江苏农村厨余垃圾资源化处理模式研究

2022-08-01邱小燕刘海春腾雅琪

扬州职业大学学报 2022年2期

邱小燕, 刘海春, 腾雅琪, 苏艳

(1.扬州职业大学, 江苏扬州 225009; 2.扬州市高邮生态环境局, 江苏扬州 225600)

据第七次全国人口普查，截至2020年11月1日,江苏省农村人口达2250万,生活垃圾产出量大。为此,江苏省构建了“组保洁、村收集、镇转运、县处理”的城乡统筹生活垃圾收运治理体系,农村生活垃圾混合收集后由乡镇转运至地县处理。2021年12月国家发布的《农村人居环境整治提升五年行动方案(2021—2025年)》中规定,推进农村生活垃圾分类减量与利用,易腐垃圾应就地就近消纳,要以乡镇或行政村为单位建设一批区域农村有机废弃物综合处置利用设施,探索垃圾就地就近就农处理和资源化利用的路径。江苏省在苏州、南京、徐州等城市已投建运营厨余垃圾资源化处理系统。农村有别于城市,人口密度低，居住点相对分散,垃圾分类意识较弱,农村厨余垃圾资源化处理尚处于起步阶段。随着农村生活垃圾分类工作的推进,合理选择厨余垃圾资源化处理技术是实现就地就近处理、减少垃圾出村量、提高资源回收率的关键。

1 江苏农村厨余垃圾产生量

农村居民生活产生的易腐垃圾主要为厨余垃圾,包括家庭日常生活中丢弃的果蔬及食物下脚料、剩菜剩饭、瓜果皮等易腐有机废弃物。厨余垃圾水分含量高、有机成分多、热值低、易腐烂，具有危害环境和资源回收的双重特性[1]。本研究通过调查典型乡镇生活垃圾转运量及物理组成,估算江苏农村厨余垃圾产生量。

1.1 江苏农村生活垃圾产生量及产生特征

选取江苏三个建制镇生活垃圾转运站对垃圾转运量进行统计分析。Z1转运站位于宿迁市宿城区东南部,Z2转运站位于扬州市邗江区北部,Z3转运站位于苏州吴中区西部。采用生活垃圾运转车辆的额定装载重量统计三个站点2020年8月至2021年7月的垃圾转运量,数据见表1。

表1 三个站点生活垃圾转运量

由表1可知,江苏农村生活垃圾产生特点:(1)垃圾转运量受季节因素影响较大。江苏省春、夏季降雨量较大,梅雨显著,加之农村垃圾时有露天堆放情况,导致垃圾含水率增加,故春、夏季生活垃圾转运量较秋、冬季高。(2)江苏农村人均垃圾转运量南北不均衡。人均转运量总体呈现南高北低的特点,苏南经济较发达地区的生活消费水平较高,生活垃圾产生量较苏北地区高。

经计算，江苏农村人均生活垃圾产生量1.057kg·d-1,可得出江苏省农村生活垃圾产生量约为8680612.5t·a-1。

1.2 江苏农村厨余垃圾产生量

笔者调查期间,在上午垃圾压缩之前对三个站点的生活垃圾分别进行了每月一次的采样分析,得出农村不同生活垃圾的重量百分比物理组成如表2所示。

由表2可知,农村生活垃圾主要成分为厨余、灰土、橡塑和纸类，三个站点厨余垃圾均值为48.65%,灰土占比为11.46%,而2014年全国农村生活垃圾中灰土占比最大达到42.38%,厨余垃圾占比为35.97%[2]。该变化主要由于近年我国扎实推进农村人居环境整治,村庄环境基本实现干净整洁,尤其是江苏农村道路、庭院硬化率高,故灰土比例下降。此外,江苏农村经济发展较为迅速。据江苏省统计局发布的统计年鉴数据,江苏省农村居民人均可支配收入2016年为17606元,2020年为24198元,5年增幅达37.4%。农村居民生活水平提高的同时饮食频次有所增加,导致厨余垃圾占比增幅明显。

表2 三个转运站生活垃圾成分单位:%

根据江苏农村生活垃圾产生量及厨余垃圾占比,可估算出江苏农村厨余垃圾产生量约为4223118.0t·a-1。

2 江苏农村厨余垃圾收运、处理存在的问题

因农村居民垃圾分类意识较低、分类收集、处置设施不完善等原因,生活垃圾源头分类尚未得到全面实施,厨余垃圾与其他垃圾混合收集、转运后进行焚烧处理,存在如下主要问题:

2.1 渗滤液产生量大,二次污染严重

厨余垃圾含水量可高达80%[3],混合垃圾渗滤液产出率约8%～12%,由此推算出江苏农村生活垃圾渗滤液产生量可达694449.0～1041673.5t·a-1。农村生活垃圾转运站大多未配备渗滤液处理系统,渗滤液收集处理成本约为50～80元·t-1,因此处理费用达到0.35亿元·a-1～0.83亿元·a-1。

渗滤液普遍呈酸性,色度高、盐分高，COD可高达20000～30000mg·L-1,污染成分复杂且散发恶臭气体。由于农村人口居住分散导致垃圾滞留时间较长,堆放、运输过程中产生的渗滤液如得不到及时有效的收集处理,会对大气、土壤和水环境造成二次污染,危害农村生态环境及居民身体健康。

2.2 垃圾转运量大,运输成本高

统计表明,运输环节总能耗超过垃圾处理全链条的一半[4]。在混合运输情景下,吨垃圾运输至焚烧厂成本约占生活垃圾处置总费用的48%～75%[5]2401。根据三个站点运输距离及运输费,得出垃圾运输至焚烧厂成本平均为 232元·t-1,按运输成本及厨余垃圾产生量估算,江苏农村家庭厨余垃圾运输费高达9.8亿元·a-1。

2.3 焚烧处理成本高

江苏生活垃圾主要采用焚烧处理法,厨余垃圾混合焚烧主要问题有:垃圾含水率与垃圾热值成明显的反比关系[6],高含水率的厨余垃圾降低了垃圾燃烧热值,需要足够的辅助燃料才能充分燃烧;厨余垃圾中的盐分容易导致垃圾焚烧装置腐蚀、结垢,导致检修成本投入较大;厨余垃圾焚烧容易产生酸性气体、二噁英等污染物,导致大气污染。生活垃圾焚烧厂建设成本一般在35万元·t-1～65万元·t-1,符合环保要求的全程垃圾焚烧处理成本可达800元·t-1。按此计算,如全省农村厨余垃圾全部采用焚烧处理,则总建设费为14780.91亿元～27450.27亿元,处理费用约为33.78亿元·a-1。

3 厨余垃圾资源化处理模式

厨余垃圾含水量大、有机物含量高、营养物质丰富,可资源化潜力大。在垃圾分类收集的前提下,厨余垃圾资源化处理技术主要有厌氧发酵、好氧堆肥、饲料化等。目前,中国厨余垃圾资源化技术占比为厌氧发酵74.3%、好氧堆肥13.5%和饲料化12.2%[7]。

3.1 分类收集+厌氧发酵

厨余垃圾在进行破碎后进入三相分离系统,分离得到粗油脂、固渣和液体,粗油脂用于加工生物柴油,固渣和液体进行厌氧发酵[5]2400。厌氧发酵利用厌氧微生物、兼性微生物将有机质进行降解,同时产生沼气。厌氧发酵产生的沼气可用于照明、烹饪燃料等,沼渣可二次发酵制肥、沼液进入水处理系统。典型的厌氧发酵工艺见图1。

图1 厨余垃圾厌氧发酵工艺流程

厌氧发酵的优点是可实现自动化控制、大规模处理，占地面积小且可获得清洁能源,有显著的减碳效果。缺点和应用中面临的主要问题有:降解速率低,沼液、沼渣需要进行再处理,系统投资成本高;厨余垃圾中存在一部分木质纤维素等难以被生物降解或利用的组分;厌氧发酵系统易出现氨氮抑制现象,降低系统的产气效率;产甲烷菌生产周期长,消耗有机酸的能力有限,当系统有机负荷较高时,容易出现酸化现象[8]。主流的厨余垃圾厌氧消化发酵工艺项目建设费约为50万元·t-1～80万元·t-1。施庆文[9]通过调查某500t·d-1的厌氧发酵项目,测算出湿垃圾厌氧发酵运营成本(不含设备折旧等)为327元·t-1。厨余垃圾厌氧发酵甲烷产率可达460mL·g-1[10],甲烷折合电力3.35kWh·m-3。如全省农村厨余垃圾全部采用厌氧发酵法处理,则总建设成本约为21115.59亿元～33784.94亿元,运营成本约为13.81亿元·a-1,甲烷总产量194311万m3,按0.5元·(kW·h)-1的电力价格计算,则甲烷收益约为32.54亿元。

3.2 分类收集+好氧堆肥

厨余垃圾好氧堆肥技术是将厨余垃圾破碎至一定粒度，调节水分后进行好氧堆肥,在堆肥过程中需控制含水率、粒径、碳氮比、温度、通风等工艺参数,以满足好氧微生物降解有机质的条件需求,从而将厨余垃圾转化成具有一定肥力的腐殖质[11]。典型的好氧堆肥工艺流程见图2。

图2 厨余垃圾好氧堆肥工艺流程

好氧堆肥的优点是技术成熟,降解速度较快,投资小,适合分散式、中小规模就地就近处理,对目前农村分散的村庄、乡镇具有良好的适应性,且堆肥可以产生有机肥料,在实现废物资源化利用的同时改善了土壤,具有极好的应用价值。缺点及主要问题有:预处理过程复杂、系统占地面积大,温室气体排放较多,能耗高;堆肥过程中产生的臭气、渗滤液需要再处理;堆肥技术受垃圾成分的制约很大,厨余垃圾需要经过脱水或与园林、农业废物等进行调质后才适合进行好氧堆肥处理。目前好氧堆肥技术在农村尚处于起步阶段,而在城市餐厨垃圾处理中应用较广泛,工艺项目建设费约为40万元·t-1～60万元·t-1。张军等[12]对某市餐厨垃圾快速好氧堆肥工艺研究表明:在工艺稳定情况下运营成本约177.57元·t-1,有机肥可实现成本回收22.14元·t-1。如全省农村厨余垃圾全部采用好氧堆肥法处理,则总建设成本约为16892.47亿元～25338.71亿元,运营成本约为7.50亿元·a-1,有机肥收益0.93亿元·a-1。

3.3 分类收集+饲料化

厨余垃圾中各种食物混杂,不可直接作为动物饲料,以避免同源性饲料可能导致的动物传染病。厨余垃圾经过处理后必须满足饲料的安全标准,目前的主要处理技术有干热法、昆虫转化法。干热法是将厨余垃圾破碎后脱水脱油、高温干燥、造粒膨化,该法技术成熟,可大规模应用,但是其产物的饲喂对象受限[13]。昆虫转化法中黑水虻是产业化养殖应用最广泛的昆虫种类[14],厨余垃圾黑水虻养殖转化工艺流程见图3。

图3 厨余垃圾黑水虻养殖转化工艺流程

黑水虻易成活、吃食范围广、生长发育周期适中、抗逆性强、耐油耐盐、生态安全性高、幼虫营养价值丰富[15],在高端养殖领域优势明显。黑水虻转化饲料面临的主要问题有:养殖温度、湿度要求较高,黑水虻生长活动最适温度为25～30℃,温度降到15℃以下时生长缓慢或冬眠,低于5℃死亡,35℃以上则要采取降温措施。相对湿度要求为75%～85%,湿度过低易造成蛹大量死亡。此外,厨余垃圾成分难以保持一致性,需调配均衡从而为昆虫提供稳定营养条件。如黑水虻培养条件参数控制不当,会导致黑水虻幼虫过小、黑水虻蛹羽化率低等问题。

黑水虻处理工艺建设费、运营费较低,粟颖[16]调查研究广东省黑水虻处理厨余垃圾工艺项目的建设费约为10万元·t-1～35万元·t-1,运营费约为90元·t-1,10吨厨余垃圾可产生2吨幼虫及1吨虫粪,烘干的黑水虻幼虫和虫粪的售价分别为6000元·t-1和500元·t-1,有良好的经济效益。如全省农村厨余垃圾全部采用黑水虻处理法,则总建设成本约为4223.12亿元～14780.91亿元,运营成本约为3.80亿元·a-1,黑水虻幼虫和虫粪收益为52.79亿元·a-1。

综上,厨余垃圾资源化处理模式在经济投资、占地面积、处理投资、适宜场景等方面差异较大，厨余垃圾焚烧与资源化处理各项技术综合比较见表3[17-19]。

表3 厨余垃圾焚烧与资源化处理各项技术综合比较

4 江苏农村厨余垃圾资源化技术选择

江苏共720个乡镇,14000多个行政村,近19万个自然村,各地经济发展、农业产业状况、处理要求不同,厨余垃圾资源化技术选择除了要充分考察和比较各技术本身工艺特点之外,还要结合地方实际情况。

4.1 结合自然、经济状况

江苏一般以淮河、苏北灌溉总渠一线为界,北部地区属暖温带湿润、半湿润季风气候,南部地区属亚热带湿润季风气候,南北常年气温存在约3℃差异,资源化处理技术对温度均有要求,运行温度与环境温度相差越大,能耗水平就越高,运行费也高。由于各地经济条件不同,进行技术选择要综合考虑建设投资及运行费。对于苏州等经济发展较好的苏南地区农村可以选择厌氧发酵技术,虽然建设投资较高,但运行费较低;而宿迁等经济发展相对一般，以种植业为主的苏北地区,可以选择建设投资费、运行费较低的好氧堆肥技术。