厨余垃圾资源化及碳排放分析——以乌鲁木齐市为例

金 晶，吴梅花，张梓婧，蔺小怡

（新疆大学建筑工程学院，乌鲁木齐 830046）

厨余垃圾也叫作湿垃圾，即居民日常生活及食品加工、餐饮服务、单位供餐等活动中产生的垃圾，包括吃剩的果皮、食物残渣、蛋壳等[1]。随着我国城市化水平的提高，日常生活中厨余垃圾的产生量快速提升，2020年我国垃圾清运量约为23 512万t，虽较2019年的24 206万t稍有下降，但从历年数据来看，总体上仍然呈现上升趋势[2]。2018年，乌鲁木齐市垃圾清运量为162.48万t，其中厨余垃圾有2.83万t，占总清运量的1.74%[3]。厨余垃圾因含有大量有机物且含水量高而容易腐烂，若存储不当，便会腐烂发臭、滋生细菌。为了提高厨余垃圾处理效率，早日实现碳达峰碳中和目标，有必要对比分析现行厨余垃圾处理方式。

随着近年来生活水平的提高，我国生活垃圾产生量每年以8%以上的速度增加[4]。2012—2018年，乌鲁木齐市生活垃圾产生量增长率略有波动，2013—2015年三年的增长率均低于5%，其余四年的增长率均高于5%，增长率最高的2016年甚至达到8.59%，如表1所示。作为生活垃圾的重要组成部分，厨余垃圾占生活垃圾的比重逐年增高。目前，我国生活垃圾中有40%～60%的成分是厨余垃圾。表1数据显示，乌鲁木齐市历年厨余垃圾在生活垃圾中的占比都小于2%，距我国平均水平相差甚远。经分析，原因可能是居民垃圾分类意识比较淡薄，导致厨余垃圾占比极小。近年来，乌鲁木齐市加大投资力度，积极开展垃圾分类，厨余垃圾占比将会大幅增加[5]。如表2所示，乌鲁木齐市生活垃圾中，碳元素含量约为45%，氢元素含量约为7.75%，氧元素含量约为24.31%，氮元素含量约为0.67%，硫元素含量约为0.09%，氯元素含量约为0.76%[6]。

表1 乌鲁木齐市2011—2018年厨余垃圾产生量

表2 乌鲁木齐市厨余垃圾成分分析

2.1 卫生填埋

卫生填埋就是将要处理的垃圾填入洼地或大坑中，采取防渗、排水、导气等措施对填埋场进行防护处理[7]。填埋法操作简单，处理方便，技术成熟，但厨余垃圾含水量较高，大量渗滤液会在处理过程中生成。厨余垃圾成分复杂[8]，若处理不当，污染物就会影响地表水、地下水及土壤。此外，厨余垃圾填埋过程会快速释放大量CO2和CH4，加剧全球变暖。截至2021年，全国城市卫生填埋场中，约有一半都已满负荷运行，越来越多的填埋场被封场。传统的填埋方式影响时间长，这不利于可持续发展。垃圾填埋场占地面积大，地球空间有限，必须寻找更合适的代替方法[9]。

2.2 粉碎直排

粉碎直排是指厨余垃圾经厨房下水接口配置的机器粉碎后直接排入下水管网。目前，该方法在部分国家普遍使用，美国有90%以上的居民使用粉碎直排机，一些城市甚至强制使用，但此设备在中国的普及率不及1%[10]。粉碎直排法可以及时处理厨余垃圾，操作简单，防止垃圾丢弃和转运导致二次污染，研究表明，若提高粉碎直排机的普及率，可为污水处理厂增加碳源，改善水质营养平衡[11]。污水处理厂剩余污泥可通过厌氧消化实现能量转化和利用[12]。但是，油污结块会降低下水道的排水能力，增加污水处理厂的负荷，下水道的油污会产生污水和臭气，容易滋生病菌、蚊虫，导致疾病传播，同时难以避免二次污染[13]。下水管网中的油脂易被不法分子收集加工成地沟油，影响人们的生命健康[10]。粉碎直排法需要专业设备，经济成本相对较高。

2.3 堆肥

2.3.1 好氧堆肥

20世纪40年代，美国就开始对厨余垃圾进行堆肥处理。北欧一些地区强制要求使用厨余垃圾堆肥设备。日本也是较早推广厨余垃圾处理器的国家之一，2000年，日本颁布法律进一步鼓励家庭使用厨余垃圾堆肥处理器。未来，堆肥技术将在我国得到推广[14]。好氧堆肥是指人工控制水分、碳氮比和通风条件，借助微生物发酵作用和一系列物理化学反应，将不稳定的有机物转化为安全稳定的腐殖质。影响处理效果的因素有含水率、粒径、碳氮比、添加剂、温度、通风供氧和搅拌翻堆等[15]。目前，好氧堆肥都要借助小型生化处理器，该技术操作简单安全，不会产生其他垃圾，降低运输成本，避免运输污染。堆肥产品含有丰富的氮磷钾，可用于种植家庭蔬果植物。合格的堆肥产品不仅可以替代化肥，还能借助有机碳腐殖化实现固碳，符合当下节能减排的要求。但是，小型生化处理器需要加入膨松剂和菌剂，并且一般都有加热装置，运行成本较高[14]。研究发现，厨余垃圾好氧堆肥中，甲烷排放量为4.0 kg/t，N2O排放量为0.3 kg/t，加上收运过程的碳排放，碳排放总量为10～420 kg/t，泄漏的CH4为原始CH4的1%～10%，泄漏的N2O为原始N2O的0.5%～5.0%，最终好氧堆肥的净碳排放量为165 kg/t。就减少收运过程的碳排放而言，分散式好氧堆肥优于集中式好氧堆肥。最后，好氧堆肥一定要保证堆肥时间足够，达到有机质充分降解和腐殖化的要求，否则会导致大量温室气体的排放，堆肥产品因不稳定不能作为肥料[16]。

2.3.2 蚯蚓堆肥

蚯蚓堆肥是借助蚯蚓生理活动来提高厨余垃圾中原有微生物的活性，它可以加快有机物的分解和转化，极大地减少堆肥过程产生的异味[17]。蚯蚓堆肥操作相对简单，处理效果良好，运行成本较低，堆肥副产品蚯蚓也是优质的蛋白质饲料和生物医学材料。但是，它也有一定局限性，厨余垃圾中的油脂和高盐使蚯蚓生理活动受到限制，甚至使其严重退化，蚯蚓种类也不足，未来需要加强对蚯蚓适应性和品种的研究[18]。

2.4 焚烧

焚烧法是将厨余垃圾与其他垃圾或者一些可燃物混合，一起进行高温燃烧处理，经过处理后，厨余垃圾体积和质量分别至少减少85%和75%，减容减量效果十分显著[19]。目前，焚烧处理主要有2种方式。一是直接将厨余垃圾与其他可燃物或其他生活垃圾混合燃烧，但产生的热量没有得到回收利用。二是采用热电联产法，将厨余垃圾燃烧产生的热量回收利用，实现厨余垃圾的资源化。2011年，英国建成世界首个厨余垃圾焚烧发电厂，厨余垃圾日处理量达到12万t，并产生150万kW·h电能，但是目前厨余垃圾焚烧处理后外输电力的效率较低，仅为14%[3]，若输电效率有大幅提升，则焚烧发电将会有很大的进步。乌鲁木齐市于2020年建成一座近期日处理量为4 500 t、远期将增加至6 000 t的垃圾焚烧发电厂，该电厂每年发电量可达5.3亿kW·h，每年可节约20多万吨标准煤，减少2 100 t的NOx排放，减少3 360 t的SO2排放。

研究发现，若采用焚烧处理，可以减少碳排放1.2 kg/t，若能将热效率提升到60%并采用热电联产，碳减排量将大幅增加至148 kg/t，可以大幅降低碳排放[16]。然而，厨余垃圾焚烧处理亦存在一定的局限性。厨余垃圾不仅具有很高的含水率，而且含有很多的易腐有机物，其在很短的时间内便会腐烂和发酵降解，并且会产生大量的水分和腐臭，所以必须及时焚烧[20]。

2.5 压榨预处理+干组分焚烧+湿组分厌氧发酵

“压榨预处理+干组分焚烧+湿组分厌氧发酵”（简称组合处理技术）是一种新的组合处理模式。压榨预处理就是将厨余垃圾控制在60 795～101 325 kPa的高压中进行挤压分离，处理后产物主要由干组分（骨头、餐巾纸、一次性竹筷以及少量无机物）和湿组分（食物残渣、瓜皮果核、菜帮菜叶等）组成。湿组分质量约占分离前垃圾质量的2/3，干组分质量约占分离前垃圾质量的1/3。干组分（热值不小于1×103kJ/kg）可直接进入焚烧锅炉进行焚烧发电，湿组分先进行厌氧发酵，后使用发酵产物沼气进行发电，如图1所示。发酵产物处理后可作为肥料使用。研究发现，1 t干组分可以产生597.2 kW·h电能，1 t湿组分可以产生162 kW·h电能，经组合模式处理，CO2减排量可以达到947 kg/t[21]。

图1 组合处理技术工艺流程

2.6 转化能源

2.6.1 甲烷

厨余垃圾可以通过厌氧发酵来获得清洁能源甲烷。厌氧处理是指利用厌氧微生物分解厨余垃圾中的有机物，产生CH4和CO2[22-23]。厨余垃圾富含碳水化合物和蛋白质，越来越多的国家通过厨余垃圾厌氧处理生产甲烷[24]。影响处理效果的主要因素有3点。一是接种物的甲烷细菌数量和活性；
二是环境温度；
三是环境pH。欧洲是有机垃圾干式厌氧发酵产甲烷技术的起源地，法国、比利时、瑞士等国家技术较为成熟。我国厌氧发酵产甲烷技术起步较晚，尚不成熟。目前，较为成功的是杭州天子岭厨余垃圾处理厂，该厂利用厌氧消化来处理垃圾，并将产生的甲烷用来发电，仅2018年，该厂靠此项技术日处理垃圾190 t，沼气甲烷含量稳定在58.63%左右，利用沼气发电8.42×106kW·h[25]。研究发现，厌氧消化处理技术对垃圾的回收利用率为31%～42%，碳回收率高，碳排放呈负增长[18]。未来，若能大面积应用厌氧发酵技术，不仅能让垃圾得到有效利用，减少有害气体的排放，也有助于我国实现碳达峰碳中和目标。

2.6.2 生物柴油

研究显示，每吨厨余垃圾能够提炼2%～8%的废油脂[26]。其中的动植物油脂进行酯交换反应，产物进行分层和清洗处理，蒸发甲醇并通过干燥去除水分，得到生物柴油[27]。生物柴油是几乎不含硫、含氧量高、容易燃烧的一种可再生清洁能源，既满足当下碳减排控制要求，又可以缓解全球温室效应[28]。目前，生物柴油使用的制备工艺是超临界甲醇法，该工艺借助甲醇不需要催化剂就可与废油脂发生反应的性质，制备生物柴油[29]。该工艺不需要添加剂，不需要对产物进行过多处理，经济成本较低。该反应速率高，没有副产品生成，增加反应压力和反应温度，就可有效提高产量[30]。研究表明，该工艺产品符合我国0号柴油的标准，也符合部分国外生物柴油标准[31]。

2.6.3 乙醇

乙醇是一种碳排放量很低的清洁能源，可以采用同步糖化发酵技术处理厨余垃圾，从而制取乙醇。研究发现，每吨厨余垃圾可以制备153 L乙醇，运动发酵单胞菌产乙醇能力比酵母菌更强，耐酸性更好，更适合制备乙醇[32-33]。相比单一废纸底物发酵，将废纸和厨余垃圾混合发酵，乙醇产率提高近30%[34]。研究发现，热葡糖苷酶地芽孢杆菌处理厨余垃圾可以产生乙醇，产物乙醇浓度为18.40 g/L[35]。同步糖化发酵技术可有效地将厨余垃圾转化为能源燃料，使厨余垃圾得到再利用。该技术还需要不断优化，从而达到经济、高产的目的。

2.7 饲料化

厨余垃圾是当前极具开发潜力的饲料资源。厨余垃圾基数大，富含淀粉、脂肪、Ca、P等营养物质，具有较高的营养价值。厨余垃圾饲料化的历史悠久，我国过去将有营养的厨余垃圾直接喂猪，欧洲也有用剩饭剩菜喂狗、喂鸡的习惯[36]。目前，部分国家采取措施，禁止用同源性动物蛋白饲养同种动物。《餐厨垃圾处理技术规范》（CJJ 184—2012）要求，厨余垃圾饲料化时必须对病原菌进行灭杀[18]。厨余垃圾应用前景不容小觑，经过严格处理，它可以用于生产非反刍类饲料。厨余垃圾饲料化主要有两种方法。生物法借助微生物发酵制备发酵饲料，厨余垃圾粗蛋白和粗脂肪含量差别大，采用油水分离技术分离厨余垃圾中的粗脂肪，以减少绝干物质中粗脂肪含量，干厨余垃圾粉碎后借助微生物发酵制作蛋白饲料，此方法可以很好地利用厨余垃圾的营养成分，但制作工艺较为复杂，处理时间较长。物理法是指先进行预处理，后经过一系列物理处理制备干饲料。研究显示，物理法干热消毒所需时间较长，温度较高，对营养物质的破坏显著。物理法还需要配备专门的设备进行脱脂，大大提高了生产成本[37]。湿热法属于物理法，但它是一种改进型厨余垃圾处理方法，可以大大降低油脂和盐的含量，满足卫生安全要求，同时确保营养成分不流失。湿热法处理厨余垃圾的市场潜力巨大，生产成本低，适用范围广，可行性很高[38]。

据统计，2020年，新疆有13.3%和85.8%的生活垃圾采用焚烧和填埋处理，但是填埋处理并没有发挥垃圾的资源潜力，若仅从减碳效果来看，组合处理技术无疑是最好的选择，如表3所示。以2018年为例，若大力推行垃圾分类，乌鲁木齐市厨余垃圾在生活垃圾中的比重提升到全国中间值（50%），将会产生81.24万t厨余垃圾。采用组合处理技术，可减少碳排放约77万t，为碳达峰碳中和做出巨大贡献。

表3 不同处理方法的优缺点比较

未来，乌鲁木齐市厨余垃圾产生量将大幅增加，其有机物含量多，若处理不当，将会对环境造成危害。现行的厨余垃圾处理工艺主要有卫生填埋、粉碎直排、堆肥、焚烧、饲料化和组合处理技术，未来，资源化处理将得到极大的发展。若输电效率有大幅提升，焚烧法将有不错的前景。组合处理技术和焚烧法（热电联产）具有很好的碳减排效果，将会得到长足发展。未来，焚烧发电+少部分填埋将是乌鲁木齐市主要的垃圾处理方式，焚烧发电可考虑向组合处理方式转型，以提高厨余垃圾的资源化水平，助力实现碳达峰碳中和目标。

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