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我国餐厨垃圾资源化利用和发展综述
作者: 编辑: 来源: 发布日期: 2021.08.20
信息摘要:
随着生活垃圾分类的普遍推行,餐厨垃圾资源化利用将越发重要,并将成为物质利用的一个重要项目和垃圾分类处理的一个产业分支,值得重视。

随着生活垃圾分类的普遍推行,餐厨垃圾资源化利用将越发重要,并将成为物质利用的一个重要项目和垃圾分类处理的一个产业分支,值得重视。预计2025餐厨垃圾分出量将达到20×104t/d餐厨垃圾主要来自:蔬菜基地、农贸市场产生的食材废料,家庭厨房产生的食材废料和食物残余,公共食堂及餐饮行业的食材废料和食物残余。蔬菜基地、农贸市场和家庭厨房产生的食材废料(习惯上称之为餐厨垃圾)以生料为主,总固和有机质含量分别在20%左右和15%左右;家庭、食堂和餐饮业的食物残余(习惯上称之为餐饮垃圾)以熟料为主,总固含量和有机质在10%以内。

一、餐厨垃圾资源化利用的内在逻辑

(一)餐厨垃圾资源化利用的内在逻辑

新固废法要求餐厨垃圾无害化、资源化处理;而且,餐厨垃圾具有资源化利用的物质基础,餐厨垃圾含有的20%左右有机固料是提倡餐厨垃圾资源化利用的物质逻辑;更重要的是,通过技术手段可以提高餐厨垃圾的资源化利用价值,如通过厌氧发酵制沼发电技术,不仅提高燃料(沼气)的能级(热值),也提高发电效率,使得含固率20%餐厨垃圾厌氧发酵制沼发电的发电量可达到70%含固率50%的混合垃圾焚烧发电的发电量;再者,餐厨垃圾分类处理有利于干垃圾的物质利用,有利于提高其他垃圾的热值和焚烧发电收益,有利于降低其他垃圾的含水率和易腐有机质的含量,简化其他垃圾的填埋处置,从而提高垃圾处理的综合效益。一定规模、物质基础、技术基础、综合效益和法律规定形成了餐厨垃圾资源化利用的内在逻辑。

(二)餐厨垃圾资源化利用的不确定性

一个值得注意的现象是,餐厨垃圾含固率具有不确定性,使得餐厨垃圾资源化利用也具有不确定性。餐厨垃圾含固率一般在30%以内,因地因时而变化,而且,可在5%—30%范围内变化,变化幅度较大,使得餐厨垃圾具有不确定性,导致餐厨垃圾资源化利用也具有不确定性。

餐厨垃厌氧发酵圾制沼为例。餐厨垃圾含固率的变化以及处理工艺技术引起的固料转换率、酵料含固率、残渣含固率等变化对沼气、残渣、沼液产量影响很大,见表2-2。测算时,假定残渣的含固率为35%(含水率65%),不考虑有机反应对物料平衡的影响。

餐厨垃圾含固率的不确定性不仅给设施建设营运造成困扰,而且,给处理单价的测定造成困扰。政府采购服务时不可能天天去监测餐厨垃圾含固率,更不可能一天一个价。一个现实做法是,根据以往的统计数据确定一个基准含固率,再以此为基础来测算处理单价。

二、餐厨垃圾资源化利用的系统与工艺技术

(一)系统

餐厨垃圾资源化利用包括5个子系统:餐厨垃圾接收系统,预处理系统,资源化转换系统,资源化利用系统和三废治理系统。核心和关键是预处理、资源化转换和三废治理。

餐厨垃圾资源化转换方法可概括为3大类:动物转换、生物转换和物理化学转换,其选取主要取决于占地、转换率和投资3大因素。

中小规模(100/日以内)时采用堆肥和动物转换(控制动物制品的流向)2种转换方法,较大规模时采用厌氧发酵制沼方法,有条件地区可以采用厌氧发酵制沼和好氧堆肥联合处理的方法。餐厨垃圾资源化利用项目较少采用物理化学转换方法,主要是成本较高,但不排除将来利用太阳能进行转换的前景。

生物转换尤其厌氧发酵和厌氧/好氧联合发酵是主要方向,70%以上的餐厨垃圾资源化利用项目采用生物转换方法,大规模资源化利用项目又以厌氧发酵制沼转换为主。近年来,干式厌氧发酵制沼在国内成功应用,因其占地小、不需要外加水因而沼液产量小,将有望受到青睐。中、小规模项目可采用沤肥、堆肥等生物转换方法将餐厨垃圾转换成土壤改良剂或有机肥就地就近消纳。

更小规模餐厨垃圾就地就近处理可采用动物转换方法,如通过家禽(大动物)、蚯蚓、黑水虻等动物将餐厨垃圾转换成动物营养质和动物粪便,然后再合理处置动物及其粪便。

(二)预处理

预处理工艺技术的选取取决于餐厨垃圾性质和资源化转换方法,其重要性甚至可以决定餐厨垃圾资源化利用项目的成败。强制推行生活垃圾分类制度之前,一些项目的餐厨垃圾大多来自混合生活垃圾的二次分选,预处理工艺包括破袋、筛分、人工分拣、破碎、风选、磁选等分选工序,甚至还包括(热风、生物、太阳能)干化工序,普遍存在流程过长且受缠绕、粘结、分离困难和环境管理难等困扰,导致餐厨垃圾资源化利用项目运行不可靠、管养难、投资与运行成本高等。相对以生料为主的餐厨垃圾的预处理而言,以熟料为主的餐饮垃圾的预处理主要以油水分离为主,比较简单,餐饮垃圾的资源化利用项目因此而比较成功。

强制推行生活垃圾分类制度之后,餐厨垃圾主要来自农贸市场(包括超市农贸专场)的食材废物、食堂和酒楼的食材废物与食物剩余物,其次来自居民小区分出的食材废物与食物剩余物,不仅来源有保障,而且,餐厨垃圾的固料主要是可降解有机质和纤维质,有利于简化餐厨垃圾资源化利用的预处理工艺。以厌氧发酵制沼发电为例,从国内成功案例看,干式发酵的预处理主要是破碎(控制酵料的粒度),湿式发酵的预处理主要是高压压榨制浆,都不要采用传统的二次分选工序,极大地缩短了预处理工艺流程,提高了稳定性和可靠性。生活垃圾源头分类简化餐厨垃圾资源化利用的预处理,也使餐厨垃圾资源化利用具有正当性(换言之,以往那种从混合垃圾中分出餐厨垃圾再加以利用的做法,是不值得的)。

(三)三废治理

三废治理问题或环境管理难,对餐厨垃圾资源化利用项目,尤其是大规模厌氧发酵制沼项目,是个重大问题,但又是个不得不妥善解决的问题。无论干式发酵还是湿式发酵项目,都会产生大量的残渣、沼液和臭气,尤其是湿式发酵,因制取酵料时需要外加水,其沼液量甚至大于餐厨垃圾量,环境管理难度相当大。

主动方法是减少三废产量,被动方法是加强三废处理。目前可供选择的主动方法是采用三废减量方法和控制项目的处理规模,如以干式发酵替代湿式发酵以减少沼液产量,加大湿式发酵的沼液回流和中水回用以减少外加自来水量,通过区块链技术建设分布式餐厨垃圾资源化利用设施等;被动方法有沼渣(残渣)与餐厨垃圾及其他有机垃圾联合堆肥、残渣制成衍生燃料等以加强残渣的资源化利用,加强臭气控制与废气净化等。

在三废控制上,应明确3个约束,即三废减量约束、二次废物更易处理约束和经济性约束。所谓三废减量约束就是要求餐厨垃圾资源化利用过程中对外排放的废渣与废水之和不得大于餐厨垃圾处理量。所谓二次废物更易处理约束就是餐厨垃圾资源化利用过程产生的三废的处理应比餐厨垃圾更容易处理。所谓经济性约束就是餐厨垃圾资源化利用(包括过程产生的三废治理)的单位餐厨垃圾服务单价不得高于分类前混合垃圾的综合处理单价,更不得高于混合垃圾的焚烧处理单价。

三、餐厨垃圾资源化利用的处理单价

1000/餐厨垃圾(20%含固率)制沼发电BOTPPP项目为例,假定政府采购垃圾处理服务的处理单价计算公式为:处理单价=处理单位某类垃圾的经营净成本+平均利润×该处理的权重,其中,净成本=成本-收入,平均利润=收入×行业平均利润率。计算处理单价时即计算投资收益又计算收入利润。

(一)假设条件

1)项目建设营运期:特许经营期30年,其中,第1-2年为建设期,第3-5年提产期,免征所得税,第6-8年所得税减半,为12.5%,第9年开始所得税率为25%

2)折旧:按照平均年限法,设备折旧年限假设为15年,土建及其他折旧年限为25年;

3)建设投资:餐厨垃圾制沼发电设施建设投资为20—40万元/(吨/日)(不含征地及拆迁费用)。

4)垃圾发电280/吨以内的电价为0.65/度,超过280/吨的按照燃煤发电行业平均电价0.37/度计算;

5)投资:资金结构中30%为自有资金,70%为成本(银行贷款),资金筹措费率0.5%

6)年利率:采用等额本息的方式;资金贷款年利率4.5%

7)贷款用途:餐厨垃圾制沼发电设施设备及安装费用占比45%(可降至30%),建筑工程及其他费用占比55%

8)贷款期限:设备及安装费用采用15年贷,建筑工程及其他费用25年贷;

9)投资收益和利润:假设资本收益率和行业平均利润率都为8%

10)税金:增值税率17%,垃圾处理费即征即返70%、发电上网即征即返100%企业所得税25%,垃圾能量利用享受三免三减半优惠。

(二)垃圾处理

1)年处理量:年运行天数330日,年处理生活垃圾33万吨;

2)进厂垃圾:进厂餐厨垃圾含固率20%

3)制沼发电:固料转换成沼气的转换率为50%,吨垃圾发电量210千瓦时/吨;

4)三废:污水处理量为120%进厂餐厨垃圾量,残渣(压榨干渣、沼渣、污水处理厂污泥等)为29%进厂餐厨垃圾量(残渣的平均含水率约65%);

5)厂用电率10%

(三)处理单价测算

在上述建设营运、融资、税收等假设条件下,餐厨垃圾制沼发电的成本、收入和处理单价测算见表2-3。从表2-3可见,餐厨垃圾制沼发电的处理单价可控制在130/吨以内,即使贷款年利率为6%,处理单价也可170/吨以内。影响处理单价的主要因素是发电收入、三废噪声治理费、运行维护费和折旧,其次是贷款成本、资本收益和利润。

(四)降低处理单价的途径

降低处理单价是餐厨垃圾资源化利用可持续发展的关键。改变融资条件(年利率、贷款期限)、工艺技术(贷款用途、吨设施运行维护费)、三废噪声治理条件和转换率(吨垃圾发电量、三废产量),可以给出降低处理单价的主要途径。根据处理单价降低幅度由小至大排序,降低餐厨垃圾制沼发电的主要途径依次是优化融资方案、缩短工艺流程(优化工艺流程)、降低三废治理费用和提高转换率。

贷款年利率和贷款期限影响贷款成本,从而影响处理单价;因工艺选择影响设备投资与建筑工程投资的占比,因而影响贷款的使用分配,而在设备投资与建筑工程投资的贷款期限不相同时,贷款的使用分配影响贷款成本(贷款利息),从而影响处理单价和处理费,这说明,优化融资方案时有必要结合处理工艺。

工艺流程越短,处理单价和处理费都越低,建设时必须慎重选择处理工艺技术。工艺流程越短,说明:总的建设投资将越小;运行维护费用,甚至三废噪声治理费用,将越小;设备投资占比或建筑工程投资占比未必变化,流程短可能降低设备投资,但同时也可能降低建筑工程投资;即使缩短工艺流程导致设备投资占比减小,导致支付的总处理费增多(利息增额),但总投资减小和运行费用降低引起的处理费降低更加明显。

废水、残渣和臭气的治理费占处理费比重较大,餐厨垃圾资源化利用要想方设法降低三废的治理费用,具体方法有:残渣资源化利用,如与其他有机垃圾联合堆肥、堆放干化后做成衍生燃料或进入生物质资源电厂等,可减少0—30/吨的残渣处理成本;减少污水处理量,餐厨垃圾湿式厌氧发酵制沼发电应双措并举,一是将酵料的含固率提高到10%左右,二是开发应用沼液回用制浆技术,不仅减少污水处理量,同时还减少大量的制浆所需的外加水,可减少0—20/吨的残渣处理成本;此外,针对沼液的低碳氮比、高含量纤维等特殊性,开发简单高效的沼液处理技术(包括浓缩液处理技术)。

提高固料转换为沼气的转换率,提高沼气产量和吨垃圾发电量,从而增大发电收入,同时,减少残渣量,降低三废治理费,如将转换率从50%提高到60%,吨垃圾发电量便可从210千瓦时/吨提高到250千瓦时/吨以上,残渣从29%减少到23%,发电收入便从122.85/吨提高到146.25/吨,残渣处理费从30/吨减少到24/吨,意味着处理费降低29.40/吨,效益非常可观。

在绿色发展低碳生活时代背景下,餐厨垃圾资源化利用应引入减碳约束。在减碳约束下,餐厨垃圾资源化利用应优先物质利用,尽量减少能量利用;无论是物质利用还是能量利用都应采用先进的利用方法、工艺技术和设备,务必节能、节水、减排和增效,具体讲,要简化工艺流程、提高餐厨垃圾固料的资源转化率、提高设备运行效率、丰富产品种类、提高产品附加值、减少三废治理成本和运行维护成本,防范与消除系统复杂、流程长、运行参数欠佳、设备材料采购价格高和产品单一及附加值低等不足,降低餐厨垃圾资源化利用的处理单价。

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