我国厨余垃圾资源化技术的多维绩效评价

据测算，我国生活垃圾清运量中的厨余垃圾占比约为53.7%，总量约为1.15亿t·a ^-1 ；而餐馆和食堂等单元产生的餐厨垃圾可能达到0.6亿t·a ^-1 。厨余垃圾的总有机质含量一般在10%~20%（湿基），干基有机碳含量达50%，氮、磷和钾等营养元素含量约为2.9%、2.8%和2.1%（湿基），具有一定资源化利用潜力。在全面实行垃圾分类管理制度之后，虽有部分城市已在规划建设专门的厨余垃圾处理设施，但是 目前我国主要的厨余垃圾处理方式仍是 卫生填埋或焚烧，厨余垃圾中生物质资源的利用水平还较低。

厨余垃圾的资源化利用是垃圾分类管理和“无废城市”建设下的必然趋势，目前已 有厌氧消化、好氧生物处理和昆虫饲料转化等 技术工艺投入应用实践。

厨余垃圾资源化技术种类众多，在原理、规模和适用性等方面存在差异，系统全面地认识不同类型技术的绩效优缺点，是规划、设计、运维和管理厨余垃圾资源化设施的关键。有研究关注厌氧消化和好氧生物处理技术的碳排放等环境影响指标和经济效益指标， 但已有技术评价在综合性指标、系统化分析和数据全面性等方面还有待改进。

目前已有技术经济分析（technologyeconomyanalysis，TEA）、生命周期评价（lifecycleassessment，LCA）和专家评估法等方法应用于技术绩效评价。

LCA常用于产品或服务“从摇篮到坟墓”全过程的环境影响，已有研究将其用于垃圾处理和资源化技术评价。Levis等将LCA应用于厨余垃圾不同处理方式的环境影响比较，认为厌氧消化技术的温室气体、NO _x 和SO ₂ 等排放量相对较低。

TEA通过分析比较不同技术方案的经济可行性水平，寻求经济效益的最大化。有研究应用TEA比较了利用厨余垃圾厌氧消化生产5种资源化产物的经济效益，认为从投资回报率上看， 生产聚乳酸>生产氢气甲烷混合物>生产乙酸丁酸>生产乳酸>生产甲烷。

技术绩效评价一般通过文献查阅、实地考察、实验测定和专家评定等手段，收集兼具时效性和全面性的本土化数据。由于厨余垃圾资源化利用技术应用（特别是规模化应用）在我国还刚起步，厨余垃圾资源化技术的应用案例还不多见， 研究视角也仅落在对个别案例的评估，缺乏全面性的数据参数和标准化的多维绩效评价框架。

其中，堆肥产品如有机肥和土壤调理剂可认为等量替代了化肥的生产，本研究中将堆肥产品中磷和钾元素分别按照替代矿物开采过程计算环境效益；沼气和油脂等资源化产品按照等量替代的原则分别替代天然气和柴油的生产过程，其中沼气中甲烷含量采取55%计算，天然气中甲烷含量按照85%计算，油脂转化生物柴油的效率按照80%计算。 技术应用案例中包含污水处理设施的，按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918）二级排放标准计算污染物排放量；污水外排至厂界外的污水处理厂的，按照排出厂界时的总量与浓度计算，对于废水处理过程中的物质投入和产生的废弃物不做考虑。废气排放按照环评报告数据计算；厨余垃圾处理过程产生的废渣由于理化性质和后续处理途径难以确定，在本文中不考虑其产热产电效益和废气等环境排放。

各项厨余垃圾资源化技术投入的物料、资源化产品和污染物的环境影响分析采用EcoInvent数据库，优先选择中国本地化数据，其次为全球平均数据，评价方法为ReCiPe 2016 Midpoint（H）。除能源、水资源和环境污染物等共性投入-产出物外，厨余垃圾厌氧消化工艺考虑沼气脱硫剂、混凝剂和酸碱投入，以及沼气和油脂等资源化产品产出；好氧生物处理过程考虑添加剂和絮凝剂等投入和有机肥和土壤改良剂等资源化产品产出；昆虫饲料转化考虑蛋白质和脂肪等资源化产品产出（图1）。

本研究筛选了全国范围内已建成或在建的典型厨余垃圾处理项目，按照技术应用的规模和应用方式分为集中式和分散式两类。集中式处理技术的处理能力＞50t·d ^-1 ，其环境影响评价报告书或可行性研究报告作为技术工艺参数的数据来源。

分散式处理技术是在乡镇（街道）或城乡社区尺度应用的厨余垃圾资源化技术，本研究采用实地调研的方式获得厨余垃圾社区堆肥的技术参数。本研究共获得了 6个厌氧消化处理、6个好氧生物处理和2个昆虫饲料转化处理案例的基础数据 ，其基本信息见表1。在实际技术应用过程中，厨余垃圾的杂质含量和含水率等理化性质随城市、分类纯度和季节等因素会呈现明显变化，按该应用案例的可行性研究报告或环境影响评价报告中设定的厨余垃圾原始物料特征计算。

表1 厨余垃圾资源化技术研究案例的基本信息

（1）战略资源回收的稀缺性贡献指标中，结合厨余垃圾处理技术的特点，只考虑磷、钾和天然气这3类战略资源，仍按铜当量计算（Cu _eq ），其储量按照国家统计局统计数据计算。

（2）由于社区分散式处理案例基本无直接经济效益，故而选择将净现值指标作为衡量经济可行维度的指标之一。根据技术规模的不同，集中式处理技术的服务期按20a计算，社区分散式处理技术的服务期按10a计算。

表2 厨余垃圾资源化技术的多维绩效评价指标体系和研究案例的指标测算数值

1. 定 量指标的无量纲化

对于正向指标，其具体数值的无量纲化按照公式（1）进行：

对于负向指标，其具体数值的无量纲化按照公式（2）进行：

式中，a ₁ 为指标的上限值；a ₂ 为指标的下限值；x为原始指标值；y为无量纲化后的指标值。

2. 定性指标的无量纲化

采用均一权重法计算4个维度下的得分，各维度满分为25分，各维度下的指标也均一赋分，总分为100分。

2. 绩效得分

对各个维度的值求和后可得到评价对象的绩效表现总分P，按照公式（3）计算。

式中，R _i 为资源效率指标i在无量纲化后的数值；E _ni 为环境影响指标i在无量纲化后的数值；E _ci 为经济可行指标i在无量纲化后的数值；S _i 为社会效应指标i在无量纲化后的数值。

3. 结果展示和比较

图3 集中式与分散式厨余垃圾资源化技术四维绩效表现比较

厨余垃圾的分散式好氧生物处理可进一步分为两类：社区简易堆肥和 生化处理机 ，主要差异在于后者配备有专门的机械设备用于粉碎、堆肥和污水处理等过程。 分散式生化处理机的绩效表现总得分为53.74分，高于简易社区堆肥（均值为50.39分）。相对于社区简易堆肥，分散式生化处理机在原辅料消耗、吨均土地占用、气候变化、酸化效应和生态毒性表现更佳，分别高出-1.47t·t ^-1 、-0.01tce·t ^-1 、-38.22m ² ·（t·d） ^-1 、-138.58kg·t ^-1 、-4.14kg·t ^-1 和-138.97元·t ^-1 。而社区简易堆肥在吨均水消耗量、战略资源回收的稀缺性贡献、光化学污染、人体毒性、生态毒性、净现值、吨均投资和就业效益等方面具有一定的优势，分别高出-0.15m ³ ·t ^-1 、0.10kg·t ^-1 、-0.01kg·t ^-1 、-4.91kg·t ^-1 、-0.13kg·t ^-1 、76.21万元、-5.22万元·（t·d） ^-1 和2.12个·万元 ^-1 。

此外，厨余垃圾的昆虫饲料转化工艺在原辅料消耗、吨均综合能耗、战略资源回收的稀缺性贡献、气候变化、酸化效应、光化学污染、人体毒性和循环经济示范性等指标上表现更佳，分别高出所有技术应用均值的-0.44t·t ^-1 、-0.01tce·t ^-1 、0.08kg·t ^-1 、-75.43kg·t ^-1 、-1.03kg·t ^-1 、-0.14kg·t ^-1 、-5.56kg·t ^-1 、6.17%、0.21分和0.13分。集中式的昆虫饲料转化相对于分散式的得分更高，二者差异主要在经济效益维度上，分别为17.3分和1.4分。这主要是因为 集中式和规模化的生产摊低了厨余垃圾昆虫饲料转化处理技术应用的设备和运行费用投入。

而分散式处理技术由于其化学品辅料添加量较少且能耗较低，特别是社区简易堆肥的部分应用案例几乎没有能耗，因此在全生命周期环境影响的角度具有一定优势。此外，分散式处理技术采用的设施和设备较为简单，运行过程中的职业暴露风险较低，提升其社会效应维度的得分。这说明，在不同的技术应用目标约束下，集中式和分散式处理技术具有各自的优劣势，具有不同的适用范围。

图3也可说明集中式和分散式处理技术下，不同技术类型的四维绩效得分具有较大幅度的差异。除分散式处理技术的资源效率维度指标外，其他绩效指标都呈现不同程度的波动。总体而言，集中式技术的绩效得分呈现更加分散的趋势，即纵向变化幅度更大（上限更高且下限更低），如图3（a）所示。特别是在集中式处理技术的资源效率维度，得分最高的中温湿式厌氧技术（19.58分）比得分最低的生化处理机技术（9.82分）高约1倍；同样，在环境影响维度，得分最高的高温湿式厌氧（20.46分）为得分最低的生化处理机技术（好氧A，3.35分）的6.1倍。

已收集技术应用案例的均一化绩效评价结果显示， 在集中式处理技术路线中，昆虫饲料转化和厌氧消化（特别是中温湿式厌氧消化）具有更高的综合绩效得分；在分散式处理技术路线中，分散式生化处理机具有更高的综合绩效得分。

厌氧消化技术在资源效率和环境影响方面仍有提升的空间，如沼渣和沼液的资源利用和吨均综合能耗降低等方面，可大幅提高其综合绩效水平。 好氧生物处理技术需要在吨均能耗、温室气体排放和资源化产品的经济可行等方面提升 。 昆虫饲料转化的提升也可主要关注在经济可行上面，其吨均投资较高，仅在标准化且规模化生产的前提下才会产生较高的经济效益。

从处理规模和应用方式看，集中式和分散式技术各有优劣，在实际的技术推广应用中，处理技术可结合当地的厨余垃圾理化性质、生活垃圾分类收集工作推进情况、财政承担能力和收运距离等多因素综合考量，因地制宜地选择适宜技术路线。

本研究收集的技术案例几乎均以厨余垃圾为单一原料，在原料含水率和碳氮比调配等预处理过程中会产生较高的资源与能源消耗，进而降低技术的绩效。在未来的技术应用中，尤其是在县城和村镇等厨余垃圾产量相对较低的场景下，厨余垃圾、园林垃圾和污泥粪污等多源物料的协同处理将是提升技术绩效的有效途径。 此外 ，土地占用和全周期投资建设与运行维护费用是城市管理者和厨余垃圾处理项目投资者关注的重点内容。

本研究表明， 厨余垃圾的昆虫饲料转化需要消耗较大的土地面积，其次为好氧生物处理，厌氧消化技术的吨均占地面积较小。 社区简易堆肥技术目前在全国已有一定数量的应用案例，可充分利用社区的闲置用地构建有机质微循环细胞单元。因此，尽管在本研究中社区堆肥在吨均土地占用等指标上高于集中式处理技术， 但 社区堆肥在弘扬“无废细胞”文化和降低垃圾清运费用等方面同样具有优势。

厨余垃圾是城市重要的碳排放源之一，也是城市节能-减污-降碳协同增效目标实现的重点领域。本研究在分析了6类主要的全生命周期环境影响绩效后发现，厌氧消化、好氧处理和昆虫饲养等技术的碳排放（气候变化E _n1 ）、同吨均能耗（R ₂ ）、光化学污染（E _n3 ）和人体毒性（E _n4 ）之间具有显著的相关性， 碳排放可以作为不同类型厨余垃圾资源化技术环境影响比较的重点。

有研究认为厨余垃圾厌氧消化处理设施可能成为间接的“碳汇”，即其资源化产品可替代原生资源开采而带来碳减排，如沼气发电和油脂转化为生物柴油等。本文测算的技术碳足迹（气候变化潜值，以CO _2eq 计）的取值在-13.86~112.82kg· t ^-1 之间。其中，高温湿式厌氧工艺的温室气体碳足迹为负值，中温干式厌氧消化工艺和中温湿式厌氧消化工艺的温室气体碳足迹为正值，主要是由于高温湿式厌氧工艺具有更高的甲烷产率，且中温干式厌氧和中温湿式厌氧消化案例的吨均能耗较高。基于现场实测的研究表明，即使考虑了堆肥产品营养物质的碳减排作用，厨余垃圾堆肥处理仍是净碳排放源。这主要是因为堆肥过程中局部供氧不足可能产生CH ₄ 和N ₂ O等温室气体，其排放强度在0.034~4.2kg·t ^-1 和0.092~0.78kg·t ^-1 之间波动。

本研究考虑了技术应用过程辅料和能源投入的全生命周期碳排放，以及有机肥等资源化产品的替代作用导致的碳减排。结果表明， 在各项技术的应用中应 进一步致力于处理过程中的能耗水平降低和甲烷、沼渣和有机肥等有机碳资源的再生利用。