研究背景

   隨著我國城市人口的快速增長和人民生活水平的不斷提升，城市生活垃圾產生量也逐年增加。我國生活垃圾產生量從2009年的1.57億 t/年增加到了2020年的2.35億 t/年。生活垃圾中的廚余垃圾占了很高比重，隨著近年來垃圾分類工作的不斷推進，廚余垃圾的分出量大幅度增加。廚余垃圾包括油脂、骨頭、蔬菜、淀粉和其他食物殘渣，其主要來源為家庭廚房、餐廳、市場等與食品加工相關的行業(yè)。廚余垃圾容易腐爛、滋生細菌、產生有害物質，對空氣、水源和土壤造成污染。

  采取有效的技術路徑，實現(xiàn)廚余垃圾的減量化、無害化和資源化是垃圾分類工作持續(xù)推向深入亟待解決的問題。目前我國廚余垃圾處理設施的處理規(guī)模難以滿足廚余垃圾巨大的處理需求。對已有的廚余垃圾處理設施運行效能進行評價，可為政府相關部門以及企業(yè)對廚余垃圾處理設施的建設規(guī)劃提供決策依據(jù)。 廚余垃圾水熱炭化技術是通過熱化學過程使有機生物質水解、脫水、脫羧、縮合、聚合和芳構化。水熱炭化處理得到的產物為漿料狀態(tài)，需經過濾、干燥和機械脫水等處理后轉化為富含碳的固體。Akarsu 等將廚余垃圾在180~250 °C和1~4 MPa條件下進行水熱碳化處理后，得到了高熱值的水熱炭。水熱碳化技術具有占地面積小、處理效率高、減量化效果顯著等優(yōu)勢，可以將50%以上的能量留存在水熱炭中。

   我國南方某廚余垃圾處理設施采取“壓榨預處理+水熱炭化”技術模式運行，其廚余垃圾壓榨分質系統(tǒng)的處理能力最高可達150 t/d，水熱炭化系統(tǒng)處理能力為100 t/d。本文根據(jù)該廚余垃圾處理設施連續(xù)3個月的運行記錄，分析廚余垃圾處理設施的運行效能和單位廚余垃圾處理的能耗情況，核算廚余垃圾預處理成本，為后續(xù)工程化應用及推廣提供可靠的設計依據(jù)與技術參考。

摘 要

   以廚余垃圾干濕壓榨分離-水熱炭化技術的工程應用為研究對象，評估工程的運行效能，分析單位廚余垃圾處理的能耗情況，核算廚余垃圾處理成本。結果表明：該廚余垃圾處理工程日均處理量為115.32 t/d，廚余垃圾平均減量化率達到60.31%。廚余垃圾經干濕壓榨分離-水熱炭化處理得到的產物為干垃圾和水熱炭，含水量分別為61.66%和35.92%，低位熱值分別為5029.61 J/g和14424.80 J/g，與未處理的廚余垃圾相比，其燃燒性能大幅提升。廚余垃圾處理的單位能耗為46.26 kW·h/t，其中壓榨處理環(huán)節(jié)的能耗只占總能耗的10.54%，水熱炭化處理環(huán)節(jié)能耗占比最高，達到了72.14%。每噸廚余垃圾的處理成本為386.56元，水熱炭化處理的成本占總成本的41.69%。該工程有效地實現(xiàn)了廚余垃圾的減量化與資源化，處理產物在制備垃圾衍生燃料、吸附材料、生物碳基肥料以及土壤改良劑方面具有很好的應用前景，為城市廚余垃圾處理工程建設提供提供了可靠的設計參考與技術支撐。

01、材料與方法

1. 項目概況

1）工藝流程及設備裝置。 廚余垃圾干濕壓榨分離-水熱炭化處理工藝見圖1。廚余垃圾進入處理系統(tǒng)后首先進行次高壓壓榨，通過壓榨預處理設備將廚余垃圾中的漿化料擠壓，實現(xiàn)干濕分離。濕質垃圾漿化系統(tǒng)是集除鐵、除雜、破碎、制漿于一體化的設備系統(tǒng)。漿化分質率、漿化料粒徑是直接反映漿化處理效果的工藝參數(shù)。

   濕質組分處理采用的水熱炭化技術，該技術采用連續(xù)進料、出料的工作模式，由進料泵連續(xù)進料，再經過輔助加熱裝置達到設定的炭化溫度進行充分的炭化反應。水熱炭化系統(tǒng)將已去除雜質的廚余垃圾漿化料在催化劑、特定溫度和壓力的共同作用下制成性質相對穩(wěn)定的水熱炭。液體部分（壓濾液）經絮凝沉淀裝置處理后將底泥分出。各項產物的占比、成分特性、能量消耗是整個站點生產運行過程中需要重點分析、管控和調整的關鍵技術指標。 水質凈化采用電解催化-超濾-吸附一體化綜合技術，具體包含電解催化裝置、超濾膜設備、納濾膜設備、反滲透膜設備、吸附裝置以及pH調節(jié)裝置。末端污水經處理后，依據(jù)GB 8978—1996《污水綜合排放標準》進行達標排放。進入該系統(tǒng)的污水水質、處理后排出的水質是污水處理系統(tǒng)需要重點分析和調控的關鍵技術指標。

2）系統(tǒng)處理能力計算。

   通過查閱項目工程運行臺賬，筆者獲得了每日垃圾處理各環(huán)節(jié)的處理量和處理產物質量數(shù)據(jù)。通過式（1）—（4）計算垃圾減量化率Fr（%）、壓榨處理系統(tǒng)的壓榨分離比Pr（%）、漿化分質率Sr（%）和水熱炭化系統(tǒng)的減量率Hr（%）：

3）樣品的采集和預處理。

    依據(jù)CJ/T 313—2009《生活垃圾采樣和分析方法》的要求，廚余垃圾、干垃圾和水熱炭通過四分法進行采樣。采集的樣品在4 ℃冰箱中冷藏貯存，24 h內進行測定。應CJ/T 313—2009的要求制備一次樣品和二次樣品。一次樣品是對生活垃圾進行分選、破碎、縮分后得到的樣品，用于雜質率和含水率分析；二次樣品是對已完成生活垃圾物理組分和含水量分析的一次樣品的各個物理組分進行縮分、粉碎、研磨、混配后得到的樣品，用于生活垃圾油分含量、氯離子含量、高位熱值和低位熱值的分析。采樣頻率為1次/月，連續(xù)采集3個月。 水熱炭化固液分離后的壓濾液和污水處理系統(tǒng)的進出水采樣根據(jù)HJ 495—2009《水質采樣方案設計技術規(guī)定》來完成。樣品保存在干凈且化學性質穩(wěn)定的玻璃瓶或聚乙烯瓶內，且需符合HJ 493—2009《水質采樣樣品的保存和管理技術規(guī)定》的相關規(guī)定。采樣頻率為1次/月，連續(xù)采集3個月。

4）理化特性分析。

   樣品的含水率和雜質率參照CJ/T 313—2009進行分析，樣品氯離子含量參照CJ/T 96—2013《生活垃圾化學特性通用檢測方法》中艾斯卡混合劑熔樣-硫氫酸鉀滴定法測定，油分含量參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》測定，垃圾樣品熱值的測定參照GB 213—2008《煤的熱值測定方法》要求的方法進行測定。

5）水質分析。

   污水處理系統(tǒng)的進水和出水具體分析如下指標：懸浮物、pH、色度、五日生化需氧量BOD5、化學需氧量COD、氨氮、總氮、總磷、鐵、錳，檢測分析方法按照HJ/T 91—2002《地表水和污水監(jiān)測技術規(guī)范》進行。

6）處理能耗和耗水量。

   垃圾處理工程各處理環(huán)節(jié)設施的能耗為電能，均安裝了電表記錄各處理環(huán)節(jié)能耗。單位垃圾處理能耗Et（kW·h/t）計算過程如下：

   廠區(qū)耗水量只有1個總表，根據(jù)總表的示數(shù)記錄每日總耗水量Wcq（m3/d）。單位垃圾處理耗水量Wct（m3/t）計算如下：

7）運行成本核算。

   將垃圾處理工程費以月為監(jiān)測周期進行核算。廚余垃圾的單位處理成本（Tc）計算如式（7）所示，其中，直接運行費用包含垃圾進場處理各環(huán)節(jié)產生的費用，折舊費用涵蓋了各處理環(huán)節(jié)涉及到的費用。

02、結果與討論

1. 廚余垃圾處理工程減量化能力

1）垃圾處理量和減量化能力。

   該工程在3個月期間共處理廚余垃圾1.05×103 t，圖2所示為每日廚余垃圾處理量和處理效能情況。廚余垃圾的每日處理量維持在85 t/d以上，最高可達132.25 t/d，日均處理量為115.32 t/d；廚余垃圾處理工程每日產生污水的量為47.06~84.33 t，平均產生量為68.64 t/d。

   由圖2可知，廚余垃圾減量率最高可達70.75%，平均值為60.31%。絕大多數(shù)情況下，廚余垃圾減量率可達50%以上，但個別情況下減量率略低于50%的最低要求限值。后續(xù)研究需要從各處理環(huán)節(jié)設備運行情況入手，分析影響廚余垃圾處理效果穩(wěn)定性的原因，在此基礎上對處理工藝進一步優(yōu)化。廚余垃圾經壓榨處理后，壓榨分離比達到74.78%，漿化分質率達到68.88%，表明廚余垃圾經過壓榨處理后，大部分以濕垃圾的形態(tài)被分離出來，經過漿料化系統(tǒng)處理后，絕大部分轉化為漿化料，可用于水熱炭的合成。水熱炭化系統(tǒng)的平均減量率為87.35%。

2）物料平衡核算。

   通過對廚余垃圾處理工程的各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)進行核算，得到了各環(huán)節(jié)產物的定量結果，物料平衡流程如圖3所示。廚余垃圾經次高壓壓榨處理后，得到濕垃圾和干垃圾的占比分別為74.78%和25.12%。濕垃圾經漿化料系統(tǒng)處理后，得到68.88%的漿化料，該工藝過程剔除了5.98%不能作為漿化料的物質和少量的砂渣。漿化料經水熱炭化和干濕分離處理后得到的水熱炭占原生垃圾的8.71%，液體部分為污水，占原生垃圾的59.25%。污水經處理后排出的水量占原生垃圾總質量的59.95%，該部分水可作為中水回用或達標后排入環(huán)境中。

2. 廚余垃圾和處理產物的特性

   廚余垃圾和處理產物的理化特性如表1所示。廚余垃圾中雜質率為9.42%，雜質主要包含塑料袋、方便筷子、玻璃瓶、易拉罐拉環(huán)、螺絲、鋼絲球、布料等難生物降解的物質。經壓榨處理后的干垃圾中雜質率達到了44.82%，表明壓榨處理能將大量雜質分離出來，有利于濕質組分的進一步漿料化。廚余垃圾中含水率為76.68%，經過壓榨處理后得到的干垃圾的含水量下降到了61.66%，水熱炭中的含水率下降到35.92%。由于廚余垃圾來源于家庭和菜市場，其中的油分含量只有2.45 mg/g。廚余垃圾中C和H的含量約為46.46%和6.85%，與長沙、廣州和杭州的廚余垃圾樣品相似。干垃圾和水熱炭中C和H的含量與原廚余垃圾相比均有所上升。

   圖4為廚余垃圾和處理產物的熱值情況。垃圾的高位熱值和低位熱值分別為5313.02,3229.21 J/g。經壓榨處理后，干垃圾中的高位熱值和低位熱值分別上升到7149.42,5029.61 J/g。水熱炭的高位熱值和低位熱值分別為16311.23,14424.80 J/g。低位熱值是垃圾燃燒的有效發(fā)熱量，因此廚余垃圾經過干濕壓榨分離壓榨-水熱碳化處理后，每噸垃圾的有效發(fā)熱量增加了23.26 MJ。

    本研究的工程案例中，廚余垃圾經壓榨后的干垃圾中含水率在60%以上。將干垃圾經過加熱后再進行二次壓榨，可將含水率降到30%左右，有助于提升干垃圾的低位熱值。二次擠壓的濕垃圾處理得的到漿化料可以制備具有更高燃燒性能的水熱炭，使垃圾處理產物的總熱值進一步提升。干垃圾可直接用于焚燒發(fā)電或進一步制作垃圾衍生燃料。然而由于目前收運來的垃圾中雜質含量較高，未來需要進一步提升垃圾分類水平，降低廚余垃圾中雜質后的壓榨干垃圾還可以用于堆肥。

    本研究中水熱炭的低位熱值達到原生廚余垃圾的4倍以上，具有很好的燃燒性能，可以作為燃料進行發(fā)電。Stobernack 等的研究表明，水熱炭燃燒發(fā)電的碳排量僅為褐煤的50%。Su和Zheng等利用廚余垃圾制備的水熱炭的低位熱值可以達到20000 J/g以上，高于本研究中的水熱炭。因此還需改造水熱炭化處理后的脫水工藝，有助于進一步提升水熱炭的燃燒性能。

    2020年我國農業(yè)農村部發(fā)布的行業(yè)標準NY/T 3618—2020《生物炭基肥料》中要求碳含量大于20%，水分含量低于30%。本研究中的水熱炭中碳含量可達到NY/T 3618—2020要求，但水分含量未達標。表2為水熱炭中重金屬的檢測情況，可知重金屬含量均低于NY/T 3618—2020標準限值。水熱炭具備用作生物炭基肥料或土壤改良劑的潛力。后續(xù)的研究工作一方面需加強對水熱炭的干化處理，如風干或烘干；另一方面需根據(jù)NY/T 3618—2020要求，加強對各項技術指標進行全面檢測。

   廚余垃圾水熱炭可作為吸附/降解材料處理水中的污染物質。Alshareef等發(fā)現(xiàn)水熱炭對水中亞甲基藍和結晶紫燃料的去除率最高可達90%；Liu等的研究表明，水熱炭對農藥成分2,4-二氯苯氧基乙酸的最大吸附量可達到84.4 mg/g，這主要與水熱炭本身具備低芳香性的中孔結構和豐富的C—O官能團有關，研究同時還發(fā)現(xiàn)水熱炭對2,4-二氯苯氧基乙酸具有優(yōu)良的催化降解能力。也有研究表明，水熱炭對水中的重金屬Zn2+和Cu2+，以及PO3-和NH4+-N具有很好的去除能力。針對本項目中產生的水熱炭，后期將探究其在污染物質吸附降解方面的潛力，在此基礎上探索水熱炭吸附材料的產品化。

3. 改進的TOPSIS法

   表3為污水處理系統(tǒng)進水和出水各指標的檢測結果。目的污水主要是水熱炭化干濕分離后產生的液體部分，各項指標遠超出了GB 8978—1996《污水綜合排放標準》中要求的限值。污水經過處理后，排出的水除pH值以外，其他測試項目均達到了GB 8978—1996要求，其中色度和氨氮的去除率分別為91.08%和98.42%，其他物質的去除率均達到了99%以上。處理前的污水偏酸性，經處理后pH值達到了10以上，而GB 8978—1996要求的最高pH限值為9，因此需進一步優(yōu)化廢水處理工藝，降低排水pH使其滿足標準。

4. 處理能耗和耗水核算

   圖5為監(jiān)測評估期間（廚余垃圾每日收運量為85.00~132.25 t）處理工程耗電與耗水情況。工程項目每日總耗電量為3900 kW·h以上，平均每日耗電量為5327.68 kW·h/d（圖 6a）。每日耗電量和廚余垃圾處理量具有一定線性相關性，R2=0.57。廠區(qū)每日耗水量在52.62~98.35 m³/d（圖 6b），平均值為83.87 m³/d。耗水量和廚余垃圾處理量二者之間無明顯相關性，在某些垃圾日處理量較高的情況下，耗水量反而較低，是因為廠區(qū)的耗水主要用于設備清洗以及生產區(qū)域和辦公區(qū)域的衛(wèi)生維護。在垃圾處理量高的情況下，產生污水的量也相應增加，這些污水經處理后可直接回用，節(jié)約了廠區(qū)的耗水量。處理廚余垃圾的單位耗水量在0.74 ~1.10 m³/t間波動。目前關于廚余垃圾處理耗水量的研究較少，缺乏相應的標準規(guī)范，后續(xù)應加強該方面的工作。

    廚余垃圾處理的單位能耗為46.26 kW·h/t（圖5c），水熱炭化處理環(huán)節(jié)能耗占比最高，達到了72.14%。壓榨處理環(huán)節(jié)的能耗只占總能耗的10.54%，換算成單位處理能耗為4.88 kW·h/t。污水處理環(huán)節(jié)的能耗略高于壓榨處理，占總能耗的11.03%。閆祥瑞等將廚余垃圾經過生物干化處理后，得到了可以用于焚燒發(fā)電的燃料，單位處理能耗為77.91 kW·h/t。根據(jù)DB11/T 1120—2014《生活垃圾生化處理能源消耗限額》的要求進行換算后，廚余垃圾好氧堆肥的處理能耗應控制在43 kW·h/t以下，發(fā)酵處理的能耗應控制在59 kW·h/t以下。本項目中水熱炭化處理環(huán)節(jié)的能耗雖然遠高于壓榨處理環(huán)節(jié)，但該環(huán)節(jié)將所有的廚余垃圾漿化料進行脫水，并得到了便于儲存運輸?shù)乃疅崽�，實現(xiàn)了廚余垃圾的資源化，與其他廚余垃圾處理工藝比較，單位處理能耗處于較低水平。

5. 運行成本及效益分析

     廠區(qū)建設成本包括土建工程、園林配套工程和工程建設其他費用，共計1965.64萬元。設備成本包括各系統(tǒng)設備2635.05萬元和設備安裝費用221.59萬元。經核算，人工費用為48.10萬元/月，用水成本為1.24萬元/月（用水單價為5.09元/t），用電成本平均為9.91萬元/月（按照分段收費標準）。水熱炭化處理、污水處理和臭氣處理環(huán)節(jié)會用到催化劑、絮凝劑、調節(jié)劑和除臭劑等藥劑，藥劑成本為35.78萬元/月。轉運站運行期間會有配件耗材的消耗，該部分成本平均為6.94萬元/月。 表4為處理單位廚余垃圾不同支出項目和處理環(huán)節(jié)成本核算的情況。廚余垃圾處理成本為386.56元/t，其中人工成本、藥劑成本和設備成本的占比較高，分別占總成本的39.51%、26.70%和17.77%。不同處理環(huán)節(jié)的水熱炭化處理和污水處理占總成本的比例較高，分別為41.69%和22.10%。壓榨處理環(huán)節(jié)的費用為56.79元/t，占總成本的14.69%。

    根據(jù)相關文獻可知，黑水虻協(xié)同厭氧發(fā)酵處理餐廚垃圾項目的成本為322.39元/t，但是這種處理方式周期較長，需要的場地較大，黑水虻的生長條件也不好控制，厭氧發(fā)酵項目具有一定安全隱患；銀川市某廚余垃圾-蔬菜廢物協(xié)同生產液肥項目處理1 t廚余垃圾的成本為337.9元/t，但該項目處理規(guī)模最大僅30 t/d左右，且該項目位于我國西部地區(qū)，人工成本和建設成本要低于一、二線城市；北京市某廚余垃圾厭氧處理設施的單位處理成本為381~468元/t，與本項目中的廚余垃圾處理成本接近。

    本研究中的項目所處地區(qū)人口密集、城市化水平高、用地成本和人工成本高。廚余垃圾干濕壓榨分離-水熱炭化工程在有限的空間條件下，實現(xiàn)了對廚余垃圾的大量消納，收運來的廚余垃圾在1 d內就能完成處理。處理產物包括干垃圾和水熱炭以及污水處理產生的極少量底泥（僅占廚余垃圾處理量的0.074%），對周邊環(huán)境的污染風險較小。干垃圾和水熱炭具有很好的資源化利用前景，雖然該項目廚余垃圾處理成本相對較高，但是干濕壓榨分離-水熱炭化技術工程在我國經濟發(fā)達、人口密度大、用地緊張的城市具有相對優(yōu)勢。

04 結論

   本研究針對日處理能力在100 t/d以上的廚余垃圾干濕壓榨分離-水熱碳化工程進行評估。分析了項目的廚余垃圾減量化能力、干濕壓榨分離-水熱炭化處理后產物的理化特性、污水處理效果、能耗情況和運行成本。得到如下結論：

  1）垃圾減量化率可達60.31%，主要產物為干垃圾和水熱炭，分別占原生廚余垃圾總量的31.1%和8.7%。每噸廚余垃圾處理產物的有效發(fā)熱量比原生垃圾增加了23.26 MJ。廚余垃圾處理的單位能耗為46.26 kW·h/t，其中水熱炭化處理能耗占總能耗的72.14%，壓榨處理能耗僅占總能耗的10.54%。每噸廚余垃圾處理成本為386.56元。

  2）廚余垃圾壓榨處理產生的干垃圾可用于直接發(fā)電或進一步制成衍生燃料。水熱炭在制備優(yōu)質燃料、吸附材料、生物碳基肥料以及土壤改良劑等方面具有很大潛力。廚余垃圾干濕壓榨分離-水熱碳化工程有效實現(xiàn)了廚余垃圾的減量化和資源化。本研究為城市廚余垃圾處理工程建設提供了有價值的參考案例，也為干濕壓榨分離-水熱碳化工藝的工程化應用及推廣提供了可靠的設計依據(jù)與技術支撐。