石 川,李 坤,邊 瀟,王凱軍

餐廚垃圾厭氧處理“碳中和”綜合效益評(píng)價(jià)

石 川,李 坤,邊 瀟,王凱軍*

(清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

為綜合評(píng)估餐廚垃圾厭氧處理的環(huán)境影響與效益,對(duì)某餐廚垃圾厭氧處理工藝及其技術(shù)單元進(jìn)行生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià),并建立“碳中和”計(jì)算模型預(yù)測(cè)與驗(yàn)證實(shí)際碳排及耗能情況,綜合“環(huán)境影響-碳排耗能-經(jīng)濟(jì)效益-社會(huì)效益”對(duì)實(shí)際案例進(jìn)行評(píng)估.結(jié)果表明,沼肥加工和沼氣提純技術(shù)單元分別造成39%和59%總環(huán)境影響.另外,粗油提煉?沼氣提純以生物基產(chǎn)品回收形式大幅度削減碳排,分別占理論碳削減的9.7%和54.7%.餐廚垃圾處理廠需通過(guò)增加系統(tǒng)穩(wěn)定性?完善氣體監(jiān)測(cè)體系?提高技術(shù)處理效率和優(yōu)化設(shè)備額外耗能情況等方式,以減少理論與實(shí)際碳排能耗偏差.經(jīng)綜合評(píng)價(jià),該餐廚垃圾處理廠模式具備實(shí)現(xiàn)“負(fù)碳”潛力,其工藝推廣具有未來(lái)前景.

餐廚垃圾；厭氧處理；環(huán)境影響；碳中和；案例分析

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活消費(fèi)水平的不斷提高,餐廚垃圾進(jìn)行減量化、無(wú)害化和資源化處理的需求日益迫切.我國(guó)餐廚垃圾產(chǎn)生體量大且增長(zhǎng)迅速[1],預(yù)計(jì)到2030年餐廚垃圾年產(chǎn)量將突破億噸[2-3].據(jù)統(tǒng)計(jì),中國(guó)約有20%餐廚垃圾未經(jīng)妥當(dāng)處理[4],已成為阻礙環(huán)境污染治理、生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展的重要因素[5].針對(duì)我國(guó)餐廚垃圾具有含水率高、有機(jī)質(zhì)含量高、鹽分高和高油脂等特點(diǎn)[6],厭氧消化技術(shù)以其產(chǎn)能高效的優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)已成為主流技術(shù)[7],相關(guān)研究成為熱點(diǎn)[8-9].隨著環(huán)保可持續(xù)需求的強(qiáng)化,單純憑借餐廚垃圾的處理量和處理效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)已不夠全面,且不能為更高的運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)提供優(yōu)化意見(jiàn).因此,工藝評(píng)價(jià)體系中納入全過(guò)程、各單元的效能和效益綜合評(píng)價(jià)具有重要意義.

在“雙碳”目標(biāo)規(guī)劃下,全過(guò)程、各單元的能效評(píng)價(jià)、減碳程度亟需設(shè)定數(shù)字化概念,缺乏定量科學(xué)的評(píng)估方法,以提供數(shù)據(jù)支撐和建議指導(dǎo).生命周期評(píng)價(jià)(LCA)是基于數(shù)學(xué)模型定量產(chǎn)品或工藝“從搖籃到墳?zāi)埂比鞒痰沫h(huán)境負(fù)荷及影響的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化方法[10-12].在確定的系統(tǒng)范圍內(nèi),通過(guò)物質(zhì)、能量等輸入輸出定量分析,LCA可綜合評(píng)價(jià)其潛在環(huán)境影響,識(shí)別關(guān)鍵問(wèn)題并提出改進(jìn)建議[13].因其定量化、流程化的特點(diǎn),LCA成為“雙碳”規(guī)劃中重要的核算工具.目前,國(guó)內(nèi)外已有較多研究利用LCA方法對(duì)工藝模式進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),其中針對(duì)餐廚垃圾處理領(lǐng)域的研究也日益完善.利用LCA方法量化物質(zhì)流、能量流等參數(shù)變化引起的影響,有助于對(duì)餐廚垃圾處理全過(guò)程提供全面綜合預(yù)判.經(jīng)驗(yàn)證,餐廚垃圾替代能源作物的產(chǎn)能模式具有較好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益[14],可明顯削減沼氣廠產(chǎn)電碳足跡,具備碳減排潛力.另外,不同餐廚垃圾處理的技術(shù)選擇,可利用LCA方法比較出各技術(shù)手段的適合場(chǎng)景.基于生命周期評(píng)價(jià)理論,陳冰等[15]綜合評(píng)估并篩選了厭氧消化和飼料化為當(dāng)前具有優(yōu)勢(shì)的餐廚垃圾處理技術(shù).LCA方法基于模型設(shè)定的普適性原理進(jìn)行綜合性核算,然而餐廚垃圾處理的環(huán)境影響評(píng)價(jià)與原料性質(zhì)、設(shè)備參數(shù)、工藝技術(shù)和運(yùn)行管理參數(shù)等密切相關(guān),并涉及物質(zhì)、能量平衡等關(guān)系.因此,基于不同的處理模式與技術(shù)單元,餐廚垃圾處理的環(huán)境影響分析具有差異,需針對(duì)性個(gè)性化完善補(bǔ)充具體技術(shù)單元細(xì)節(jié)分析.基于“產(chǎn)能-能耗”平衡關(guān)系構(gòu)建的碳中和模型可針對(duì)性分析某固廢資源化處理的碳排程度,繼而探知其“碳中和”潛力對(duì)運(yùn)行管理提出改進(jìn)建議.在污水處理領(lǐng)域,基于“碳中和”評(píng)價(jià)模型數(shù)據(jù)得到,污水處理廠可通過(guò)增加進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷提高實(shí)現(xiàn)“碳中和”的可能性,實(shí)施甲烷能量回用能夠有效削減CO2間接排放量[16].目前,尚未在餐廚垃圾處理領(lǐng)域開(kāi)展碳中和核算模型構(gòu)建及相關(guān)研究.本研究創(chuàng)建針對(duì)某餐廚垃圾處理工藝的碳中和計(jì)算模型,開(kāi)展碳排放核算驗(yàn)證及減碳潛力預(yù)測(cè),完善LCA模型中每個(gè)模塊的個(gè)性化評(píng)估.

本研究基于實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)及相關(guān)參考,利用LCA方法并創(chuàng)建“碳中和”計(jì)算模型對(duì)某餐廚處理工藝及案例進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)、碳中和潛力分析及“環(huán)境-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)”綜合效益評(píng)估,為實(shí)際餐廚資源化處理工藝優(yōu)化及模式推廣提供參考并提出建議.

1 研究方法

1.1 生命周期評(píng)價(jià)方法

LCA適用于環(huán)境影響分析,可為行業(yè)決策提供依據(jù)[14].LCA分析按照確定對(duì)象及范圍、列舉數(shù)據(jù)清單、評(píng)價(jià)生命周期影響和提出解釋建議的步驟進(jìn)行.每個(gè)步驟遵照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及原則進(jìn)行明確與完成[17].

1.1.1 對(duì)象及范圍界定 本研究針對(duì)某一餐廚垃圾處理流程進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)范圍包括餐廚垃圾的分選壓榨預(yù)處理、填埋、濕熱蒸煮分離、粗油提煉、厭氧消化、沼肥加工和沼氣提純等處理處置單元.輸入該系統(tǒng)的100t餐廚垃圾中80%經(jīng)分選壓榨成為漿料,另20%成為篩下物進(jìn)行填埋;壓榨漿料中油脂進(jìn)行提煉回收,剩余物進(jìn)入?yún)捬跸h(huán)節(jié)處理,液體產(chǎn)物制為沼肥資源化回用,產(chǎn)氣精制為生物天然氣進(jìn)入市場(chǎng)售賣(mài).系統(tǒng)輸入包括餐廚垃圾、電能、熱能等;輸出為能量、產(chǎn)品和污染物等.遵照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),餐廚垃圾處理工藝生命周期系統(tǒng)邊界如圖1所示.研究本系統(tǒng)邊界的考慮如下:1)餐廚垃圾收集運(yùn)輸過(guò)程也存在環(huán)境影響,但由于實(shí)際工況下收運(yùn)與處理單位不同,且本研究更關(guān)注餐廚垃圾資源化處理工藝的環(huán)境影響,因此收運(yùn)環(huán)節(jié)未納入系統(tǒng)邊界;2)參考大多數(shù)研究,儀器、設(shè)備、建筑物等設(shè)施及配套未納入計(jì)算系統(tǒng)邊界;3)已知數(shù)據(jù)對(duì)選定環(huán)境影響類(lèi)型的關(guān)聯(lián)已輸入,但非集中監(jiān)測(cè)的污染物可以忽略.本研究中功能單位選定為噸餐廚垃圾.本研究數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理、文獻(xiàn)調(diào)研[18-19]和Gabi數(shù)據(jù)庫(kù)[20]等方式獲取,以表現(xiàn)系統(tǒng)輸入輸出情況和量化反映系統(tǒng)環(huán)境影響.

圖1 餐廚垃圾處理工藝生命周期系統(tǒng)邊界

1.1.2 數(shù)據(jù)清單與影響評(píng)價(jià) 基于生命周期數(shù)據(jù)清單,系統(tǒng)模型的影響評(píng)價(jià)可實(shí)現(xiàn)定量核算.生命周期數(shù)據(jù)清單需明確生命周期評(píng)價(jià)模型中各單元核算因子與處理規(guī)模的轉(zhuǎn)化定量關(guān)系,包含能源消耗、工藝處理、產(chǎn)物處置和產(chǎn)品回收等量化參數(shù).依托某餐廚垃圾處理工藝示范,結(jié)合工藝數(shù)據(jù)調(diào)查、取樣分析、生產(chǎn)測(cè)定和文獻(xiàn)調(diào)研[14,21]等方式,餐廚處理工藝中分選壓榨、填埋、濕熱蒸煮分離、粗油提煉、厭氧消化、沼肥加工和沼氣提純等技術(shù)單元的核算因子數(shù)據(jù)清單見(jiàn)表1.

1.1.3 環(huán)境影響評(píng)價(jià) 基于系統(tǒng)范圍、清單的確定和系統(tǒng)的分析,預(yù)測(cè)估算環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)可反映系統(tǒng)范圍內(nèi)整體的環(huán)境影響潛力.LCA環(huán)境影響評(píng)價(jià)基于選擇的環(huán)境影響潛力類(lèi)型,經(jīng)特征化?標(biāo)準(zhǔn)化和賦權(quán)后,得到總環(huán)境影響潛力.特征化是反映某環(huán)境影響類(lèi)型的程度參數(shù),經(jīng)轉(zhuǎn)化當(dāng)量處理后特征代表整個(gè)系統(tǒng)中所有同類(lèi)影響.一般,選用CO2當(dāng)量作為全球增溫潛勢(shì)(GWP)的特征化指標(biāo),其他全球變暖影響因子轉(zhuǎn)化當(dāng)量值分別為:CO-2、CO2-1和CH4-21.酸化潛勢(shì)(AP)選取SO2為參照衡量物,其他酸化影響因子轉(zhuǎn)化當(dāng)量分別為:NO-0.7、SO2-1、HCl-0.88、HF-1.6、H2S-1.88和NH3-1.88.富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)(EP)采用NO3-當(dāng)量來(lái)反映其環(huán)境影響潛力,其他富營(yíng)養(yǎng)化影響因子轉(zhuǎn)化當(dāng)量值分別為:NO- 1.35、NH3-3.64、N2O-2.07和COD-0.23.標(biāo)準(zhǔn)化是指將無(wú)法同類(lèi)比較的指標(biāo)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一定量后完成比較.基于特征化?標(biāo)準(zhǔn)化得到不同環(huán)境影響類(lèi)型結(jié)果,經(jīng)歸一化處理得到生命周期體系中總環(huán)境影響的組成.本文中標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)和權(quán)重因子依據(jù)中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心建立的定量研究,適合中國(guó)城市餐廚垃圾處理系統(tǒng)生命周期評(píng)價(jià).一般地,全球增溫潛勢(shì)、酸化潛勢(shì)和富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)的歸一化基準(zhǔn),分別選取8700,36和62kg當(dāng)量/(人?a)[15].由于本文功能單位選擇每噸餐廚垃圾,將以人均當(dāng)量衡量的歸一化基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為以噸餐廚垃圾計(jì)的歸一基準(zhǔn)系數(shù).根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研,餐廚垃圾產(chǎn)生率選取0.1kg/(人×a).考慮人均餐廚垃圾產(chǎn)生量,全球增溫潛勢(shì)、酸化潛勢(shì)和富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)的歸一基準(zhǔn)系數(shù)(基于噸餐廚垃圾計(jì))轉(zhuǎn)化為238356.16,986.30和1698.63kg/t餐廚,權(quán)重因子分別為0.82、0.73、0.74.基于餐廚垃圾處理技術(shù)單元清單,環(huán)境影響評(píng)價(jià)首先轉(zhuǎn)化每種環(huán)境影響潛力,明確歸一基準(zhǔn)系數(shù)(基于噸餐廚垃圾計(jì))和權(quán)重因子,計(jì)算GWP(以100a計(jì))、酸化潛勢(shì)和富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)作為本系統(tǒng)的影響評(píng)價(jià)指標(biāo).

表1 餐廚垃圾處理技術(shù)單元核算因子數(shù)據(jù)清單

注:a數(shù)據(jù)來(lái)源于工藝數(shù)據(jù)調(diào)查、取樣分析、生產(chǎn)測(cè)定.

1.2 理論碳中和計(jì)算模型

循環(huán)回用餐廚垃圾中資源和能量是助力處理廠實(shí)現(xiàn)“碳中和”運(yùn)行的重要途徑[23].基于物料、能量關(guān)系構(gòu)建有機(jī)物含能利用和處理耗能計(jì)算模型可評(píng)價(jià)餐廚處理工藝“碳排放,碳中和”的程度.構(gòu)建碳中和模型中理論碳排放總量包含體系內(nèi)輸入能量(電能、熱能等),設(shè)備耗能和產(chǎn)物碳排等,理論碳減排包含碳捕捉和產(chǎn)品(粗油?天然氣)回用等,基于此,工藝總碳排理論為上述計(jì)算差額.基于簡(jiǎn)化的餐廚處理工藝流程(圖2),計(jì)算模型將物料參數(shù)和能量參數(shù)進(jìn)行耦合,需設(shè)定模型變量和明確其他所需運(yùn)行參數(shù).據(jù)統(tǒng)計(jì)[24-25],2019年度中國(guó)發(fā)電碳排放量為0.7～ 0.8kgCO2/(kW?h),本研究中選取上限閾值.另外, 0.2kgCH4完全燃燒產(chǎn)生1kW?h電能,相當(dāng)于1kgCH4完全燃燒產(chǎn)電減排4kgCO2,相同電能產(chǎn)生條件下CH4與CO2轉(zhuǎn)化系數(shù)為4.據(jù)調(diào)研,能量與碳排的轉(zhuǎn)化系數(shù)計(jì)算為90.88,相當(dāng)于1GJ碳排量為90.88kgCO2.

以下為各技術(shù)單元的碳排計(jì)算方式,分離壓榨技術(shù)單元中忽略餐廚垃圾產(chǎn)氣等反應(yīng)過(guò)程,主要壓榨以壓縮做功耗電方式產(chǎn)生碳排,其計(jì)算如下[26-27]:

1=1×α×β×eu××0.8/(ekw×1×1×)(1)

式中:1為單位時(shí)間分離壓榨技術(shù)單元壓縮做功耗電碳排量,kgCO2;1為分離壓榨技術(shù)單元需處理量,kg;α,β,u,k為壓榨過(guò)程中的技術(shù)系數(shù),分別與放熱系數(shù),壓榨液溫度及含水量,壓榨液粘度等相關(guān)參數(shù),分別取值為25.2,0.00030,5.5和0.022[28];e取值2.72;為分離壓榨組數(shù);為物料含水量,選取90%;為壓縮距離,m;1為分離壓榨設(shè)備的單位時(shí)間處理質(zhì)量,kg/h;1為分離壓榨設(shè)備的電機(jī)效率,取值70%;0.8為上文選取的電耗與碳排量的轉(zhuǎn)化系數(shù).

圖2 餐廚垃圾處理流程基準(zhǔn)模型能量平衡與碳排路徑

填埋技術(shù)單元的碳排主要為處理過(guò)程中產(chǎn)生的CO2,減排形式為收集的甲烷燃燒發(fā)電,參考填埋過(guò)程碳排已有計(jì)算方法[29],其計(jì)算如下:

2=2×DOC×DOCF×(1-MCF×)×(44/12) (2)

2=2×DOC×DOCF×MCF×××(16/12)×4 (3)

式中:2為單位時(shí)間填埋處理碳排量,kgCO2;2為填埋處理單位時(shí)間物質(zhì)流輸入質(zhì)量,kg;DOC為可降解有機(jī)碳比例,IPCC推薦東亞國(guó)家缺省值為10%; DOCF為實(shí)際有機(jī)碳可降解比例,IPCC推薦值50%; MCF為甲烷氧化因子,厭氧填埋場(chǎng)為100%;為填埋氣中CH4體積比例,IPCC推薦值為50%;(44/12)為CO2/C分子量比率;2為單位填埋處理甲烷收集后燃燒轉(zhuǎn)化為CO2減排量,kgCO2;為填埋場(chǎng)甲烷收集效率,一般可收集30%～80%,選用80%的集氣效率[30],并甲烷全部燃燒;(16/12)為CH4/C分子量比率.

濕熱蒸煮分離技術(shù)單元的碳排形式主要為電耗以提高溫度進(jìn)行分離,其計(jì)算如下:

3=××3(1-0)×10-9×0.8/(3.6) (4)

式中:3為單位時(shí)間濕熱蒸煮分離處理碳排量, kgCO2;3為濕熱蒸煮分離輸入的物質(zhì)流質(zhì)量,kg;為餐廚垃圾漿液比熱容,取4200J/(kg?℃)[16];為餐廚漿液密度,取1020kg/m3[16];為轉(zhuǎn)化系數(shù),反映設(shè)備散熱、熱交換效率和設(shè)備效率,取值80%[16];1和0分別表示濕熱蒸煮的目標(biāo)溫度和輸入溫度,℃.

粗油提煉技術(shù)單元的減排形式主要為油脂回收及其能量回用.粗油提煉是利用升溫及降溫分層過(guò)程分離水油,由于利用濕熱蒸煮分離的余溫后直接靜置,其電耗較少,其計(jì)算如下:

4=3×4××93.3×4(5)

式中:4為單位時(shí)間提煉粗油的能量回用減排量, kgCO2;4為濕熱蒸煮后漿液輸入粗油提純的物質(zhì)流比例,%;4為蒸煮分離后漿液產(chǎn)油回收效率,根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值取值4%;為提純粗油的單位能量密度,取值1GJ/kg.根據(jù)IPCC[31]排放因子清單,選用液體生物燃油排放上限,取值93.3kg/GJ.

在厭氧消化技術(shù)單元碳排形式包含電耗升溫以促進(jìn)消化過(guò)程和反應(yīng)所產(chǎn)二氧化碳排放,減排形式為沼氣能源回用,其計(jì)算如下:

5=××5×(5-4)×10-9×0.8/(3.6×) (6)

5-emission=5×DOCF-5×(1-5)×(44/12) (7)

5=5×DOCF-5×5×5××(16/12)×4 (8)

式中:5為單位時(shí)間厭氧消化電耗升溫碳排量, kgCO2;5為厭氧消耗單元輸入的物質(zhì)流質(zhì)量,kg;η同上取值80%;5和4分別表示濕熱蒸煮的目標(biāo)溫度和輸入溫度,℃;0.8為電耗與碳排量的轉(zhuǎn)化系數(shù).5-emission為單位時(shí)間厭氧消化過(guò)程產(chǎn)生釋放CO2, kgCO2;DOCF-5為實(shí)際有機(jī)碳可降解比例,取值50%[29];5為厭氧消化所產(chǎn)沼氣中CH4體積比例,取值為55%[32];(44/12)為CO2/C分子量比率;5為單位厭氧消化產(chǎn)沼氣中甲烷燃燒能量回用減排碳當(dāng)量,kgCO2;5為厭氧消化產(chǎn)沼氣用于能源回用的物質(zhì)流比例,%;為厭氧消化所產(chǎn)沼氣燃燒效率,取值100%,并甲烷全部燃燒;(16/12)為CH4/C分子量比率;4為相同電能產(chǎn)生條件下CH4與CO2轉(zhuǎn)化系數(shù).

在沼氣提純技術(shù)單元,碳排形式主要考慮定溫壓縮做功以增壓沼氣的電耗[33].沼氣中組分經(jīng)化學(xué)吸附?過(guò)膜等方式將沼氣提純變?yōu)樯锾烊粴獾雀咧诞a(chǎn)品[32],這部分生物天然氣可作為產(chǎn)品售出,削減工藝碳排并增加收益,其計(jì)算如下:

6=5×(1-5)×R×(5+273.15)×ln(2/1)×90.88×10-6/6(9)

6=5×(1-5)×6×E×66 (10)

式中:6為單位時(shí)間沼氣壓縮的電耗碳排量,kgCO2;為摩爾氣體常數(shù),取值8.31J/(mol?K);1,2分別為壓氣機(jī)壓縮初始?jí)簭?qiáng)與加壓后壓強(qiáng),kPa; 90.88為耗電碳排系數(shù);6為轉(zhuǎn)化系數(shù),反映設(shè)備做功效率,取值20%[33];6為沼氣提純后產(chǎn)品生物天然氣的碳減排當(dāng)量,kgCO2;6為沼氣提純制生物天然氣的轉(zhuǎn)化效率,取值60%[34];E為生物天然氣的能量密度,取值0.05GJ/kg.根據(jù)IPCC[31]排放因子清單,選用其他生物氣體燃燒排放上限,取值66.0kg/GJ.

根據(jù)上述計(jì)算,餐廚垃圾處理工藝?yán)碚摽偺寂帕?c,kgCO2)根據(jù)理論CO2排放量(t,kg)和理論削減量(r,kg)計(jì)算,可分別表示如下:

t=1+2+3+5+5-emission+6(11)

r=2+4+5+6(12)

c=t-r (13)

2 結(jié)果與討論

2.1 餐廚處理生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)及解釋

續(xù)表2

續(xù)表2

依據(jù)清單分析,餐廚垃圾處理工藝的環(huán)境影響潛力選取全球變暖、酸化和富營(yíng)養(yǎng)化環(huán)境影響類(lèi)型進(jìn)行評(píng)價(jià).全球變暖、酸化、富營(yíng)養(yǎng)化的參照物分別選擇CO2、SO2、NO3-.各環(huán)境影響類(lèi)型經(jīng)影響因子特征化,標(biāo)準(zhǔn)化和賦權(quán)后得到其環(huán)境影響潛力.各技術(shù)單元的環(huán)境影響潛力加和得到其總環(huán)境影響潛力.餐廚垃圾處理工藝各技術(shù)單元的環(huán)境影響評(píng)價(jià)見(jiàn)表2.

圖3 餐廚垃圾處理技術(shù)單元總環(huán)境影響潛力

在生命周期評(píng)價(jià)計(jì)算范圍內(nèi),造成全球升溫潛勢(shì)環(huán)境影響潛力較大的技術(shù)單元分別為沼氣提純、沼肥加工和分選壓榨,原因在于其技術(shù)流程復(fù)雜、有效效率較低及溫室氣體泄露等原因.沼肥加工、沼氣提純和分離壓榨的酸化潛勢(shì)環(huán)境影響分別0.86,0.34和1.05×10-2kgSO2/t餐廚.富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)的影響主要集中在沼肥加工技術(shù)單元(0.34kgNO3-/t餐廚).餐廚垃圾處理各技術(shù)單元的總環(huán)境影響潛力如圖3.經(jīng)特征化、標(biāo)準(zhǔn)化和賦權(quán)后計(jì)算總環(huán)境影響較大的技術(shù)環(huán)節(jié)為沼肥加工和沼氣提純技術(shù)單元,分別影響力為1.13和1.69.其中,填埋、粗油提煉和厭氧消化技術(shù)單元的總體環(huán)境影響因資源回收和能量回用等資源化利用有所緩解.因此,基于生命周期評(píng)價(jià)分析如何高效低耗能實(shí)現(xiàn)沼氣的處理利用和簡(jiǎn)便清潔實(shí)現(xiàn)沼肥資源回收是解決餐廚垃圾處理環(huán)境影響的關(guān)鍵問(wèn)題.

2.2 案例理論“碳中和”潛力與實(shí)際能耗評(píng)估

基于實(shí)際餐廚處理工藝,餐廚處理示范項(xiàng)目已形成了比較完備的餐廚垃圾燃?xì)饣に嚰夹g(shù)路線,且已應(yīng)用于中國(guó)山東省某餐廚垃圾處理廠.于2017年4月運(yùn)行監(jiān)測(cè)至今.簡(jiǎn)化后處理流程及計(jì)算模型相關(guān)實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)分別如圖4和見(jiàn)表3.基于此實(shí)例餐廚垃圾處理廠的運(yùn)行數(shù)據(jù),理論碳排放、實(shí)測(cè)能耗和實(shí)測(cè)碳排放分析結(jié)果見(jiàn)表4.

圖4 實(shí)例餐廚處理流程及實(shí)測(cè)指標(biāo)

表3 某餐廚垃圾處理廠“碳中和”潛力計(jì)算的相關(guān)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)

核算主要難點(diǎn)在于處理廠全流程排放檢測(cè)指標(biāo)不夠完善,如缺少二氧化碳排放檢測(cè)和填埋相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù),但整體碳排貢獻(xiàn)性質(zhì)在理論預(yù)測(cè)和實(shí)際檢測(cè)方面保持一致.由表4可知,該餐廚垃圾處理工藝中碳排放主要考慮升溫供能、壓縮做功等電耗碳排轉(zhuǎn)化及反應(yīng)產(chǎn)溫室氣體釋放,如厭氧消化技術(shù)單元(613.65kgCO2)和沼氣提純單元(279.65kgCO2),約占碳排量的66.9%和30.5%.根據(jù)碳中和模型計(jì)算結(jié)果,厭氧消化技術(shù)單元采用余熱保溫、降低反應(yīng)溫度、增加CO2捕集等方式可以削減其碳排程度.沼氣提純包含脫碳、脫硫等復(fù)雜過(guò)程,如何提高提純機(jī)組能效并簡(jiǎn)化處理流程將會(huì)對(duì)降低其碳排具有重要作用.其中,填埋(-21.12kgCO2)、粗油提煉(-145.92kgCO2)和沼氣提純技術(shù)單元(-783.55kgCO2)等負(fù)碳技術(shù)單元分別貢獻(xiàn)0.2%,12.2%和43.1%的理論碳削減能力,主要削減形式為產(chǎn)品能量和資源回用.理論計(jì)算總碳排放呈現(xiàn)負(fù)碳,與實(shí)測(cè)總碳排放能力相差較小.理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量的巨大碳排差距主要在于氣體釋放未追蹤、實(shí)際處理效率低、氣體泄漏高和氣體捕集效率低等問(wèn)題.實(shí)際厭氧消化單元CO2的排放未有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),導(dǎo)致實(shí)際碳排考慮無(wú)法計(jì)算全面,碳排放量偏低.如甲烷回收利用能源遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)測(cè)在于實(shí)際厭氧甲烷泄露情況較嚴(yán)重且運(yùn)行穩(wěn)定度會(huì)導(dǎo)致甲烷含量波動(dòng),能量回收均值降低等.另外,如濕熱蒸煮設(shè)備熱機(jī)效率低、壓氣機(jī)做功熱量耗散和氣體捕捉利用效率低等都決定了實(shí)際數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理想計(jì)算.通過(guò)衡算可知,無(wú)論理論還是實(shí)測(cè)衡算都反映該技術(shù)工藝具備“碳中和”甚至“負(fù)碳”貢獻(xiàn)潛力,進(jìn)一步提高處理穩(wěn)定性、完善處理監(jiān)控環(huán)節(jié)、提高單元處理效率和優(yōu)化設(shè)備構(gòu)型效率等策略,可使得理論計(jì)算更好的貼近實(shí)際工況,以提供更全面的決策依據(jù),以實(shí)現(xiàn)更高的碳中和目標(biāo)及更好的綜合效益.

2.3 案例綜合效益分析

該餐廚垃圾處理示范案例總投資約為2434萬(wàn)元,其中濕熱蒸煮設(shè)備、離心機(jī)等榨油設(shè)備投入480萬(wàn)元;厭氧消化沼氣系統(tǒng)建設(shè)投資900萬(wàn);46輛餐廚垃圾收運(yùn)車(chē)1054萬(wàn)元.另外,人工費(fèi)用、動(dòng)力費(fèi)用、用水費(fèi)用、維修費(fèi)用、折舊費(fèi)用等納入投資計(jì)算,如處理規(guī)模為216t/d條件時(shí),工程運(yùn)營(yíng)費(fèi)用為150萬(wàn)元/a.工程通過(guò)餐廚垃圾資源化處理產(chǎn)生的沼氣、廢油脂、地溝油制生物柴油等生物基產(chǎn)品售出及政府補(bǔ)貼來(lái)獲得投資回報(bào).沼氣精制加工為生物燃?xì)馐蹆r(jià)為2.95元/m3;餐廚垃圾轉(zhuǎn)化的廢油脂及生物柴油的價(jià)格變化較大,一般每噸價(jià)格分別約為3800元和5000元;每噸餐廚垃圾處理費(fèi)獲取政府補(bǔ)貼約為120元.另外,某餐廚處理項(xiàng)目通過(guò)開(kāi)展收集周邊填埋氣與餐廚項(xiàng)目沼氣共同處理發(fā)電項(xiàng)目,按照每度電售價(jià)0.549元.每年收益達(dá)2077萬(wàn)元.

該示范案例每年可處理餐廚垃圾約22萬(wàn)t,每年沼氣產(chǎn)量約1640萬(wàn)Nm3(CH4純度96%以上),每年油脂回收制備生物柴油2萬(wàn)t,可協(xié)同實(shí)現(xiàn)溫室減排潛力20萬(wàn)tCO2.該案例形成了成熟的餐廚垃圾收運(yùn)-預(yù)處理-厭氧消化-產(chǎn)沼氣及生物柴油的無(wú)害化、資源化運(yùn)營(yíng)模式.運(yùn)用沼液沼渣作為液肥和肥料還田回用,帶動(dòng)區(qū)域餐廚垃圾無(wú)害化、資源化處理,厭氧產(chǎn)沼氣進(jìn)行余熱和能量回用,就地沼氣資源銷(xiāo)售利用為生物質(zhì)燃?xì)庖?guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供思路.該高效清潔資源化餐廚垃圾處理工藝對(duì)餐廚垃圾管理處置、食品衛(wèi)生安全和城市環(huán)境衛(wèi)生質(zhì)量等改善提供了解決思路,具備社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益.

該餐廚處理工藝實(shí)現(xiàn)了餐廚廢棄物的無(wú)害化、減量化和資源化處理,對(duì)實(shí)現(xiàn)資源有效利用具有重要意義.該沼氣工程項(xiàng)目完全符合國(guó)家新能源產(chǎn)業(yè)政策,符合國(guó)家環(huán)保減排政策.項(xiàng)目建成將有效推動(dòng)區(qū)域化以餐廚垃圾為核心的多物料聯(lián)合厭氧處理處置行業(yè)的發(fā)展,以及沼氣制備生物質(zhì)燃?xì)庖?guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化發(fā)展,同時(shí),餐廚垃圾厭氧處理的市場(chǎng)前景廣闊,經(jīng)濟(jì)效益良好,必將成為新的稅收增長(zhǎng)點(diǎn),為國(guó)家財(cái)政稅收的增長(zhǎng)做出貢獻(xiàn).項(xiàng)目建成可吸收剩余勞動(dòng)力,緩解當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)壓力,產(chǎn)生良好的社會(huì)效益.

表4 某餐廚垃圾處理廠碳排放和能耗計(jì)算對(duì)比

注:“-”表示數(shù)據(jù)為無(wú);“*”表示檢測(cè)數(shù)據(jù)缺失.

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

3.1.1 基于生命周期評(píng)價(jià)分析,餐廚垃圾資源化處理工藝中沼肥和沼氣加工利用途徑對(duì)環(huán)境影響潛力影響較大.粗油提煉、填埋余熱利用和厭氧消化沼氣回用等資源化利用途徑能夠有效緩解工藝的環(huán)境影響.

3.1.2 基于構(gòu)建的理論碳中和計(jì)算模型,應(yīng)用的餐廚垃圾厭氧資源化處理案例在理論和實(shí)際“碳中和”潛力衡算中呈現(xiàn)“負(fù)碳”貢獻(xiàn),其中產(chǎn)品如粗油?沼氣等對(duì)“碳中和”潛力評(píng)價(jià)影響較大,實(shí)現(xiàn)碳基資源化轉(zhuǎn)型助力“碳中和”具有戰(zhàn)略發(fā)展意義.

3.1.3 基于經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益分析,該餐廚垃圾穩(wěn)定無(wú)害化處理路線同步獲得生物柴油?生物天然氣等生物質(zhì)基產(chǎn)品,提供清潔能源,增收企業(yè)效益,助力減污降碳.

3.2 建議

3.2.1 實(shí)現(xiàn)厭氧處理產(chǎn)品生產(chǎn)加工向清潔、高效、低能耗轉(zhuǎn)型.簡(jiǎn)化優(yōu)化沼肥和沼氣提純加工處理流程是實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型餐廚垃圾資源化處理工藝的重點(diǎn).

3.2.2 優(yōu)化技術(shù)單元的穩(wěn)定性運(yùn)營(yíng),完善參數(shù)智能化監(jiān)控.實(shí)際處理過(guò)程中原料性質(zhì)波動(dòng)?氣體排放全流程監(jiān)控不完善?設(shè)備處理效率低,額外能量消耗大等問(wèn)題,導(dǎo)致理論計(jì)算與實(shí)際工況的數(shù)值有較大的差距.提升技術(shù)效能和優(yōu)化管理運(yùn)行能夠幫助理論擬合接近實(shí)際工況,以提供更全面的決策依據(jù).

3.2.3 規(guī)范餐廚垃圾厭氧處理標(biāo)準(zhǔn),完善相應(yīng)政策激勵(lì)制度.從企業(yè)運(yùn)行和政府管理角度分別考慮,一方面明確餐廚垃圾處理行業(yè)“減污降碳”的貢獻(xiàn)程度,另一方面完善對(duì)達(dá)標(biāo)企業(yè)的獎(jiǎng)勵(lì)激勵(lì)政策,實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾處理行業(yè)的綜合效益提升,形成“雙贏”局面,為“雙碳”目標(biāo)共同助力.

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Environmental impact and carbon neutral benefit of food waste anaerobic treatment case evaluation.

SHI Chuan, LI Kun, BIAN Xiao, WANG Kai-jun*

(State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)., 2023,43(1)：436～445

In order to comprehensively assess the impact and benefit of food waste treatment, life cycle environmental impact assessment of food waste treatment process was conducted, especially technical units. Carbon neutral calculation model was established to predict and verify the actual carbon emission and energy consumption. The practical case was evaluated by integrated consideration of “environment-economic-social” benefit. The results showed that the biomass fertiliser processing and biogas purification units caused 39% and 59% of the total environmental impact respectively. In addition, the carbon emission from crude oil refining and biogas purification were significantly reduced in the form of bio-based product recovery, accounting for 9.7% and 54.7% of the theoretical carbon reduction, respectively. The food waste treatment plant needs to reduce the discrepancy between theoretical and actual carbon emission by increasing the stability of the system, improving the gas monitoring system, increasing the technical treatment efficiency and optimising the additional energy consumption of the equipment. The overall assessment showed that analysed model of food waste treatment has potential to be "carbon-negative" and bright future prospects for technology promotion.

food waste；anaerobic treatment；environmental impact；carbon neutral；case analysis

X705

A

1000-6923(2023)01-0436-10

石 川(1995-),女,山東巨野人,清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院博士研究生,主要從事有機(jī)固廢資源化處理.發(fā)表論文5篇.

2022-06-17

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2020YFC1908604)

* 責(zé)任作者, 教授, wkj@tsinghua.edu.cn