有机固体废弃物资源化利用市场潜力研究

李 平 邵 敏 刘玉坤 管志云

（上海环境工程设计研究院有限公司 上海 200040）

引言

有机固体废弃物通常具有可生化降解性较高，能够进行可生化降解，含水率一般低于85%～90%，通常包括农林废弃物、污泥、餐厨垃圾等。有机固废中蕴含着大量的生物质能,有效利用这类生物质能源,对实现环境和经济的可持续发展具有重要意义。一般地，有机固体废弃物采用厌氧消化产生沼气,对沼气的合理高效利用在实现污染物综合处置的同时，将实现新能源的开发和温室气体的减排[1，2]。

1 有机固体废弃物处理现状

1.1 农林废弃物处理现状分析

农林废弃物是指在整个农业生产过程中被丢弃的有机类物质，主要为农、林、牧、渔业生产过程中产生的生物质类残余物，包括作物秸秆、畜禽粪便、动物残体、骨骼及羽毛等，以作物秸秆和畜禽粪便为最为普遍[3]。

根据北极星节能环保网提供的资料显示，2016年，我国粮食总产量为6.1亿吨，秸秆产量约8亿吨。随着粮食产量增加，每年秸秆产量递增1200万吨，对此。截至2020年，我国秸秆产量约为8.5亿吨，占中国生物质资源总量的一半[4]。2016年8月，国家农业部等多部委联合印发《关于推进农业废弃物资源化利用试点的方案》指出，全国每年产生畜禽粪污38亿吨。秸秆富含多种养分（N、P、K、Mg、Ca、S 等）和有机质，畜禽粪便含有 N、P、K、Mg、Ca、Zn、Fe、Cu等营养元素，二者都是极为宝贵的资源，资源化潜力巨大[5]。

1.2 餐厨垃圾处理现状分析

餐厨垃圾是食物垃圾中最主要的一种，主要是通过家庭、学校、食堂及餐饮行业对食物进行加工而产生的下脚料和烹饪后的残羹剩饭。其成分比较复杂，是油、水、果皮、蔬菜、米面，鱼、肉、骨头以及废餐具、塑料、纸巾等多种物质的混合物。厨余垃圾中糖类含量高，而泔脚则以蛋白质、淀粉和动物脂肪等为主，且盐分、油脂含量高[6]。

随着我国当下餐饮业的高速发展，餐厨垃圾产量也迅速增长。根据《2017-2022年中国餐厨垃圾处理行业发展前景预测与投资战略规划分析报告》，2014年全国餐厨垃圾产生量达8395万吨，日均产量达23万吨/日，其中主要城市餐厨垃圾产生量为6000多万吨。2015年，全国餐厨垃圾产生量约为9110万吨，以此增量进行估算，2020年全国餐厨垃圾产量将达到12685万吨。

1.3 污泥处理现状分析

污泥是污水处理后的产物，含有大量有机物，寄生虫卵等病原微生物，镉、铬、铜、锌等重金属，如处理不当，很容易对环境造成二次污染。

《中国环境统计年鉴》数据显示，2014年，我国城镇生活污水有效处理率为97%，城镇生活污水处理量为495亿吨。按照城镇生活污水排放量年增长率4%计算，则2020年城镇生活污水处理量为626亿吨。一般情况下，污水处理厂处理1万吨生活污水可产生含水率80%的污泥5-8吨。预计2020年我国城镇生活污泥产生量为4382万吨。

2 有机固体废弃物厌氧消化产沼气量分析

厌氧消化的机理是在缺氧条件下，利用厌氧环境中的厌氧菌将有机物分解，转化为二氧化碳和甲烷的过程。Zeikuslao等人提出了厌氧消化的四类群理论,反映了同型产乙酸菌的作用。该理论认为厌氧发酵过程可分为四个阶段,第一阶段(水解阶段):将不溶性大分子有机物分解为小分子水溶性的低脂肪酸;第二阶段(酸化阶段):发酵细菌将水溶性低脂肪酸转化为H2、CH3OOH、CH3CH2OH等,酸化阶段料液pH值迅速下降;第三阶段(产氢产乙酸阶段):专性产氢产乙酸菌对还原性有机物的氧化作用,生成 H2、HCO3-、CH3COOH。同型产乙酸细菌将 H2、HCO3-转化为CH3COOH,此阶段由于大量有机酸的分解导致pH值上升;第四阶段 (甲烷化阶段):产甲烷菌将乙酸转化为CH4和CO2,利用H2还原CO2成CH4,或利用其他细菌产生甲酸形成CH4[7]。

2.1 农林废弃物厌氧消化产沼气分析

农作物秸秆是一种重要的富含有机质（80%～90%）的生物质能源，利用现代厌氧发酵技术将农作物秸秆转化为方便、洁净、高效的高品位能源——沼气，对缓解我国常规能源短缺，促进社会经济的可持续发展和生态环境的改善都有重要意义[8]。李平[9]、康佳丽[10]等通过研究不同情况及处理条件下的厌氧发酵，能达到产气率达300L/KgTS以上。另外，根据《秸秆沼气工程工艺设计规范》数据显示：

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那么，农作物秸秆产气率取平均350L/KgTS进行估算，到2020年全国秸秆资源8.5亿吨，其中含固率35%，可产生沼气1041亿m3/年，可发电2082亿度电/年。

通过厌氧消化对畜禽粪便进行处理,在获得生物质能源——沼气的同时,发酵后残余的沼液、沼渣又可作为肥料进行土壤改良，然而由于各类畜禽粪便组成成分的差别，其产气情况也各不相同。根据《畜禽养殖业污染治理工程技术规范》数据显示：

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那么，农作物秸秆产气率取平均300L/KgTS进行估算，到2020年全国粪污资源38亿吨，其中含固率20%，可产生沼气2280亿m3/年，可发电4560亿度电/年。

2.2 餐厨垃圾厌氧消化产沼气分析

我国餐厨垃圾以蛋白质、淀粉和脂肪为主要成分，存在高有机物含量、高含水率、高油、高盐分的特性，适合采用生物降解。现阶段餐厨垃圾处理市场中以湿式厌氧发酵工艺为主,市场占有率为74.3%[11]。

餐厨垃圾经预处理，调整原料碳氮比（20～30最佳），维持适宜的pH条件,通过加热等方式使温度达到中温（30～35℃）和高温（50～65℃）的要求，通过工艺的连续稳定运行，可实现餐厨垃圾产气量80～100m3/t[12]。那么到2020年，中国餐厨垃圾通过厌氧消化处理可产生沼气的量为114亿m3/年，可发电228亿度电/年。

2.3 污泥厌氧消化产沼气分析

污泥中含有大量的蛋白质、多糖等有机物和氮(N)、磷(P)、钾(K)等元素，这些物质可以被植物利用或者通过微生物厌氧消化产生沼气供生产和生活使用[13]。污泥脱水及污泥厌氧消化是污泥处理的主要方法，通过对污泥预处理可提高污泥的厌氧消化效果。

孙晓进行了高含固污泥厌氧消化系统的试验研究，结果发现含固率为10%的的污泥1m3污泥沼气产量约为16～18m3，而含固率为5%时1m3污泥产气量为8～10m3[14],那么污泥厌氧消化产气率平均180L/KgTS。截止到2020年，年污泥厌氧发酵产气量能达到15.8亿m3，可发电31.6亿度/年。

结语

通过对我国有机固体废弃物总量的分析及预测，截至2020年，农林废弃物、餐厨垃圾、污泥的沼气市场规模分别达到3321亿m3/年、114亿m3/年、15.8亿m3/年，可发电分别为6641亿度电/年、228 亿度电/年、31.6 亿度电/年，共计 6900.6 亿度电/年。

我国有机固体废弃物数量巨大，若能将有机固体废弃物完全实现资源化利用，必将形成巨大的生态效益及经济效益。当下，增大有机固体废弃物的资源化利用率，是实现资源化利用的关键。

另外，不断加大对有机固体废弃物的厌氧消化技术研究，提高有机固体废弃物的生物降解速度，提高处理负荷、有机质去除率和产气率，为工程应用提供支持。