湖州市餐厨垃圾产沼气发电生命周期评价

贾如月，胡术刚，耿 姣

(山东科技大学 安全与环境工程学院，山东 青岛 266590)

0 引 言

我国的电力结构至今还是以火力发电为主[1-2]，化石能源的消耗不仅造成资源的耗竭还会带来严峻的环境问题[3-5]。随着社会经济的快速发展及人们环保意识的不断增强，餐厨垃圾资源化的利用范围越来越广泛。餐厨垃圾厌氧消化[6]产生的沼气可用于车用燃气[7]、燃料电池[8]、烹饪[9-10]、发电等[11]。餐厨垃圾产沼气发电无疑是一举两得的方式，既改善了餐厨垃圾堆积带来的环境问题也充分解决了传统火力发电的能源紧张问题。尽管餐厨垃圾产生的沼气为清洁能源[12]，但生产过程的复杂性以及厌氧工艺的不确定性都可能会对环境产生不利影响，采用生命周期评价方法(LCA)对全周期产沼气发电的环境影响进行分析评价是十分必要的。

全生命周期评价(LCA)方法[13]最早诞生于20世纪60年代，美国可口可乐公司对饮料的包装从原材料的获取直至废弃物处理进行了全过程的分析评价[14]。作为评估产品、过程和活动在生命周期所有阶段的环境影响的一种国际化标准方法，生命周期评价方法包含四大部分[7，15]：目标和范围定义、生命周期清单分析、生命周期影响评价和结果解释[16-17]。近几年，生命周期评价在建筑垃圾[18-19]、生活垃圾[20]、电子废弃产品[23]、工业废水[24]、农业废弃物[25-26]等方面都有不同层次的探究。叶小梅[27]等对水葫芦厌氧产沼气发电的三个阶段进行环境影响评价，找出了对环境影响最大的阶段并提出建设性建议；吴文君[28]等基于生命周期评价方法对禽畜粪便沼气热电联供系统的不同工艺及不同阶段的效益进行了比较评价分析。

就餐厨垃圾资源化产气潜力方面，本文依托湖州市餐厨垃圾处理项目，将餐厨垃圾与残余污泥共消化[29]，探究最优的混合比例以达到较高的产气量。实验首先探究了餐厨垃圾与污泥不同配比混合的产气性能，然后对日产气与累积产气以及pH对产气性能的影响进行作图分析，之后就沼气发电带来的环境影响进行全周期的分析。基于生命周期评价模型，本探究选取了全球变暖(GWP)、酸化(AP)、富营养化(EP)、人体健康(HTP)四个影响类型，针对湖州餐厨垃圾产业化项目中沼气发电全生命周期的环境排放与同功能单位下的火力发电进行对比，以期为餐厨垃圾沼气工程提供理论指导。

1 实验部分

1.1 材料与方法

原料取自湖州项目现场所收集的餐厨浆料、污泥，接种物取湖州项目禽畜粪便产生的沼液，接种前需将其在37 ℃下活化7天[30]，以上三种物料的特性分析见表1。

1.2 实验装置

实验采用的产甲烷潜力自动分析仪见图1，此套装置主要由发酵单元、净化单元、甲烷气体测定单元3部分组成。发酵单元：模拟CSTR 批式厌氧发酵过程，整个厌氧发酵装置置于水浴锅中保持37 ℃恒温培养，同时进行定时搅拌，以使实验原料充分混合；沼气净化(脱除二氧化碳、硫化氢)单元：吸收液为3 mol/L NaOH溶液(80 mL)，经过该单元后的气体基本为甲烷气体；甲烷气体测定单元：模具化cell设计，微量气体流量精准化测量，内置芯片，软硬件一体化，对数据进行采集、分析及输出。

图1 实验装置图Fig.1 Experimental device diagram

1.3 实验方法

为优化原料产气潜力，探究最优原料配比及pH条件，设置原料配比(餐厨浆料∶污泥配料)分别为1∶0(调节pH)、1∶0(不调节pH)、9∶1、4∶1、7∶3、0∶1六组实验，其VS比分别为1∶0(调节pH)、1∶0(不调节pH)、2∶1、1∶1、1∶2、0∶1。此外，餐厨浆料：污泥配料比1∶0实验组中，方案一对pH进行了调节，方案二不调节pH，未调节组的pH值为5.5，调节组pH为6.5。其余各组体系pH均为7，具体实验方案见表2。实验装置置于恒温水浴锅中保持37 ℃恒温发酵，每组设定2个平行，另外设定实验空白对照，以提高实验数据的准确性。

表2 实验方案表Table 2 Experimental scheme table

1.4 评价方法

本文拟通过餐厨垃圾经过预分选、厌氧发酵产沼气、沼气净化以及最终沼气发电作为研究边界，采用全生命周期评价方法(LCA)对湖州市餐厨垃圾沼气发电产生的环境排放与火力发电进行比较。

1.4.1 系统边界与功能单位

湖州餐厨废弃物资源化利用项目日处理量为400 t/d，日产沼气2.4×104 m3，沼气发电效率为1.8 kW·h。该研究以日发电量为1 000 kW·h,即功能单位是1 000 kW·h的电量用于计算餐厨垃圾产沼气发电的输入与输出，同时火力发电也采用该功能单位，使得这两种不同的处理系统具有可比性。整个过程的系统边界图2所示。

图2 餐厨垃圾沼气发电的系统边界Fig.2 System boundary of biogas power generation from kitchen waste

1.4.2 清单分析

本文大致将湖州市餐厨垃圾处理项目分为以下三个阶段：①收运阶段，主要是垃圾收运车在运行时消耗柴油时排放的污染物；②产沼气阶段，包含了餐厨垃圾经预处理、厌氧发酵以及沼气脱硫净化三个主要流程，该阶段大部分依靠电力实施；③沼气发电阶段。此外，火力发电由原料开采及运输阶段和燃料发电阶段组成。为便于沼气发电与火力发电进行比较，规定餐厨垃圾产沼气发电中的①和②两部分为阶段a，第③部分为阶段b，同样火力发电的两部分定义为a、b两阶段。

1.4.3 影响评价模型

环境影响评价模型主要由以下四部分组成：特征化、标准化、加权和环境影响负荷。为探究污染物对环境的影响，本研究以全球变暖(GWP)、酸化(AP)、富营养化(EP)、人体健康(HTP)四个影响类型进行下一步的分析。依据排放清单，结合四种环境类型的计算方法和当量因子、归一化值、权重(见表3)分别计算出环境影响潜值、标准后的环境潜值、加权后的影响潜值[31-32]，根据这些数据对沼气发电与火力发电做出对比分析。

表3 环境评价模型参数值Table 3 Parameter values of environmental assessment model

2 结果讨论

2.1 餐厨垃圾产气性能的试验探究

2.1.1 日产气量变化

对不同配比实验组厌氧发酵日产气量进行分析，结果如图3、图4所示。

图4 不同pH下的日产气变化Fig.4 Variation of daily gas production at different pH values

由图3可知，配料比1∶0(调节pH为6.5)实验组在培养期出现3个产气高峰期，但主要高峰期为培养后8～22天，日产气峰值为0.92 L/天，出现在第17天，培养23天后停止产气。配料比为9∶1、7∶3、4∶1的实验组日产气量变化趋势相似，配料比为9∶1实验组主要高峰期出现在培养后4～20天，配料比为4∶1、7∶3实验组主要高峰期出现在培养后5～23天，早于未添加污泥的实验组。配料比为9∶1、4∶1、7∶3的实验组日产气峰值分别为0.92、0.75、0.75 L/天，分别出现在第13天、12天、11天，培养30天后日产气量均不断减少，46天后停止产气。配料比为0∶1实验组(即污泥实验组)日产气量最低，在培养后第9天出现峰值，峰值为0.09 L/天。可见，餐厨垃圾本身的产气率较高，这可能是因为餐厨垃圾中含有较多的有机物，这些有机物极易被微生物利用[33]。污泥的添加可以促进餐厨浆料的分解，使其产气高峰期提前3～4天，但随着污泥所占比例的增加体系日产气峰值不断减少。

图3 不同配比下的日产气变化Fig.3 Variation of daily gas production at different ratios

从图4可以看出，餐厨浆料/污泥配料比为1∶0的实验组中，未调节pH组与调节pH组的日产气量变化趋势类似，也出现3个产气高峰期。但是与调节pH组相比，未调节pH组主要产气高峰期及日产气高峰值出现时间滞后，高峰期在培养后10～25天，日产高峰值出现在第23天，日产气峰值较低，为0.52 L/天，整个厌氧发酵持续26天。

2.1.2 累积产气量变化

不同配比实验组厌氧发酵累积产气变化如图5、图6所示。

图5表示厌氧发酵过程的累积产气量情况，整个发酵过程餐厨浆料：污泥配料比为1∶0(调节pH)实验组持续时间较短，仅23天，配料比为9∶1、4∶1、7∶3、0∶1的实验组发酵时间相对较长，均在45天左右。总产气量表现为配料比9∶1实验组(5.75 L)>4∶1实验组(5.37 L)>1∶0(调节pH)实验组(5.35 L)>7∶3实验组(5.28 L)>0∶1实验组(0.89 L)。且在培养期内，配料比为1∶0(调节pH)、9∶1、4∶1、7∶3、0∶1的实验组分别在第19、16、18、17、18天累积产气量达到总产气量的85%。由此可见，污泥的添加可以使体系累积产气量达到总产气量85%的时间提前1～3天，但随着污泥所占比例的增加，体系总产气量不断减少。

图5 不同配比下的累计产气变化Fig.5 Variation of cumulative gas production at different ratios

图6可以看出，餐厨浆料组将pH调节到6.5后发酵时间短于调节前，调节pH后的时间为23天，调节前为26天。总产气量调节pH实验组(5.35 L)大于未调节pH组(4.07 L)。同时在整个培养期，调节pH实验组在第19天累积产气量达到总产气量的85%，而未调节pH实验组相对较晚，在第24天达到总产气量的85%。

图6 不同pH下的累计产气变化Fig.6 Variation of cumulative gas production at different pH values

表4列出了本次实验各配料比体系及前期实验产气潜力。

表4 原料产气潜力Table 4 Gas production potential of raw materials

从表4中可以看出，不同配料比原料单位TS产气率差距较大，表现为配料比1∶0(调节pH)实验组(757.79 m3/t TS)>9∶1实验组(463.12 m3/t TS)>4∶1实验组(301.81 m3/t TS)>7∶3实验组(228.29 m3/t TS)>0∶1实验组(48.81 m3/t TS)。由此可见，随着污泥所占比例的增加，体系产气潜力逐渐降低。

此外，pH条件对餐厨厌氧发酵产气影响也较大。将pH调节到6.5的餐厨浆料实验组原料单位TS产气率(757.79 m3/t TS)大于未调节pH实验组(575.05 m3/t TS)。这是因为pH值过低，微生物的生命代谢受到抑制，导致餐厨浆料厌氧发酵产气量大大降低。工程上建议：餐厨/污泥配料比为1∶0的停留时间为19天，餐厨/污泥配料比为9∶1的停留时间为16天，餐厨/污泥配料比为4∶1的停留时间为18天，餐厨/污泥配料比为7∶3的停留时间为17天，餐厨/污泥配料比为0∶1的停留时间为18天。

2.2 餐厨垃圾产沼气发电与火力发电的环境排放对比

全生命周期沼气发电与火力发电的环境排放物对比数据如表5所示。

表5 沼气发电与火力发电的环境排放比较Table 5 Comparison of environmental emissions between biogas power generation and thermal power generation

由表5可知，沼气经净化后发电的SO2排放主要集中在上游阶段，整个周期SO2排放量仅占火力发电的28.20%；沼气发电的CO2排放量主要集中在上游，这主要受垃圾车收运、生产柴油以及产沼气三个阶段的影响，在整个生命周期中，沼气发电CO2排放量只有火力发电的33.25%；沼气发电CO的排放量占到火力发电的43.87%，两个阶段几乎相等，但火力发电相差较大；NOX的排放量上，沼气发电仅占火力发电过程的9.44%，远低于传统的火力发电排放；沼气发电的全生命周期VOC的排放量占到火力发电的20.39%。

该工程的环境影响潜值以及经标准化、加权赋值后的环境影响潜值如表6所示。

表6 沼气发电与火力发电环境影响潜值Table 6 Environmental impact potential of biogas power generation and thermal power generation

由表6可见，餐厨垃圾产沼气发电与传统的火力发电相比，全周期都呈现较高的环境影响潜值，其中酸化的环境减排能力最高，比火力发电高达93.26%，其次是全球变暖减排89.97%和人体健康减排了78.72%，表明餐厨垃圾资源化产沼气发电具有非常高的环境潜值。

3 结 论

(1)由实验结果得知，餐厨垃圾本身的产气量很高，日产气量可达0.92 L/天，适当比例污泥的添加会促进产气发生，当餐厨垃圾与污泥比为9∶1时促进效果最好，可使体系产气高峰期提前3～4天。

(2)基于生命周期评价方法，餐厨垃圾产沼气发电全生命周期的污染物排放量都明显低于传统的火力发电，经标准赋权后，环境影响潜值由高到低依次是酸化(AP)、全球变暖(GWP)、人体健康(HTP)、富营养化(EP)，其中酸化(AP)具有最高的环境减排能力，比火力发电高93.26%。