易腐垃圾就近就地处理技术浅析＊

吕 凡，章 骅，郝丽萍，邵立明，何品晶

（1. 同济大学固体废物处理与资源化研究所，上海 200092；2. 上海污染控制与生态安全研究院，上海 200092）

1 引言

2016 年12 月21 日中央财经领导小组第十四次会议召开以来，我国政府高度重视垃圾分类工作，要求“普遍推行垃圾分类制度”。2017 年3 月，国务院办公厅颁发《生活垃圾分类制度实施方案》（国办发〔2017〕26 号），要求46 个重点城市的城区范围内先行实施生活垃圾强制分类。拟颁布施行的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》（2020 年4 月29 日修订通过），首次将“国家推行生活垃圾分类制度”写入法律；并将“城市生活垃圾”的表述修改为“城乡生活垃圾”，要求地方各级人民政府应当统筹规划建设“城乡生活垃圾”的分类、收集、贮存、运输和处置设施，以促进建立覆盖农村的生活垃圾分类制度。相应地，2019 年10 月19 日住房和城乡建设部提出《关于建立健全农村生活垃圾收集、转运和处置体系的指导意见》，要求推动农村生活垃圾分类减量先行。2019年10 月21 日，农业农村部召开全国农村生活垃圾治理工作推进现场会，亦强调抓好农村生活垃圾分类试点工作。易腐垃圾是我国城乡生活垃圾的主要成分，占城镇生活垃圾的36.5%～76.0%（wt）［1］，占农村生活垃圾的26.1%～63.2%（wt）［2-3］。因此，实施城乡生活垃圾分类后，需要新建大量的易腐垃圾处理设施。

大型集中化的易腐垃圾终端处理设施的建设和调试运行周期长，落地困难。即便能及时建设完成，目前已列入规划的建设能力也较难很快达到重点城市近期实施垃圾分类后收运的大量易腐垃圾的处理要求。因此，在大中型城市，亟需加快和扩大应用就近就地处理技术，建立易腐垃圾集中和分散就地处理相结合的处理模式。近期出台的《上海市生活垃圾管理条例》（上海市人民代表大会公告第11 号） 和浙江省地方标准DB33/T 1166—2019 城镇生活垃圾分类标准均鼓励在农贸市场、标准化菜场配置湿垃圾或生鲜垃圾就地处理设施。而在农村，也需要就近就地处理分类的易腐垃圾，以减少农村生活垃圾转运量、减少收运频率、减少收运过程污染、减轻县镇处理设施负担，以及缓解县镇新处理设施落地困难等问题［4］。

根据目前我国城镇与农村易腐垃圾的产生和收运情况，可行的就近就地处理技术的处理规模为0.1～50.0 t/d，包括不同技术的处理设备和小型设施。本研究具体针对各相关技术的原理、技术设备特点、产物和残余物特征及利用途径、环境污染风险、技术成熟度和处理成本，进行评价分析。探究目前易腐垃圾就近就地处理技术应用存在的障碍因素和解决方案。

2 易腐垃圾小型处理技术概述

图1 从技术过程、产物类型和利用途径3 个层面，汇集了目前国内外处理生物质废物采用的主要小规模处理技术。这些技术存在技术成熟度、处理成本、环境污染风险高低等方面的差异。其最终转化产物包括：用于农业的有机肥和土壤调理剂、用于畜牧渔业养殖的饲料、作为运输燃料或民用燃料/热/电的生物能源，以及作为工业原料。按技术过程，可分为：生物处理（堆肥、厌氧消化、发酵、蠕虫堆肥、昆虫养殖）、热化学处理（热解、气化、液化、焚烧）、物理化学处理（酯交换、致密化）、直接利用（直接土地利用、直接作为动物饲料、直接作燃料）。其中，直接利用的环境污染风险和食品健康安全风险最高，污染易失控，在我国已被严禁；酯交换技术主要用于处理餐厨废油脂［5］；致密化技术则适用于处理秸秆等原状蓬松的木质纤维素类废物［6］；热化学处理适合于含水率低的废物，如秸秆等，否则能耗极高，而我国厨余垃圾的含水率高达68.0%±5.8%（wt）［1］，餐饮垃圾含水率达72%～75%（wt）［7-8］。因此，实际上以厨余垃圾和餐饮垃圾为主的易腐垃圾就近就地处理时最适用的是生物技术。

图1 易腐垃圾小型处理技术汇总框图

与类似工艺的大型处理技术相比［9-10］，规模效应会显著提高小型处理技术的吨垃圾处理成本。图2 显示堆肥、厌氧消化、焚烧和热解气化、填埋技术的吨垃圾投资费用与吨垃圾运行费用均随处理规模的增加而迅速下降。以堆肥技术为例，当处理能力由250 t/d 降至5 t/d 时，吨垃圾投资费用增长5.6 倍，吨垃圾运行费用增长1.5 倍。而且，运行费用的规模效应对于堆肥和厌氧消化这类生物处理技术相比焚烧和填埋更为显著，投资费用的规模效应相对于厌氧消化和焚烧技术更为显著［11］。但是，小型化处理技术的成本增加应与前端的垃圾收运成本降低统筹权衡，需要全过程系统平衡。我国村镇生活垃圾的收运成本可达50～350 元/t［3，12-16］；在欧洲，农村地区的生活垃圾收运成本一般是城市化区域的1.12～1.86 倍［17］；美国的生活垃圾收运成本一般是2.15$/（t·km）［18］。因此，采用小型化技术就近就地处理易腐垃圾可大幅降低收运成本；并且，有些技术更适合小型化应用，例如蚯蚓堆肥和黑水虻养殖。

图2 吨垃圾基建费用和吨垃圾运行费用与垃圾处理规模的关系

3 小型生物处理设施的技术分析

3.1 好氧生化处理机（房）

1） 技术原理。好氧微生物在有氧条件下将部分有机物转化为CO2，残余有机物与微生物残体逐渐转化为腐殖质的过程。

2） 技术设备要素。机械搅拌、加热、通风、好氧菌种。其中机械搅拌，提高搅拌能量输入可促进物料均质、生化反应、水分去除；加热，为减少加热能耗损失，越小型的设备，其保温结构和保温材料要求越高；通风，主要目的是去除水分，以及为微生物供氧；微生物菌剂或酶制剂，需要耗费较高的运行成本，但其有效性、持续性、菌种类别和生物安全性等均缺乏科学评价。

3） 产物和残余物。一般是生物稳定性（生物稳定性，指的是物料在特定环境下不再被微生物降解，而趋于稳定的程度） 程度不一的固态产（残余） 物。相关行业标准NY 525—2012 有机肥料要求：①外观颜色为褐色或灰褐色，粒状或粉状，均匀，无恶臭，无机械杂质；②有机质≥45%，总养分≥5%，水分≤30%，pH 5.5～8.5；③5 种重金属（As、Hg、Pb、Cd、Cr） 满足限量要求。一般情况下，原状易腐垃圾对照该标准，仅水分超标，其他指标无论处理与否均能达标。因此，市场上现有设备均主要是从去除水分上着手。而实际上，决定产（残余） 物质量的关键指标是“生物稳定性”［21］，低生物稳定性物料会在后续运输、储放和应用时造成沥滤液、臭气、卫生无害化、杂草生长、烧苗等一系列二次污染问题，从而影响其市场利用消纳。生物稳定性高的产物可作为园林绿化和花卉盆栽基质使用。欧盟各国一般定义堆肥产物达到生物稳定的四日好氧呼吸量（Respiration Activity，RA4） 应小于10～30 mg/g，或耗氧速率应小于0.32～1 mg/（g·h）［22］。我国行业标准CJ/T 227—2018 有机垃圾生物处理机要求资源型生物处理机的产物耗氧速率应小于0.5 mg/（g·h）。徐延春［23］分析了我国各地易腐垃圾好氧处理产物的RA4数值，发现要达到产物RA4小于30 mg/g，设施型处理工艺至少要稳定运行15～30 d；而设备型处理工艺的产物RA4一般在60 mg/g 以上，要达到上述生物稳定标准需再进行数十天的二次发酵。毕峰等［24］也发现，75%杭州市农村易腐垃圾机器成肥产品的生物稳定性（腐熟度，以胡敏酸/富里酸比值、种子发芽指数评估） 根本无法满足有机肥料标准的基本要求［24］。

4） 环境污染风险。①废水。预处理挤压脱水，污水产生量可达0.1～0.2 m3/t，COD 一般在20 000～100 000 mg/L，氨氮在500～1 000 mg/L，无法达到GB/T 31962—2015 污水排入城镇下水道水质标准的COD 500 mg/L、氨氮45 mg/L 等限值要求。②臭气（异味）。由于持续通风或排出水蒸气，臭气会持续产生。具体控制措施包括设备密闭性、活性炭吸附（甚至采用高效率空气微粒子过滤器HEPA，即类似于空气净化器）。臭气控制需达到GB 14554—1993 恶臭污染物排放标准或所在地一些地方标准的要求。例如，上海市需满足其地方标准DB 31/1025—2016 恶臭（异味） 污染物排放标准要求。除了好氧处理过程会释放大量的恶臭化合物外［25-29］，好氧处理产物在储放过程依然会持续产生异味，有报道指出［30］，果蔬类垃圾主发酵堆肥产物在后续21 d 储放过程中会持续释放氨气、硫化物、苯系物和萜类物质，并以氨气为主。

5） 技术分类、技术成熟度和成本。①消灭型（减量型） 设备（生物处理机）。技术目标是去除水分，同时将有机物全部转化为CO2和H2O，一般无需添加高结构强度的辅料。CJ/T 227—2018 要求，减量型生物处理机的减重率≥98%。但是，每吨易腐垃圾按照含水率75%（wt） 计，达到NY 525—2012 要求的含水率30%（wt） 时的产（残余）物质量为0.357 t，实现的物料减量率是64%；若含水率完全减至0% （wt），则实现的物料减量率是75%；若有机物能被降解50%，则最高能实现的物料减量率是87.5%。由于单位微生物细胞单位时间降解的有机物量有限，不存在所谓的“超级微生物”。所以，为了加快有机物的降解，只能通过延长反应停留时间。因此，停留时间为1～4 d 的消灭型设备，其技术功能实际上就是通过烘干易腐垃圾水分实现减量，减量率最多只能到70%左右。如果想进一步提高减量率，则必须进一步延长停留时间，在增加处理成本的同时，生物稳定性还未必能得到保障。该类型设备产出的产（残余） 物的生物稳定性一般在RA4=80～100 mg/g［23］。②转化型（资源型） 设备（生物处理机）。技术目标是达到NY 525—2012 要求，首要目标是将水分去除至30%（wt） 以下。停留时间为7～10 d 的转化型设备，可起到降解部分有机物，提高产物生物稳定性的作用。该类型设备产出的产（残余） 物的生物稳定性一般在RA4=40～80 mg/g［23］。③设备设施结合型（俗称阳光房）。易腐垃圾在带搅拌/加热/通风的设备中停留3～7 d 得到的较干化的样品，再在设施（俗称阳光房，自然通风和简易翻堆） 中进行14 d左右的静态堆肥。需混合一定量的高结构强度辅料，例如园林垃圾、木屑、秸秆等。该类型设施产出的产（残余） 物基本可达到行业标准CJJ 52—2014 生活垃圾堆肥处理技术规范一次发酵产物的规定，生物稳定性一般在RA4=30～50 mg/g［23］。上述3 类好氧生物处理技术和设备在市场上均有推广应用。但是，设备产品同质化严重，在机械构造、自动化控制水平、集成化程度和材质等方面差异不大。消灭或转化型设备的能耗高，设备吨投资在20～60 万元，吨垃圾能耗在150～600 元。微生物菌剂价格和功效则鱼龙混杂，市场比较混乱。

3.2 厌氧消化罐

1） 技术原理。在无氧条件下，厌氧微生物将部分有机物转化为CH4和CO2，微生物细胞合成率低，但残余难降解有机物含量高，反应停留时间一般在20～40 d。

2） 技术设备要素和特点。传统上，由于对易腐垃圾进料纯度要求高、反应时间长、控制难度和沼气净化利用成本高等问题，厌氧消化技术一般只用在大型集中化的处理设施，单体厌氧消化罐处理能力一般在50～100 t/d。近年来，国外开始在集贸市场、社区、城郊结合部、小型农场等场合应用小型厌氧消化设备和设施，称为small-scale anaerobic digester 或者pocket digester，单体厌氧消化罐处理能力一般在1～25 t/d。通过远程客户端可实现自动化控制，降低对当地专业技术人员的技能要求。随着易腐垃圾进料纯度提高，可大幅简化预处理环节。因此，其技术构成可简化至：进料+厌氧消化罐+沼渣脱水+沼液处理+沼气锅炉热水/微型沼气发电机，2 t/d 左右处理能力的所有构件可集成至1 个集装箱。鉴于厨余垃圾的物料特性，宜采用干式厌氧消化技术，可采用卧式厌氧消化罐，以减少沼液产生量，提高设备单位体积处理能力。

3） 产物和残余物。每吨易腐垃圾约产生0.08t 沼气、0.3 t 沼渣（含固率25%～30%）。经45 d 厌氧消化后，沼渣的生物稳定性一般在RA4=48～67 mg/g［31］；本课题组实测厌氧消化21～30 d 沼渣的RA4=60～80 mg/g。因此，若要土地利用，沼渣还需经过堆肥处理。沼气可作为热水利用或发电自用。

4） 环境污染风险。①沼液。产生量约0.6 m3/t。采用厌氧消化技术就地处理易腐垃圾时，沼液不便作为液态肥料利用，宜采用小型MBR、A2/O、膜处理等技术处理至GB/T 31962—2015 水质标准要求。②臭气。厌氧技术全过程封闭，臭气释放量较低。主要产臭环节是进料、沼渣出渣及后处理堆肥稳定化过程。③沼气。应注意符合沼气安全规定。

5） 技术成熟度和成本。由于技术门槛相对较高，因此，现有此类小型厌氧消化罐技术主要引进欧洲技术，我国大型国企也已开始合作开展研发此类设备技术。目前，市场成套化供应商和关键部件供应商还较少。2 t/d 成套处理设备的设备成本约100 万～150 万元/套，20 t/d 的设备成本约500 万～1 000 万元/ 套。但如图2（a） 所示，厌氧消化技术的吨垃圾运行成本远低于强制通风堆肥技术。在沼液和沼渣可利用的前提下，运行维护成本低，产生的能源可自用或少量外供。

3.3 动物养殖（蚯蚓堆肥、黑水虻养殖、红头蝇蛆养殖）

1） 技术原理。利用蚯蚓、黑水虻、红头蝇食用易腐垃圾中的有机物，合成动物生物体、动物粪渣和未利用的残余有机物形成类腐殖质残渣［32］。根据相关测算，黑水虻处理技术的温室气体排放量仅为条垛式堆肥2.1%［33］。

2） 技术设备要素和特点。由于动物生存需微氧，温度需控制在20～30 ℃。因此，反应层较薄，占地面积大。蚯蚓每亩（1 亩=667m2）地可日处理1 t易腐垃圾。黑水虻如果采用自动化工厂处理垃圾30 t/d，需要1 hm2建设用地。原状易腐垃圾直接养殖不太有利，因此，有些会采用特定设备对易腐垃圾进行初步发酵后再喂养黑水虻，我国已有一些黑水虻高效高值利用方面的研究和应用探索。

3） 产物和残余物。产物为动物生物体（蛋白）、甲壳素等高附加值产品。蚯蚓粪的生物稳定性较高，RA4可达10 mg/g 以下［23］。黑水虻和蝇蛆养殖的有机肥由于主要由未利用的残余有机物构成，因此，生物稳定性较低，大致在堆肥一次发酵产物水平，但可以进一步加工成泥炭基土壤调理剂［34］。易腐垃圾的种类会影响黑水虻的脂肪酸组成，从而影响其作为饲料的品质［35］。

4） 环境污染风险。①残渣（有机肥）。含水率较高，养殖过程易腐垃圾水分去除率低。因此，残渣还应采用堆肥过程干化。②臭气。其恶臭化合物类型与堆肥过程有所不同，需要相应处理。③昆虫。黑水虻和红头蝇可能外逸，易引起民众担忧和反感。

5） 技术成熟度和成本。技术简易、成熟，设备简单。成本低，产物市场价值高。每吨易腐垃圾可产蚯蚓20 kg（价值200 元），蚯蚓肥400 kg（价值400元）。黑水虻处理成本在100 元/t，可产生虫蛋白200 kg（价值1200 元），有机肥400 kg（价值240 元）。

3.4 简易厌氧发酵包/罐/池

1） 技术原理。同3.2。

2） 技术设备要素和特点。即沼气池，也可通过HDPE 膜拼接/罐/铺设HDPE 膜池体等方式，形成密闭厌氧空间。由于温度不控制或只简单保温，因此，反应停留时间极长，达100 d 以上。适用于易腐垃圾临时储放、应急控制，或有较大面积场地可用的情况。

3） 产物和残余物。沼气产生量低，一般是暂存后燃烧。沼液为发酵液，有机酸含量较高。因此，有些场合将发酵残余物脱水后，发酵液进入污水厂作为脱氮除磷的碳源。

4） 环境污染风险。沼液与沼渣均需外运进一步处理和利用。

5） 技术成熟度和成本。在全球一些农村地区均有应用。技术和设备简易，难度小，成本低。

3.5 酵素生产

1） 技术原理。同3.4，实际为不产沼气的厌氧发酵。

2） 技术设备要素和特点。仅需储放容器，储放时间需3 个月以上。

3） 产物和残余物。高COD 浓度的发酵液。所谓的“酵素”（酶） 产量低，不能分离，很难有效利用，基本只能当废液、废渣处理。

4） 环境污染风险。易腐垃圾经储放3 个月没有得到任何减量，也没有获得能市售的产品，只能当易腐垃圾收运处理或废水达标处理后排放。

5） 技术成熟度。极其简易的技术。

4 小型热化学处理技术的技术分析

4.1 热干化

1） 技术原理。热干化（烘干机） 过程。

2） 技术设备要素和特点。以促进水分去除为目的，进行加热、通风、搅拌。

3） 产物和残余物。烘干产物暂存后，可再运至集中处理设施，如焚烧发电厂、生化处理厂、热解装置或水泥窑进行处理处置。其主要目的是降低运输成本、降低易腐垃圾储放过程二次污染。

4） 环境污染风险。臭气是主要的二次污染物。

5） 技术成熟度和成本。热干化技术和设备成熟。该处理模式已在希腊雅典市开展应用试点［36］。如果没有余热源可供利用，热源供给成本相当高。

4.2 热解气化/热解炭化

1） 技术原理。有机物在高温（300～700 ℃）无氧条件下转化为热解气或热解炭。

2） 技术设备要素和特点。易腐垃圾需脱水、干化后再进入热解炉。

3） 产物和残余物。热解气化产生以热解气为主的产物，热解气需原位燃烧利用，或者就近送至已有工业锅炉利用。热解炭化产生的热解炭（一般产生量为0.3 t/t） 可一定程度市售，热解油（一般产生量为0.4～0.5 t/t） 油品品级低，不宜就地利用［37］。

4） 环境污染风险。正常热解过程产生的气体污染控制相比焚烧较为简易。

5） 技术成熟度。我国已有较多的供应商，主要用于处理塑料、橡胶、污泥、混合垃圾、农业废物等；但是，受混合垃圾成分、进料量波动等影响，热解过程不稳定，易产生焦油、二噁英类、CO 等污染物［38］；另外，小规模装置能量利用效率较低［37］。

5 主要问题和建议

1） 固相产物和残余物。小型好氧生物处理过程产生的产（残余） 物、厌氧处理过程产生的沼渣和动物养殖形成的残余物，其生物稳定性均较低，不适合直接作为农业有机肥使用。应根据这些产（残余） 物的生物稳定性进行分级和应用途径评估，探索园林绿化、花卉盆景基质等多途径的产（残余） 物就地/异地消纳途径、市场和产业化模式，促进易腐垃圾就地处理链条的良性循环。部分技术可能会过高估计产生量小的高附加值产物的销售价格，而忽略了产生量高的低价值或者无价值的剩余残余物的消纳处理。

2） 环境污染风险。上述各类就近就地处理技术均存在不同程度的废水和臭气控制需求。在选择易腐垃圾就近就地处理技术时，不仅应关注主体处理技术过程本身，还应评估其环境污染控制措施和成本，发展全过程、全组分的就地处理技术。分别对标国家及地方相关环保标准，如GB/T 31962—2015 和GB 14554—1993，发展小型就地集装化或移动式污水处理设备和面源臭气控制技术。

3） 标准、技术规程。已有的一些产物质量标准，例如NY 525—2012，针对的是农业大田的应用，控制的是其重金属类有害物质和氮磷钾营养成分含量。而城乡易腐垃圾就地处理的产物利用途径，例如园林绿化、花卉盆栽等，是与居民日常活动密切接触的。例如，上海是全球人口密度最高的城市之一，其四季分明，对产物土地利用的时间段有特定要求，而源分类易腐垃圾原料本身鲜有重金属超标的可能，因而可能要更关注诸如臭气、污水、生物气溶胶［39］、杂草生长等风险。因此，应提出更有针对性的产（残余） 物利用标准，比如，采用“生物稳定性”［40］评估产物质量。各类就近就地处理技术需根据技术特点及时出台技术规程，促进这些技术、设备的可靠规范运行，形成长效产业化运行模式。

4） 设备。现有技术设备大多沿袭于国外或抄袭我国相关研究单位的试验原型。虽然基本构件相似，但大多未进行优化设计，导致制造成本和运行能耗高。另外，自动化控制的控制指标和控制手段也存在针对性不强等问题。