濕垃圾集中處理技術的困境分析及發展建議*

胡愈之 樓紫陽 陳芳源 賈 悅 趙由才

(1.上海交通大學中英國際低碳學院，上海 201306；2.上海交通大學環境科學與工程學院，上海 200240；3.上海市固體廢物處理與資源化工程研究中心，上海 200240；4.中國城市治理研究院，上海 200030；5.上海市農工民主黨上海市委員會,上海 200241；6.上海環境衛生工程設計院有限公司，上海 200232；7.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092)

上海市于2019年7月開始實施《上海市生活垃圾管理條例》，該條例提出垃圾強制分類要求，對垃圾分類工作具有顯著的推進作用。垃圾的強制分類一方面改變了城市垃圾管理模式和群眾分類習慣，另一方面也直接影響了垃圾組分和產量，對垃圾的末端處理系統提出了新的要求。傳統的填埋、焚燒已不能滿足濕垃圾處理的需求，面對當前濕垃圾量大、技術選擇的不確定性，本研究以上海市為例，通過聚焦濕垃圾的變化特征，同時結合已實施和試運行的濕垃圾實際處理工程案例，開展了實地調研和監測，探討垃圾分類對其處理過程和穩定運行的影響，總結其處理過程中遇到的困境以及技術的適應性，為各地垃圾分類處理的實施和推廣提供經驗。

1 濕垃圾特點和產量

1.1 濕垃圾組分特點

濕垃圾主要包括餐廚垃圾和餐飲垃圾，受飲食習慣和消費觀念的影響，我國分出的濕垃圾具有高油鹽、高含水率、高有機質等特點。以上海市分類推進的力度為例，根據現場取樣分析得到分類后濕垃圾特性(見表1)。與混合垃圾相比，隨著垃圾分類的實施，濕垃圾品質顯著提升，廚余類物質質量分數上升至95%以上，紙類、橡塑類和紡織類等雜質明顯減少，偏弱酸性(pH=4.5～6.5)。

表1 分類后濕垃圾特性1)

1.2 濕垃圾產量

濕垃圾產量與垃圾分類覆蓋面積和推進力度密切相關。以上海市為例，2019年2月上海市開展垃圾分類試點工作，濕垃圾產量為4 400 t/d，隨著垃圾分類工作逐步開展，濕垃圾產量逐步上升，2019年6月，上海市濕垃圾產量增致6 950 t/d。2019年7月上海市正式實施垃圾強制分類，8月濕垃圾產量迅速升至9 200 t/d，并一直保持在近萬噸的日產量[1]。

按2019年上海市人口統計數據(常住人口2 428.14萬)[2]計算，上海市人均濕垃圾產量約0.39 kg/d，而其他試點城市北京市、深圳市人均濕垃圾產量分別為0.27、0.35 kg/d[3-4]。濕垃圾的人均產量主要與城市食物消費和經濟水平有直接關聯，對比美國(0.83 kg/d)[5]、德國(0.41 kg/d)[6]和日本(0.43 kg/d)[7]等經濟水平較高的國家，我國未來濕垃圾的產量還有可能增長。另外，雖然政府部門主導推行光盤行動等一系列活動，但目前仍存在食物浪費現象，導致濕垃圾產量居高不下[8]。據統計，我國城市平均食物浪費率達93 g/(人·餐)，廚余類食物垃圾量占到生活垃圾總量的53.3%[9]，遠高于德國(26.9%)[10]等發達國家。

2 典型濕垃圾處理技術現狀

2.1 濕垃圾處理典型技術

為充分利用濕垃圾中有機質，可以采用的集中處理技術主要包括好氧堆肥、厭氧消化和生物轉化技術(如黑水虻養殖)等。根據上海市實際工程案例，3種典型技術的工藝流程見圖1至圖3，技術特點總結見表2。

圖1 濕垃圾好氧堆肥工藝流程

圖2 濕垃圾厭氧消化工藝流程

圖3 濕垃圾黑水虻養殖生物轉化工藝流程

由表2可見，3種典型處理技術對于濕垃圾進料需求各異，一般黑水虻養殖生物轉化技術要求垃圾低油脂、低鹽度，而厭氧消化為充分發揮其傳質性能，大多需經過漿化處理，好氧堆肥為了保證通風，通常粒徑偏大。對于黑水虻養殖生物轉化技術，餐廚垃圾的收運和存儲時間更有嚴格要求，因大城市垃圾收運距離過長，基本在1 d以上，餐廚垃圾易酸化而影響品質[11]，因此應用黑水虻養殖生物轉化技術時需控制垃圾收運距離在合適范圍以保證為生物提供適宜的營養成分和活性物質。

表2 濕垃圾處理技術比較

2.2 濕垃圾處理典型技術可行性和經濟性

幾種典型濕垃圾集中處理技術的適用規模以及處理后產物有較大的差別，具體見表3。黑水虻養殖生物轉化技術一般適用于少量濕垃圾處理，目前在試和推進的黑水虻養殖生物轉化技術項目基本在100 t/d以下；厭氧消化技術由于可以通過規模化運作，處理規模相對較大，老港濕垃圾資源化處置中心處理規模高達1 000 t/d；好氧堆肥技術需要有較大的場地來滿足產品堆肥的需求，但隨著工程化技術的應用，機械化程度逐漸升高，占地面積有所減少，其處理規模介于前兩者之間。

表3 濕垃圾典型處理技術的適用性比較

技術的經濟性是決定其市場化、可持續性的關鍵要素。通過對上海市閔行區某500 t/d的餐廚垃圾資源化利用中心(好氧堆肥技術)、浦東新區某600 t/d有機質固廢處理廠(厭氧消化技術)和紹興市某40 t/d餐廚垃圾處理中心(生物轉化技術)的調研，對3種典型技術進行經濟性分析，結果見表4。經過對比，好氧堆肥過程需提供大量的曝氣裝置并保持一定溫度，同時也受到進料垃圾不穩定因素的影響，其運行費用相對較高；而厭氧消化、生物轉化技術本身運行費用相對偏低。濕垃圾處理過程中，油脂、動物蛋白、有機肥料等資源化產品是重要的收益源，其價值從上百到上千元不等；沼氣再利用是厭氧消化技術的主要收益來源，其產量與進料垃圾中有機質含量及反應條件有關，提高產氣及發電效率是厭氧消化技術后續發展的關鍵。

表4 3種典型濕垃圾處理技術的經濟性分析

3 討論與建議

基于經濟、技術層面的對比分析發現，3種典型濕垃圾處理技術的適用范圍、經濟性等都有差別。除此之外，濕垃圾處理產物的出路是目前較為棘手的問題，由于季節性變化，城市濕垃圾產量存在一定波動性，厭氧消化技術由于生化反應周期長(約25 d)、沼液產量大(單位垃圾沼液產量約0.5 t/t)等問題，目前大都依靠焚燒托底處置。而好氧堆肥易受進料垃圾組分影響，且堆肥產物當前未有相應的土地利用質量控制標準和規范而影響其后續出路。生物轉化技術受進料品質和運行條件影響較大，黑水虻等生物經養殖后理論上雖然可以作為高質量的蛋白，但在未有規模化運行條件下，產品出路仍不能持久。

濕垃圾的出路成為影響處理技術選擇的關鍵因素，在以農林業為主的區域，可以大力發展好氧堆肥或生物轉化技術，提高資源化產品質量，形成相應的產業鏈以實現就地無害化回收還田、生態利用。另外，投資成本和經濟收益也是技術選擇的重要依據。好氧堆肥和生物轉化技術在保證產品質量穩定和下游銷路暢通的基礎上，能以較低的投資成本，在實現濕垃圾減量處理的同時為地方帶來一定經濟利益，可利用相應的市場行為推進其發展，如政府購買服務、特許經營、建設—經營—轉讓模式(BOT)等，而厭氧消化技術通常需要相關部門在前期有較大的資金投入以完善設施建設，故適用于經濟發達地區。因此，就目前我國城市發展規模而言，人口密集、經濟發展較好的超大或特大型城市可優先采用厭氧消化技術對濕垃圾進行大規模集中處理，以應對城市巨大的濕垃圾產生量，在中小型城市或邊緣地區，需結合實際情況因地制宜開展選擇，可考慮好氧堆肥或生物轉化技術以實現就近資源化處理。

濕垃圾處理中心大多是已有垃圾處理模式下的新工程項目，從現有運行中心實際情況看，惡臭等二次污染仍然較為嚴重，且滲濾液就地處理困難較大，在現有垃圾處理布局基本完備的基礎上，這些新項目的選址和運行還需考慮惡臭等可能帶來的鄰避問題。

另外濕垃圾作為重要的生物質，其處理處置過程中碳排放的影響也是關注點。有人認為厭氧消化技術產沼利用過程的低碳化程度達93.7%[12]，通過有效回收熱量和電能降低溫室氣體排放量[13-15]，可認為是具有較小綜合環境影響的處理技術[16]。濕垃圾厭氧消化處理設備的運行效率將直接影響其環境效應，一般情況下單相厭氧消化的節能和溫室氣體減排效果優于雙相[17]，而厭氧、好氧相結合的處理模式與單一厭氧處理相比可帶來更多正向的環境效應[18]。肥料作為濕垃圾中碳源的有機載體，其土壤再利用過程亦能有效減少碳排放[19]，但實際上從源頭節約食物、避免食物浪費和食物垃圾才是最佳的碳減排舉措[20]，可以從根本上實現經濟、環境利益最大化。此外，濕垃圾處理技術的選擇還應關注其環境效應和生態風險，需要充分發展適合我國特點的生命周期分析理論，建立符合實際情況的數據庫和案例。對照已有研究可以發現，研究系統的邊界條件、產物后續利用等均有所不同，使得研究結果間的比較存在困難，后續應以實際工程案例為基礎，開展相同邊界條件下的對比，構建相關的基礎框架和數據庫以及對固廢處理處置及其所需數據提供支撐的系統。

4 結論與展望

(1) 濕垃圾處理技術的產物出路是目前亟需解決的主要問題，制定針對濕垃圾處理的技術規范和產物出路標準，使其有法可依，對打通末端資源化產物出路、有機肥可持續穩定利用以及形成良好的市場環境具有重要意義。

(2) 濕垃圾處理技術選擇需關注環境效應，因地制宜開展多維度的綜合評估，形成符合濕垃圾特點的具有可操作性的技術選擇機制。在有效推進垃圾分類收集的基礎上，以可持續發展為導向，實現濕垃圾集中處理的規模化和產業化。

(3) 以濕垃圾處理為契機，以實際分類分流處理的垃圾處置項目為基礎，建立本土化固廢管理框架和數據庫，結合定性、定量指標綜合分析，搭建適合垃圾特征的固廢評估體系，從而為垃圾分類的推廣和實施提供可靠的評估方法和科學支撐。