餐廚垃圾處置方式及其碳排放分析

我國(guó)餐廚垃圾年均產(chǎn)量約為9000萬(wàn)t·a－1。因餐廚垃圾具有高有機(jī)質(zhì)與油脂成分及高含水率(77%以上)、易生化降解等特點(diǎn)，所以，若得不到及時(shí)、合理處置，必將對(duì)社會(huì)環(huán)境與人體健康帶來(lái)巨大安全隱患。圍繞餐廚垃圾科學(xué)、合理處置問(wèn)題，世界各國(guó)已進(jìn)行了大量基礎(chǔ)與應(yīng)用研究工作。填埋、焚燒、簡(jiǎn)單加工作為飼料等方式仍在不同程度上應(yīng)用于餐廚垃圾的處理。近些年來(lái)，餐廚垃圾資源化利用已引起各國(guó)關(guān)注。目前，我國(guó)已有五批餐廚垃圾資源化利用和無(wú)害化處理試點(diǎn)城市被確定; 試點(diǎn)城市主要采用厭氧消化產(chǎn)沼氣、好氧堆肥、制作飼料以及綜合處理等技術(shù)。除此之外，微生物燃料電池、熱解與氣化、水熱炭化、生物農(nóng)藥制造、乙醇與乳酸生產(chǎn)等技術(shù)也被開(kāi)始用于對(duì)餐廚垃圾處理的研究。一方面，這為餐廚垃圾資源化處置開(kāi)辟了新的研究途徑; 另一方面，也說(shuō)明餐廚垃圾資源化今后將主導(dǎo)其最終處置歸宿。與此同時(shí)，全球?qū)μ紲p排的呼吁與行動(dòng)也不斷走上議事日程，這更加限定了對(duì)餐廚垃圾的處置今后需走資源化的可持續(xù)之路。

不同餐廚垃圾處理方式，在餐廚垃圾資源化回收程度以及產(chǎn)生的碳排放量方面有著很大差別。因此，對(duì)餐廚垃圾處理需要依據(jù)其基本特點(diǎn)，選擇適宜的處理方式，從而構(gòu)建資源化與碳減排合二為一的處理規(guī)劃。

本文綜述了國(guó)內(nèi)外餐廚垃圾處置現(xiàn)狀，分析了5種處置方式的基本原理，通過(guò)典型案例分析以上5種餐廚垃圾處置方式的碳排放量，期待為我國(guó)未來(lái)餐廚垃圾資源化方向指明道路。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)餐廚垃圾多用作泔水喂豬，也有少量簡(jiǎn)單加工為動(dòng)物飼料或煉制地溝油的實(shí)踐。顯然，這樣的“資源化”處置方式易滋生病菌，造成二次污染，而且存在食物鏈傳播健康風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題。填埋和焚燒處理簡(jiǎn)便，是我國(guó)餐廚垃圾目前主要的處置方式。然而，餐廚垃圾高含水率，填埋易產(chǎn)生高濃度滲濾液，焚燒則導(dǎo)致較高的耗能。進(jìn)言之，餐廚垃圾高易生化降解有機(jī)成分在填埋過(guò)程中往往只是被降解，產(chǎn)生的填埋氣也難以有效利用，這就對(duì)餐廚垃圾所含能源、資源造成極大浪費(fèi)，也會(huì)給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)巨大負(fù)面影響。目前，我國(guó)部分住宅小區(qū)雖有采用餐廚垃圾粉碎機(jī)( food waste disposal units，F(xiàn)WD) 在下水管網(wǎng)前破碎處理餐廚垃圾的嘗試，但被粉碎后的餐廚垃圾通過(guò)城市下水管網(wǎng)進(jìn)入污水處理廠，也只是被動(dòng)降解，難以實(shí)現(xiàn)資源化利用。近些年來(lái)，國(guó)家政策倡導(dǎo)餐廚垃圾資源化處置，餐廚垃圾資源化利用和無(wú)害化處理試點(diǎn)城市工作在不斷推進(jìn)。在被批復(fù)的五批餐廚垃圾試點(diǎn)城市中，厭氧消化產(chǎn)沼氣、好氧堆肥、綜合處理等技術(shù)均有不同程度應(yīng)用; 其中，厭氧消化產(chǎn)沼氣技術(shù)已在不少試點(diǎn)城市應(yīng)用。盡管如此，我國(guó)餐廚垃圾資源化處置工作并不容樂(lè)觀，這主要是因?yàn)槲覈?guó)餐廚垃圾處理廠主要局限于試點(diǎn)城市，總體餐廚垃圾回收率仍然較低，而且“吃不飽”現(xiàn)象在運(yùn)營(yíng)當(dāng)中的餐廚垃圾處理廠時(shí)有發(fā)生，影響了餐廚垃圾處理廠的正常運(yùn)行; 加之，我國(guó)的垃圾分類工作進(jìn)展緩慢，餐廚垃圾里往往混有不少有機(jī)雜物，給后續(xù)餐廚垃圾生物處理造成不利影響，也就降低了餐廚垃圾資源化處置效率。

填埋、焚燒亦是國(guó)外餐廚垃圾處置曾經(jīng)采用的常用方式。為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)與氣候變化，許多國(guó)家開(kāi)始擴(kuò)大生物處置餐廚垃圾的規(guī)模，以減少填埋、焚燒處置的份額。歐盟早在1990年代起就采取禁止可生化降解垃圾直接填埋處置的措施; 韓國(guó)也已于2005年出臺(tái)了禁止可生化垃圾直接填埋的管理辦法。為避免填埋，日本、北美等國(guó)家也有不同程度地應(yīng)運(yùn)居家FWD 方式處置廚余垃圾的范例。就餐廚垃圾資源化回收技術(shù)而言，厭氧消化產(chǎn)沼氣、好氧堆肥和制作飼料等技術(shù)在國(guó)外占有重要份額。日本以微生物堆肥與制作飼料技術(shù)實(shí)現(xiàn)了較高的餐廚垃圾資源化處置率，這與日本嚴(yán)格執(zhí)行餐廚垃圾分類不無(wú)聯(lián)系; 韓國(guó)以成熟的堆肥與制作飼料技術(shù)保障了較高的餐廚垃圾資源化處置率( 2006年高達(dá)94. 2%)。近年來(lái)，餐廚垃圾厭氧消化處理的工程應(yīng)用在許多國(guó)家持續(xù)快速增長(zhǎng)，如，美國(guó)加利福尼亞餐廚垃圾共消化項(xiàng)目、新加坡“2012 綠色計(jì)劃”方案等行動(dòng)均提高了餐廚垃圾厭氧消化處理的能力?？傮w上，歐洲國(guó)家在利用厭氧消化技術(shù)處理餐廚垃圾方面的工程應(yīng)用更為普遍、技術(shù)更加成熟。截止到2014年，歐洲國(guó)家厭氧消化設(shè)施年處理包括餐廚垃圾在內(nèi)的城鎮(zhèn)有機(jī)固廢物能力高達(dá)7. 75百萬(wàn)t·a－1，其中，德國(guó)高達(dá)2百萬(wàn)t·a－1，西班牙為1. 6百萬(wàn)t·a－ 1; 而且對(duì)沼氣與沼渣的利用已有相當(dāng)成熟的技術(shù)，沼氣經(jīng)提純作為車用燃料工程化應(yīng)用已有不少成功案例。

2. 1 填埋

餐廚垃圾填埋處置是以微生物代謝作用為基礎(chǔ)的，細(xì)菌可將其中可降解有機(jī)成分分解為填埋氣(沼氣) ，其余部分被穩(wěn)定至腐殖質(zhì)，同時(shí)，產(chǎn)生滲濾液。填埋氣主要成分是甲烷(CH4) 和二氧化碳(CO2) ，兩者分別占到填埋氣體積的50%～65%和30%～40%。CH4和CO2都是溫室氣體，若不加以收集而任其自然排放，將對(duì)大氣環(huán)境產(chǎn)生不利影響。甲烷是一種高熱值可再生能源，可通過(guò)對(duì)填埋場(chǎng)有效管理，實(shí)現(xiàn)其高效利用(如燃燒發(fā)電) ，降低碳排放量。然而，填埋氣產(chǎn)量與成分受限于餐廚垃圾特性、填埋方式等因素。也有文獻(xiàn)報(bào)道，餐廚垃圾填埋處置之碳排放量因處置方式不同而效果不同; 一般而言，填埋+ 填埋氣發(fā)電、填埋+ 填埋氣燃燒、好氧預(yù)處理+ 填埋、厭氧填埋在次序上會(huì)導(dǎo)致碳排放量逐漸增大。目前，餐廚垃圾與其他垃圾混合填埋較為廣泛，這種客觀存在的現(xiàn)實(shí)主要源于居家丟棄與市政轉(zhuǎn)運(yùn)的方便，也是造成填埋氣產(chǎn)量低下的重要原因，更是我國(guó)大多數(shù)填埋場(chǎng)不愿收集填埋氣的原因。

餐廚垃圾與其他垃圾混合填埋處置雖然在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中有其存在的歷史意義，但會(huì)對(duì)環(huán)境造成諸多不利影響。餐廚垃圾因較高含水率與高有機(jī)成分，填埋處置必然會(huì)產(chǎn)生大量高濃度以有機(jī)成分為主的滲濾液，處置不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致地下水、甚至地表水二次污染的現(xiàn)象。填埋氣不加以利用則增加碳排放量。更為嚴(yán)重的是填埋過(guò)程中揮發(fā)性有機(jī)化合物( VFAs) 的釋放將污染空氣，直接威脅到人體健康。此外，填埋場(chǎng)占地面積往往較大，況且適合填埋的場(chǎng)地又十分有限，這又導(dǎo)致了填埋處置成本并非最低的尷尬現(xiàn)象。與此同時(shí)，填埋普遍以減量、消容為目的，多數(shù)不能實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾資源化利用，這顯然與目前我國(guó)餐廚垃圾資源化處置原則相悖，注定其今后將被淘汰。

2. 2 好氧堆肥

堆肥是在適宜的環(huán)境條件下，微生物將餐廚垃圾中有機(jī)物氧化、轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的過(guò)程。腐殖質(zhì)中含有大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可作為優(yōu)質(zhì)肥料使用。好氧堆肥主要采用以下5種系統(tǒng): 1)條垛式; 2)強(qiáng)制通風(fēng)條垛式;3) 膜覆蓋式; 4) 隧道式; 5) 容器式。為加快機(jī)質(zhì)經(jīng)微生物作用被穩(wěn)定為腐殖質(zhì)的過(guò)程并保障肥效，往往需要優(yōu)化堆肥過(guò)程中含水率、通風(fēng)條件、C /N比和接種量等工藝參數(shù); 堆制結(jié)束需要對(duì)堆料進(jìn)行腐熟度、不同等級(jí)的安全指標(biāo)測(cè)定，并依據(jù)其肥效及安全等級(jí)選擇適合應(yīng)用的場(chǎng)合。

餐廚垃圾高有機(jī)成分及易生化降解特性非常適合作為微生物的營(yíng)養(yǎng)底物，可以達(dá)到快速穩(wěn)定為腐殖質(zhì)的效果。但是，餐廚垃圾含水率較高( 77%以上) ，不在堆肥最佳的含水率范圍( 50%～65%) 以內(nèi)，這勢(shì)必導(dǎo)致微生物可利用的氧量減少。此外，餐廚垃圾相對(duì)高的油脂含量會(huì)在堆料表面形成一層膜，這會(huì)導(dǎo)致堆料出現(xiàn)厭氧狀態(tài)，使底物發(fā)酵酸化，pH值下降，不利于堆肥微生物的生長(zhǎng)。因此，利用餐廚垃圾堆肥時(shí)，要首先探明其具體特性，然后選擇合適的膨脹劑及混合比或采用與其他底物(如，園林綠化植物垃圾) 進(jìn)行聯(lián)合堆肥，以達(dá)到調(diào)節(jié)含水率和堆料孔隙的目的(以增加含氧率) 。綠化植物垃圾產(chǎn)生量大、結(jié)構(gòu)疏松，干化后與餐廚垃圾適量共堆肥，可拓寬對(duì)市政有機(jī)固體廢棄物處理的途徑。但是，綠化植物垃圾木質(zhì)纖維素含量高，較難生化降解，這就需要研究共同堆肥過(guò)程中優(yōu)勢(shì)菌屬及物料的演變規(guī)律，進(jìn)而得出共同堆肥的最優(yōu)工藝參數(shù)。

堆肥技術(shù)工藝較為簡(jiǎn)便、發(fā)展歷史悠久，已在我國(guó)餐廚垃圾試點(diǎn)城市多處應(yīng)用; 典型成熟的應(yīng)用案例有北京南宮堆肥廠等。然而，餐廚垃圾堆肥產(chǎn)生的腐殖肥效及安全等級(jí)受原料成分( 如，高油、鹽成分) 影響往往導(dǎo)致肥料品質(zhì)不佳的現(xiàn)象，這就影響了肥料的大規(guī)模使用，特別是受限于農(nóng)業(yè)方面。為此，做好餐廚垃圾分類與堆肥預(yù)處理工作以及拓寬下游肥料出路是保障肥料品質(zhì)及提高肥料應(yīng)用范圍的關(guān)鍵。

2. 3 粉碎直排

粉碎直排是指將餐廚垃圾經(jīng)廚房下水接口配置的餐廚垃圾粉碎機(jī)( FWD) 粉碎后直接排入市政下水管網(wǎng)的方法。采用FWD的處置方式雖有避免餐廚垃圾丟棄與轉(zhuǎn)運(yùn)導(dǎo)致二次污染的現(xiàn)象、可為市政污水處理廠增加碳源等優(yōu)勢(shì)，但是，餐廚垃圾在資源化方面的作用則大打折扣，流入污水處理廠的粉碎有機(jī)物大都被直接穩(wěn)定至CO2，只有增量的剩余污泥可用作厭氧消化實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化、回收利用。因此，對(duì)大中城市來(lái)說(shuō)，F(xiàn)WD并非可持續(xù)的選項(xiàng)，只有人口相對(duì)分散的地區(qū)，可能才會(huì)有應(yīng)用的需要。雖然FWD在美國(guó)城市當(dāng)中的允許安裝率超過(guò)94%，且居家的累積安裝率超過(guò)高達(dá)50%，但這并不代表著它是一種應(yīng)用的國(guó)際趨勢(shì)，因?yàn)楦鞯貙?duì)FWD安裝并應(yīng)用的前提條件頗為嚴(yán)苛。FWD也開(kāi)始在我國(guó)一些社區(qū)嘗試應(yīng)用，但下水道接納以及污水處理廠適應(yīng)性均沒(méi)有考慮FWD帶來(lái)的額外負(fù)荷。加之，F(xiàn)WD的使用需要耗電、耗水，無(wú)形之中又增加了對(duì)它在進(jìn)一步應(yīng)用與可持續(xù)性餐廚垃圾處置上的質(zhì)疑。

2. 4 厭氧消化產(chǎn)沼氣

厭氧消化產(chǎn)沼氣技術(shù)是在人為優(yōu)化工藝條件下，有機(jī)質(zhì)在多菌種協(xié)同作用下，經(jīng)水解、酸化、產(chǎn)甲烷階段轉(zhuǎn)化為沼氣、沼渣的過(guò)程。沼氣可用于熱電聯(lián)產(chǎn)( CHP)和提純后用作車用燃料使用，沼渣可用作肥料。厭氧消化產(chǎn)沼氣技術(shù)是將有機(jī)固體廢棄物轉(zhuǎn)化為能源最為有效的技術(shù)途徑，我國(guó)餐廚垃圾年產(chǎn)量巨大，若用此技術(shù)處理并從中回收能源后經(jīng)CHP等途徑利用，這就能達(dá)到科學(xué)處置與回收能源的雙重目的。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)沼氣能源回收潛力巨大，可達(dá)165 119 GW·h·a－1。目前，我國(guó)不少運(yùn)用厭氧消化產(chǎn)沼氣技術(shù)的餐廚垃圾處理廠已呈現(xiàn)較高的能源回收能力，例如，重慶黑石子餐廚垃圾處理廠處理能力36. 5萬(wàn)t·a－1，年產(chǎn)生沼氣量2 800萬(wàn)m3·a－1、發(fā)電3300萬(wàn)kW·h·a－1; 北京董村餐廚垃圾處理廠最大處理能力達(dá)200 t·d－1，年產(chǎn)生沼氣量3 827 萬(wàn)m3·a－1。

溫度、pH、VFAs、C /N比和微量元素是厭氧消化產(chǎn)沼氣技術(shù)運(yùn)行需要優(yōu)化的主要參數(shù)。通常，水解階段是有機(jī)固體廢棄物厭氧消化產(chǎn)沼氣的限速階段。油脂的水解速率比蛋白質(zhì)和碳水化合物均慢，這將在一定程度上影響厭氧消化速率并造成殘余油脂在系統(tǒng)內(nèi)累積。我國(guó)餐廚垃圾含油率普遍較高，是厭氧消化的限制因子。此外，餐廚垃圾里往往混有塑料袋、餐巾紙、玻璃碎片等雜物，也極易影響厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性運(yùn)行及設(shè)備正常工作。所以，餐廚垃圾在厭氧消化之前必須進(jìn)行一定的預(yù)處理，以最大程度上分離固體雜物。過(guò)度酸化也是餐廚垃圾厭氧消化運(yùn)行時(shí)的常見(jiàn)現(xiàn)象，主要源于餐廚垃圾中高濃度易降解有機(jī)物。餐廚垃圾的這些特性，使得其不同于其他有機(jī)底物厭氧消化; 雖具有產(chǎn)氣量大、反應(yīng)周期短等優(yōu)勢(shì)，但存在單獨(dú)厭氧消化運(yùn)行穩(wěn)定欠佳的問(wèn)題。這就導(dǎo)致對(duì)許多有待解決的問(wèn)題研究，如，油脂成分對(duì)厭氧消化的影響、抑制過(guò)度酸化現(xiàn)象等。

餐廚垃圾中的油脂經(jīng)水解作用而形成甘油和長(zhǎng)鏈脂肪酸(LCFAs) ，LCFAs 經(jīng)β氧化產(chǎn)生氫氣和乙酸，最終被產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化為甲烷(CH4) 。理論上，油脂可比蛋白質(zhì)與碳水化合物產(chǎn)生更多的CH4，但是β 氧化速率非常緩慢，且LCFAs 能抑制產(chǎn)乙酸菌、丙酸降解菌和乙酸型產(chǎn)甲烷菌的活性，特別是當(dāng)LCFAs 吸附至微生物的細(xì)胞壁或細(xì)胞膜上時(shí)，會(huì)大幅度改變細(xì)胞膜的流動(dòng)性和滲透性，導(dǎo)致大量細(xì)菌細(xì)胞解體，致使厭氧消化系統(tǒng)運(yùn)行失敗。實(shí)驗(yàn)表明，餐廚垃圾與浮油單獨(dú)厭氧消化時(shí)，浮油累積產(chǎn)氣量比餐廚垃圾高29%; 兩者厭氧共消化時(shí)，往餐廚垃圾中添加適量油脂( 5 g·L－1 ) 后，油脂可生化降解性比其單獨(dú)消化時(shí)提高7. 8%( 達(dá)91. 3%) ; 但當(dāng)油脂添加量增至50 g·L－1時(shí)，油脂可生化降解性反而降低至10. 8%。因此，油脂蘊(yùn)含高能量，且與餐廚垃圾適量共消化可達(dá)到協(xié)同降解效果，提高厭氧消化產(chǎn)氣量。

針對(duì)餐廚垃圾水解階段過(guò)度酸化和油脂會(huì)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定運(yùn)行等問(wèn)題，有學(xué)者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)添加微量元素(如鈷)、兩相厭氧消化等技術(shù)解決不穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題。為了緩解LCFAs的抑制作用，也可以采取向厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)投加吸附劑、氯化鈣及不連續(xù)進(jìn)料的運(yùn)行方式。然而，兩相工藝投資成本較高、而微量元素的效果易受多菌種微生物特性及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響。相形之下，厭氧共消化技術(shù)有調(diào)節(jié)C /N 比、稀釋油脂含量和互補(bǔ)微量元素等優(yōu)勢(shì)，可系統(tǒng)解決餐廚垃圾水解階段過(guò)度酸化和油脂引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題。餐廚垃圾與牛糞以不同混合比厭氧共消化與兩者單獨(dú)消化相比，可大幅度提高沼氣產(chǎn)量(24%～47%) 與產(chǎn)氣速率，這得益于C /N比的優(yōu)化和微量元素的互補(bǔ)。

共消化技術(shù)這些明顯的優(yōu)勢(shì)，更可為市政有機(jī)固體廢物可持續(xù)管理提供好的處置路徑。在此方面，奧地利斯特拉斯和美國(guó)希博伊根污水處理廠的工程實(shí)踐起到了很好的示范作用; 這兩個(gè)污水廠利用污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的剩余污泥與外源餐廚垃圾/有機(jī)固體廢物共消化已獲得充足運(yùn)行能量(CH4) ，已實(shí)現(xiàn)“碳中和”運(yùn)行目標(biāo)。

對(duì)餐廚垃圾厭氧消化的研究仍有不斷深入的空間，針對(duì)高油脂與易降解高有機(jī)質(zhì)成分特點(diǎn)，未來(lái)應(yīng)在一些工藝參數(shù)(如，微量金屬元素) 影響穩(wěn)定運(yùn)行以及強(qiáng)化沼氣產(chǎn)量等方面有所突破。同時(shí)，需要推廣應(yīng)用剩余污泥與餐廚垃圾共消化技術(shù)，對(duì)共消化帶來(lái)的高產(chǎn)氣量與產(chǎn)氣速率的具體機(jī)制、反應(yīng)過(guò)程優(yōu)勢(shì)微生物種群的變化深入研究，以優(yōu)化共消化運(yùn)行參數(shù)。

2. 5 綜合處置

綜合處置方式是指根據(jù)餐廚垃圾成分，利用破碎、分揀、篩選、攪拌等機(jī)械過(guò)程以及后續(xù)生物處理技術(shù) (如厭氧消化) 、填埋等方式對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行處置。這樣，可回收原垃圾中的金屬、玻璃等可循環(huán)利用物，并采用填埋等方式處理從原垃圾中分揀出的難以生化降解的有機(jī)固體垃圾，既減少了填埋負(fù)荷量、避免過(guò)多溫室氣體排放，又能實(shí)現(xiàn)資源化、能源化回收利用。

當(dāng)前，我國(guó)餐廚垃圾分類回收體系并不完善，餐廚垃圾里混雜有金屬、玻璃瓶、廢餐具和紙巾等雜物。對(duì)未進(jìn)行垃圾分類的地區(qū)，采用綜合處置方式顯然可提高餐廚垃圾資源化、能源化率。但這種末端分類的處理方式往往工藝繁雜、亦受機(jī)械處理環(huán)節(jié)影響，分揀的誤差率較大，會(huì)丟失部分可生化降解有機(jī)質(zhì)并影響后續(xù)生物處理效果。

歸納以上5種餐廚垃圾處置方式可知，填埋雖然簡(jiǎn)便，但會(huì)喪失有機(jī)能源，造成大量溫室氣體排放，并不適合高有機(jī)成分餐廚垃圾的處置。堆肥在一定程度上受餐廚垃圾質(zhì)量的制約，工程應(yīng)用范圍并不寬泛。粉碎直排固然有餐廚垃圾源頭減量、增加污水處理廠碳源等優(yōu)勢(shì)，但其在資源化及可持續(xù)性方面的缺陷亦十分明顯。厭氧消化產(chǎn)沼氣技術(shù)理論與實(shí)踐均較為成熟，是回收餐廚垃圾中有機(jī)能源的重要途徑，特別是，將其與其他來(lái)源有機(jī)廢棄物(如，市政剩余污泥) 一同共消化不僅可提高污泥厭氧消化能量轉(zhuǎn)化效率、增加甲烷產(chǎn)量，亦可節(jié)省單獨(dú)處置餐廚垃圾的基礎(chǔ)設(shè)施，已成為今后餐廚垃圾處置的首選途徑。最后，綜合處置方式被視為末端處理工藝，流程繁瑣，運(yùn)行成本高，只對(duì)未實(shí)行垃圾分類地區(qū)有臨時(shí)性處置意義。

不合理的餐廚垃圾處置方式在處置餐廚垃圾時(shí)，導(dǎo)致的碳排放量對(duì)加劇全球溫室效應(yīng)所起的作用不可小覷，因而，選擇合理的處置方式對(duì)餐廚垃圾處置過(guò)程的碳減排工作意義重大。為此，有學(xué)者利用生命周期評(píng)價(jià)(LCA) 方法，對(duì)餐廚垃圾處置采用的常用技術(shù)在全生命周期之碳排放進(jìn)行了評(píng)估。為詳細(xì)了解上述5種處置方式在餐廚垃圾處置過(guò)程的碳排放并比較及分析它們?cè)诖朔矫娴膬?yōu)劣性，以下舉例說(shuō)明上述5種不同餐廚垃圾處置方式在分別單獨(dú)處置同一社區(qū)餐廚垃圾時(shí)體現(xiàn)出的全生命周期碳排放情況。

3. 1 基本參數(shù)與處置方式及其邊界設(shè)定

以一個(gè)位于北美地區(qū)具有10萬(wàn)人口的社區(qū)為分析地點(diǎn)；餐具和塑料袋等雜物不包括在餐廚垃圾產(chǎn)量的計(jì)算范圍之內(nèi)；以每人每天產(chǎn)生餐廚垃圾量97.52g·(人·d)－1作為基準(zhǔn)，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際生活狀況，按年餐廚垃圾產(chǎn)量3 930 t·a－1計(jì)算; 餐廚垃圾基本參數(shù)為T(mén)S( 濕基) = 30. 9%，VS( 濕基) = 26. 4%。

結(jié)合當(dāng)?shù)夭蛷N垃圾處置的實(shí)際處理工藝條件，對(duì)以下5種方式處置餐廚垃圾之碳排放進(jìn)行全面評(píng)估：1)餐廚垃圾與居家其他固體廢棄垃圾混合填埋; 2)源頭分類餐廚垃圾集中堆肥處理; 3)餐廚垃圾粉碎處理后經(jīng)下水道被輸送至污水處理廠; 4)將餐廚垃圾運(yùn)送至污水處理廠厭氧消化處理; 5)餐廚垃圾綜合處置，包括對(duì)可回收垃圾回收、可生物降解垃圾厭氧消化處理、惰性垃圾填埋處理3部分。各處置方式邊界內(nèi)物能流程及其各單元中物能所產(chǎn)生或抵消的二氧化碳當(dāng)量——ECO2對(duì)應(yīng)的數(shù)值如圖1所示。物能流程圖中某些單元未列出的ECO2數(shù)值按忽略處理。

3.2 碳排放匯總與分析

評(píng)估的全生命周期包括餐廚垃圾收集與運(yùn)輸、處理、產(chǎn)物各個(gè)處置環(huán)節(jié); 全生命周期之碳排放涉及的溫室氣體包括CO2、N2O 和CH4; N2O和CH4造成的溫室效應(yīng)分別乘以298、25折算為CO2當(dāng)量——ECO2；經(jīng)微生物分解代謝作用產(chǎn)生的CO2為生物成因，是有機(jī)物的自然歸宿，不參與碳排放計(jì)算；產(chǎn)生的CH4經(jīng)回收后用于發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)，此途徑造成的碳排放不納入評(píng)估的全生命周期碳排放匯總與計(jì)算之中。被回收的能源與資源可相應(yīng)地抵消碳排放量，主要包括由CH4用于發(fā)電或CHP后回收的電能或(和)熱能與可用作肥料的沼渣；產(chǎn)生的熱能除滿足自身升溫需求之外，未利用的剩余熱能不計(jì)入抵消ECO2項(xiàng)目?jī)?nèi)；每kW·h 電能可抵消0. 608 kg ECO2；每kg肥料(以N計(jì))可抵消4 kg ECO2。

圖1 5種餐廚垃圾處置方式邊界內(nèi)物能流程圖

據(jù)此，計(jì)算得到各餐廚垃圾處置方式對(duì)應(yīng)的年ECO2數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 5種餐廚垃圾處置方式碳排放量比較

圖2顯示，餐廚垃圾厭氧消化抵消的ECO2最大 (1170t·a－1) ，遠(yuǎn)多于堆肥技術(shù)抵消的ECO2 ( 170t·a－1) ，高出比例可達(dá)588. 2%，主要是因?yàn)閰捬跸a(chǎn)生的沼氣用于CHP 產(chǎn)生熱能、電能與沼渣用作肥料能抵消大量ECO2: 產(chǎn)生的熱能除滿足自身升溫需求之外還有富余(不計(jì)入抵消ECO2項(xiàng)目?jī)?nèi));產(chǎn)生的電能(1500 WM(h·a－1)能抵消980t·a－1ECO2; 沼渣用作肥料能抵消190t·a－1 ECO2。同時(shí)，其他餐廚垃圾處置方式回收的能源與資源抵消的ECO2亦明顯多于堆肥技術(shù)產(chǎn)生肥料所抵消的ECO2。進(jìn)言之，餐廚垃圾厭氧消化處理環(huán)節(jié)導(dǎo)致的碳排放量很少( 共計(jì)80t·a－1 ECO2) ，主要來(lái)自制漿池研磨、消化池?cái)嚢韬秃罄m(xù)沼渣脫水這三個(gè)處理單元。由此可見(jiàn)，厭氧消化技術(shù)處理餐廚垃圾資源化效率高，低碳優(yōu)勢(shì)明顯。概言之，餐廚垃圾經(jīng)厭氧消化處理后產(chǎn)生沼氣與沼渣，從沼氣中獲得的能源(CHP) 除滿足自身能耗需求之外，剩余電能與能用作肥料的沼渣可向社會(huì)出售，由此可避免社會(huì)因生產(chǎn)此部分電能與肥料而造成的碳排放量(940 t·a－1 ECO2) ，亦即，餐廚垃圾厭氧消化總ECO2為－940t·a－1 ECO2。

填埋總ECO2最大，雖然被回收的CH4 (不足33. 0%) 用于發(fā)電可抵消530 t·a－1 ECO2但是處理環(huán)節(jié)釋放的CH4亦高達(dá)2660t·a－1 ECO2，致使填埋總ECO2達(dá)3190 t·a－1。可見(jiàn)，餐廚垃圾填埋處置，不僅造成巨大危害環(huán)境的溫室效應(yīng)，也白白浪費(fèi)了餐廚垃圾中的有機(jī)能源。因此，許多國(guó)家( 如歐洲一些國(guó)家、韓國(guó)等) 已開(kāi)始限制、甚至禁止可生化降解垃圾直接填埋的傳統(tǒng)作法。

與其他處置方式相比，厭氧消化產(chǎn)沼氣可回收絕大部分有機(jī)大量能源而具有低碳排放的顯著優(yōu)勢(shì)，致使許多國(guó)家已把厭氧消化產(chǎn)沼氣技術(shù)作為從餐廚垃圾中回收能源的主流技術(shù)。例如，英國(guó)計(jì)劃在2020年前要實(shí)現(xiàn)可再生能源占總需求能源的15.0%，其中，3.8%～7.5% 的可再生能源要通過(guò)厭氧消化產(chǎn)沼氣途徑獲得; 默西塞德郡餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)沼氣項(xiàng)目便是為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而采取諸多行動(dòng)中較為成功的案例。我國(guó)不少餐廚垃圾處理資源化利用和無(wú)害化試點(diǎn)城市亦采用了厭氧消化產(chǎn)沼氣技術(shù)，這對(duì)實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾資源化處置與處置周期碳減排起到了實(shí)例支撐與示范作用。

在闡述填埋、堆肥、粉碎直排、厭氧消化產(chǎn)沼氣、綜合處置5種餐廚垃圾處置方式原理及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分別羅列出各種處置方式的優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合以及今后仍然需研究的方向。其中，厭氧消化產(chǎn)沼氣技術(shù)理論上具有高的能源轉(zhuǎn)化效率，非常適合對(duì)具有易降解高有機(jī)質(zhì)成分特點(diǎn)的餐廚垃圾進(jìn)行處置，且在對(duì)餐廚垃圾處置的應(yīng)用上亦有相當(dāng)成功的工程實(shí)踐案例。通過(guò)對(duì)北美同一社區(qū)餐廚垃圾用上述5種不同處置方式分別單獨(dú)處置時(shí)全生命周期產(chǎn)生的碳排放分析，證實(shí)了厭氧消化產(chǎn)沼氣與其他4種處置方式相比，在資源回收與碳減排方面具有突出優(yōu)勢(shì)，這就決定了厭氧消化產(chǎn)沼氣今后在餐廚垃圾處置技術(shù)中的全球主導(dǎo)地位。

隨著我國(guó)各地餐廚垃圾資源化處置政策相繼出臺(tái)，餐廚垃圾資源化處置方式會(huì)在更多的地區(qū)推廣應(yīng)用。與此同時(shí)，全球?qū)μ紲p排的呼吁與行動(dòng)也不斷走上議事日程，必將對(duì)餐廚垃圾處置過(guò)程中肆意排放溫室氣體的作法采取限制性措施。雙管齊下，厭氧消化產(chǎn)沼氣技術(shù)顯然是必然的選擇，將引領(lǐng)我國(guó)餐廚垃圾處置技術(shù)向前發(fā)展。

目前，餐廚垃圾厭氧消化的研究與應(yīng)用正朝著與其他固體有機(jī)物，主要是與市政污水處理剩余污泥共消化方向邁進(jìn)。研究與應(yīng)用表明，剩余污泥與餐廚垃圾厭氧共消化產(chǎn)生的沼氣量具有“1+1＞2”的能量轉(zhuǎn)化效果，這種方式可以使污水處理廠演變?yōu)椤澳茉垂S”的角色。共消化的優(yōu)勢(shì)還在于節(jié)省單獨(dú)處置餐廚垃圾的基礎(chǔ)設(shè)施，而且省去了沼液?jiǎn)为?dú)處理帶來(lái)的麻煩。

然而，我國(guó)對(duì)餐廚垃圾共消化技術(shù)的研究大多停留在工藝參數(shù)優(yōu)化層面，對(duì)共消化協(xié)同效應(yīng)機(jī)理的研究還沒(méi)有突破性進(jìn)展。未來(lái)可從工藝參數(shù)優(yōu)化得出的協(xié)同效應(yīng)上入手，系統(tǒng)性剖析工藝參數(shù)與共消化協(xié)同效應(yīng)的關(guān)系，進(jìn)而弄清共消化深層協(xié)同效應(yīng)機(jī)理。在應(yīng)用方面，餐廚垃圾資源化利用和無(wú)害化處理試點(diǎn)城市應(yīng)率先開(kāi)展餐廚垃圾源頭分類普及與收集容器配套工作，并通過(guò)政府職能部門(mén)協(xié)調(diào)與鼓勵(lì)污水處理與餐飲業(yè)開(kāi)展實(shí)質(zhì)性合作。