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欧阳创等:厨余垃圾处理技术现状与发展趋势

时间:2022-05-11 11:39

来源:上海环境卫生工程设计院

导读:

厨余垃圾是指居民日常生活及食品加工、餐厨服务、单位供餐等活动中产生的垃圾,包括家庭厨余垃圾、餐厨垃圾和其他厨余垃圾。具有高含水率和高有机质的特点,容易腐烂并产生恶臭,对城市居住环境和居民健康产生威胁。

随着国家垃圾分类政策的不断推进,目前46 个重点城市率先开展生活垃圾分类先行先试、示范引导,已经基本建成了生活垃圾分类投放、分类收集、分类运输、分类处理系统,多个中小城市也在逐步跟进推行垃圾分类工作。按照《关于在全国地级及以上城市全面开展生活垃圾分类工作的通知》要求,到2025年,全国地级及以上城市将基本建成生活垃圾分类处理系统。在垃圾分类过程中,厨余垃圾的分类收集量在多个地区已超过预期,厨余垃圾如何妥善地处理,已经成为当前继续推动生活垃圾分类工作非常重要的一环。

作者简介✦

欧阳创

硕士,高级工程师。现任上海环境院研究中心副总工程师。

徐小强

硕士,工程师。现任上海环境院工程所项目工程师。

一、上海市作为全国第一个实施强制垃圾分类的城市,随着工作深入推进,目前厨余垃圾产量和特性与分类前有什么显著变化?

据上海市绿化市容局公布的数据显示(表1所示),2019年7月,上海厨余(湿)垃圾分出量达到8200吨/天,较2018年年底增长了110%。2020年6月,上海厨余垃圾分出量达到9632吨/天,较2019年同期增长近40%,2021年湿垃圾产量平均已经超过1万吨/日,分类成效远远走在国内前端。预计上海厨余垃圾分出总量的峰值可以达到11300吨/天,其中家庭厨余占6800吨/天,餐厨垃圾3000吨/天,其他湿垃圾1500吨/天。

表1 2019~2020年上海市干、湿垃圾产量统计表

根据上海市垃圾特性调查数据显示,实施强制垃圾分类后,干垃圾的容重、含水率相比之前分别下降约36.80%和36.33%,干垃圾低位发热量上升约103.60%。与此同时,厨余垃圾组分变化比较大,含杂率降至1%左右,容重显著增大约235.56%,含水率增大37.11%,达到80%左右。

二、欧美等发达国家推行垃圾分类工作已久,目前这些地区厨余垃圾的主要处理方式是什么?

目前欧盟各成员国主要通过高价收购、投资补贴、减免税费和配额制度等可再生能源政策和措施推动厨余垃圾回收利用技术的发展,近十年来欧洲厨余垃圾处理主要以厌氧消化和堆肥为主,但规模均偏小(100吨/天以下),多为家庭厨余垃圾和餐厨垃圾混合处理,物料含固率高,杂质含量相对较少,有机质含量高。

美国对于厨余垃圾主要通过“食物捐赠计划”和安装厨余垃圾粉碎机等方式实现源头减量,末端处置途径主要通过填埋或焚烧,部分州也在推广堆肥项目。

日本厨余垃圾主要为制饲料和堆肥,其中制饲料技术要求需要高温灭菌。韩国厨余垃圾早年为堆肥,但存在盐分高和臭气难控制问题,目前发展趋势为厌氧消化处理。

图1 国外厨余垃圾主要处理方式

由图1可以看出,目前发达国家的厨余垃圾处理技术主要以厌氧消化为主,约占市场份额的9成左右。其主要原因是相比于堆肥等其他处理技术,厌氧消化技术更加环保和先进,受到业内的广泛关注,逐步形成一套成熟的产业链,进而得到市场的认可和推广。

三、我国生活垃圾分类工作还处于起步阶段,目前厨余垃圾处理的整体情况怎么样?

随着“十三五”国家大力推动生活垃圾分类政策,国内的厨余垃圾处理行业得到快速发展。截止到2020年底,国内已建成的厨余垃圾集中处理设施216座,处理能力3.9×104 吨/天;在建厨余垃圾处理设施197座,处理能力2.4×104 吨/天,共计6.3×104 吨/天,小规模分散式就地处理项目作为辅助处理措施,在国内也有大量的试点应用。

表2 国内部分已建厨余垃圾处理设施和处理工艺统计表

四、我国厨余垃圾处理的主要技术有哪些?

目前国内厨余垃圾处理技术主要包括好氧发酵制肥技术、厌氧消化技术、脱水协同焚烧技术和生物(黑水虻、家蝇等)转化技术等。根据数据统计显示,国内已建和在建厨余垃圾处理设施中,厌氧消化工艺约占总量的87.5%,其余工艺仅占12.5%。

(一)厌氧发酵

厌氧发酵是通过多种厌氧微生物(包括厌氧有机物分解菌/不产甲烷厌氧微生物、产甲烷菌等)的新陈代谢,将物料分解转化为甲烷、二氧化碳及发酵残余物(沼渣、沼液)。根据发酵原料固体含量的不同,厌氧发酵主要分为湿式厌氧发酵和干式厌氧发酵。湿式厌氧发酵的固体含量一般在15%以下,干式厌氧发酵装置内固体含量一般大于18%。二者工艺流程并没有显著区别,都是采用“预处理系统+干/湿式厌氧系统”,但两种工艺由于含固率不同,因此其反应器结构形式、停留时间、常用反应温度、沼气产生量等均有一定差异。实际运用中,湿式厌氧技术较干式技术成熟较多,目前国内已建成的厨余垃圾处理厂大部分都采用湿式厌氧技术,但近些年随着生活垃圾分类推进和技术不断成熟,采用干式厌氧发酵技术的项目也在增加。

图2 上海老港生物能源再利用项目技术路线

(干/湿式厌氧发酵)

(二)堆肥

堆肥也是一种常见的厨余垃圾资源化处理方式,其原理是:在可控条件下,利用微生物的降解作用,实现对厨余垃圾的分解、转化,生成水、土壤腐殖质,以及CO2等气体。根据堆制方式不同,堆肥工艺可分为场地堆积式堆肥和密闭装置式堆肥(生化机)。实际工程应用中,许多堆肥工艺在主发酵阶段采用密闭装置式堆肥工艺(生化机),而在次发酵阶段采用场地堆积式堆肥工艺。目前厨余垃圾肥料化产品在绿化、农/林应用尚处于起步阶段,缺少系统的质量评价体系,使得后续商业化推广应用难度较大。

图3 闵行餐厨废弃物资源化中心(一期)工艺流程

图4 厨余垃圾场地堆积式发酵

图5 分散式生化处理机

(三)生物转化技术

生物转化技术是通过昆虫生物转化厨余垃圾,保持蛋白质本质,可避免饲料化处理的“同源污染效应”弊端,消除安全隐患。生物转化技术常用黑水虻、蝇蛆等昆虫作为媒介,饲养产出的昆虫幼虫烘干后,可提取昆虫蛋白、昆虫油脂等。目前,采用黑水虻处理餐厨垃圾的技术路线较热,该技术涉及活体养殖,从大规模养殖的工程化角度来讲,还有很多需要研究和优化的地方。

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图6 老港湿垃圾生物(黑水虻)资源化示范项目处理工艺流程

五、下阶段我国厨余垃圾处理技术发展趋势是怎么样的?

从工程上来看,厨余垃圾集中处理设施和分散式处理设施需结合分类后厨余垃圾特性变化情况进一步优化论证工艺路线,特别在厌氧工艺的基础上重点研究有机固渣和沼渣的出路问题,提高项目资源化利用率。同时应重视厨余垃圾处理过程的臭气控制问题,加强控制措施。厨余垃圾成分的复杂性决定了使用单一的处理技术难以完成高效高产值处理,因此,对厨余垃圾进行组分分离、综合运用多项处理技术是必然的处理思路。

目前厨余垃圾处理技术发展主要还是围绕补齐厌氧发酵和好氧堆肥技术的短板。各种生物转化技术也越来越被重视,近几年发展较为迅速,但装备自动化程度、工艺稳定性、产品高值化利用还需要深入研究。一些新的处理技术发展主要围绕厨余垃圾成分的高值化提取利用为目标,做化工产品方向的较多,但主要也依托生物转化,如制备乙酸、乳酸、高级脂肪酸、聚合反应产超大分子材料(如凝胶材料)等,这些工艺多属于发酵,但目标产物不是产甲烷;围绕厨余垃圾主流工艺产生的衍生品的再利用,如沼渣肥料化产品研究外,也有开展沼渣与飞灰混凝制混凝土、沼渣为原料制乙醇、刨花板等、沼渣热解气化后制合成气、生物油和生物炭等研究;沼液的资源化利用,如回用生产乙醇、鸟粪石、液体肥等。

随着厨余垃圾资源化处理技术水平的不断提升与管理法规的日益完善,未来应继续围绕厨余垃圾处理开展多种技术融合实践与创新,最终实现厨余垃圾高效资源化利用及无害化处理的目标。

编辑:赵凡

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