广州市餐厨垃圾不同处置方式的经济与环境效益比较

广州市餐厨垃圾不同处置方式的经济与环境效益比较沈超青马晓茜摘要：对广州市餐厨垃圾采用填埋、焚烧、综合处理3种处置方式的经济和环境效益进行了对比分析。结果表明，对于一座日处理能力为500t的餐厨垃圾处理厂而言，如果采用制取沼气和提炼生物柴油的综合处理方式，则年处置费用约为3833万元，年运输成本约为1825万元，年总收益（主要为出售生物柴油和发电）为7093万元，年净收益可达1435万元；一座日处理能力为500t的餐厨垃圾处理厂通过综合处理提炼的生物柴油若替代普通柴油使用，则每年可减少CO2排放量达110000t，而且餐厨垃圾厌氧发酵过程中产生的CO2也能被有效回收并加以利用。总体来说，综合处理方式既实现了餐厨垃圾的资源化有效利用，也达到了低污染排放的目的，经济与环境效益均达最佳。关键词：餐厨垃圾；填埋；焚烧；综合处理；比较随着国民经济的增长和餐饮行业的持续发展，我国每年的餐厨垃圾产量也在不断增加。目前，广州市日产生活垃圾超过17000t，其中餐厨垃圾达4000～5000t，占生活垃圾的23.5％～29.4％。按此计算，广州市餐厨垃圾的年产量不低于1.5×106t。餐厨垃圾传统的处理方法有：喂养生猪、经粉碎后排入下水道或直接填埋、堆肥和生产家畜饲料。如果将餐厨垃圾直接收集后运至养猪场喂猪，餐厨垃圾中的各种病菌会经过生物链传播，从而影响人体健康。将餐厨垃圾经简单处理后排至下水管道，则易造成较大的污染，导致细菌和病毒的滋生。将餐厨垃圾直接填埋的成本低，但会占用大量土地，且伴随而来的大量潲水威胁着水资源安全，而排放出来的沼气也会加重大气污染。餐厨垃圾用于堆肥和饲料生产属于较为有效的资源利用方式，但由于肥料和饲料的质量不高，销路往往不佳。目前较为有效的餐厨垃圾处理方法是以发酵制沼气和提炼生物柴油为主的综合处理法。笔者对广州市餐厨垃圾采用填埋、焚烧、综合处理3种处置方式的经济和环境效益进行了对比分析，以期为广州市餐厨垃圾的有效、合理利用提供借鉴。1餐厨垃圾的特性由于不同地区食物结构的不同，各地产生的餐厨垃圾的成分也不一样，特别是其含水量受地区气候的影响较大。餐厨垃圾中含水量较高，一般在80％左右。而餐厨垃圾处理成本中，运输成本占很大比例，大约为100元/t，按照一般餐厨垃圾处理厂处理规模（日处理量为500t左右）来计算，则每天的运输成本将达50000元。据调查，目前绝大多数餐饮经营者为运输方便，通常会将收集的餐厨垃圾在外运前进行淋漏，以减少水分，降低运输成本。经过淋漏的餐厨垃圾含水量可降至40％左右。ZHANG等对广州市餐厨垃圾的取样分析结果表明，餐厨垃圾的含水量约为80％，可燃分含碳量（以质量分数计）为37.73％～48.93％，为方便计算一般取平均值43％。2餐厨垃圾不同处置方式的经济和环境效益比较2.1填埋处置2.1.1填埋处置的经济效益垃圾填埋的优点是无需预处理、成本低，缺点是占地面积大。在一个精心设计的垃圾填埋场里，约有66％的填埋气可被收集作为燃料利用，而剩余的34％将进入大气层。据调查，每吨餐厨垃圾填埋后约将产生250m3的填埋气，填埋气的主要成分为甲烷和CO2，其中甲烷大约占了60％（体积分数）左右。填埋气的低位热值为14900kJ/m3，而天然气的低位热值为37300kJ/m3，每吨餐厨垃圾填埋产生的填埋气燃烧可达的低位热值相当于99.9m3的天然气燃烧可达的低位热值。每天填埋500t餐厨垃圾将产生填埋气1.25×105m3，按66％进行有效收集利用，将这些填埋气代替天然气使用，则每年可节省天然气使用量达1.2×107m3。目前天然气的价格大约为3.45元／m3N，按此计算则每年将产生几千万元的经济效益。将填埋气用于发电，发电效率按30％计算，则年发电量将达3.74×107kW•h，电价按0.56元／（kW•h）计算（下同），则年发电总收益为2094万元。可见，餐厨垃圾填埋产生的填埋气如能进行有效收集利用，能产生可观的经济效益。2.1.2填埋处置的环境效益餐厨垃圾填埋产生的填埋气一旦泄露也必然会带来相当大的环境污染。另一方面，广州市土地资源相对紧缺，土地价格高昂，且许多垃圾填埋场的处理量已经饱和。而填埋产生的渗滤液对环境和水资源的影响也相当严重。因此，将餐厨垃圾进行填埋处置是一种不可持续的发展模式。表1显示了餐厨垃圾填埋后的污染物排放情况（按日处理规模为500t计）。表1餐厨垃圾填埋后的污染物排放情况由表1可知，如果将餐厨垃圾用于填埋，则每年将向大气泄露的填埋气接近1.55×107m3，其中含甲烷9.31×106m3；，含CO26.2×106m3。而收集的填埋气发电每年将排放CO2近3.01×107m3，故在餐厨垃圾的填埋处置和填埋气回收发电过程中，每年总排放CO2约3.63×107m3（折合71772t）。另外，每年还将有几万吨的渗滤液渗入到地下水中，内含大量COD、BOD5等污染物，严重威胁地下水资源安全。2.2焚烧处置2.2.1焚烧处置的经济效益焚烧是将垃圾放在焚烧炉中，在高温下将垃圾中的有机物彻底氧化分解，达到减量化目的，产生的热能可用来发电、取暖等。焚烧对垃圾的含水量有很高要求，广州李坑垃圾焚烧发电厂（一期）要求入炉垃圾含水量为50％左右，湿基低位发热量约为5600kJ/kg。然而对于餐厨垃圾，即便是淋漏后的低位热值也不足3000kJ/kg，不能满足焚烧要求，必须投油助燃，增加了处置成本。因此，餐厨垃圾焚烧入炉前必须对其进行预处理，以降低含水量和提高低位发热量。可通过充分的挤压淋漏和焚烧炉的部分余热烟气对入炉前的餐厨垃圾进行加热干燥，使其含水量降至40％左右，挤压淋漏后的污水通过污水管道排出。干燥后的餐厨垃圾可减量至2/3，按日处理规模为500t计，每天预处理后入炉焚烧的餐厨垃圾约为333t，低位热值约为4890kJ/kg。按此处理规模，预处理过的餐厨垃圾焚烧后产生的热量通过余热锅炉加以利用，可供一台6MW的汽轮机组发电，发电效率约为30％，焚烧每吨餐厨垃圾可发电407kW•h，每天发电量可达136000kW•h，每年发电量可达4.95×107kW•h，年发电总收益可达2773万元。2.2.2焚烧处置的环境效益假定炉内餐厨垃圾燃烧较为充分，燃烧效率取90％，则每吨餐厨垃圾充分焚烧后约将排出灰渣0.08t，排放CO20.708t，排放SO22.4kg，同时还排放一定量的NOx。按此计算，则年排放CO2、SO2分别可达86000、295t。2.3综合处理厌氧发酵是餐厨垃圾在厌氧条件下通过微生物的代谢活动而被稳定化，同时伴有甲烷和CO2混合气体的产生。笔者认为，广州市可效仿重庆市的餐厨垃圾的综合处理方式（见图1），根据自身特点，建设餐厨垃圾资源化处理厂，对全市的餐厨垃圾进行资源化处理。图1重庆市餐厨垃圾综合处理流程餐厨垃圾综合处理流程为：先将收集到的餐厨垃圾进行固液分离，得到固相和液相物质，其中固相进一步挤压淋漏，将挤压液与前一步产生的液相混合并进行破乳和油水分离，进一步得到污水和油脂2种液体，其中污水通过处理后由下水管道排出。将挤压得到的固相物质进行油脂分离，所得油脂与油水分离得到的油脂一同在合适温度下进行转脂化反应，并洗涤精制得到可供柴油汽车使用的生物柴油。对于油脂分离后的剩余物质，在密闭容器内进行厌氧发酵可得到沼气，通过DDR型沸石膜分离出的CO2可作为工业原料出售，而分离得到的高浓度沼气可供燃气／蒸汽轮机联合循环发电。厌氧发酵后得到的沼渣可用来堆肥或直接填埋。2.3.1综合处理的经济效益参考图1的餐厨垃圾综合处理方式，按日处理量为500t计算，餐厨垃圾综合处后每天约可产生生物柴油27.8t。生物柴油能部分替代普通柴油的使用，其具有很好的环保性能。从燃料生命周期的角度考虑，与普通柴油相比，生物柴油能降低CO2排放量达78％。而生物柴油与普通柴油按照1:4（体积比）进行混合后，其燃烧性能达到最佳，此时仍可降低CO2排放量达15.6％。生物柴油密度约为0.85kg/L，按每升4元的价格出售，则餐厨垃圾综合处后每年产生的生物柴油的利润可达4775万元。此外，按图1的综合处理流程，每吨餐厨垃圾经厌氧发酵和气体分离后，每天可得高纯度沼气约29000m3，其低位热值可达35000kJ/m3，沼气中甲烷体积分数可达95％以上。按日处理量为500t计算，餐厨垃圾综合处理后得到的高纯度沼气可供一台6MW的燃气／蒸汽联合循环机组发电，发电效率可达40％，每吨餐厨垃圾产生的高热值沼气可发电227kW•h，日发电量可达1.13×105kW•h，年发电量可达4.14×107kW•h，年发电总收益可达2318万元，由于甲烷纯度高，高纯度沼气的性质接近天然气，假如能够经进一步处理并通过燃气管道将其输送至珠江电厂作燃气发电，则该部分沼气的发电效率可提高到50％左右，每吨餐厨垃圾产生的高纯度沼气可发电283kW•h，增加发电量近25％。2.3.2综合处理的环境效益将餐厨垃圾进行综合处理，不但能减少CO2排放量，还能在一定程度上对CO2进行回收利用（作为灭火材料等工业原料使用）。按图1的综合处理流程，每吨餐厨垃圾厌氧发酵可产生沼气77.8m3，按沼气中甲烷与CO2体积比为3:1、日处理量为500t计，每天可回收CO29700m3（折合19.2t），每年可提供约7000t的CO2作为工业原料。按日处理量为500t计，与普通柴油相比，餐厨垃圾通过综合处理提炼的生物柴油在使用中每年将可减少CO2排放量达110000t。2.4综合分析2.4.1经济效益餐厨垃圾处置成本见表2，其中处理成本包括劳动力成本和耗电成本。对于一座日处理能力为500t的餐厨垃圾处理厂而言，年运输成本约为1825万元。不同处置方式的经济效益比较见表3。由表3可见，采用填埋方式，则餐厨垃圾每年处置费用约为1734万元，年总收益（主要为发电）为2094万元，年净收益为-1465万元；如果采用焚烧方式，则每年处置费用约为3486万元，年总收益（主要为发电）为2773万元，年净收益为-2538万元；如果采用制取沼气和提炼生物柴油的综合处理方式，则年处置费用约为3833万元，年总收益（主要为出售生物柴油和发电）为7093万元，年净收益可达1435万元。表2餐厨垃圾不同处置方式的成本表3餐厨垃圾不同处置方式的经济效益由此可见，广州市餐厨垃圾若采用填埋方式处置，虽然处理成本较低，但资源化利用效率非常低，产生的经济效益不足以弥补处理费用，还需要政府投入大量的资金。若采用焚烧方式处置，由于餐厨垃圾高含水量、低热值的特点，资源化利用效率的提高程度有限。而餐厨垃圾成分复杂，焚烧过程对设备寿命有着严重的影响，设备折旧成本很高。若采用综合处理方式，不仅可以生产高纯度沼气，还能提炼大量的生物柴油，餐厨垃圾的资源化利用效率大大提高。且餐厨垃圾综合处理所需设备投入运行之后，在使用期限（8年）内可收回投资成本。可见，总的来说，广州市餐厨垃圾进行综合处理的经济效益最好，焚烧处置的经济效益最差。2.4.2环境效益广州市餐厨垃圾若采用填埋方式处置不仅占用了大量土地，其渗滤液也对地下水资源构成了严重的威胁。对于一座日处理能力为500t的餐厨垃圾处理厂而言，每年大约向大气排放了71772t的CO2，如果不能加以回收利用，无疑将对环境造成严重污染。焚烧方式能实现垃圾的最大减量化，通过干燥焚烧的餐厨垃圾可减量90％左右，剩余的焚烧产物对土地和水资源的污染大大降低。对于一座日处理能力为500t的餐厨垃圾处理厂而言，餐厨垃圾焚烧每年排放的CO2、SO2分别达86000、295t。高含水量的餐厨垃圾在焚烧过程中如果处理不当，还会产生二恶英。综合处理方式既实现了餐厨垃圾的资源化有效利用，也达到了低污染排放的目的。在餐厨垃圾综合处理过程中提炼的生物柴油能部分代替普通柴油使用，而生物柴油具有清洁低污染的特点。一座日处理能力为500t的餐厨垃圾处理厂通过综合处理提炼的生物柴油若替代普通柴油使用，则每年可减少CO2排放量达110000t。餐厨垃圾厌氧发酵过程中所产生的CO2也能被有效回收并加以利用。可见，总体来说，广州市餐厨垃圾