類和無機鹽等(表1)。由表1可知,我國餐廚垃圾主要特點如下:1)含水率高,通常高達70%~85%;2)有機質含量高,脂肪、蛋白質等含量高達80%~93%(幹基);3)油脂含量豐富,約為2%~3%,可以進行回收再加工煉製生物柴油等;4)鹽分含量高,約為1%,這會影響後續肥料化利用;5)極易腐爛變質,散發惡臭,傳播細菌和病毒,性狀和氣味都會對環境衛生造成惡劣影響,且容易滋長病原微生物等。

由於餐廚垃圾具有有機質含量高、易生物降解的特點,因此採用生物處理技術可生產有機肥和生物氣等高附加值的產品。生物處理技術(厭氧發酵工藝)是現階段國內外規模化處理餐廚垃圾的主流工藝,也是實現餐廚垃圾減量化、無害化和資源化利用較安全可行的方法[13]。

2.2 餐廚垃圾無害化處理技術

餐廚垃圾處理技術包括填埋和焚燒、飼料化及生物處理三大類,其中飼料化和生物處理是目前應用較為廣泛的新型餐廚垃圾處理技術。

2.2.1 填埋和焚燒

我國傳統的餐廚垃圾處置方式有填埋和焚燒。由於我國尚未有效開展餐廚垃圾分類工作,大量餐廚垃圾混入生活垃圾並同生活垃圾一起進行填埋或者焚燒處理。餐廚垃圾進入填埋場佔用大量的庫容,而且其高含水率及高有機質特性增大滲瀝液及高濃度有機汙染物的產生量,大大增加填埋場滲瀝液處理負荷和處理難度,同時造成餐廚垃圾中有機質資源的浪費,使資源回收利用率基本為零[14]。目前我國正著力控制餐廚垃圾的填埋處置。

2.2.2 飼料化技術

餐廚垃圾中含有大量的有機營養成分,其飼料化具有相當的優勢。目前主要有2類飼料化技術:乾式飼料及蛋白飼料[14]。其中乾式飼料要求物料在95~120 ℃下至少乾燥2 h,達到含水率小於15%,雜質低於5%;蛋白飼料由微生物自身及其蛋白分泌物組成(60~80 ℃)。由於餐廚垃圾來源廣泛,成分複雜,採用飼料化利用技術時存在很多安全隱患[15],如生物同源性、病菌、重金屬、有毒有機物等。為了提高餐廚垃圾飼料化利用過程的可靠性及安全性,CJJ 184—2012《餐廚垃圾處理技術規範》中規定了用於生產飼料的餐廚垃圾及其生產工況。

2.2.3 生物處理技術

生物處理技術包括通過好氧發酵獲得生物質肥料和通過厭氧發酵獲得潔淨的沼氣能源等。好氧生物處理技術又包括好氧堆肥、製備生化腐殖酸、快速好氧發酵。

2.2.3.1 好氧堆肥

好氧堆肥是指在有氧條件下,利用好氧微生物對堆積於地面或者專門發酵裝置中的有機質進行生物降解,最終形成穩定的高肥力腐殖質[16]。餐廚垃圾中有機質含量高,營養元素全面,C∕N較低,是微生物的良好營養物質,適於採用堆肥處理,主要包括傳統好氧堆肥發酵技術及高溫好氧堆肥發酵技術2類。還可在好氧堆肥的基礎上投入蚯蚓,利用蚯蚓自身豐富的酶系統,將餐廚垃圾有機質轉化為其自身或其他生物易於利用的營養物質,加速堆肥的穩定化過程[17]。但我國餐廚垃圾的高鹽分、高油分問題,在很大程度限制了肥料化利用技術的推廣與應用。

2.2.3.2 製備生化腐殖酸

通過高溫複合微生物和酶轉化技術、快速腐殖化集成裝備、轉化工藝精準控制技術集成,篩選自然界生命活力和增殖能力強的高溫複合微生物菌種,在生化處理設備中,對餐廚垃圾等有機垃圾進行高溫高速好氧發酵,使各種有機物得到快速降解和轉化為生物腐殖酸肥料。該腐殖酸肥料可以作為有機源土壤調理劑,用於土壤質量提升,起到降低化肥利用率,提高農產品產量和改善農產品品質的作用[17]。該技術優點是轉化速度快,有機質利用率高,產品一致性高,可進入工業產品銷售通路。該技術為好氧技術的主流代表工藝,已在北京、廣州、成都、烏魯木齊等城市成功應用,但該工藝的液相進入汙水處理系統會造成汙水負荷增大及液相中有機質的浪費。

2.2.3.3 厭氧發酵

餐廚垃圾的厭氧發酵是指在無氧條件下,利用兼性微生物及厭氧微生物的代謝作用將複雜有機物分解為小分子有機物及無機物,在此過程中可產生甲烷和氫氣等能源物質,此外,利用厭氧發酵可獲得各種有機酸和醇類,如乙醇、乙酸、丁酸、葡萄糖糖化酶、乳酸等,從而實現對餐廚垃圾的減容減量及資源化利用。厭氧工藝產生的沼氣可轉化為電能與燃氣,厭氧消化罐中產出的沼渣可以進行二次發酵制肥處理。通常厭氧發酵產生的沼氣中甲烷含量為60%~75%,據杭州市餐廚垃圾一期處理工程經驗,處理能力為200 t∕d時,沼氣產量可達13 000 m3∕d,當沼氣中的甲烷濃度為60%時,可產生電能約為26 000 kW·h∕d,油脂回收率可達88%[17]。厭氧發酵後產生的沼氣還可以經過淨化、加壓後進入燃氣管網,供給居民日常生活使用。

餐廚垃圾高油脂、高鹽分也會導致過度酸化及抑制菌體生長,不利於持續而穩定地降解餐廚垃圾。此外,厭氧消化產生的沼渣處理仍是一大難題,通常需幹化處理後填埋,或重新堆肥後製成有機肥[18]。因此,尋找適合我國餐廚垃圾組分與特點的厭氧處理工藝,並保證厭氧消化系統的運行穩定,降低運行管理難度及費用是當前亟待解決的關鍵技術問題。

2.2.4 技術比較

主要餐廚垃圾處理技術比較見表2。

3 我國餐廚垃圾資源化利用未來趨勢

3.1 推動多種工藝融合創新

考慮到餐廚垃圾成分複雜,各地區飲食習慣差別大致使垃圾組分差異較大,往往通過預處理對餐廚垃圾進行雜質去除和油脂回收。由於我國尚未全面開展垃圾分類工作,因此收集到的餐廚垃圾中仍然含有大量雜質,包括金屬、玻璃、陶瓷等無機雜質和廢紙、廢塑料、廢餐盒、筷子等非營養性有機物,合理的預處理技術不僅可以實現雜質的有效去除,同時能為後續處理環節創造有利條件。預處理技術應根據收運的餐廚垃圾成分和主體工藝要求而定,並做出針對性設計,以實現預處理效果佳、後續資源化工藝運行穩定的目的。

餐廚垃圾成分的複雜性決定了使用單一的現有處理技術難以完成高效高產值處理,因此,對餐廚垃圾進行組分分離、綜合運用已有多項處理技術是必然的處理思路。如將收集到的餐廚垃圾初步去除雜物後,利用離心或壓榨等手段得到有機質幹渣和油水混合物,有機質幹渣可用於微生物好氧發酵生產有機肥;油水混合物再次分離後,油脂可用於生產生物柴油,最終剩下的水分含有豐富的有機質,可進行厭氧發酵生產能源氣體[19],作為高品質熱源循環用於發酵裝備,產生的沼渣可以進入好氧系統發酵。通過融合與技術創新,可以有效解決好氧發酵液相有機質浪費、厭氧發酵沼渣處理難題,達到固相液相全利用,物質能量全回收,既彌補了採用單一處理技術存在的短板,又增加了餐廚資源化產品的多樣性,實現投資收益最大化,是未來餐廚垃圾處理技術發展的趨勢。

3.2 實施源頭減量和垃圾分類

餐廚垃圾源頭分類收集不僅可以實現源頭減量,有效提高餐廚垃圾收集數量及質量,同時可以降低預處理成本,提高後續資源化產品質量。當前應加大宣傳教育,大力開展餐廚垃圾源頭減量和分類活動,提高居民環境意識,養成勤儉節約、物盡其用、減少浪費的文明生活習慣,促進源頭減量和資源回收。

餐廚垃圾的分類收集不僅可以實現餐廚垃圾的有效回收利用,同時可減少生活垃圾總量的50%以上。餐廚垃圾單獨收集將顯著提高生活垃圾熱值,從而便於後續焚燒或者填埋處理,不僅可以降低焚燒過程的煙氣汙染,而且可以提高填埋場使用年限,減少滲濾液處理負荷。

垃圾源頭分類通過回收可循環利用的垃圾減少資源浪費,改變粗放的垃圾混合收運方式,緩解垃圾後續處理處置的壓力,有效降低垃圾處理成本及土地資源的消耗,具有很大的經濟效益、生態效益及社會效益。未來餐廚垃圾處理需要做到分類收集、分類運輸和分類資源化,不斷提高餐廚垃圾處理水平,在確保餐廚垃圾得到無害化處理和處置的基礎上,儘可能做到資源化。

3.3 完善餐廚垃圾管理體制和政策

在餐廚垃圾管理體制方面,歐洲等發達國家在餐飲部門設置專門的餐廚垃圾存放點,對餐廚垃圾實行單獨分類收集,對運輸和處理實行全過程控制管理,特別在食品生產加工環節,採取成品或半成品等淨菜進城措施,源頭削減和抑制餐廚垃圾的產生,並採取強制資源化利用的措施。我國餐廚垃圾納入規範化、標準化管理起步較晚(2005年),在收集、運輸和處理方面的政策法規和標準相對滯後。因此,餐廚垃圾處理應統籌考慮餐廚垃圾的分類收集和運輸、處理設施建設、運行監管等重點環節,落實餐廚垃圾從產生、運輸、處理等各環節的汙染控制,構建「因地制宜、技術合理、環保達標」的餐廚垃圾處理體系。建立餐廚垃圾處理及資源化利用監控技術體系與信息化管理平臺,實現餐廚垃圾處理系統的統籌監控管理與高效信息化運行,顯著提升餐廚垃圾資源化利用系統的整體安全程度和信息化水平。

4 結語

(1)我國餐廚垃圾具有高含水率、高有機質含量、高油脂含量、高含鹽量的特性,理化特性地域性差異大,導致餐廚垃圾處理難度及資源化利用難度高。目前我國餐廚垃圾處理工藝以厭氧發酵工藝為主,部分為飼料化技術,餐廚垃圾已有的處理設施尚無法滿足日益增大的餐廚垃圾量需求,餐廚垃圾處理項目建設運行的標準化體系和管理制度尚未建立。

(2)隨著餐廚垃圾資源化處理技術水平的不斷提升與餐廚垃圾管理法規的日益完善,應圍繞餐廚垃圾處理開展多種技術融合實踐與創新,同步實行垃圾分類收運與管理,最終實現餐廚垃圾高效資源化利用及無害化處理的目標,推進循環經濟社會的快速發展。

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