协同模式下餐厨垃圾的资源化处理探究

2022-10-18徐振王国城罗小荣任济伟陈宪辉

再生资源与循环经济 2022年9期

徐振，王国城，罗小荣，任济伟，陈宪辉

（光大环保能源（天津）有限公司，天津 300383）

十四五期间，国家大力推行“垃圾分类”和“无废城市”建设，国内餐厨垃圾处理需求的迅速增长，得益于国家政策的支持，餐厨垃圾处理行业快速发展，各地餐厨垃圾处理项目相继提上日程。部分生活垃圾焚烧厂凭借经济技术优势，纷纷投资建设餐厨垃圾协同处理项目。据统计，全国累计在运行的生活垃圾焚烧厂超过500 座，焚烧设施处理能力达5.8×105t/d[1]。协同生活垃圾焚烧的餐厨垃圾处理模式是在生活垃圾焚烧发电厂中建设餐厨垃圾处理单元，能实现资源共享、能源互相利用、废弃物协同处理。该模式充分体现了循环经济的要求，具有工艺简单、投资低、经济效益高等优点，正逐渐替代传统独立餐厨垃圾处理厂，成为一种新型餐厨垃圾处理模式[2]。

固相废弃物是餐厨垃圾经过预处理工段分离出的杂物（如骨头、玻璃、贝壳、塑料、砂石、布等）和有机废弃物（富含粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、碳水化合物）的总称。其作为餐厨垃圾预处理系统的第二大产物，具有明显污染和资源的双重特性。苟剑锋[3]、王玲[4]、苏玉萍[5]等对国内部分城市餐厨垃圾成分进行采样分析，结果表明：固相废弃物中杂物含量占10%～24.3%，有机废弃物的含量占75.7%～90%，具有较高的资源再利用价值。因此，一些不法人士收集有机废弃物进行家畜养殖，进而导致“泔水猪”、“疯牛病”等恶劣影响，严重影响了食品安全和居民健康。协同工艺能将固相废弃物引入垃圾仓，经发酵后实现100%焚烧处理。但相较独立餐厨垃圾项目的全混厌氧、好氧堆肥等处理技术，有机废弃物的协同焚烧处理方式资源化利用率低。在垃圾分类政治背景下，面临前端分类末端混合焚烧的尴尬局面。因此，如何提高协同模式下有机废弃物的资源化再利用是餐厨垃圾协同生活垃圾焚烧处理的主要难题。

1 工程概况

某厂建设2 250 t/d 的生活垃圾处理设施和200 t/d餐厨垃圾处理设施，其餐厨垃圾处理工艺如图1。餐厨垃圾经该生产线后可实现废水、废气、固相废弃物、油脂分离。其中废气和固相废弃物最终排入焚烧炉焚烧处理，废水排入污水处理系统协同处理，油脂提取后出售给生物柴油加工商实现其资源化再利用。

图1 餐厨垃圾处理工艺

经过对该厂2021年全年生产数据进行统计分析，餐厨垃圾经该处理工艺的产物和产率详见表1。

表1 餐厨垃圾处理产物的产率 %

由表1 可知，餐厨垃圾处理后产物的产率由高到低分别为废水、有机废弃物、杂物和油脂。其中有机废弃物是不可资源化利用杂物的161.76%。按照200 t 的设计规模，有机废弃物的日产量可达36.04 t，产量大，资源再利用潜力大。

2 垃圾成分检测和分析

为了深入分析协同模式下有机废弃物对焚烧单元的影响，将有机废弃物和入炉生活垃圾进行成分和热值检测，详细结果见表2 和表3。

表2 有机废弃物和入炉生活垃圾元素及主要特性

表3 有机废弃物成分分析

由表2 可知，在含水量方面，有机废弃物较入炉生活垃圾高21.06%；在低位热值方面，有机废弃物仅为入炉生活垃圾的70.13%，且低于生活垃圾焚烧的设计规范中对垃圾热值（5 MJ/kg）的要求。此外，在硫、氮、氯的含量方面有机废弃物普遍高于入炉生活垃圾，特别是氮含量，高达285.29%。

由表3 可知，有机废弃物的厨余含量很高，且富含粗蛋白、脂肪、纤维等营养物质，其本质仍表现为“食物”特性。

在运行中发现，当将有机废弃物投入炉中后，炉膛中温度波动大，烟气中氮氧化物、二氧化硫、氯化氢指标突升,给焚烧系统稳定性造成一定冲击。综上所述，餐厨垃圾处理中产生有机废弃物不适合直接投入焚烧炉焚烧处理。协同模式下有机废弃物的资源化利用可结合其“食物”特性进行下一步探究。

3 有机废弃物处理工艺比选

目前国内外餐厨垃圾中有机废弃物的处理工艺主要包括填埋法、焚烧法、堆肥法、全混厌氧消化法、饲料化处理等。其中填埋法属于早期垃圾处理技术，填埋后存在二次污染，已不符合未来垃圾处理的方向；焚烧法面临资源化利用率低的尴尬局面；堆肥法因其占地面积大、气味大、处理周期长[6]、经济效益低、土地盐碱化风险高而逐渐被淘汰。全混厌氧消化法是当前市场主流的餐厨垃圾的处理方式；但餐厨垃圾组分单一，全混厌氧消化过程不稳定，容易出现反应器酸化现象,以及因反应器中微量元素不足[7]，氨抑制、反应器中油脂难去除、污泥难脱水等引起的一系列问题，直观表现为厌氧反应器甲烷产量的指标波动大[8]。而饲料化处理技术是当前研究最热餐厨垃圾处理技术，其利用方式符合有机废弃物“食物”特性，可实现有机废弃物高资源化利用。因此，计划采用饲料化处理技术实现有机废弃物的处理。

常见饲料化处理技术包括脱水处理法、生物发酵法、昆虫过腹法，其主要原理及优缺点如表4 所示。

表4 饲料化处理技术比选

基于表4 可以看出，相较于脱水处理法和生物发酵法，昆虫过腹化具有明显的安全和经济效益优势。该法将餐厨垃圾预处理产生的有机废弃物当作“食物”，实现有机废弃物按照自然界食物链规律进行处理。其中，昆虫过腹法中常见的昆虫有黑水虻、蟑螂、蚯蚓和家蝇。其中，蚯蚓和家蝇以处理畜禽粪便和农业废弃物为主，蟑螂和黑水虻在实际应用中处理餐厨垃圾较多[10]。而黑水虻具有繁殖快、生长周期短、食性广泛、食量大、有机废弃物吸收转化率高等特性[11]，能基本实现有机废弃物的完全资源化，且成虫经济效益高，产生的二次污染小。因此，协同模式可借鉴黑水虻养殖技术处理有机废弃物，进而实现有机废弃物的资源化，补足协同模式下餐厨垃圾处理资源转化率低的问题。

4 黑水虻养殖工艺的可行性

黑水虻处理有机废弃物是昆虫过腹转化的过程，该处理方式将餐厨垃圾中的有机废弃物通过食物链进行处理，符合大自然生态发展规律，安全性好。任立斌[12]在黑水虻生物转化餐厨垃圾试验的研究发现：餐厨垃圾的特性对黑水虻生长繁殖影响大小为含水率＜pH 值＜含油率＜含盐率。作为协同模式下餐厨垃圾预处理后的产物，有机废弃物成分中的油脂、盐分含量较餐厨垃圾大幅减少。因此，利用黑水虻处理有机废弃物将更加符合黑水虻生长要求。

黑水虻要经历卵期、幼虫期、蛹期、成虫期。其中黑水虻在卵期和幼虫期食入有机废弃物后，可利用其营养物质转化为蛋白质、脂肪、几丁质等。目前，通过人工干预控制黑水虻的生长环境，也能实现黑水虻的快速生长。培养两周内，黑水虻幼虫体长可达17 mm[13]，这为黑水虻工业化生产提供了有力实践支持。此外，从黑水虻预蛹干物质成分分析得出，其约含42.1%粗蛋白，7%粗纤维和34.8%脂肪，比传统的普通鱼粉、豆粕的蛋白含量还高，可担当当今世界上重要的蛋白质来源之一[14]。

协同模式下有机废弃物的产量稳定，有效解决了黑水虻养殖过程食物量不稳定的难题。目前市场已存在自动化程度高、日处理量大的黑水虻养殖成套设备，该设备每天可将50 t 有机废弃物转化为12%鲜虫和20%的虫粪。根据熊彩虹[15]针对黑水虻养殖的成本和利润测算可知：在日处理28 t 时，黑水虻养殖项目能实现项目自身的盈亏平衡，年投资回报率达7.3%。而该协同项目日产有机废弃物36.04 t，若利用有机废弃物养殖黑水虻，则可以避免有机废弃物对协同模式焚烧炉工况的影响，更重要的是解决了协同模式处理餐厨垃圾资源化转化不足问题。