有机固废沼渣特性及其资源化探究_曾谦.pdf

第 40 卷第 12 期2022 年 12 月环境工程Environmental EngineeringVol40No12Dec2022收稿日期:20221209基金项目:2021 年北京市科协金桥工程种子资金，A 类(ZZ21003);宁波市科技创新 2025 重大专项(2018B10023)第一作者:曾谦(1993)，男，博士，主要研究方向为有机固废处理与资源化。qzengad outlookcom*通信作者:刘建国(1972)，男，教授，主要研究方向为固体废物控制与资源化。jgliu tsinghuaeducnDOI:10.13205/jhjgc202212009曾谦，倪哲，陈君，等 有机固废沼渣特性及其资源化探究 J 环境工程，2022，40(12):6170，78有机固废沼渣特性及其资源化探究曾谦1，2倪哲1陈君1甄胜利1刘泽军1刘建国2*齐长青1(1北京高能时代环境技术股份有限公司，北京 100095;2清华大学 环境学院，北京 100084)摘要:有机固废厌氧消化是固体废物领域实现“双碳目标”的重要途径，但沼渣处理的“梗阻”问题制约了其应用与发展。通过文献调研大中型厌氧消化工程案例的实际数据，分析了 4 类典型有机固废沼渣，厨余垃圾、市政污泥、农业固废、城市固废有机组分的基本性质、营养物含量与重金属含量。基于沼渣特性、结合政策与规范标准阐述了国内外沼渣处理模式异同，并探讨了我国沼渣发展的瓶颈与发展方向。最后，从运输距离、规模效益、经济成本、市场渠道、碳排放等方面重点探讨了沼渣传统资源化处置路径与新兴资源化技术的机遇与挑战，旨在为政策制定、技术发展和产业应用提供参考。关键词:有机固废;厌氧消化;沼渣;碳排放;技术经济性OGANIC WASTE DIGESTATE:A EVIEW OF ITS CHAACTEISTICS ANDESOUCES ECOVEYZENG Qian1，2，NI Zhe1，CHEN Jun1，ZHEN Shengli1，LIU Zejun1，LIU Jianguo2*，QI Changqing1(1Beijing GeoEnviron Engineering Technology，lnc，Beijing 100095，China;2School of Environment，Tsinghua University，Beijing 100084，China)Abstract:Treatment of organic waste with anaerobic digestion(AD)is one of the most important steps in achieving carbonneutrality，but the treatment of biogas digestate limits the application and development of AD In this paper，four typical typesof organic waste digestate(ie，food waste，sewage sludge，agricultural waste，and organic fraction of municipal solid waste)were studied Their characteristics，nutrient and heavy metals concentrations were investigated，with the data derived fromliterature and internal unpublished databases of large and medium-sized AD plants Furthermore，the bottleneck and futuredevelopment of digestate treatment were discussed，by comparing the differences in policies，regulations，and standards fromChina and overseas The opportunities and challenges of traditional digestate disposal means and the emerging resource-basedtechnologies were evaluated，with a focus on transportation distance，scale-up capability，operation cost，and carbon emission，aiming to provide new information for policy formulation，technological development，and industrial applicationsKeywords:organic waste;anaerobic digestion;digestate;carbon emission;techno-economic assessment0引言全球有机固废年产量约 1050 亿 t，然而其有效处理率仅为 2%，大量的碳资源被浪费，加剧了温室气体的排放1。根据国际沼气协会统计，通过厌氧消化处理有机固废可实现碳减排约 55 亿 t CO2(eq)/a，全球碳排放将减少约 10%1，2。近 5 年，我国厌氧消化处理量从 788 万 t/a 激增至 1328 万 t/a;预计到2030 年，沼气年产量将超过 301027Nm3(产生的能源可替代约 5103万 t 散煤的年消耗量)3，4。然而，有机固废沼气工程的快速发展带来了大量的沼渣产生。环境工程第 40 卷沼渣存在连续、量大、集中等特点，其性质多变、碳氮比差、杂质多、黏稠，且处理成本较高5。2021 年 5 月，国家发改委、住房城乡建设部印发了 “十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划6，规划中明确提出:“要积极推动沼渣处置利用、建设沼渣资源化利用设施”。沼渣处理处置也是2020 国家先进污染防治技术目录 中协同厌氧消化技术的关键一环7。打通有机固废沼渣处理处置路径，对大中型沼气工程的可持续发展、解决有机固废的末端“梗阻”问题具有重要意义。沼渣处置的主流技术包括好氧堆肥后土地利用和干化后直接或协同焚烧，而新兴技术主要涉及高价值利用。然而，有机固废种类繁多，不同原料经厌氧消化后的沼渣性质各异，如何“因地制宜”地提出我国沼渣处理处置方向是本文阐述的重点。本文通过文献调研的方式，针对 4 类典型有机固废，结合我国发展现状与国情政策，从沼渣性质分析、国内外处理模式比较、末端资源化路径与碳排放 3 方面阐述，将探究制约沼渣资源化发展的关键瓶颈及解决思路。1沼渣性质本文通过文献调研与项目采样，共统计了 238 个全球正式运营的大中型厌氧处理厂(处理量50 t/d)数据，针对厨余、市政污泥、农业固废、与城市固废有机组分 4 类典型进料物的沼渣，分析其基本性质、营养物及重金属含量并进行对比。在调研中，厨余沼渣部分数据来自文献 8-16，市政污泥的沼渣部分数据来自文献 9，17-25，农业固废的沼渣部分数据来自文献 12，13，16-30，城市固废有机组分的沼渣部分数据来自文献 9，25，31-35，另外，将实际运营的有机固废厌氧处理厂的采样分析作为各类沼渣数据的补充(此数据来自业界工程项目，未经公开发表)。参考 GB/T 190952019生活垃圾分类标志，本文中厨余(food waste，FW)表示易腐烂、含有机质的经分类后的生活垃圾，包括家庭厨余垃圾，餐厨垃圾和其他厨余垃圾;污泥(Sludge)特指城镇污水处理厂在污水净化过程中产生的市政污泥;农业废物(Agro)包括各类畜禽粪便与植物纤维性废弃物 2 类;而城市固废有机组分(organic fraction of municipal solid waste，OFMSW)包括庭院垃圾、杂草枯叶、花卉残枝、家庭厨余与果蔬垃圾。本文分析了厌氧消化后未经固液分离的沼渣，数据采用“平均值标准方差”表示，标准方差越大，表示范围分布越广。1.1基本性质沼渣基本性质包括 pH、有机质含量、含水率、碳/氮比(C/N)。易生物降解有机物(CnHxOyNz)厌氧消化过程中的分解反应可用式(1)表示:CnHxOyNz+14(4n-x+2y+7z)H2O18(4n+x 2y+3z)CH4+18(4n x+2y 5z)CO2+zNH4HCO3(1)式(1)表明厌氧消化过程降解有机物产生碱度(HCO3)。沼渣基本性质如图 1 所示。可知:各类有机固废沼渣均呈弱碱性(pH7)，其中厨余沼渣 pH为 8.210.36，污泥沼渣 pH 为 7.480.52，城市固废有机组分沼渣 pH 为 8.250.30，农业固废沼渣 pH为 7.74 0.48。厌氧消化将易生物降解部分(即CnHxOyNz)转化成 CH4与 CO2，仍存留一部分非生物分解性成分与菌体成分及其残渣，此类沼渣中的有机物质含量通常以 VS/TS 表示。厨余、污泥、城市固废有机组分、农业固废的沼渣 VS/TS 分别为(65 11)%、(637)%、(5412)%、(6813)%。厨余和污泥沼渣含水率较高 厨余沼渣(93.54.7)%，污泥沼渣(94.65.3)%，因为厨余和污泥主要采用湿式厌氧消化处理，如何高效实现脱水干化与减量(减少运输成本)是处理此类沼渣需考虑的关键问题。而城市固废有机组分与农业固废通常采用干式厌氧，其沼渣含 水 率 较 低，且 波 动 较 大OFMSW:(72.5 15.1)%，Agro:(86.99.0)%。C/N 是沼渣资源化利用的关键指标，理想的好氧堆肥 C/N 为 25 30。若 C/N 太高则菌种生长缓慢且蛋白质合成困难，C/N较低则细菌快速生长，多余的氮源将分解为氨氮释放产生臭气，同时导致氮损失。厨余与污泥的沼渣含氮源较多，C/N 分别为 7.25.5 与 6.41.5，因此，在此 2 类沼渣堆肥时需考虑添加其他高 C/N 辅料(如木屑，C/N 为 200300;秸秆，C/N 为 6090)进行平衡。城市固废有机组分(12.18.5)、农业固废(13.910.4)的沼渣 C/N 分布各异，此 2 类沼渣堆肥时需根据具体情况采用合适工艺路线。1.2营养物氮、磷、钾是沼渣主要营养物成分，是肥效作用的关键元素，而氨氮浓度可作为植物毒性与养分径流的指标。由图 2 可知:4 类沼渣营养物含量具有明显差26第 12 期曾谦，等:有机固废沼渣特性及其资源化探究注:FW 为厨余垃圾;Sludge 为污泥;OFMSW 为城市固废有机组分;Agro 为农业固废，下同图 14 类典型有机固废沼渣基本性质Figure 1Characteristics of four types of typical organic waste digestate异，厨余与城市固废有机组分的沼渣总氮含量的平均值相近(18.5 g/kg 与 18.2 g/kg)且低于污泥与农业固废沼渣(32.9 g/kg 与 35.7 g/kg)。通常土壤氨氮控制目标值为 9.2 g/kg，以避免氨氮植物毒性，而 4类沼渣的氨氮浓度主要为 35 g/kg，引起植物毒性的可能性较小36。污泥沼渣的总磷含量的平均值高达 35.7 g/kg，远高于厨余(6.6 g/kg)、城市固废有机组分(5.0 g/kg)与农业固废(7.9 g/kg)，主要原因是市政污水中的磷富集在污泥中，厌氧消化过程中随着微生物的分解衰减，超过 80%(质量分数)的生物结合磷被重新释放到液相中37，导致了污泥沼渣的较高的磷含量。而土壤的前端钾肥施用导致末端农业固废沼渣的钾含量较高(15.0 g/kg)，其平均值明显高于其他种类沼渣(厨余沼渣:5.7 g/kg;污泥沼渣:2.8 g/kg;城市固废有机组分:5.9 g/kg)。基于以上归纳，若采用沼渣堆肥土地利用的技术路线，需考虑各类沼渣的主要养分(如通常污泥沼渣富含氮磷，农业固废沼渣富含钾，而厨余与城市固废有机组分的沼渣养分含量较为均衡)，因地制宜地施用沼渣堆肥后的产品。1.3重金属重金属含量是沼渣安全性指标与资源化利用的图 24 类典型有机固废沼渣的营养物含量Figure 2Nutrient concentration of four types of typical organicwaste digestate关键。沼渣的重金属含量如图 3 所示。可知:污泥沼渣的重金属含量明显较高，Pb 与 Cr 的含量分别为(68.289.5)，(219.5296.1)mg/kg，其平均值均超过了 NY/T 5252021有机肥料 限值(Pb)50 mg/kg，(Cr)150 mg/kg38;此外，污泥沼渣Cu 含量为(576.3477.2)mg/kg，其平均值超过了GB/42842018农用污泥污染物控制标准 限值(Cu500 mg/kg)39，某些污泥沼渣样品的 Zn 浓度为(906.11141.5)mg/kg，也超过了农用标准限值(Zn1200 mg/kg)。因此，对于污泥沼渣的资源化需36环境工程第 40 卷重点考虑重金属的去除确保其安全达标。厨余沼渣中 Pb(17.019.2)mg/kg、Ni(18.810.8)mg/kg、Zn(156.376.9)mg/kg含量较高，其沼渣重金属与城市固废有机组分沼渣相似 Pb(15.13.5)mg/kg;Ni(21.624.6)mg/kg;Zn(218.2150.3)mg/kg，原因是城市固废有机组分主要包括了一定比例的家庭厨余垃圾。相比之下，农业固废沼渣中的各类重金属含量最低。总体来说，除了某些污泥沼渣样品重金属超标外，本文所统计的其他沼渣中所涉重金属含量都符合相关规范与标准要求。图 34 类典型有机固废沼渣的重金属含量Figure 3Heavy metals concentration of four types of typical organic waste digestate2国内外沼渣处理现状全球范围内，中大型厌氧消化处理设施(处理量50 t/d)主要集中在德国(8924 座)、中国(4717座)、美国(1645 座)、意大利(898 座)2，40，41。德国是全球发展厌氧消化技术的领先国家，我国虽然建设了大量厌氧消化设施，但主要集中在农业固废处理。本节将主要对比德国与我国各类沼渣的处理处置模式，并探讨我国沼渣发展方向。2.1厨余沼渣德国分类收集的厨余垃圾，经过厌氧消化后的沼渣全部用于堆肥。截至 2014 年，德国有 884 个堆肥厂，年产约400 万 t 堆肥产品42。为了生产适合市场的堆肥产品和沼渣，德国成立了 2 个专门机构:BGK堆肥 产 品 质 量 保 证 机 构(Federal CompostQuality Assurance Organisation of Germany)和 AL德国质量保证与认证研究院(Deutsches Institut frGtesicherung und Kennzeichnung eV)，建立了一系列法规与标准规范保证厨余堆肥产品的质量与安全，从制度方面破解了末端资源化的梗阻问题，以保证产品的高质量。近年来，我国加强了固废领域的法规与政策的制定，对厨余垃圾管理提出了明确要求。自2011 年以来，国家发改委共投资 20 亿元，建立了 104个餐厨废弃物资源化利用和无害化处理试点项目(共 1.97 万 t/d)。试点项目中，约 76%采用厌氧消化工艺，17%采用好氧堆肥，7%采用饲料化利用43，然而截至 2018 年，仅 35%的项目经过验收，10%的项目因为预处理系统故障率高被撤销44。厨余垃圾常与生活垃圾混合，含有玻璃瓶、塑料、废衣物等杂物，导致了预处理筛选设备的故障;垃圾分类政策的实施将极大地改进厨余性质，有利于预处理系统的搭建与重构。聚焦我国厨余沼渣处理处置，可查询到的公开工程案例资料仅有 2 项:杭州天子岭 190 t/d 厨余垃圾处理工程，沼渣脱水至含水率 53%后填埋45;郑州市 200 t/d 厨余垃圾处理工程项目，沼渣脱水至含水率 55%后堆肥作营养土46。我国厨余项目仍存在如下瓶颈问题:1)前端预处理工艺和装备选型与我国厨余垃圾物理特性不适应;2)末端沼渣处理处置技术积累不足且资料匮乏。2.2污泥沼渣德国污泥沼渣出路中，64%采用干化后焚烧，24%农用，12%用作景观园林覆土47。欧洲其他国家如荷兰、瑞士已实现污泥沼渣 100%焚烧48。污泥焚烧后的灰渣磷含量高(93.13.2)g/kg49，是污泥沼渣磷含量的 3 倍(图 2)，有利于后续的磷资源回收。磷是不可再生的自然资源，因此，德国 2017 年通过了对污水污泥条例(The German Sewage SludgeOrdinance，Abfallklrschlammverordnung，AbfKlrV)的修订，要求从污水污泥或其焚烧灰中回收磷，明确提出 2029 年后含磷量大于 20 g/kg 总固体的污水污泥须采用磷回收工艺，要求从污水污泥总固体中回收46第 12 期曾谦，等:有机固废沼渣特性及其资源化探究50%以上的磷;而污泥沼渣平均磷含量高达 35.7 g/kg(图 2)，适用于“污泥沼渣焚烧磷回收”的技术路线。尽管我国污泥厌氧消化处理量逐年激增，近 10年从 2814 t/d 增至 6944 t/d50，但目前普及率仅为3%，远低于领先国家 50%的水平51。据不完全统计，我国污泥沼渣利用途径中，29%为堆肥土地利用、27%为焚烧、20%为填埋、16%为建材利用、8%进行其他处理52。现阶段，为满足国家标准与规范(表 1)，大部分污水厂添加大量药剂(如 CaO，10%15%，质量分数)进行“污泥调质板框压滤”，以降低沼渣含水率到 60%65%后直接填埋。但大量药剂的添加不仅增加了污泥量和运行费用，而且不利于资源化利用。若采用干化技术，可将污泥沼渣含水率由 80%降至 40%，体积可减少 3 倍，而热值可提高约 2.5 倍，将极大地降低运输成本，并为后续的焚烧或资源化处置提供基础。干化+焚烧有望成为最有效的污泥(沼渣)处置技术工艺之一。表 1污泥(沼渣)各类处置方式的含水率规范/标准要求Table 1The requirements of water content for differentsludge(digestate)disposal strategies处置方式规范/标准含水率要求土地利用 GB/T 234862009 城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质40%GB 42842018 农用污泥污染物控制标准40%GB/T 246002009 城镇污水处理厂污泥处置土地改良用泥质65%焚烧GB/T 246022009 城镇污水处理厂污泥处置单独焚烧用泥质50%填埋GB/T 234852009 城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质60%建材利用 GB/T 2892008 城镇污水处理厂污泥处置制砖用泥质40%2.3农业固废沼渣农业固废沼渣富含有机物和营养物质，且重金属含量低。德国 90%的农业沼渣未经处理，储存后直接回田利用;剩余的 10%固液分离后的固渣堆肥，而沼液不经处理直接利用6。直接利用的费用主要是沼渣储存与运输费用，大部分农户选择“就近自用”减少运输成本。大多数欧洲国家的堆肥产品免费送给农户使用，而德国通常向农户收取 1015 元/t 的费用。对于固渣而言，堆肥后的产品售价(030 元/t)往往低于其处理成本与运输费用(100140 元/t)，不是最经济适用的选择6。我国农业固废沼渣约 53%可直接利用，其余 23%采用稳定塘处理，24.7%采用好氧处理53。稳定塘与好氧处理通常是简单曝气后排放到附近水体消纳，造成了资源浪费与环境污染。同发达国家类似，我国的沼肥通常免费送给农户进行直接利用。经调研，农户可接受的堆肥产品价格为15 元/t，且 50%的农户因为其不如化肥方便、肥效不好等原因，表示不接受沼肥54。整体而言，我国农户积极性低，沼渣可直接利用的土地消纳能力不足，且缺乏资源化利用标准与质量保证，导致了大量的农业固废沼渣的资源浪费。从其他国家的经验来看，鼓励农户就近使用农业固废沼肥是较经济且适用的方式。2.4城市固废有机组分沼渣城市固废有机组分包括了庭院垃圾、杂草枯叶、花卉残枝等垃圾，其含水率较低。故德国通常采用生物干化或干式厌氧技术处理城市固废有机组分，沼渣经干化后可制备垃圾衍生燃料(refuse derived fuel，DF)55。DF 含水率25%，低位热值15 MJ/kg，通常协同焚烧处置56。就土地利用而言，相比湿式厌氧沼渣，干式厌氧的沼渣因含水率较低，通常用作基肥铺在土壤下层，且此类沼渣基肥施往往会刺激氨氧化细菌的增长，引起硝酸盐滤出风险，导致农作物或植物固氮不足57。我国 2014 年引进德国 BEKON技术，总投资 7300 万元(100 t/d)，于哈尔滨宾县采用了第 1 个干式发酵项目处理城市生活有机固废。总体来说，干式发酵对我国而言仍处在起步阶段，技术引进的高额投资限制了干式厌氧的应用发展(吨投资 70 万 100 万元)，另一方面，干式厌氧发酵末端沼渣的处理处置方案资料匮乏。3末端资源化路径与碳排放3.1传统资源化方式3.1.1土地利用沼渣的消纳是破解末端“梗阻”问题的关键。作为主要的消纳模式，土地利用需考虑我国土地容量。我国 2020 年沼肥产量约 9700 万 t58，以每公顷可消纳 30 t 沼肥计算59，年产的沼肥需占用约 320 万公顷土地。简单概算60，若全年生产的沼肥用于土地利用，仅占耕地面积的 2.3%，占园地的 22.2%，占林地的 1.3%。可见我国的土地容量可以消纳沼渣，但运输距离限制了沼渣的消纳。根据瑞典大中型沼气工程为例，沼渣运输距离对整体工程项目起到决定性作用:当农业固废运输距离超过 200 km，污泥运输超过 240 km，城市固废有机组分运输超过 580 km 时，整体工程的能耗将“入不敷出”61。沼渣可以通过堆56环境工程第 40 卷肥或造粒等方式减少体积提高价值，降低运输成本，破解长距离运输问题。然而，考虑到产品的规模化效应，此模式不适用于处理量 50 t/d 的厌氧处理厂62，因利润波动较大，需谨慎考虑项目规模与沼渣造粒后的下游消纳途径。就政策规范而言，NY/T5252021 有机肥料 正式实施，禁止使用粉煤灰、钢渣、污泥、生活垃圾(经分类陈化后的厨余废弃物除外)作为商品(有机肥)在市场交易。作为补充，“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划中提出了对沼渣出路的规划:“园林绿化肥料、土壤调理剂等需求较大的地区，沼渣可与园林垃圾等一起堆肥处理”，“堆肥处理设施能力不足、具备焚烧处理条件的地区，可将沼渣预处理脱水干化后焚烧处理”。从技术层面而言，堆肥工艺是成熟的，根据具体项目需求可选择仓式、立式、槽式等工艺，主要考虑的关键因素是辅料添加后的物料碳氮比、含水率、曝气强度。3.1.2沼渣焚烧焚烧是沼渣传统资源化的另一重要路径，而干化提高沼渣热值是焚烧处置的核心问题。根据实际工程模式与运行参数61 可知:热源提供和处理规模大小是决定沼渣干化可行性的关键。以 40 t/d 处理量为例，若厂内无热源提供，整体运行成本高达 130 元/t，若厂内提供热源(蒸汽)，可节省厂内运行成本约30%，降至 95 元/t;若处理量扩大到 150 t/d，以同样的蒸汽模式处理沼渣，运行成本将减少至 75 元/t 61。可知:处理规模大、有热源(如蒸汽)、且焚烧厂距离适宜的项目，沼渣可以优选干化后焚烧处置。另一方面，建立以焚烧厂为主体、餐厨污泥等有机固废协同的静脉产业园是实现物质和能量的可持续利用的一种模式。以广西某静脉产业园内餐厨垃圾处理厂为例，与餐厨厂(100 t/d，采用“预处理+油脂提取+厌氧发酵+沼气净化利用”的总体工艺)独立运营相比，静脉产业园内焚烧厂餐厨厂协同处理日节省费用约2600 元，折合吨垃圾节省费用约 45 元，年累计节省约 95 万元63。具体地，通过沼气进入焚烧炉，提高炉温，产生热量创造利润，同时烟气余热或蒸汽来干化沼渣，提高沼渣热值，提高发电量。尽管产业园模式下的沼渣协同焚烧模式经济效益较好，但也需要从技术角度考虑实际运行问题。根据生活垃圾清洁焚烧指南，当沼渣掺烧比过高(7%)时，容易出现炉膛结焦和锅炉积灰现象，将大大增加检修时间和频次，难以确保连续 8000 h/a 的稳定运行要求。例如，上海金山区污泥协同焚烧现场反馈，炉膛内壁结焦达30 cm，须 3 个月打焦 1 次，余热锅炉积灰，清灰频率增加64。3.2新兴资源化技术3.2.1高值碳化碳是沼渣含量最高的元素，其干重质量分数为50%70%65。近 些 年，水 热 碳 化(hydrothermalcarbonization，HTC)已成为有机物高值资源化的一项新兴技术。HTC 技术通过适当的温度(180250)，压力(1050 bar)和酸碱度条件下，数小时(112 h)内可将含水的生物质或其他残渣产生 2 种主工产品:生物炭和水溶性产品(图 4a)。各种湿生物质(如沼渣)均能被处理并转化为燃料和其他工业利益物质，例如 HTC 技术的磷回收率接近 100%66。另外，生物炭具有高比表面积和发达的孔隙结构，具备吸附剂的性能，常用在含重金属废水处理中67。高价值多领域的产品应用使得 HTC 技术在有机固废领域逐渐实现商业化。2010 年，德国 HTCycle GmbH 首次在全球运营工业规模的 HTC 污泥处理工厂，并在 2017 年建立了第 2 个生物质碳化工厂。然而，不同的处理规模、原料与区域选择决定着 HTC 技术的经济效益。以德国某 HTC 技术处理稻穗枯木的项目为例，生物质的前端供应(运输或购买)导致了项目的亏损 68。此外，基于AVA-CO2公司(Karlsruhe，Germany)的 HTC 技术中试项目运行数据(15 m3序批式反应器，25 30t/d，沼渣含水率 80%)，项目总投资成本为 3000 万元，总运营成本为 380450 元/t69。总体来说，HTC技术投资高，且有较高的总收益需求值，意味着需要高收益才能补偿 HTC 的资金投入。提高处理规模，优化产品质量，是决定 HTC 技术经济可行性的关键举措。3.2.2生物干化生物干化最早在 1984 年由 William J Jewell 研究牛粪好氧堆肥的操作参数时提出70，其原理是通过好氧微生物降解有机物释放生物热能将物料中的水分蒸发，同时引入强通风条件实现补充氧气并带走水蒸汽，从而实现干化作用(图 4b)。此技术在 1996年于意大利首次实现工业化应用，采用 BioCubi 工艺处理生活垃圾。2013 年，荷兰 GMB BioEnergie BV公司首次采用生物干化技术处理污泥(处理量410 t/d)，含水率在 1012 d 由 78%降至 33%，干化后污泥低66第 12 期曾谦，等:有机固废沼渣特性及其资源化探究图 4有机固废末端新兴资源化技术路径Figure 4Emerging resource-based technologies of organic waste digestate位热值高达 1850 kcal/kg，并实现系统的能源与资源回收(热能回收 9.3 MW/a;(NH4)2SO4回收 7300 t/a)71。通过间歇式通风，生物干化反应时间可缩短至 7 d，完成对餐厨垃圾干化(含水率由 80%降到40%，低位热值高达 1970 kcal/kg)72。基于相同的技术原理，近些年生物干化技术被应用在沼渣资源化领域中73，74。生物干化的优点是运行费用较低(热干化 230280 元/t，低温热干化 100150 元/t，好氧堆肥 80100 元/t，生物干化 6080 元/t)75。工程应用上，辅料(木屑、锯木、秸秆等)的购置与运输是主 要 运 行 成 本 之 一。超 高 温 好 氧 菌(hyperthermophilic aerobic bacteria)的发现为生物干化提供了新的发展方向。YM 菌是一种典型的超高温好氧菌，无需添加辅料，能在 90 以上(最高可达120)的超高温好氧条件下活跃工作，发酵分解有机废弃物，且能对臭气物质彻底分解，已在日本应用40 余年76。近几年，以 YM 菌为原型，我国研发了各类超高温好氧菌，并逐渐在工程上应用77，78。3.2.3昆虫转化有机固废沼渣富含大量营养物质，具备资源化潜质。昆虫转化技术作为近几年的新兴技术，将有机固废转化生产高价值产品，实现全链条资源化(图 4c)。例如，黑水虻将有机固废作为食物，在体内消化并合成高含量的粗蛋白(40%干重)与粗油脂(30%干重)，具有较高的商业价值79。但就昆虫转化而言，物料的选择是成功的关键环节。当污泥沼渣作原料时，黑水虻需要漫长的时间进行生物转化(40 d)，远长于果蔬垃圾为原料的转化时间(10 d)80。除Agriprotein 公司利用厨余为原料之外，其他公司均以果蔬、谷类、食品加工废渣作为原料生产动物饲料(表 2)。此外，国际昆虫食品饲料协会(InternationalPlatform of Insects for Food and Feed，IPIFF)将餐饮垃圾、畜禽粪便、含鱼肉类食品列为昆虫转化技术的禁用原料81。而加工类废渣如麸皮、麦糠、酒渣、奶渣、果蔬垃圾的源头可溯相对“安全”，推荐采用昆虫技术。目前，全球处理量最大的是法国 Ynsect 公司采用的黄粉虫技术，每天处理 1000 t 麦糠及其他辅料，且昆虫转化工艺的末端残渣富含腐殖酸，烘干后可作为有机肥料或土壤改良剂使用。近些年，昆虫技术在我国迅速发展，主要应用于厨余垃圾三相分离后的有机固渣处理，然而如何实现机械化养殖与运营是昆虫技术在我国发展的瓶颈(尤其是虫卵、虫粪、幼虫的精准筛分)。另外，鲜虫或干虫的消纳渠道是决定昆虫技术是否盈利的关键，根据 Eawag 在印度尼西亚的黑水虻生产测试线调研报告，相比养殖场饲料，将干虫或鲜虫作为家庭宠物饲料更为适合，更加利于建立全链条资源化产业链。表 2昆虫技术商业化项目案例Table 2Commercial application projects ofinsect technology项目时间处理量/(t/d)原料种类产品技术国家公司2014110厨余鱼粉黑水虻南非Agriprotein2019100食品加工废渣动物饲料黑水虻新加坡Entobel2019300果蔬谷类混合物动物饲料黑水虻荷兰Protix2020273果蔬谷类混合物动物饲料黑水虻加拿大Enterra2020130酒渣、面包渣动物饲料黑水虻美国Enviroflight20201000麦糠及其他动物饲料黄粉虫法国Ynsect3.3碳排放沼渣处理是一个排放 CO2(eq)的过程，其能量消耗可通过二氧化碳当量(CO2(eq)核算。不同处理手段的沼渣处理过程碳排放排序为:带式干燥(100 kg76环境工程第 40 卷CO2/t)开放堆存利用(38 kg CO2(eq)/t)热浓缩(24kg CO2(eq)/t)桨叶式干燥(21 kg CO2(eq)/t)堆肥利用(18 kg CO2(eq)/t)膜分离(10 kg CO2(eq)/t)太阳能干化(6 kg CO2(eq)/t)(图 5)82。沼渣干化工艺的选择影响着碳排放量:带式干燥的耗电量大，且过程中大量的氮源流失，导致其土地利用价值较低、碳排放较大;而太阳能干化通过利用太阳能辐射转化能量，极大减少了碳排放。若沼渣进行土地利用，营养物质具备碳减排效益，沼渣代替肥料可实现碳补偿2028 kg CO2(eq)/t83。相比之下，沼渣焚烧的碳排放为 95100 kg CO2(eq)/t50，84。就新兴资源化技术而言，昆虫转化工艺的碳排放较少(约 30 kgCO2(eq)/t)85，仅为焚烧工艺的 30%，但针对沼渣的昆虫转化技术仍处在研究阶段。尚无沼渣高值碳化(HTL)与生物干化过程的碳排放的研究报道。注:CM 为开放堆存后土地利用，CO 为堆肥后土地利用，BD 为带式干燥，DD 为桨叶式干燥，SD 为太阳能干化，TC 为热浓缩，PT 为膜分离图 5沼渣处理的各类典型技术碳排放量82 Figure 5Carbon emissions from typical digestate treatment process4结语本文分析了各类沼渣的特性，并讨论了国内外沼渣处理现状与发展方向，结合土地资源、经济、政策、规范，重点探究了我国沼渣的传统资源化处置路径与新兴技术的机遇与挑战。我国厨余垃圾处理处置仍处在起步发展阶段，现有工程项目的沼渣大多通过填埋和营养土利用，静脉产业园的建设与沼渣协同焚烧具有前景或将成为重点发展方向。污泥沼渣重金属含量高，若土地利用需重点考虑安全性因素，通过深度脱水与干化降低含水率(减量)是污泥沼渣处理的关键。农业固废沼渣营养物含量高且重金属含量低，建议完善政策规范并鼓励农户沼渣就地土地利用。我国城市固废有机组分采用厌氧消化模式案例匮乏，沼渣利用信息不全。新兴资源化技术，如水热碳化技术，尽管已有项目运行，但其经济可行性不高，制约了技术的发展，而生物干化技术通过高效菌种的应用为有机固废(沼渣)的资源化提供了新思路。昆虫转化在国外已进入商业化运营，但需重点考虑产品消纳以及物料种类避免安全风险。此外，本文根据具体沼渣处理处置项目或案例，重点论证了沼渣运输、处理规模、消纳路径关键影响因素，并提出处理处置方案。参考文献1PIMME N Biogas:Pathways to 2030 ，20212张立，谢紫璇，曹丽斌，等中国城市碳达峰评估方法初探J环境工程，2020，38(11):1-5，433王凯军，王婧瑶，左剑恶，等 我国餐厨垃圾厌氧处理技术现状分析及建议 J环境工程学报，2020，14(7):1735-17424GIWA A S，ALI N，AHMAD I，et al Prospects of Chinasbiogas:Fundamentals，challenges and considerationsJ Energyeports，2020，6:2973-29875CHEN T，QIU X，FENG H，et al Solid digestate disposalstrategiestoreducetheenvironmentalimpactandenergyconsumption of food waste-based biogas systemsJ BioresourceTechnology，2021，325:1247066国家发展和改革委员会，住房和城乡建设部关于印发 “十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划 的通知G(2021-05-06)生活垃圾分类发改环资 2021 642 号7王洋 餐厨垃圾厌氧发酵及沼渣资源化利用研究D哈尔滨:哈尔滨工业大学，20198SENA-MAZA A，HEAVEN S，BANKS C J Biogas stripping ofammonia from fresh digestate from a food waste digesterJBioresource Technology，2015，190:66-759TAMPIO E，SALO T，INTALA J Agronomic characteristics offive different urban waste digestatesJ Journal of EnvironmentalManagement，2016，169:293-302 10SNCHEZ-ODGUEZ A，CASWELL A M，SHAW，etalAdvanced processing of food waste based digestate for mitigatingnitrogen losses