餐厨垃圾处理项目降本增效的探讨

 米莉 ? 中国城市建设研究院有限公司

固废科技第4期｜2023年12月15日

回顾餐厨垃圾处置行业发展历程，2011年至2015年国家先后发布了五批餐厨垃圾处理试点城市名单，涉及100个城市，覆盖一二三线城市。但是整个建设进程相对缓慢，此时期餐厨垃圾原料不足，各处理厂普遍存在“吃不饱”的现象。2016年我国正式开始实行垃圾分类，推动了餐厨垃圾处理设施的建设。2018年“非洲猪瘟”事件，导致许多城市餐厨垃圾处理需求暴涨，各地加快餐厨垃圾处理终端设施建设，至2023年初，全国建成餐厨、厨余项目将近400座，全国大部分地级城市和部分县（县级市）均已建成餐厨垃圾处理设施，厨余垃圾处理尚处在探索阶段。

餐厨垃圾处理设施已经进入“存量时代”，面临油脂价格下降、环保要求提高、碳中和的现状，如何提高项目生存能力，实现社会价值到商业价值的转变，促进行业健康发展，降本增效成为餐厨垃圾处理行业的根本需求。

餐厨垃圾中85%是水份，其余是杂质、有机质和油脂等。无害化是餐厨垃圾处理的前提，资源化是目标和方向。从资源化角度，现有项目对餐厨垃圾中的油脂回收再利用已成为主流路径。有机质的资源化利用以厌氧为主，此外有肥料化、黑水虻养殖、生物蛋白等路线。目前行业内主流路径是“预处理+提油+厌氧+沼气利用”，本文从无害化和资源化利用角度对主流工艺路线降本增效路径进行探讨。

一、主流工艺流程收益及成本构成

餐厨垃圾处理总体工艺流程如图 1所示，工艺系统包括接料及预处理系统、提油系统、厌氧消化系统、沼气净化和回收利用系统、沼渣脱水系统、沼液处理系统等。

 

▲图1 餐厨处理主流工艺流程

 

主流工艺路线主要收益来源于处置补贴、油脂和沼气收益，主要成本来源于预处理系统电耗、蒸汽消耗、沼渣脱水系统药剂成本、沼液处理成本、除臭电耗及药剂、人工费、维修费用等。目前业内降本增效重难点在于如何提高油脂和沼气收益、降低沼渣脱水成本和沼液处理成本等方面，增效的探索方向为有机质的其他高值化利用路径。

二、主流工艺增加效益途径

1.提高油脂收益

餐厨垃圾项目的重要收益来源是油脂，若以100吨餐厨垃圾提油5吨，粗油脂价格为6000元/吨计，吨餐厨垃圾收益可达300元，每增加1吨提油量，吨餐厨垃圾收益将增加60元。

为提高存量项目油脂效益，首先应完善和加强收运体系建设，部分项目进厂餐厨垃圾已经过“初级提油”，川渝地区某项目进厂餐厨油脂得率甚至不足4%。其次通过优化提油工艺和设备可进一步提高油脂得率，如选择合适的预处理工艺、提高提油系统进料的温度、厌氧进水罐顶部富油层回流至前端二次提油、提油系统出水回流淋洗垃圾等,目前浙江某餐厨项目进场餐厨油脂得率由2%~3%提高至4%。

2.提高沼气效益

餐厨垃圾吨产气量约50~120m?/t，项目间差别较大，主要影响因素为原料、预处理系统浆料品质、厌氧系统效率、沼气利用价值等。

目前餐厨垃圾采用厌氧工艺主要为湿式厌氧，温度有中温、中高温过渡区和高温，搅拌方式中机械搅拌、水力搅拌和沼气搅拌均有应用。餐厨垃圾处理项目厌氧设计负荷率普遍低于3kgVS/m?.d，通过优化工艺运行参数、增加预警调控管理措施可实现厌氧系统的原位扩能和效能提升，以提高项目沼气产生率和厌氧罐容积产气率。

目前沼气利用方式多为生产蒸汽和发电自用，部分项目沼气除部分自用外，其余火炬燃烧排放，不仅存在极大能源浪费，同时也增加了碳排放。对于以生产沼气为主的资源化利用项目，应因地制宜提高沼气附加值，比如生物天然气、区域供热、沼气发电上网、沼气发电低压端隔墙售电等。在沼气有较好收益的前提下，可进一步优化预处理系统和厌氧系统，尽量提高进入厌氧系统的TS含量和产气率。

三.主流工艺降低成本途径

1.降低沼渣脱水和处置成本

餐厨垃圾厌氧沼渣脱水困难，研究文献表明其过滤比阻（SRF）范围为2.1×10¹³-13.8×10¹³m.kg^-1，大于4×10¹³m.kg^-1。厌氧罐沼液TS浓度一般为2~4%，目前板框、叠螺和离心脱水工艺均有采用，药剂有PAC、PAM、三氯化铁、聚合硫酸铁等，现有项目普遍存在药剂投加量大的问题，某些项目的脱水药剂费用高达35元/m?，甚至某些项目脱水系统无法正常运行。

在工程应用上，目前采取的解决思路有调整传统药剂组合和加药顺序、采用新型配方药剂、优化加药和脱水设备、厌氧沼渣和好氧污泥混合脱水、增加预曝气措施、调整厌氧工艺减少出水悬浮物甚至取消沼液脱水环节等，上述措施虽然对脱水费用有一定程度降低，但仍存在较大降本空间，应加强对沼渣脱水的机理研究和实践应用。

尽管沼渣理论上可以作为肥料进行资源化利用，但在实践过程中往往受阻，现有沼渣的主要出路仍是进入生活焚烧厂掺烧处理，处理成本很高，部分项目高达300~400元/吨。目前工程应用上的措施有采用热干化工艺制备燃料棒、采用堆肥工艺生产有机肥等，但仍存在局限性，需要政策和产业支撑，这也是今后需重点突破的方向之一。

2.降低沼液处理成本

经固液分离的沼液SS仍很高，一般在3000~5000mg/L，部分项目甚至高达15000mg/L，该问题的首要解决思路应是进一步提高沼渣固液分离系统效率。但目前工程应用上多以“沉淀/微滤+气浮”工艺对进入生化系统的SS进一步去除为主，气浮阶段药剂投加量大，有较大优化空间。

沼液C/N比严重失调，氨氮浓度达2000~4000mg/L，近年来许多项目都要求总氮出水达到70mg/L，部分项目甚至要求达到40mg/L，目前主流采用的“两级AO-MBR”工艺需要消耗大量的碳源，为解决这一问题，有以下路径：

（1）采用厌氧氨氧化工艺。目前某餐厨沼液处理规模200m?/d，采用“预生化+厌氧氨氧化+深度生化”工艺，出水TN≤45，在实际运行过程中未投加碳源和碱度。对比某餐厨沼液处理规模为90.1m?/d，采用“两级A/O-MBR”工艺，出水TN为122mg/L，葡萄糖投加量达1.51t/d。此外采用厌氧氨氧化工艺还能节约电耗约60%，节能降耗成果显著。目前主流采用的厌氧氨氧化工艺为固定生物填料，但其在存量项目改造中可能存在一定局限性。连续流好氧颗粒污泥工艺或厌氧氨氧化颗粒污泥工艺可能会成为今后存量项目改造的适用工艺。

（2）三相离心浆液酸化后作为沼液处理液体碳源。目前部分项目已采用此工艺，大幅降低了处置成本。

（3）降低沼液中氮含量。针对部分沼气未能得到有效充分利用的项目，应以需定产，根据沼气使用需求，调整进入厌氧罐的有机质含量，从源头降低沼液中氮含量。

四、有机质高值化利用途径探讨

垃圾分类的本质是资源化，而资源化的重点是实现有机质的资源化，在产生沼气之外，可能的高值化利用途径有以下方向：

1.餐厨垃圾浆液制液体碳源用于市政或工业污水厂液体碳源。目前已有一些项目采用，其COD浓度在40000~10000mg/L，TN在2000~3000mg/L，液体碳源产率为50~70%。

2.有机质虫体蛋白转化。目前转化方向有蝇蛆或黑水虻，规模化养殖需要考虑温湿度控制和车间环境控制，这部分成本相对较高，还需要进一步探索和优化。

3.有机质转化为生物蛋白。2023年4月，农业农村部印发《饲用豆粕减量替代三年行动方案》，提出“挖掘微生物菌体蛋白、餐桌剩余食物、尿素等非蛋白氮资源、……在落实跟踪监测要求前提下，采取生物发酵、高温处理、酶解等工艺，辅助酶制剂提效、营养代谢调控等技术，进行安全高效饲料化利用，全方位拓展蛋白饲料替代资源供给来源。”目前已有科研单位和企业在开展相应的中试研究工作，主要研究方向为列入《饲料原料目标》的酿酒酵母和产朊假丝酵母。

4.有机质肥料化。有机质肥料化的阻碍在于堆肥时间较长和辅料来源，如何缩短发酵时间和减少辅料使用，降低占地和设备投入是探索方向之一。另一个障碍是产业化，与下游企业联合，拓展使用渠道也是未来的发展方向。

5.生产生物甲醇。日前吉利推出了全球第一款甲醇混合动力轿车和重卡汽车，国外航运巨头每年也有较大采购需求，生物甲醇技术目前成本较高，需要进一步降低投资及运行成本。

6.甲烷制氢。以燃烧产生能源的能源化利用路径中均无法减少二氧化碳的排放量，而甲烷制氢工艺可同步实现清洁能量化和固碳。相当于CCUS工艺，目前该技术发展的阻碍在于生产成本较高，转化效率偏低、产业配套和市场需求缺乏等。目前某高校团队通过液态金属热裂解技术使甲烷转化率达到90%以上，氢气纯度较高。

五、结语

餐厨垃圾处理行业的存量时代已经来临，在行业生存和提高利润的驱动下，如何通过降本增效措施对现有存量项目进行挖潜，是餐厨垃圾处理行业接下来将面临的巨大挑战。本文仅就一些方向进行了探讨，相信随着同行的共同努力和研究的不断深入，餐厨垃圾处理行业将会提高财务生存能力和取得技术进步，行业将会持续健康发展。