餐厨垃圾沼气热电联产经济分析

陈福仲，刘杰，陈晶晶

（1.济南热力集团有限公司，济南 250011；2.青岛理工大学，山东青岛 266033）

我国餐厨垃圾产量大，按城市人口人均日产餐厨废弃物0.09 kg/d计算[1]，青岛日产餐厨垃圾量约为810 t。餐厨垃圾高有机质含量较高，易腐坏，腐坏程度与废弃时间和温度呈正相关等特点，若不能及时得到有效处理，势必产生极大危害。另一方面，餐厨垃圾中蕴含着巨大的能源潜力，因此如何提出资源化能源化技术路线，建立餐厨垃圾回收与无害化处理，实现节能减排与环境保护的目标是餐厨垃圾处理的首要问题。为了进一步对餐厨垃圾资源化及能源化处理进行分析，本文以青岛某餐厨垃圾处理厂为研究对象，对其主要技术路线、运行情况和经济核算进行分析。

1 餐厨垃圾处理的主要技术路线分析

目前国内餐厨垃圾主要处理方法有填埋、焚烧、好氧堆肥、厌氧消化、饲料化处理和生物处理机处理技术。当垃圾收集量达到500 t以上时，采用垃圾焚烧热电联产技术具有较高的经济效益。对于餐厨垃圾，由于区域收集相对量低，含水率可高达70%～90%，收集运输过程成本高且易泄露，这使得采用焚烧或者填埋处理的方法不可行。

传统处理方式以好氧堆肥和饲料化处理为主，由于收集成本限制，项目主要集中在发达大城市。例如北京，餐厨垃圾处理厂主要有董村垃圾处理厂和南宫堆肥厂，采用清华大学研发的湿热处理技术，固态部分用于生产废料和饲料，液态部分用于生产液态肥和沼气发电；在上海，原处理方式主要有填埋、堆肥、生产宠物饲料和生化处理等，但随着垃圾分类的实施，也给餐厨垃圾的处理带来更多可能；在厦门，餐厨垃圾的处理主要有生物转化制有机肥、源头减量化处理、生产生物油和水产饲料等。

餐厨垃圾有机质和油脂含量丰富，含固率为8%的餐厨垃圾，在55℃条件下厌氧发酵，产气率可达633.8 ml/g，能源潜力巨大。为此，采用厌氧发酵制取生物沼气的技术路线既实现固体废弃物减量化、无害化和资源化，又可弥补天然气缺口，是处理餐厨垃圾的最佳技术路线之一。尤其是目前供热工程分布式供热和煤改气政策的推行，也推动着生物质燃气工程向前发展[2-3]。此外，污泥与餐厨垃圾按照一定的比例混合可优化发酵基质，从而缩短发酵周期，提高有机质的去除率，提升厌氧发酵罐的容积利用率，进而提高产气效率，实现废弃物资源化利用[4-5]。

2 某餐厨垃圾沼气热电联产工艺流程

青岛某日处理量为180 t/d的垃圾处理基地由专业运输车队采用专用桶收集输送至厂区，全程密封。该公司采用高温湿式单相连续厌氧发酵技术，发酵罐中的餐厨垃圾含固率为10%～15%，采用51～53℃高温发酵，产酸菌和产甲烷菌在同一反应器中，有机液体由发酵罐下部定期注入，发酵时间为30 d，期间不搅拌。生产天然气达城镇二级燃气标准，发酵中pH值及C/N等参数使用添加剂进行调控。该项目餐厨垃圾厌氧发酵流程主要包括破碎分拣、蒸煮制浆、厌氧发酵和沼气提纯四个步骤，餐厨垃圾处理流程如图1所示。

物料称重卸车后，首先通过垃圾分选设备将大件金属、玻璃和塑料制品等废品挑出，避免搅入设备中造成故障，然后将有机质含量较高的混合物输送至蒸煮机蒸煮至90℃，蒸煮所得高温有机混合物进入三相分离机提出废油脂和细渣，剩余有机液体继续泵送到均质罐，定时进入发酵罐进行为期30 d的厌氧发酵，期间不搅拌。发酵产出的沼气中甲烷浓度为60%～75%，部分经净化处理后供给燃气发电机组，驱动内燃机发电，剩余沼气经脱水、脱硫和二氧化碳膜分离提纯后，制成天然气，对外出售。沼气发电机组的缸套水冷却热和烟气余热通过热回收装置供厌氧发酵系统再次利用，实现能源的梯级回收利用。

2.1 物料平衡分析

图2为物料平衡流程图，该公司设计垃圾日处理量为200 t，实际处理量约为180 t。每天需要消耗2 t自来水用于设备冲洗，每天分选出陶瓷、金属和塑料等废物3～5 t/d，固液分离粗渣约为30 t/d，三相分离细渣约为15 t/d，发酵后沼渣约为3 t/d，沼液约130 t/d，天然气产量约为4 800 m3/d，发电约为3 500 kW·h/d，整个过程遵守物料平衡原理。最后需转交给其它处理厂处理的固体残渣约63 t，占餐厨垃圾总量的33%，需转交给其它处理厂处理的沼液约为130 t，占餐厨垃圾总量的67%，其后期处理费用在全部废弃物的处理费用中占比最大。这些废弃物中仍含有一定量的有机质及热量，且该公司一直处于不饱和运行状态，若继续利用，可在节省部分人工及运输费用的前提下提高天然气产量，若直接交给其它处理厂进行填埋，会造成土地的富营养化，土地成本极高，不符合当前政策要求。

2.2 经济效益分析

图3为各项收入分配图，由图3可知，废油脂在总收入中所占比例最大。三相分离中的废油提取率可达90%，每吨餐厨垃圾可提取油脂20～80 kg，180 t原料可产废油脂3.6～14.4 t，可售得1.26万元～5.184万元不等，平均收入为3.24万元/t。餐厨垃圾厌氧发酵过程中油脂过量会在设备中形成大量悬浮物，抑制发酵，影响设备运行，所以提取油脂既可以增加收入又能降低油相对厌氧发酵的影响，从而提高发酵效率。我国餐厨垃圾补贴主要有收运补贴、处理补贴以及专项资金补贴，青岛地区处理补贴和收运补贴分别为120元/t和100元/t，是仅次于油脂的盈利点，该公司只负责处理，因此获处理补贴。此外，该项目产电约为3 500 kW·h/d，全部应用于自身设备。根据该工程所在地2018年工业用电单价为0.86～1.8元/kW·h可知该项目可节约电费约3 010～6 300元/d。综上所述，该公司月收入可达204.77万元。

该项目的固定开支主要为人工费、折旧费用和各副产品的后续填埋费用，其中人工费用约为7万元/M，折旧费用为31.67万元/a（1亿初投资，25年使用期，折旧残值为5%），前两者一般固定不变，因此重点考虑各副产品的后续处理费用即可。固态废弃物处理费一般为60元/t，液态为30元/t，每日支出为7 080元，每月总支出为25.24万元。若能最大限度实现餐厨垃圾的无害化和减量化处理，也将得到经济效益和环境效益的最佳融合。综上所述，该公司月利润约为147.88万元，年利润可达1 774.60万元。

3 经济效益提高方法分析

3.1 天然气入网政策

我国对天然气实行以体积计量为主的计价方式，不同品质天然气入网难，补贴少。该项目厌氧发酵所产成品天然气未入网时，主要依靠零售获取利润，多余部分只能燃烧耗尽，造成能源浪费。因此每日的餐厨垃圾利用不充分问题也未得到重视，后期处理费用居高不下，利润却止步不前。餐厨垃圾沼气能源化发展自产自销式利用局限性大，财政补贴成效差，加之实际运行处理量低于设计量，使得项目面临运行困难、经济性差和产气效率低等诸多挑战，不利于实现规模化和商业化可持续发展。作为国家能源发展战略的重要组成部分，沼气提纯后能够并入现有管网是行业发展的关键。

3.2 水解预处理技术

对餐厨垃圾进行预处理是提高发酵效率的有效方法之一。在多种预处理方式中，污泥热水解技术和超声波处理技术是污泥厌氧消化前处理技术中相对其它预处理方法（冻融法、高压脉冲法、机械破碎法和臭氧法等）更为成熟的技术。研究表明温度为140℃，经30 min时高温水解预处理效果最佳，餐厨垃圾中的蛋白质、淀粉和脂肪的质量百分含量分别提高了 20%、17%和 39%[10-12]。

发酵五天后产气率逐步稳定，添加热压水解的产气速率明显比无热水解时更高效，产气效率约为无热压水解时的2.14倍，热水解后产气量实验结果如图5所示。副产品中富含大量有机质，可以继续混合污泥厌氧发酵，在提高产气量的同时也可减少后期处理费用。脱水污泥与餐厨垃圾混合厌氧发酵过程需稀释，可考虑直接采用有机沼液，降低成本。可见若在餐厨垃圾厌氧发酵系统中添加该技术，或联合两种技术，将会大大增加产气率。

3.3 有机肥的制作

作为餐厨垃圾制沼气的副产物，沼渣沼液有机肥用于还田改良土壤，是发展循环农业的重要支撑。目前该公司项目中餐厨垃圾经厌氧消化后产生的沼渣和沼液基本作为垃圾需要填埋处理。利用沼渣沼液加工生产的高效有机复合肥具有肥效高、可防病抗虫害和改良土壤的独特性能。但餐厨垃圾制作的有机肥除肥效缓慢外，还存在重金属和盐分含量过高的情况，且区域分异明显。该公司烟台市分公司采用兑水稀释的方式，将沼液沼渣稀释液用于果树培养，稀释可降低盐分含量，再配合有机肥养分含量丰富的化肥，在增加产量的同时也达到废物利用的目的。

4 结语

餐厨垃圾厌氧发酵前景广阔，不仅体现在社会效益和环境效益方面，经济效益也尤为突出。餐厨垃圾沼气热电联过程中产生的天然气、肥料和油脂等均为绿色环保的经济产物，但现有处理过程未达到利润最大化，若能在产品销路稳定的前提下，在预处理中加入高温热水解预处理技术，可提高产气率，对原料进行充分利用，将减量化和资源化做到最优，经济效益可提高一倍以上，对其进行后续研究与推广及对我国能源转型和环境保护具有重要意义。