餐廚與垃圾焚燒一體化協同設計工藝研究及現場應用分析

（1．光大生態環境設計研究院有限公司，江蘇 南京 211106；2．光大環保（中國）有限公司，廣東 深圳 518000）

0 前言

目前餐廚垃圾數量日益增多，在環保嚴要求的背景下，餐廚垃圾必須進行資源化、無害化處理。目前我國餐廚處理廠大多數為獨立設廠，廠區布置凌亂；臭氣難以消納，廠區氣味較重；廢渣需外運填埋，占用大量土地資源；臭氣與廢水均需自行處理，配套環保設施較多。產生的沼氣多數用于沼氣鍋爐或沼氣發電機，但是由于沼氣鍋爐蒸汽產量過剩以及沼氣發電機運行不穩定等問題，部分沼氣甚至直接進火炬放空燃燒，造成資源浪費；因此獨立項目衛生環境較差且整體投資和運行成本較高。

為了解決上述問題，該文提出了餐廚處理項目與生活垃圾焚燒項目“同址合建”一體化協同處理技術方案，目前該技術方案在國內為尚未見相關報道。為探究該技術方案，我司選擇了光大海鹽綠能環保項目進行示范應用，該項目建設規模為日處理餐廚廢棄物150 t（一期75 t/d，預留二期75 t/d）、城市生活垃圾1 200 t（一期800 t/d，預留二期400 t/d）。餐廚采用“預處理+固液分離提油+高溫全混厭氧消化+殘渣入爐焚燒+沼氣入爐”的主工藝流程，附屬系統有餐廚垃圾收運系統、除臭系統、沼氣儲存和廢水處理等。生活垃圾采用機械爐排焚燒爐+中溫次高壓余熱鍋爐+凝汽式汽輪發電機組發電主體工藝，附屬系統煙氣凈化采用 “SNCR（選擇性非催化還原脫硝）＋旋轉噴霧半干法＋干法脫酸+活性炭噴射吸附＋布袋除塵器+SCR（選擇性催化還原脫硝）+濕法脫酸＋GGH（煙氣再加熱）”的工藝，滲濾液系統采用“預處理+初沉池+調節+厭氧+消化反硝化（A/O）+超濾（UF）+納濾（NF）+反滲透（RO），濃水采用碟管式反滲透（DTRO）”的工藝。通過將餐廚與垃圾焚燒同廠房布置，餐廚厭氧廢水與垃圾滲濾液共用污水處理站，實現餐廚與垃圾焚燒在能源物料上的“你來我往”和技術上的“互聯互通”。目前運行效果以及經濟效益良好，為后期餐廚項目的推廣提供了成功的技術支撐。

1 研究應用方案

1.1 一體化協同廠區布置

采用餐廚處理與生活垃圾焚燒“同址合建”方式，餐廚廢棄物處理間布置在生活垃圾卸料平臺下方，與垃圾焚燒同廠房布置，餐廚廢水與垃圾滲濾液共用污水處理站；餐廚全混厭氧罐與污水站厭氧罐同區域布置。共用廠區物流入口、道路、地磅房及地磅；辦公樓、宿舍樓、食堂等。相比獨立項目可以避免重復建設，節約土地費用，降低運營成本。垃圾卸料平臺下方餐廚車間布置圖如圖1 所示；餐廚厭氧罐與污水站厭氧罐同區域布置圖如圖2 所示。

圖1 餐廚車間

圖2 厭氧罐區

1.2 一體化協同生產管理

獨立餐廚項目必須獨立設置管理、運行、維護和后勤等崗位，人員編制較多，運行管理成本較高。由于該項目部分生產系統及設施（辦公、宿舍、食堂）共用，可以減少相關人員編制，降低管理成本，提高管理效率。

1.3 一體化協同能源物料

該項目餐廚處理與垃圾焚燒之間一體化協同實現了原料上的“你來我往”和技術上的“互聯互通”，具體如下。1）電。該項目餐廚處理與垃圾焚燒共用輸送電線路，減小電能的損耗，實現資源利用最大化。2）水。該項目生活水管網與焚燒公用，生產用水來自焚燒滲濾液站中水回用。減少了水管網的投資成本，相對獨立項目提高設備利用率、節約設備占地。3）汽。餐廚加熱蒸汽可取自焚燒余熱鍋爐蒸汽，減少了蒸汽鍋爐的投資，相對獨立項目省去設備投資、節約設備占地。4）沼氣。該項目餐廚及滲濾液沼氣集中儲存后直接送入生活垃圾焚燒爐摻燒發電。燃燒后的熱能通過焚燒余熱鍋爐及汽輪機轉變為電能并經高壓入網系統接入當地電網，實現資源綜合循環利用。燃燒后煙氣利用焚燒煙氣凈化系統達標排放。該方案既節約了相關鍋爐發電煙氣凈化等設備投資，又解決了獨立餐廚項目沼氣鍋爐蒸汽產量過剩以及沼氣發電機運行不穩定等行業共性問題。5）污泥。餐廚物料與滲濾液污泥共發酵。餐廚垃圾易降解物質含量高，C/N 比稍低，酸化快速；而滲濾液站污泥C/N 比高，堿度大，緩沖能力強，二者共發酵能夠維持厭氧消化體系運行穩定。因此增設滲濾液站污泥流入管路，將污泥直接泵往提油程序后的餐廚固液混合池，參與餐廚垃圾進罐前的調質過程，實現二者厭氧共發酵。

1.4 一體化協同三廢處理

1.4.1 固渣

該項目固渣可在車間內通過斗提機直接送入隔壁垃圾倉焚燒發電，相對獨立項目達到資源化的深度利用；并且不產生運輸過程中的環境污染，降低了運輸成本；不進入填埋場填埋，大大減小了填埋場壓力。

1.4.2 臭氣

該項目臭氣收集后直接進入隔壁垃圾倉內作為焚燒爐一次風，該方案降低了臭氣管道長度，且風量便于調節，降低除臭系統運行管理成本。另外，餐廚建設一套除臭設施（兩級化學洗滌+光催化），可隨時啟用且將全部臭氣處理后達標排放，不受微生物活性影響，處理廢水年排放量少。

1.4.3 廢水

該項目廢水直接進入垃圾焚燒發電廠滲濾液處理站，進行生化處理后的中水及濃水回用于餐廚廠及焚燒廠的生產過程，避免污水處理設施的重復建設，減少占地面積，降低投資及運行管理成本。

餐廚與垃圾焚燒一體化協同研究應用內容見表1，餐廚與垃圾焚燒一體化協同研究應用路線圖如圖1 所示。

2 研究過程中主要問題及解決措施

2.1 餐廚物料池深基坑設計施工技術難點

為了充分利用垃圾卸料平臺下寬大的空間，該項目將餐廚預處理設備布置在該區域內。這樣布置在卸料大廳下的預處理車間與常規單層廠房排架結構的預處理車間有較大的不同，結構設計既要滿足工藝使用要求，又要滿足結構安全性及規范的要求，因此對土建設計提出較高的要求。

布置在卸料大廳下有2 個難點。1）卸料大廳到零米地坪凈高不到7 m，凈高難以滿足工藝的要求。2）下料大廳下按照6 m～8 m 柱距布置有混凝土柱，設備布置受限制。

圖1 餐廚處理與垃圾焚燒一體化研究應用路線圖

表1 餐廚與垃圾焚燒一體化協同研究應用內容

預處理車間頂板是卸料大廳平臺，該標高無法調整，為了解決凈高不夠的問題，結構需要采用降低地坪標高的方式來滿足工藝要求。海鹽地區地質條件差，地下水位很高且具有較高的腐蝕性，下沉地坪既要滿足剛度強度要求又要滿足防水防腐要求。經過對比，該區域采用混凝土地坑的形式較為合理，坑底采用混凝土梁板結構，荷載直接通過梁板傳至樁承臺同時與工藝專業協商調整設備布置，盡量壓縮車間凈高以減少降板量，最終將地坑頂面標高定為-2.75 m。做地坑結構隨之帶來很多問題，該項目是第一個地坑里的餐廚處理工程，很多細節方面需要仔細考慮，預處理地坑結構復雜，有柱基礎、地梁、地坪底板、地坪排水溝、集水坑、預處理水池、設備支墩、鋼平臺等結構，設計時需要考慮各個構件之間的標高、定位及受力關系，同時滿足工藝和土建要求。

2.2 其他問題及解決措施

在調試運行中，我們發現前期設計中存在考慮不周的地方，針對相應的問題逐一進行了解決，相應問題及解決思路如下。1）設計時，三相分離及給料泵設計為一用一庫備，導致給料泵維修時，整個生產線需停掉，目前考慮改造為一用一備，單路管道分別進料。2）由于本一體化項目餐廚預處理車間頂部為卸料平臺，密閉空間導致餐廚預處理間頂部空氣流通性差，現場增加上部空間吸風口（臭氣熱氣在頂部聚集，換氣慢），達到了改善預處理車間空氣流通性的目的。3）因斗提機通道與垃圾倉連通，當垃圾倉負壓度高于餐廚車間負壓時，出現垃圾倉臭氣倒流至餐廚車間，我們通過現場交流，在斗提機底部及上部加裝止回隔板閥，阻止垃圾倉臭氣倒流。針對斗提機出現漏料問題，現場采取擴大料斗外沿面積，減少料斗與斗提機外殼的接觸縫隙，改造后未發現漏料問題。

3 現場應用相關影響分析

3.1 沼氣入爐焚燒對焚燒爐效率的影響分析

該項目餐廚垃圾厭氧發酵過程中產生的沼氣計算量約為4 500 m3/d，將送入海鹽生活垃圾電廠焚燒爐焚燒，根據熱平衡計算可得。

3.1.1 不摻燒沼氣計算工況

汽機發電功率：

P=Dc1（hq-hc1）+Dc2（hq-hc2）+Dc3（hq-hc3）+Dqp（hqhqp）×0.98×0.99÷3600=16.2186 MW

Dc1=空預器汽機抽汽量6.61 t/h。

Dc2=除氧器抽汽量4.46 t/h。

Dc3=低加抽汽量4.63 t/h。

Dqp=汽機排汽量58.65 t/h。

hq=汽輪機入口過熱蒸汽焓3 275 kJ/kg。

hc1空預器汽機抽汽焓3 107 kJ/kg。

hc2除氧器抽汽焓2 957 kJ/kg。

hc3低加抽汽焓值2 666 kJ/kg。

hqp汽機排汽焓值2 341 kJ/kg。

發電熱效率：

B=垃圾入爐量33.33 t/h。

Qd=垃圾熱值7 500 kJ/kg。

發電汽耗率：

3.1.2 摻燒沼氣計算工況

海鹽餐廚垃圾每日產生沼氣4 500 m3，甲烷含量60%。

即每天產生的4 500 m3的沼氣折算成垃圾相當于每小時0.54 t。

B總=B+B1=33.33+0.54=33.87 t/h

總入爐量為33.87 t/h。

ηrb1=23.34%

3.1.3 結論

根據上述計算可以看出沼氣摻燒前后發電熱效率及發電汽耗率變化不大，因此，沼氣入爐對焚燒爐不產生影響。

該項目餐廚垃圾厭氧發酵過程中產生的沼氣預估產量約為4 500 m /d，沼氣的發熱量為5 491 kcal/m3，熱效率為23.34%，沼氣入爐新增發電功率為：

折合沼氣入爐年新增發電量224 萬kW·h。

3.2 臭氣進焚燒爐作一次風對垃圾倉的影響分析

3.2.1 垃圾倉進出風量統計

垃圾倉體積（凈體積）約75 000 m3。

滲濾液臭氣輸送量10 000 m3。

餐廚臭氣輸送量40 000 m3。

一次風取風量100 000 m3。

二次風取風量44 000 m3。

該區域的滲濾液溝道間正常工況下進出風均在垃圾坑內，該次不再統計。上述數據根據設計計算值結合現場運行工況統計得出。

3.2.2 垃圾坑風量平衡

進風量：滲濾液臭量10 000 m3+餐廚臭氣量40 000 m3=合計50 000 m3。

出風量：一次風取風量100 000 m3+二次風取風量44 000 m3=合計144 000 m3。

整體風量統計：出風量144 000 m3-進風量50 000 m3=出風量94 000 m3。

換氣次數核算：出風量94 000 m3/垃圾倉體積75 000 m3=1.25 次/h。

根據工程經驗，維持5 Pa～10 Pa 的壓差需要換氣次數大約0.8～1.2 次/h，現1.25 次/h 滿足要求。

3.2.3 結論

根據計算和實際運行的效果，目前垃圾坑負壓狀態良好，因此餐廚臭氣送入垃圾坑協同處理，不僅對垃圾坑負壓不會產生影響，還可有效處理餐廚臭氣，降低餐廚臭氣處理成本。

3.3 餐廚與垃圾焚燒一體化協同設計的經濟性分析

海鹽餐廚批復日處理量75 t/d，但預處理厭氧等處理裝置實際設計能力為100 t/d，因此我們選擇了我司同等規模（100 t/d）宿遷非一體化處理餐廚項目進行工程投資與經濟效益對比，具體內容如下。

3.3.1 海鹽一體化餐廚

該項目建設規模100 t/d，總投資4 962.73 萬元，靜態投資為4 811.60 萬元，其中建筑工程費用估算為756.68 萬元，設備購置費用估算為2 624.08 萬元，安裝工程費用估算為459.37 萬元，工程建設其他費用估算為742.35 萬元，基本預備費估算為229.12 萬元，建設期利息82.52 萬元（建設期1 年），鋪底流動資金為68.61 萬元。折噸餐廚投資49.6萬元/噸餐廚。

據實際統計，每天外購原材料及燃料動力費需要成本為5 445 元，其中外購原材料運行成本為823.29 元，外購燃料及燃料動力費成本為4 621.71 元，噸外購原材料及燃料動力費成本為72.6 元/噸餐廚；該項目需設置24 名員工，包括收運人員和管理人員，人員成本開支為302.97 萬元，噸人員每天成本為110.67 元/噸餐廚；污水處理費每年運行成本為82.20 萬元，每天污水處理費2 252.05 元，噸餐廚污水處理成本為28.15 元/噸餐廚；車輛保險費每年成本開支為27.40 萬元，噸車輛保險費用成本為9.38 元/噸餐廚；合計每噸餐廚處理成本為220.8 元/噸餐廚。

據實際統計，海鹽餐廚項目目前日處理量為75 t/d，政府對處理每噸餐廚垃圾的補貼為230 元，則每日補貼收入17 250 元；蒸汽發電每日6 750 度，每日收益4 387.50 元；每日獲得粗油脂6.27 t，每噸3 500 元，獲益21 945 元；合計每日收入43 582.50 元。折噸餐廚收入581.1 元/噸餐廚。

3.3.2 光大宿遷非一體化處理餐廚

光大宿遷非一體化處理餐廚主要生產工藝為餐廚廢棄物預處理系統、地溝油處理系統、全混厭氧發酵系統、沼氣凈化系統、沼氣發電系統、除臭系統。項目為獨立廠房設計，配套沼氣存儲、凈化、沼氣發電等設備。

該項目建設規模100 t/d，項目總投資7 693.99 萬元，靜態投資為7 486.18 萬元，其中建筑工程費用估算為2 431.45萬元，設備購置費用估算為3 270.82 萬元，安裝工程費用估算為499.13 萬元，工程建設其他費用估算為928.30 萬元，基本預備費估算為356.48 萬元，建設期利息119.02 萬元（建設期1 年），鋪底流動資金為88.80 萬元。折合噸餐廚投資為76.94 萬元/噸餐廚，高于一體化項目投資。

根據實際統計，每天外購原材料及燃料動力費需要成本為8 474.52 元，其中外購原材料運行成本為4 244.11 元，外購燃料及燃料動力費成本為4 230.41 元，噸外購原材料及燃料動力費成本為84.75 元/噸餐廚；該項目需設置10名操作員工，人員成本開支為126.24 萬元，噸人員每天成本為34.58 元/噸餐廚；污水處理費每年運行成本為120.60萬元，每天污水處理費3 304.11 元，噸餐廚污水處理成本為33.04 元/噸餐廚；餐廚收運費用346.76 萬元，噸餐廚收運成本為95 元/噸餐廚；合計每噸餐廚處理成本為247.37元/噸餐廚。

據實際統計，本非一體化處理餐廚項目目前日處理量為100 t/d，政府對處理每噸餐廚垃圾的補貼為235 元，則每日收入23 500 元；沼氣發電每日收入9 134.45 元；每日獲得粗油脂5.05 t，每噸3 500 元，獲益17 675 元；合計每日收入50 309.45 元。折噸餐廚收入503.09 元/噸餐廚。

對比分析：餐廚垃圾處理和生活垃圾焚燒協同處理，將經過預處理后滿足入爐要求的廢棄物（餐廚固渣）投入焚燒爐，在進行生活垃圾焚燒發電的同時實現對餐廚廢棄物的無害化處置，節省單獨處置所產生的費用。一體化協同與非協同處理的部分建設投資與處理成本對比表詳見表2，一體化協同與非協同處理的部分收益率對比表見表3，一體化協同處理降低投資成本2 731.26 萬元，噸餐廚投資降低27.34 萬元/噸餐廚；噸餐廚運行成本降低約26.57 元/噸餐廚，每天可節約運行成本2 657 元，每年節省96.98 萬元。

表2 一體化協同與非協同處理的建設投資與處理成本對比表（萬元）

表3 一體化協同與非協同處理的收益率對比表（萬元）

餐廚與垃圾焚燒一體化協同處理，節約土地，減少管道及殘渣的二次倒運，大大地節省運營成本，提升經濟效益，促進行業技術革新。

根據《“十三五”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃》發改環資〔2016〕2851 號，“十三五”末期我國餐廚垃圾日處理能力應達到3.44 萬t/d，城市基本建立餐廚垃圾回收和再生利用體系，折合100 t/d 的項目近350 個。如在全國范圍內，采用與生活垃圾焚燒的協同處理模式，按單個項目每年節省運營費用為96.98 萬元，每年節省費用高3.39 億元，前景廣闊。

4 結論

針對國內餐廚垃圾處理項目的設計弊端，依托光大海鹽餐廚項目，我們探索出餐廚與生活垃圾焚燒一體化協同設計應用技術，通過上述應用分析論述，形成如下4 點結論。1）該文在總結前人研究的基礎上，優化了餐廚處理布置方式及協同處理工藝，能夠大大降低餐廚建設及運行成本，并在光大海鹽餐廚垃圾處理項目上得到了成功應用。2） 海鹽餐廚與垃圾焚燒一體化工藝設計表明，餐廚厭氧產生的沼氣送入焚燒爐協同處理對焚燒爐效率并無影響；沼氣入爐年新增發電量約為224 萬kW·h。3）海鹽餐廚與垃圾焚燒一體化工藝設計表明，餐廚臭氣送入垃圾坑協同處理對垃圾倉負壓并無影響，并能大幅降低臭氣處理的投資規模。4）該文研究的餐廚垃圾與生活垃圾一體化協同處理工藝的成功應用，為后期餐廚垃圾與生活垃圾協同處理項目的建設鋪平了道路，成功推動著整個行業的進步，并成為行業新的標準和標桿。