名稱：我國廚余垃圾處理模式的綜合比較和優(yōu)化策略
廚余垃圾是生活垃圾分類工作的重點和難點。如何選擇廚余垃圾處理模式以實現環(huán)境、經濟效益的最大化是生活垃圾分類工作中的一個關鍵問題。本文以回收利用率、碳排放和全周期費用為衡量指標，綜合比較了混合焚燒、厭氧消化、好氧堆肥和飼料化4種廚余垃圾處理模式。
1.1 回收利用率。廚余垃圾有機質可以部分轉化為肥料、飼料或能量，為了便于對不同技術進行比較，按式（1）計算回收利用率，其包括了物質回收和能量回收。
式中：R為回收利用率，%；MR為回收產物中來自于廚余垃圾的質量，kg·t-1；MFW為廚余垃圾干固體總質量，kg·t-1；ER為從廚余垃圾中回收的能量，kJ·t-1；EFW為廚余垃圾干固體的生物質能，kJ·t-1。根據式（1），可以計算4種廚余垃圾處理模式的回收利用率。
1.2 碳排放。廚余垃圾中的碳均為生物源碳，其轉化生成的CO2不計入碳排放。碳排放來自于收運處理過程中消耗外部能量、物質引起的間接碳排放，而碳減排效應來自于系統輸出的產品或能量產生的替代效應。同時，處理過程中溫室氣體CH4和N2O的泄漏也會導致碳排放。
式中：EC為系統總碳排放，kg·t-1；ECextra為處理過程中消耗能源、藥劑等帶來的附加碳排放，kg·t-1；ECleak為處理過程中泄漏的溫室氣體的碳排放當量，kg·t-1；Poutput為系統產物，fp為系統產物所替代的能量或產品的單位碳排放。
1.3 全周期費用。廚余垃圾分類系統涉及投放、收運、處理處置和監(jiān)管等環(huán)節(jié)，不同區(qū)域、不同設施、不同運行水平的廚余垃圾全周期費用會有較大差異。對于管理部門，財政支出是其制定廚余垃圾管理策略的重要依據。因此，該部分不對各個環(huán)節(jié)企業(yè)的運營成本進行財務分析，而是直接參考多個城市管理部門的調研數據，對廚余垃圾處理模式進行全周期費用的比較。
結果與討論
2.1 回收利用率分析
混合焚燒的回收利用率主要受廚余垃圾含固率和系統熱效率的影響。廚余垃圾進入焚燒廠后，在儲坑排出部分水分，含水率從80%降至70%，該條件下的回收利用率僅為9%。這是因為，廚余垃圾干基熱值遠低于橡塑、紙類等，而且含有大量水分。實際上，廚余垃圾焚燒的外輸電量僅76 kWh·t-1。即使廚余垃圾含水率進一步降低至60%，回收利用率也僅提升至11%。要提升回收利用率，還必須提升焚燒系統的熱效率；如果熱效率為60%，則回收利用率可以達到29%，但這需要焚燒廠周邊有穩(wěn)定的熱需求。
對于厭氧消化處理，油脂回收量取決于廚余垃圾特性，而整個處理系統的回收利用率主要受有機質降解率和沼氣發(fā)電熱效率的影響。如廚余垃圾有機質降解率為70%，則沼氣產率為115 m3·t-1。每t廚余垃圾產生廢液（含沼液和廠區(qū)其他外排廢水）約0.92 t，含有機質7 kg；產生沼渣210 kg，含有機質為42 kg，其余為水分。假設無機質10 kg全部進入沼液，而工藝消耗的藥劑不計入質量平衡，則系統物質流如圖1所示。廚余垃圾厭氧消化廠的上網電量為204 kWh·t-1，沼渣在焚燒廠外輸電量為14 kWh·t-1，共外輸電力218 kWh·t-1，整個系統的回收利用率為36%，顯著高于焚燒處理。當廚余垃圾有機質降解率為65%~75%、綜合熱效率為30%~40%、CH4泄漏率為0.5%~5%，則系統的回收利用率在31%~42%之間波動。
廚余垃圾厭氧消化過程中的物質流
廚余垃圾好氧堆肥時，大部分有機質礦化為二氧化碳和水，少部分腐殖化進入堆肥產物。典型條件下，廚余垃圾中70%的有機質降解，同時含水率從80%降低至40%（以滿足堆肥產品要求），這樣得到的堆肥產物為112 kg·t-1（其中干固體為67 kg·t-1），即產率為11%。在這種條件下，好氧堆肥的回收利用率為34%。當廚余垃圾有機質降解率為65%~75%時，回收利用率為29%~38%。
廚余垃圾干熱處理時，有少量有機質損失，而大部分干固體進入到飼料產品中。干熱處理的回收利用率為80%~95%。因此，干熱處理這種短流程的物理加工方式可以最大限度的利用有機質。當采用微生物或昆蟲幼體處理廚余垃圾時，微生物和昆蟲幼體本身會消耗有機質，同時在產物分離過程中會有一定的質量損失，所以回收利用率會有所下降。
不同廚余垃圾處理模式的回收利用率總結在圖2中。飼料化具有最高的回收利用率，這是由于干熱處理最大限度地利用了廚余垃圾有機質。厭氧消化的回收利用率略高于好氧堆肥，這是由于厭氧條件下有機質轉化為甲烷，但甲烷利用率較低；而好氧條件下大量有機質被礦化為二氧化碳。與焚燒處理相比，厭氧消化系統轉化有機質的效率略高，同時無需蒸發(fā)水分，而且自用電比例更低，因此具有更高的回收利用率。如果厭氧消化系統有機質降解率降低，則進入到沼渣的有機質變多，由于焚燒發(fā)電的效率較低，則系統的回收利用率會下降。如果厭氧消化系統不進行沼氣發(fā)電，而是直接外輸沼氣或甲烷，則可以避免沼氣發(fā)電環(huán)節(jié)的損耗，提高系統的回收利用率。
不同廚余垃圾處理模式的回收利用率
2.2 碳排放分析
廚余垃圾焚燒后可以向外輸電，同時焚燒系統（包括運輸、滲濾液處理、飛灰處理、爐渣處理、煙氣治理等）中輸入的材料、能量和水等會帶來附加碳排放。在典型條件下，餐廚垃圾焚燒處理后外輸電力的效率僅14%，即76 kWh·t-1，對應碳減排量為67 kg·t-1；扣除收運過程、自身消耗能量與材料、滲濾液處理產生的碳排放后，廚余垃圾焚燒處理的碳排放為−1.2 kg·t-1，碳減排效應可忽略不計。如通過熱電聯產提高熱效率至60%，則廚余垃圾焚燒處理的碳排放為−148 kg·t-1，具有顯著的碳減排效應。
廚余垃圾厭氧消化時，系統總的外輸電力為218 kWh·t-1，生物柴油產量為20 kg·t-1，前者通過替代效應實現碳減排192 kg·t-1，后者實現碳減排62 kg·t-1。上述效應加和，同時考慮收運過程碳排放、系統附加碳排放和泄漏引起的碳排放，系統總的碳排放為−104 kg·t-1。當廚余垃圾有機質降解率為60%~90%、綜合熱效率為30%~40%、CH4泄漏率為0.5%~5%時，系統的碳排放為−65~−209 kg·t-1。
與焚燒和厭氧消化相比，好氧堆肥不僅可以替代化肥，還可以通過有機碳腐殖化實現固碳，總的碳減排效應為105 kg·t-1。然而，好氧堆肥過程中溫室氣體泄漏較多，疊加收運過程的碳排放，廚余垃圾好氧堆肥的凈碳排放為165 kg·t-1。當有機質降解率為65%~75%、CH4泄漏率為碳含量的1%~5%、N2O泄漏率為氮的0.5%~5%時，系統的碳排放為10~420 kg·t-1。
廚余垃圾干熱處理加工飼料時，碳排放主要來自于加熱能耗，不同能源的碳排放差異較大。當采用天然氣供熱，飼料產率為80%~95%時，系統的碳排放為−67~−112 kg·t-1，具有顯著的碳減排效應。如果采用電加熱，則碳排放將大幅增加；反之，如果可以利用余熱加工廚余垃圾，或者利用相對干燥的食品廢棄物作為原料，則可以進一步減少碳排放。
根據上述分析，不同廚余垃圾處理模式的碳排放如圖3所示。在廚余垃圾處理過程中，附加碳排放一般不到50 kg·t-1，收運過程的碳排放也相對較小，因此系統熱效率、有機質降解率和溫室氣體泄漏率是影響不同處理模式碳排放的主要因素。飼料化和厭氧消化具有最好的碳減排效應，而混合焚燒的碳減排效應可忽略不計。好氧堆肥受到溫室氣體泄漏的影響，會產生較多的碳排放，當堆肥工藝運行良好，無CH4和N2O排放時，好氧堆肥可產生碳減排效應。
不同廚余垃圾處理模式的碳排放量
2.3 費用分析
1）投放費用。根據深圳數據分析，垃圾投放費用為38元·t-1，督導費用為48元·t-1；與北京市結果相近。因此，分類投放的總費用為86元·t-1。
2）收運費用。深圳廚余垃圾的平均收運費用按275元·t-1計，上海收運費用約為290元·t-1，而杭州農村地區(qū)的平均收運費用為284元·t-1，均與深圳接近。
3）處理費用。深圳市生活垃圾混合焚燒補貼（含垃圾處理費和發(fā)電補貼）平均為280元·t-1，與上海市補貼費用類似，但一些三四線城市的補貼較低。深圳市廚余垃圾處理補貼為284元·t-1，而上海為270元·t-1，杭州市為207元·t-1，太原為220元·t-1，北京豐臺項目為308元·t-1（含收運）。本文按284元·t-1計算，當然企業(yè)的實際運行費用會不同程度地低于該值。
4）宣教監(jiān)管費用。以深圳市為例，宣教費用約25元·t-1，分類監(jiān)管費用約6元·t-1，處理監(jiān)管費用約1元·t-1，合計32元·t-1。當采用混合收運模式時，僅有處理過程的監(jiān)管費用，即1元·t-1。
不同廚余垃圾處理模式的政府支出匯總如圖4所示。可以看出，混合焚燒的全周期費用最低，而分類處理的全周期費用高出125元·t-1。這主要是由于垃圾分類增加了前端投放督導和宣教監(jiān)管費用，此外收運費用也略高于混合焚燒。除上述費用外，垃圾收運處理設施也會占用一定的土地，由于占地面積和工藝路線、設計方案有關，同時土地費用差別很大，這里不計入比較。
不同廚余垃圾處理模式的全周期費用
2.4 綜合比較
根據前述分析，雖然分類收集處理的全周期費用較高，但這些費用主要來自于垃圾分類工作開始階段的宣教、監(jiān)管支出，一旦分類體系成熟，這部分費用可以降低乃至取消；另一方面，廚余垃圾分類具有顯著的環(huán)境效益，因此廚余垃圾適宜分類處理。在分類體系下，源頭減量如光盤行動、源頭瀝水等措施不需要額外的費用、能耗和材料，也可以顯著提升整個系統的表現，因此是最優(yōu)策略。對于產出的廚余垃圾，在各類處理模式中，飼料化的回收利用率最高且碳減排效應顯著。厭氧消化具有較高的回收利用率和最大的碳減排效應，但厭氧消化設施應穩(wěn)定運行，以保證較高的有機質降解率，否則系統表現會顯著下降。好氧堆肥的回收利用率與厭氧消化相當，但在無法確保充分好氧的條件下，會形成CH4和N2O排放，造成較高的碳排放。
相對而言，混合焚燒比好氧堆肥更易控制，可以避免溫室氣體泄漏。雖然垃圾焚燒余熱發(fā)電的回收利用率較差，但如果采用熱電聯產，則可以實現更多的碳減排。對于廚余垃圾厭氧消化和其他垃圾焚燒構成的綜合處理體系，廚余垃圾分出可以提高其他垃圾的焚燒效率。這符合高含水率、低熱值垃圾進行厭氧消化，而低含水率、高熱值垃圾進行焚燒處理的理想情形。因此，當新建焚燒設施時，應充分考慮廚余垃圾分出后其他垃圾水分減少、熱值上升的情況；而對于已有的焚燒設施，為了保證進爐垃圾熱值處于最優(yōu)范圍，進爐垃圾中廚余垃圾含量在30%左右為宜。這樣，廚余垃圾的管理策略如圖5所示。
