餐廚垃圾厭氧消化過程養分綜合利用研究

周海云，張桐，邊博，袁思佳，劉波，楊珍珍，顧凰琳

1.江蘇省環境工程技術有限公司

2.南京師范大學環境學院

3.江蘇省環保集團有限公司

4.江蘇省重點行業減污降碳協同控制工程研究中心

隨著餐飲行業的快速發展，餐廚垃圾的產量也在快速增加[1]。據統計，我國主要城市年餐廚垃圾產生量高于6 000 萬t[2]。餐廚垃圾制備生物有機肥可提升土壤固碳能力，提高土壤養分利用的有效性，從而提升耕地土壤質量，減少化肥施用量，是我國貧瘠黃褐土改良的有效施肥模式[3]。目前，厭氧消化是國內餐廚垃圾處理的主流工藝[4]，但對餐廚垃圾中的有機質降解率偏低（約40%～60%），造成磷、氮等資源的浪費[5]。在厭氧消化前段加入預處理逐漸流行，濕熱預處理可以改變餐廚廢物中碳水化合物、蛋白質和脂肪的理化性質，影響其厭氧發酵產氫產酸類型，達到改善餐廚廢物厭氧發酵產氫效能的目的[6]，但其消化殘余物產量大、有機物含量高、微量元素豐富，若不加以妥善利用和處置，不僅會造成大量有機營養元素的流失，還會給環境帶來二次污染。

未來的研究和技術發展包含著大量的可能性，情景則是對這種可能狀態和發展的描述[7]。Yakubu等[8]采用情景模擬，為尼日利亞截至2035 年的水產養殖業發展制定了4 條替代情景路徑。Sun 等[9]預測了在3 種情景下，2020—2035 年中國塑料垃圾的產生趨勢。劉永等[10]以邛海流域的環境規劃為案例進行分析，設計了2005—2015 年的4 種情景，并利用系統動力學模型(SD)和不確定性模糊多目標模型(IFMOP)對情景進行了定量描述和分析。事實表明，情景分析在環境領域已經成為一種被廣泛認可和使用的方法。物質流分析方法在資源管理、廢物管理和環境管理中是一種非常有效的決策支持工具[11]。物質流分析的基礎在于質量守恒，目的是量化特定物料在特定過程中的流動情況。Tasmeea等[12]利用物質流分析方法對孟加拉國城鄉磷流進行了定量研究。Han 等[13]則利用貝葉斯-蒙特卡羅（Bayesian-Monte Carlo）模擬的物質流分析方法對我國磷流進行了系統分析。黨春閣等[14]采用物質流分析方法研究了我國黃磷生產工藝的磷污染減排，并建立磷平衡圖。綜上，由于現實的復雜性和資源化方式的多樣性，情景分析方法可作為探索未來餐廚垃圾厭氧發酵副產物資源化方式的有效手段，而物質流分析可以對資源化方式的全過程展開定量分析。

磷作為一種不可再生資源近年來得到了廣泛關注[15]。探究餐廚垃圾厭氧消化副產物在不同處理情景中磷的利用情況，可為磷資源管理找到合適的路徑提供支撐，此外對緩解餐廚垃圾處置導致的環境污染問題也具有重要的參考價值。

1 材料與方法

1.1 數據來源

物質流分析中涉及的養分含量、養分去向、排放系數等參數通過文獻[16-24]獲取。選取的文獻以近5 年為主，但限于部分指標相關文獻較少，因此部分數據超過5 年。為了避免該部分數據對論文的影響，在蘇南地區進行了調研，發現該部分數據與目前市場數值相差較小，因此該部分數據可用。物質流分析過程以100 t 餐廚垃圾為基準，利用元素物質流分析方法開展不同情景物質流分析。水稻產量來自維爾利環?？萍技瘓F股份有限公司的現場試驗，其中每hm2施49.5 t 沼液肥的水稻產量為7 800 kg；每hm2施7.5 t 沼渣肥的水稻產量為8 205 kg；每hm2施7.5 t 蟲糞有機肥的水稻產量為8 730 kg。

1.2 情景分析方法

建立3 種餐廚垃圾資源化情景（圖1）：情景1（S1），厭氧消化產生的沼液進行水處理，沼渣焚燒；情景2（S2），沼液還田，沼渣制有機肥；情景3（S3），沼液進行水處理，沼渣制有機肥。3 種情景中，餐廚垃圾預處理產生的有機殘渣均用于蠅蟲養殖，蟲糞用于生產有機肥。

圖1 不同餐廚垃圾資源化情景模型Fig.1 Scenario model for resource utilization of different kitchen waste

1.3 物質流分析方法

如圖2 所示，總磷（TP）的流動分析貫穿餐廚垃圾處理全過程，即包括餐廚垃圾預處理殘渣的處理和厭氧消化副產物的處理過程。堆肥過程關注物料和產品中的TP 含量，堆肥過程中由于工藝的差別會導致不同的TP 損失率，本研究中假定堆肥過程中磷不會損失，這是因為現代化的堆肥廠不同于傳統的露天堆肥，因此徑流導致的磷損失可以忽略不計。由于在現場試驗中發現施肥前后土壤的TP 含量均下降，因此認為肥料輸入的TP 除徑流和淋濾損失外，其余全部被水稻吸收。

圖2 不同情景養分流動模型Fig.2 Nutrient flow model of different scenarios

1.4 綜合評價法

從資源化利用率和經濟性能方面對3 種情景進行綜合評價。資源化利用率是指回收的養分占原始物料養分的比例；經濟性能分析基于現場調查的數據，僅指日常運維成本，不包括項目建設成本。

2 結果與討論

2.1 餐廚垃圾處理物質流分析結果

各試驗材料和不同沼渣、沼液處理情景的中間產物、產品的質量和營養濃度如表1 所示。

表1 試驗材料、中間產物、產品和不同沼渣沼液處理情景中的質量和營養濃度Table 1 Quality and nutrient concentration of experimental materials,intermediate products,products and different biogas slurry treatment scenarios

2.1.1 餐廚垃圾處理質量流

餐廚垃圾質量流的輸入包括100 t 餐廚垃圾和15 t 沖洗水，預處理后產生的漿液進行厭氧消化，產生了95.5 t 消化液，經固液分離后產生92.3 t 沼液和3.2 t 沼渣。此外，預處理還會產生1.9 t 的無機殘渣、2.1 t 毛油和8 t 的三相殘渣，無機殘渣外運焚燒，毛油出售，三相殘渣用于蠅蟲養殖，大約產生1.68 t 蟲糞，經好氧堆肥后產生0.27 t 蟲糞有機肥出售。S1 中3.2 t 沼渣和沼液水處理產生的3.4 t 污泥全部焚燒，同時水處理設施還將產生88.3 t 水進入市政管網。S2 沼渣可以制備1.07 t 有機肥用于還田，沼液則全量還田。S3 沼渣制備1.07 t 有機肥用于還田，沼液水處理產生的3.4 t 污泥全部焚燒。

2.1.2 餐廚垃圾處理過程磷質量流

餐廚垃圾中的TP 流動如圖3 所示。100 t 餐廚垃圾中的TP 質量為67.85 kg，經預處理得到的殘渣中TP 質量為4.8 kg，有機殘渣進行蠅蟲養殖得到的蟲糞中TP 質量為1.3 kg，蟲糞進行堆肥得到有機肥中的TP 質量為0.99 kg，該有機肥被還田利用。厭氧消化產生的沼液中TP 質量為55.4 kg，進行沼液還田利用或進行水處理，進行水處理得到的污泥中TP 質量為54.7 kg。厭氧消化產生的沼渣中TP 質量為7.7 kg，沼渣進行焚燒或者堆肥，經堆肥得到的有機肥中TP 質量為7.7 kg。

圖3 餐廚垃圾處理過程中TP 總量流動Fig.3 Total TP flow during the treatment of kitchen waste

2.1.3 餐廚垃圾處理全過程物質流分析

根據《水稻化肥施用限量標準》（征求意見稿），土壤高肥力情況下，一季水稻輸入的磷推薦量48 kg/hm2。在此基礎上利用物質流分析方法量化TP 的流動，結果如圖4 所示。S1 餐廚垃圾中的TP 質量為67.85 kg，餐廚垃圾預處理殘渣制得蟲糞有機肥還田，包括TP 0.99 kg。對農田系統中的TP 流動進行分析，養分的投入包括蟲糞肥料、大氣沉降、種子帶入的養分；輸出包括水稻、養分的損失，最終有0.96 kg TP 進入水稻。

圖4 不同情景餐廚廢物資源化全過程TP 流動Fig.4 TP flow of the whole process of kitchen waste recycling in different scenarios

S2 餐廚垃圾中的TP 質量為67.85 kg，餐廚垃圾預處理殘渣制得蟲糞有機肥還田，厭氧消化產生的沼液作為液態肥還田，產生的沼渣制得有機肥還田，還田TP 共計64.05 kg。對農田系統中的TP 流動進行分析，養分的投入包括蟲糞肥料、大氣沉降、種子帶入的養分；輸出包括水稻、養分的損失，最終有62.10 kg TP 進入水稻。

S3 餐廚垃圾中的TP 含量為67.85 kg，餐廚垃圾預處理殘渣制得蟲糞有機肥還田，厭氧消化產生的沼渣制得有機肥還田，還田TP 共計8.67 kg。對農田系統中的TP 流動進行分析，養分的投入包括蟲糞肥料、大氣沉降、種子帶入的養分；輸出包括水稻、養分的損失，最終有8.49 kg TP 進入水稻。

2.2 餐廚垃圾處理性能分析

2.2.1 經濟性能分析

餐廚垃圾厭氧消化、蠅蟲養殖和蟲糞有機肥生產在3 個情景中均有涉及，故在成本分析時不予考慮。表2 列出了本研究中利用的幾種技術在蘇南地區的平均成本和利潤。其中，水處理成本中包含了水處理的費用和沼液脫鹽的費用，在實際生產中這2 項支出各占1/2 左右。沼渣由生活垃圾焚燒廠處理，由于焚燒廠為公共設施，因此采用收費制度，300 元/t 包含運輸和處置費用。

表2 經濟性能分析指標Table 2 Economic performance analysis indicators

表3 中經濟性能的分析均基于100 t 餐廚垃圾產生的厭氧消化副產物的處理。從表3 可看出，目前各項開支均為凈支出，成本相對較高，尤其對于S1 和S3，僅從經濟性能方面考察的話，幾乎沒有區別。但S2 經濟性能較好，主要原因在于節約了大量的水處理費用和脫鹽費用，當前由于尚未建立沼液交易市場，如果著眼于長期，市場和相關標準完善以后，S2 還將產生潛在的利潤。因此，S2 的經濟性能遠優于傳統的處理方案和基于傳統優化后的方案。

表3 經濟性能分析結果[25-26]Table 3 Economic performance analysis results

對S2 經濟性能產生影響最大的為沼液還田處理成本及沼液還田處理量，因此在S2 的基礎上，以二者為自變量進行敏感性分析，結果如表4 所示。其中沼液還田處理成本和沼液還田處理量分別以60 元/t、92.3 t 為中心上下20%浮動。從表4 可以看出，沼液處理的最小成本為3 542.4 元，最大為7 974.72 元。在沼渣堆肥處理量、處理成本、產品量及利潤不變的情況下，S2 的最大凈收益為?3 052.2元，最小凈收益為?7 482.52 元。

表4 S2 沼液還田處理成本Table 4 Sensitivity analysis of S2 biogas slurry returning to the field 元

2.2.2 環境性能分析

沼液水處理過程會產生大量N、P 排放至水體，這在蘇南地區尤其是環太湖地區是不可接受的。據統計，全球有機固廢年產生量約為1 050億t，但其有效處理率僅為2%。根據國際沼氣協會統計，通過厭氧消化處理有機固廢可實現碳減排約55 億t/a，使全球碳排放量減少約10%。餐廚厭氧消化沼渣作為有機固廢的重要部分，資源化利用是最優選擇，同時沼渣焚燒也違背了碳減排理念，不利于“碳達峰、碳中和”目標的實現。因此從環境性能方面分析，S2 的沼液還田及沼渣堆肥仍是餐廚垃圾厭氧消化的最佳處理模式。

2.3 餐廚垃圾資源化優化模式綜合評價

在本研究建立的3 種情景中，按照資源化利用率的情景排序為S2＞S3＞S1，其中S2 的資源化利用率達到了91.53%，遠超S3 和S1 的12.51%和1.42%，資源化水平較高。按照經濟性能，情景排序為S2＞S3＞S1，由2.2 節分析可知，S2 還具有尚未完全挖掘的市場潛力。綜上考慮，S2 無論是從資源回收角度還是經濟性能的角度均具備顯著優勢，該模式可作為將來餐廚垃圾處理的范式。

3 結論

（1）以100 t 餐廚垃圾計，TP 質量為67.85 kg。S1 餐廚垃圾中有0.99 kg TP 還田，0.96 kg TP 進入水稻；S2 有64.05 kg TP 還田，62.10 kg TP 進入水稻；S3 有8.67 kg TP 還田，8.49 kg TP 進入水稻。

（2）S2 的資源化利用率達到91.53%，遠超S3的12.51%和S1 的1.42%，其資源化水平較高；此外S1 和S3 成本相對較高，而S2 在經濟性能方面遠優于傳統的處理方案和基于傳統優化后的方案。

（3）基于資源化利用率、經濟及環境性能評價的結果，建議將S2，即沼液還田、沼渣堆肥作為將來餐廚垃圾處理可推廣的模式。