餐厨垃圾厌氧消化过程养分综合利用研究

2024-02-16周海云张桐边博袁思佳刘波杨珍珍顾凰琳

环境工程技术学报 2024年1期

关键词：沼渣餐厨沼液

周海云，张桐，边博，袁思佳，刘波，杨珍珍，顾凰琳

1.江苏省环境工程技术有限公司

2.南京师范大学环境学院

3.江苏省环保集团有限公司

4.江苏省重点行业减污降碳协同控制工程研究中心

随着餐饮行业的快速发展，餐厨垃圾的产量也在快速增加[1]。据统计，我国主要城市年餐厨垃圾产生量高于6 000 万t[2]。餐厨垃圾制备生物有机肥可提升土壤固碳能力，提高土壤养分利用的有效性，从而提升耕地土壤质量，减少化肥施用量，是我国贫瘠黄褐土改良的有效施肥模式[3]。目前，厌氧消化是国内餐厨垃圾处理的主流工艺[4]，但对餐厨垃圾中的有机质降解率偏低（约40%～60%），造成磷、氮等资源的浪费[5]。在厌氧消化前段加入预处理逐渐流行，湿热预处理可以改变餐厨废物中碳水化合物、蛋白质和脂肪的理化性质，影响其厌氧发酵产氢产酸类型，达到改善餐厨废物厌氧发酵产氢效能的目的[6]，但其消化残余物产量大、有机物含量高、微量元素丰富，若不加以妥善利用和处置，不仅会造成大量有机营养元素的流失，还会给环境带来二次污染。

未来的研究和技术发展包含着大量的可能性，情景则是对这种可能状态和发展的描述[7]。Yakubu等[8]采用情景模拟，为尼日利亚截至2035 年的水产养殖业发展制定了4 条替代情景路径。Sun 等[9]预测了在3 种情景下，2020—2035 年中国塑料垃圾的产生趋势。刘永等[10]以邛海流域的环境规划为案例进行分析，设计了2005—2015 年的4 种情景，并利用系统动力学模型(SD)和不确定性模糊多目标模型(IFMOP)对情景进行了定量描述和分析。事实表明，情景分析在环境领域已经成为一种被广泛认可和使用的方法。物质流分析方法在资源管理、废物管理和环境管理中是一种非常有效的决策支持工具[11]。物质流分析的基础在于质量守恒，目的是量化特定物料在特定过程中的流动情况。Tasmeea等[12]利用物质流分析方法对孟加拉国城乡磷流进行了定量研究。Han 等[13]则利用贝叶斯-蒙特卡罗（Bayesian-Monte Carlo）模拟的物质流分析方法对我国磷流进行了系统分析。党春阁等[14]采用物质流分析方法研究了我国黄磷生产工艺的磷污染减排，并建立磷平衡图。综上，由于现实的复杂性和资源化方式的多样性，情景分析方法可作为探索未来餐厨垃圾厌氧发酵副产物资源化方式的有效手段，而物质流分析可以对资源化方式的全过程展开定量分析。

磷作为一种不可再生资源近年来得到了广泛关注[15]。探究餐厨垃圾厌氧消化副产物在不同处理情景中磷的利用情况，可为磷资源管理找到合适的路径提供支撑，此外对缓解餐厨垃圾处置导致的环境污染问题也具有重要的参考价值。

1 材料与方法

1.1 数据来源

物质流分析中涉及的养分含量、养分去向、排放系数等参数通过文献[16-24]获取。选取的文献以近5 年为主，但限于部分指标相关文献较少，因此部分数据超过5 年。为了避免该部分数据对论文的影响，在苏南地区进行了调研，发现该部分数据与目前市场数值相差较小，因此该部分数据可用。物质流分析过程以100 t 餐厨垃圾为基准，利用元素物质流分析方法开展不同情景物质流分析。水稻产量来自维尔利环保科技集团股份有限公司的现场试验，其中每hm2施49.5 t 沼液肥的水稻产量为7 800 kg；每hm2施7.5 t 沼渣肥的水稻产量为8 205 kg；每hm2施7.5 t 虫粪有机肥的水稻产量为8 730 kg。

1.2 情景分析方法

建立3 种餐厨垃圾资源化情景（图1）：情景1（S1），厌氧消化产生的沼液进行水处理，沼渣焚烧；情景2（S2），沼液还田，沼渣制有机肥；情景3（S3），沼液进行水处理，沼渣制有机肥。3 种情景中，餐厨垃圾预处理产生的有机残渣均用于蝇虫养殖，虫粪用于生产有机肥。

图1 不同餐厨垃圾资源化情景模型Fig.1 Scenario model for resource utilization of different kitchen waste

1.3 物质流分析方法

如图2 所示，总磷（TP）的流动分析贯穿餐厨垃圾处理全过程，即包括餐厨垃圾预处理残渣的处理和厌氧消化副产物的处理过程。堆肥过程关注物料和产品中的TP 含量，堆肥过程中由于工艺的差别会导致不同的TP 损失率，本研究中假定堆肥过程中磷不会损失，这是因为现代化的堆肥厂不同于传统的露天堆肥，因此径流导致的磷损失可以忽略不计。由于在现场试验中发现施肥前后土壤的TP 含量均下降，因此认为肥料输入的TP 除径流和淋滤损失外，其余全部被水稻吸收。

图2 不同情景养分流动模型Fig.2 Nutrient flow model of different scenarios

1.4 综合评价法

从资源化利用率和经济性能方面对3 种情景进行综合评价。资源化利用率是指回收的养分占原始物料养分的比例；经济性能分析基于现场调查的数据，仅指日常运维成本，不包括项目建设成本。

2 结果与讨论

2.1 餐厨垃圾处理物质流分析结果

各试验材料和不同沼渣、沼液处理情景的中间产物、产品的质量和营养浓度如表1 所示。

表1 试验材料、中间产物、产品和不同沼渣沼液处理情景中的质量和营养浓度Table 1 Quality and nutrient concentration of experimental materials,intermediate products,products and different biogas slurry treatment scenarios

2.1.1 餐厨垃圾处理质量流

餐厨垃圾质量流的输入包括100 t 餐厨垃圾和15 t 冲洗水，预处理后产生的浆液进行厌氧消化，产生了95.5 t 消化液，经固液分离后产生92.3 t 沼液和3.2 t 沼渣。此外，预处理还会产生1.9 t 的无机残渣、2.1 t 毛油和8 t 的三相残渣，无机残渣外运焚烧，毛油出售，三相残渣用于蝇虫养殖，大约产生1.68 t 虫粪，经好氧堆肥后产生0.27 t 虫粪有机肥出售。S1 中3.2 t 沼渣和沼液水处理产生的3.4 t 污泥全部焚烧，同时水处理设施还将产生88.3 t 水进入市政管网。S2 沼渣可以制备1.07 t 有机肥用于还田，沼液则全量还田。S3 沼渣制备1.07 t 有机肥用于还田，沼液水处理产生的3.4 t 污泥全部焚烧。

2.1.2 餐厨垃圾处理过程磷质量流

餐厨垃圾中的TP 流动如图3 所示。100 t 餐厨垃圾中的TP 质量为67.85 kg，经预处理得到的残渣中TP 质量为4.8 kg，有机残渣进行蝇虫养殖得到的虫粪中TP 质量为1.3 kg，虫粪进行堆肥得到有机肥中的TP 质量为0.99 kg，该有机肥被还田利用。厌氧消化产生的沼液中TP 质量为55.4 kg，进行沼液还田利用或进行水处理，进行水处理得到的污泥中TP 质量为54.7 kg。厌氧消化产生的沼渣中TP 质量为7.7 kg，沼渣进行焚烧或者堆肥，经堆肥得到的有机肥中TP 质量为7.7 kg。

图3 餐厨垃圾处理过程中TP 总量流动Fig.3 Total TP flow during the treatment of kitchen waste

2.1.3 餐厨垃圾处理全过程物质流分析

根据《水稻化肥施用限量标准》（征求意见稿），土壤高肥力情况下，一季水稻输入的磷推荐量48 kg/hm2。在此基础上利用物质流分析方法量化TP 的流动，结果如图4 所示。S1 餐厨垃圾中的TP 质量为67.85 kg，餐厨垃圾预处理残渣制得虫粪有机肥还田，包括TP 0.99 kg。对农田系统中的TP 流动进行分析，养分的投入包括虫粪肥料、大气沉降、种子带入的养分；输出包括水稻、养分的损失，最终有0.96 kg TP 进入水稻。

图4 不同情景餐厨废物资源化全过程TP 流动Fig.4 TP flow of the whole process of kitchen waste recycling in different scenarios

S2 餐厨垃圾中的TP 质量为67.85 kg，餐厨垃圾预处理残渣制得虫粪有机肥还田，厌氧消化产生的沼液作为液态肥还田，产生的沼渣制得有机肥还田，还田TP 共计64.05 kg。对农田系统中的TP 流动进行分析，养分的投入包括虫粪肥料、大气沉降、种子带入的养分；输出包括水稻、养分的损失，最终有62.10 kg TP 进入水稻。

S3 餐厨垃圾中的TP 含量为67.85 kg，餐厨垃圾预处理残渣制得虫粪有机肥还田，厌氧消化产生的沼渣制得有机肥还田，还田TP 共计8.67 kg。对农田系统中的TP 流动进行分析，养分的投入包括虫粪肥料、大气沉降、种子带入的养分；输出包括水稻、养分的损失，最终有8.49 kg TP 进入水稻。

2.2 餐厨垃圾处理性能分析

2.2.1 经济性能分析

餐厨垃圾厌氧消化、蝇虫养殖和虫粪有机肥生产在3 个情景中均有涉及，故在成本分析时不予考虑。表2 列出了本研究中利用的几种技术在苏南地区的平均成本和利润。其中，水处理成本中包含了水处理的费用和沼液脱盐的费用，在实际生产中这2 项支出各占1/2 左右。沼渣由生活垃圾焚烧厂处理，由于焚烧厂为公共设施，因此采用收费制度，300 元/t 包含运输和处置费用。

表2 经济性能分析指标Table 2 Economic performance analysis indicators

表3 中经济性能的分析均基于100 t 餐厨垃圾产生的厌氧消化副产物的处理。从表3 可看出，目前各项开支均为净支出，成本相对较高，尤其对于S1 和S3，仅从经济性能方面考察的话，几乎没有区别。但S2 经济性能较好，主要原因在于节约了大量的水处理费用和脱盐费用，当前由于尚未建立沼液交易市场，如果着眼于长期，市场和相关标准完善以后，S2 还将产生潜在的利润。因此，S2 的经济性能远优于传统的处理方案和基于传统优化后的方案。

表3 经济性能分析结果[25-26]Table 3 Economic performance analysis results

对S2 经济性能产生影响最大的为沼液还田处理成本及沼液还田处理量，因此在S2 的基础上，以二者为自变量进行敏感性分析，结果如表4 所示。其中沼液还田处理成本和沼液还田处理量分别以60 元/t、92.3 t 为中心上下20%浮动。从表4 可以看出，沼液处理的最小成本为3 542.4 元，最大为7 974.72 元。在沼渣堆肥处理量、处理成本、产品量及利润不变的情况下，S2 的最大净收益为−3 052.2元，最小净收益为−7 482.52 元。

表4 S2 沼液还田处理成本Table 4 Sensitivity analysis of S2 biogas slurry returning to the field 元

2.2.2 环境性能分析

沼液水处理过程会产生大量N、P 排放至水体，这在苏南地区尤其是环太湖地区是不可接受的。据统计，全球有机固废年产生量约为1 050亿t，但其有效处理率仅为2%。根据国际沼气协会统计，通过厌氧消化处理有机固废可实现碳减排约55 亿t/a，使全球碳排放量减少约10%。餐厨厌氧消化沼渣作为有机固废的重要部分，资源化利用是最优选择，同时沼渣焚烧也违背了碳减排理念，不利于“碳达峰、碳中和”目标的实现。因此从环境性能方面分析，S2 的沼液还田及沼渣堆肥仍是餐厨垃圾厌氧消化的最佳处理模式。

2.3 餐厨垃圾资源化优化模式综合评价

在本研究建立的3 种情景中，按照资源化利用率的情景排序为S2＞S3＞S1，其中S2 的资源化利用率达到了91.53%，远超S3 和S1 的12.51%和1.42%，资源化水平较高。按照经济性能，情景排序为S2＞S3＞S1，由2.2 节分析可知，S2 还具有尚未完全挖掘的市场潜力。综上考虑，S2 无论是从资源回收角度还是经济性能的角度均具备显著优势，该模式可作为将来餐厨垃圾处理的范式。