研究背景

   全球有機(jī)固廢年產(chǎn)量約1050億t，然而其有效處理率僅為2%，大量的碳資源被浪費(fèi)，加劇了溫室氣體的排放。根據(jù)國(guó)際沼氣協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，通過(guò)厭氧消化處理有機(jī)固廢可實(shí)現(xiàn)碳減排約55億 t CO2(eq)/a，全球碳排放將減少約10%。近5年，我國(guó)厭氧消化處理量從788萬(wàn)t/a激增至1328萬(wàn)t/a；預(yù)計(jì)到2030年，沼氣年產(chǎn)量將超過(guò)30×1027Nm3(產(chǎn)生的能源可替代約5×103萬(wàn)t散煤的年消耗量)。然而，有機(jī)固廢沼氣工程的快速發(fā)展帶來(lái)了大量的沼渣產(chǎn)生。沼渣存在連續(xù)、量大、集中等特點(diǎn)，其性質(zhì)多變、碳氮比差、雜質(zhì)多、黏稠，且處理成本較高。

   2021年5月，國(guó)家發(fā)改委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)了《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃中明確提出：“要積極推動(dòng)沼渣處置利用、建設(shè)沼渣資源化利用設(shè)施”。沼渣處理處置也是《2020國(guó)家先進(jìn)污染防治技術(shù)目錄》中協(xié)同厭氧消化技術(shù)的關(guān)鍵一環(huán)。打通有機(jī)固廢沼渣處理處置路徑，對(duì)大中型沼氣工程的可持續(xù)發(fā)展、解決有機(jī)固廢的末端“梗阻”問(wèn)題具有重要意義。

   沼渣處置的主流技術(shù)包括好氧堆肥后土地利用和干化后直接或協(xié)同焚燒，而新興技術(shù)主要涉及高價(jià)值利用。然而，有機(jī)固廢種類繁多，不同原料經(jīng)厭氧消化后的沼渣性質(zhì)各異，如何“因地制宜”地提出我國(guó)沼渣處理處置方向是本文闡述的重點(diǎn)。本文通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研的方式，針對(duì)4類典型有機(jī)固廢，結(jié)合我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀與國(guó)情政策，從沼渣性質(zhì)分析、國(guó)內(nèi)外處理模式比較、末端資源化路徑與碳排放3方面闡述，將探究制約沼渣資源化發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸及解決思路。

摘 要

   有機(jī)固廢厭氧消化是固體廢物領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的重要途徑，但沼渣處理的“梗阻”問(wèn)題制約了其應(yīng)用與發(fā)展。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研大中型厭氧消化工程案例的實(shí)際數(shù)據(jù)，分析了4類典型有機(jī)固廢沼渣，廚余垃圾、市政污泥、農(nóng)業(yè)固廢、城市固廢有機(jī)組分的基本性質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)物含量與重金屬含量�；�于沼渣特性、結(jié)合政策與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)闡述了國(guó)內(nèi)外沼渣處理模式異同，并探討了我國(guó)沼渣發(fā)展的瓶頸與發(fā)展方向。最后，從運(yùn)輸距離、規(guī)模效益、經(jīng)濟(jì)成本、市場(chǎng)渠道、碳排放等方面重點(diǎn)探討了沼渣傳統(tǒng)資源化處置路徑與新興資源化技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，旨在為政策制定、技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供參考。

01 沼渣性質(zhì)

   本文通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研與項(xiàng)目采樣，共統(tǒng)計(jì)了238個(gè)全球正式運(yùn)營(yíng)的大中型厭氧處理廠(處理量>50t/d)數(shù)據(jù)，針對(duì)廚余、市政污泥、農(nóng)業(yè)固廢、與城市固廢有機(jī)組分4類典型進(jìn)料物的沼渣，分析其基本性質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)物及重金屬含量并進(jìn)行對(duì)比。在調(diào)研中，廚余沼渣部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[8-16]，市政污泥的沼渣部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[9,17-25]，農(nóng)業(yè)固廢的沼渣部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[12,13,16-30]，城市固廢有機(jī)組分的沼渣部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[9,25,31-35]，另外，將實(shí)際運(yùn)營(yíng)的有機(jī)固廢厭氧處理廠的采樣分析作為各類沼渣數(shù)據(jù)的補(bǔ)充(此數(shù)據(jù)來(lái)自業(yè)界工程項(xiàng)目，未經(jīng)公開(kāi)發(fā)表)。參考GB/T19095—2019《生活垃圾分類標(biāo)志》，本文中廚余(foodwaste，F(xiàn)W)表示易腐爛、含有機(jī)質(zhì)的經(jīng)分類后的生活垃圾，包括家庭廚余垃圾，餐廚垃圾和其他廚余垃圾；污泥(Sludge)特指城鎮(zhèn)污水處理廠在污水凈化過(guò)程中產(chǎn)生的市政污泥；農(nóng)業(yè)廢物(Agro)包括各類畜禽糞便與植物纖維性廢棄物2類；而城市固廢有機(jī)組分(organic fraction of municipal solid waste，OFMSW)包括庭院垃圾、雜草枯葉、花卉殘枝、家庭廚余與果蔬垃圾。本文分析了厭氧消化后未經(jīng)固液分離的沼渣，數(shù)據(jù)采用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)方差”表示，標(biāo)準(zhǔn)方差越大，表示范圍分布越廣。

1.基本性質(zhì)

   沼渣基本性質(zhì)包括pH、有機(jī)質(zhì)含量、含水率、碳/氮比(C/N)。易生物降解有機(jī)物(CnHxOyNz)厭氧消化過(guò)程中的分解反應(yīng)可用式(1)表示：

   式(1)表明厭氧消化過(guò)程降解有機(jī)物產(chǎn)生堿度(HCO3-)。沼渣基本性質(zhì)如圖1所示�？芍�：各類有機(jī)固廢沼渣均呈弱堿性(pH>7)，其中廚余沼渣pH為8.21±0.36，污泥沼渣pH為7.48±0.52，城市固廢有機(jī)組分沼渣pH為8.25±0.30，農(nóng)業(yè)固廢沼渣pH為7.74±0.48。厭氧消化將易生物降解部分(即CnHxOyNz)轉(zhuǎn)化成CH4與CO2，仍存留一部分非生物分解性成分與菌體成分及其殘?jiān)�，此類沼渣中的有機(jī)物質(zhì)含量通常以VS/TS表示。廚余、污泥、城市固廢有機(jī)組分、農(nóng)業(yè)固廢的沼渣VS/TS分別為(65±11)%、(63±7)%、(54±12)%、(68±13)%。廚余和污泥沼渣含水率較高[廚余沼渣(93.5±4.7)%，污泥沼渣(94.6±5.3)%]，因?yàn)閺N余和污泥主要采用濕式厭氧消化處理，如何高效實(shí)現(xiàn)脫水干化與減量(減少運(yùn)輸成本)是處理此類沼渣需考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。而城市固廢有機(jī)組分與農(nóng)業(yè)固廢通常采用干式厭氧，其沼渣含水率較低，且波動(dòng)較大[OFMSW：(72.5±15.1)%, Agro：(86.9±9.0)%]。C/N是沼渣資源化利用的關(guān)鍵指標(biāo)，理想的好氧堆肥C/N為25~30。若C/N太高則菌種生長(zhǎng)緩慢且蛋白質(zhì)合成困難，C/N較低則細(xì)菌快速生長(zhǎng)，多余的氮源將分解為氨氮釋放產(chǎn)生臭氣，同時(shí)導(dǎo)致氮損失。廚余與污泥的沼渣含氮源較多，C/N分別為7.2±5.5與6.4±1.5，因此，在此2類沼渣堆肥時(shí)需考慮添加其他高C/N輔料(如木屑，C/N為200~300；秸稈，C/N為60~90)進(jìn)行平衡。城市固廢有機(jī)組分(12.1±8.5)、農(nóng)業(yè)固廢(13.9±10.4)的沼渣C/N分布各異，此2類沼渣堆肥時(shí)需根據(jù)具體情況采用合適工藝路線。

2. 營(yíng)養(yǎng)物

   氮、磷、鉀是沼渣主要營(yíng)養(yǎng)物成分，是肥效作用的關(guān)鍵元素，而氨氮濃度可作為植物毒性與養(yǎng)分徑流的指標(biāo)。由圖2可知：4類沼渣營(yíng)養(yǎng)物含量具有明顯差異，廚余與城市固廢有機(jī)組分的沼渣總氮含量的平均值相近(18.5g/kg與18.2g/kg)且低于污泥與農(nóng)業(yè)固廢沼渣(32.9g/kg與35.7g/kg)。通常土壤氨氮控制目標(biāo)值為9.2g/kg，以避免氨氮植物毒性，而4類沼渣的氨氮濃度主要為3~5g/kg，引起植物毒性的可能性較小。污泥沼渣的總磷含量的平均值高達(dá)35.7g/kg，遠(yuǎn)高于廚余(6.6g/kg)、城市固廢有機(jī)組分(5.0g/kg)與農(nóng)業(yè)固廢(7.9g/kg)，主要原因是市政污水中的磷富集在污泥中，厭氧消化過(guò)程中隨著微生物的分解衰減，超過(guò)80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的生物結(jié)合磷被重新釋放到液相中，導(dǎo)致了污泥沼渣的較高的磷含量。而土壤的前端鉀肥施用導(dǎo)致末端農(nóng)業(yè)固廢沼渣的鉀含量較高(15.0g/kg)，其平均值明顯高于其他種類沼渣(廚余沼渣：5.7g/kg；污泥沼渣：2.8g/kg；城市固廢有機(jī)組分：5.9g/kg)�；�于以上歸納，若采用沼渣堆肥土地利用的技術(shù)路線，需考慮各類沼渣的主要養(yǎng)分(如通常污泥沼渣富含氮磷，農(nóng)業(yè)固廢沼渣富含鉀，而廚余與城市固廢有機(jī)組分的沼渣養(yǎng)分含量較為均衡)，因地制宜地施用沼渣堆肥后的產(chǎn)品。

3. 重金屬

   重金屬含量是沼渣安全性指標(biāo)與資源化利用的關(guān)鍵。沼渣的重金屬含量如圖3所示。可知：污泥沼渣的重金屬含量明顯較高，Pb與Cr的含量分別為(68.2±89.5),(219.5±296.1)mg/kg，其平均值均超過(guò)了NY/T525—2021《有機(jī)肥料》限值[ω(Pb)≤50mg/kg，ω(Cr)≤150mg/kg]；此外，污泥沼渣Cu含量為(576.3±477.2)mg/kg，其平均值超過(guò)了GB/4284—2018《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》限值(Cu＜500mg/kg)，某些污泥沼渣樣品的Zn濃度為(906.1±1141.5)mg/kg，也超過(guò)了農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)限值(Zn＜1200mg/kg)。因此，對(duì)于污泥沼渣的資源化需重點(diǎn)考慮重金屬的去除確保其安全達(dá)標(biāo)。廚余沼渣中Pb[(17.0±19.2)mg/kg]、Ni[(18.8±10.8)mg/kg]、Zn[(156.3±76.9)mg/kg]含量較高，其沼渣重金屬與城市固廢有機(jī)組分沼渣相似[Pb(15.1±3.5)mg/kg；Ni(21.6±24.6)mg/kg；Zn(218.2±150.3)mg/kg]，原因是城市固廢有機(jī)組分主要包括了一定比例的家庭廚余垃圾。相比之下，農(nóng)業(yè)固廢沼渣中的各類重金屬含量最低�？傮w來(lái)說(shuō)，除了某些污泥沼渣樣品重金屬超標(biāo)外，本文所統(tǒng)計(jì)的其他沼渣中所涉重金屬含量都符合相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)要求。

02 國(guó)內(nèi)外沼渣處理現(xiàn)狀

   全球范圍內(nèi)，中大型厭氧消化處理設(shè)施(處理量>50t/d)主要集中在德國(guó)(8924座)、中國(guó)(4717座)、美國(guó)(1645座)、意大利(898座)。德國(guó)是全球發(fā)展厭氧消化技術(shù)的領(lǐng)先國(guó)家，我國(guó)雖然建設(shè)了大量厭氧消化設(shè)施，但主要集中在農(nóng)業(yè)固廢處理。本節(jié)將主要對(duì)比德國(guó)與我國(guó)各類沼渣的處理處置模式，并探討我國(guó)沼渣發(fā)展方向。

1.廚余沼渣

   德國(guó)分類收集的廚余垃圾，經(jīng)過(guò)厭氧消化后的沼渣全部用于堆肥。截至2014年，德國(guó)有884個(gè)堆肥廠，年產(chǎn)約400萬(wàn)t堆肥產(chǎn)品。為了生產(chǎn)適合市場(chǎng)的堆肥產(chǎn)品和沼渣，德國(guó)成立了2個(gè)專門(mén)機(jī)構(gòu)：BGK—堆肥產(chǎn)品質(zhì)量保證機(jī)構(gòu)(Federal Compost Quality Assurance Organisation of Germany)和ＲAL—德國(guó)質(zhì)量保證與認(rèn)證研究院(Deutsches Institut für Gütesicherung und Kennzeichnung e. V)，建立了一系列法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范保證廚余堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量與安全，從制度方面破解了末端資源化的梗阻問(wèn)題，以保證產(chǎn)品的高質(zhì)量。近年來(lái)，我國(guó)加強(qiáng)了固廢領(lǐng)域的法規(guī)與政策的制定，對(duì)廚余垃圾管理提出了明確要求。自2011年以來(lái)，國(guó)家發(fā)改委共投資20億元，建立了104個(gè)餐廚廢棄物資源化利用和無(wú)害化處理試點(diǎn)項(xiàng)目(共1.97萬(wàn)t/d)。試點(diǎn)項(xiàng)目中，約76%采用厭氧消化工藝，17%采用好氧堆肥，7%采用飼料化利用，然而截至2018年，僅35%的項(xiàng)目經(jīng)過(guò)驗(yàn)收，10%的項(xiàng)目因?yàn)轭A(yù)處理系統(tǒng)故障率高被撤銷。廚余垃圾常與生活垃圾混合，含有玻璃瓶、塑料、廢衣物等雜物，導(dǎo)致了預(yù)處理篩選設(shè)備的故障；垃圾分類政策的實(shí)施將極大地改進(jìn)廚余性質(zhì)，有利于預(yù)處理系統(tǒng)的搭建與重構(gòu)。聚焦我國(guó)廚余沼渣處理處置，可查詢到的公開(kāi)工程案例資料僅有2項(xiàng)：杭州天子嶺190t/d廚余垃圾處理工程，沼渣脫水至含水率53%后填埋；鄭州市200t/d廚余垃圾處理工程項(xiàng)目，沼渣脫水至含水率55%后堆肥作營(yíng)養(yǎng)土。我國(guó)廚余項(xiàng)目仍存在如下瓶頸問(wèn)題：1)前端預(yù)處理工藝和裝備選型與我國(guó)廚余垃圾物理特性不適應(yīng)；2)末端沼渣處理處置技術(shù)積累不足且資料匱乏。

2. 污泥沼渣

   德國(guó)污泥沼渣出路中，64%采用干化后焚燒，24%農(nóng)用，12%用作景觀園林覆土。歐洲其他國(guó)家如荷蘭、瑞士已實(shí)現(xiàn)污泥沼渣100%焚燒。污泥焚燒后的灰渣磷含量高[(93.1±3.2)g/kg]，是污泥沼渣磷含量的3倍(圖2)，有利于后續(xù)的磷資源回收。磷是不可再生的自然資源，因此，德國(guó)2017年通過(guò)了對(duì)《污水污泥條例》(The German Sewage Sludge Ordinance, Abfallklarschlammverordnung, AbfKlarV)的修訂，要求從污水污泥或其焚燒灰中回收磷，明確提出2029年后含磷量大于20g/kg總固體的污水污泥須采用磷回收工藝，要求從污水污泥總固體中回收50%以上的磷；而污泥沼渣平均磷含量高達(dá)35.7g/kg(圖2)，適用于“污泥沼渣焚燒－磷回收”的技術(shù)路線。盡管我國(guó)污泥厭氧消化處理量逐年激增，近10年從2814t/d增至6944t/d，但目前普及率僅為3%，遠(yuǎn)低于領(lǐng)先國(guó)家50%的水平。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)污泥沼渣利用途徑中，29%為堆肥土地利用、27%為焚燒、20%為填埋、16%為建材利用、8%進(jìn)行其他處理�，F(xiàn)階段，為滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范(表1)，大部分污水廠添加大量藥劑(如CaO，10%~15%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))進(jìn)行“污泥調(diào)質(zhì)－板框壓濾”，以降低沼渣含水率到60%~65%后直接填埋。但大量藥劑的添加不僅增加了污泥量和運(yùn)行費(fèi)用，而且不利于資源化利用。若采用干化技術(shù)，可將污泥沼渣含水率由80%降至40%，體積可減少3倍，而熱值可提高約2.5倍，將極大地降低運(yùn)輸成本，并為后續(xù)的焚燒或資源化處置提供基礎(chǔ)。干化+焚燒有望成為最有效的污泥(沼渣)處置技術(shù)工藝之一。

3. 農(nóng)業(yè)固廢沼渣

   農(nóng)業(yè)固廢沼渣富含有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，且重金屬含量低。德國(guó)90%的農(nóng)業(yè)沼渣未經(jīng)處理，儲(chǔ)存后直接回田利用；剩余的10%固液分離后的固渣堆肥，而沼液不經(jīng)處理直接利用。直接利用的費(fèi)用主要是沼渣儲(chǔ)存與運(yùn)輸費(fèi)用，大部分農(nóng)戶選擇“就近自用”減少運(yùn)輸成本。大多數(shù)歐洲國(guó)家的堆肥產(chǎn)品免費(fèi)送給農(nóng)戶使用，而德國(guó)通常向農(nóng)戶收取10~15元/t的費(fèi)用。對(duì)于固渣而言，堆肥后的產(chǎn)品售價(jià)(0~30元/t)往往低于其處理成本與運(yùn)輸費(fèi)用(100~140元/t)，不是最經(jīng)濟(jì)適用的選擇。我國(guó)農(nóng)業(yè)固廢沼渣約53%可直接利用，其余23%采用穩(wěn)定塘處理，24.7%采用好氧處理。穩(wěn)定塘與好氧處理通常是簡(jiǎn)單曝氣后排放到附近水體消納，造成了資源浪費(fèi)與環(huán)境污染。同發(fā)達(dá)國(guó)家類似，我國(guó)的沼肥通常免費(fèi)送給農(nóng)戶進(jìn)行直接利用。經(jīng)調(diào)研，農(nóng)戶可接受的堆肥產(chǎn)品價(jià)格為1~5元/t，且50%的農(nóng)戶因?yàn)槠洳蝗缁�肥方便、肥效不好等原因，表示不接受沼肥。整體而言，我國(guó)農(nóng)戶積極性低，沼渣可直接利用的土地消納能力不足，且缺乏資源化利用標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量保證，導(dǎo)致了大量的農(nóng)業(yè)固廢沼渣的資源浪費(fèi)。從其他國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，鼓勵(lì)農(nóng)戶就近使用農(nóng)業(yè)固廢沼肥是較經(jīng)濟(jì)且適用的方式。

4.城市固廢有機(jī)組分沼渣

城市固廢有機(jī)組分包括了庭院垃圾、雜草枯葉、花卉殘枝等垃圾，其含水率較低。故德國(guó)通常采用生物干化或干式厭氧技術(shù)處理城市固廢有機(jī)組分，沼渣經(jīng)干化后可制備垃圾衍生燃料(refusederivedfuel，RDF)。RDF含水率＜25%，低位熱值>15MJ/kg，通常協(xié)同焚燒處置。就土地利用而言，相比濕式厭氧沼渣，干式厭氧的沼渣因含水率較低，通常用作基肥鋪在土壤下層，且此類沼渣基肥施往往會(huì)刺激氨氧化細(xì)菌的增長(zhǎng)，引起硝酸鹽濾出風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致農(nóng)作物或植物固氮不足。我國(guó)2014年引進(jìn)德國(guó)BEKON技術(shù)，總投資7300萬(wàn)元(100t/d)，于哈爾濱賓縣采用了第1個(gè)干式發(fā)酵項(xiàng)目處理城市生活有機(jī)固廢�？傮w來(lái)說(shuō)，干式發(fā)酵對(duì)我國(guó)而言仍處在起步階段，技術(shù)引進(jìn)的高額投資限制了干式厭氧的應(yīng)用發(fā)展(噸投資70萬(wàn)~100萬(wàn)元)，另一方面，干式厭氧發(fā)酵末端沼渣的處理處置方案資料匱乏。

03 末端資源化路徑與碳排放

1.傳統(tǒng)資源化方式

1）土地利用。

   沼渣的消納是破解末端“梗阻”問(wèn)題的關(guān)鍵。作為主要的消納模式，土地利用需考慮我國(guó)土地容量。我國(guó)2020年沼肥產(chǎn)量約9700萬(wàn)t，以每公頃可消納30t沼肥計(jì)算，年產(chǎn)的沼肥需占用約320萬(wàn)公頃土地。簡(jiǎn)單概算，若全年生產(chǎn)的沼肥用于土地利用，僅占耕地面積的2.3%，占園地的22.2%，占林地的1.3%�？梢�(jiàn)我國(guó)的土地容量可以消納沼渣，但運(yùn)輸距離限制了沼渣的消納。根據(jù)瑞典大中型沼氣工程為例，沼渣運(yùn)輸距離對(duì)整體工程項(xiàng)目起到?jīng)Q定性作用：當(dāng)農(nóng)業(yè)固廢運(yùn)輸距離超過(guò)200km，污泥運(yùn)輸超過(guò)240km，城市固廢有機(jī)組分運(yùn)輸超過(guò)580km時(shí)，整體工程的能耗將“入不敷出”。沼渣可以通過(guò)堆肥或造粒等方式減少體積提高價(jià)值，降低運(yùn)輸成本，破解長(zhǎng)距離運(yùn)輸問(wèn)題。然而，考慮到產(chǎn)品的規(guī)模化效應(yīng)，此模式不適用于處理量＜50t/d的厭氧處理廠，因利潤(rùn)波動(dòng)較大，需謹(jǐn)慎考慮項(xiàng)目規(guī)模與沼渣造粒后的下游消納途徑。就政策規(guī)范而言，NY/T525—2021《有機(jī)肥料》正式實(shí)施，禁止使用粉煤灰、鋼渣、污泥、生活垃圾(經(jīng)分類陳化后的廚余廢棄物除外)作為商品(有機(jī)肥)在市場(chǎng)交易。作為補(bǔ)充，《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》中提出了對(duì)沼渣出路的規(guī)劃：“園林綠化肥料、土壤調(diào)理劑等需求較大的地區(qū)，沼渣可與園林垃圾等一起堆肥處理”，“堆肥處理設(shè)施能力不足、具備焚燒處理?xiàng)l件的地區(qū)，可將沼渣預(yù)處理脫水干化后焚燒處理”。從技術(shù)層面而言，堆肥工藝是成熟的，根據(jù)具體項(xiàng)目需求可選擇倉(cāng)式、立式、槽式等工藝，主要考慮的關(guān)鍵因素是輔料添加后的物料碳氮比、含水率、曝氣強(qiáng)度。

2）沼渣焚燒。

   焚燒是沼渣傳統(tǒng)資源化的另一重要路徑，而干化提高沼渣熱值是焚燒處置的核心問(wèn)題。根據(jù)實(shí)際工程模式與運(yùn)行參數(shù)可知：熱源提供和處理規(guī)模大小是決定沼渣干化可行性的關(guān)鍵。以40t/d處理量為例，若廠內(nèi)無(wú)熱源提供，整體運(yùn)行成本高達(dá)130元/t，若廠內(nèi)提供熱源(蒸汽)，可節(jié)省廠內(nèi)運(yùn)行成本約30%，降至95元/t；若處理量擴(kuò)大到150t/d，以同樣的蒸汽模式處理沼渣，運(yùn)行成本將減少至75元/t�？芍�：處理規(guī)模大、有熱源(如蒸汽)、且焚燒廠距離適宜的項(xiàng)目，沼渣可以優(yōu)選干化后焚燒處置。另一方面，建立以焚燒廠為主體、餐廚污泥等有機(jī)固廢協(xié)同的靜脈產(chǎn)業(yè)園是實(shí)現(xiàn)物質(zhì)和能量的可持續(xù)利用的一種模式。以廣西某靜脈產(chǎn)業(yè)園內(nèi)餐廚垃圾處理廠為例，與餐廚廠(100t/d，采用“預(yù)處理+油脂提取+厭氧發(fā)酵+沼氣凈化利用”的總體工藝)獨(dú)立運(yùn)營(yíng)相比，靜脈產(chǎn)業(yè)園內(nèi)焚燒廠餐廚廠協(xié)同處理日節(jié)省費(fèi)用約2600元，折合噸垃圾節(jié)省費(fèi)用約45元，年累計(jì)節(jié)省約95萬(wàn)元。具體地，通過(guò)沼氣進(jìn)入焚燒爐，提高爐溫，產(chǎn)生熱量創(chuàng)造利潤(rùn)，同時(shí)煙氣余熱或蒸汽來(lái)干化沼渣，提高沼渣熱值，提高發(fā)電量。盡管產(chǎn)業(yè)園模式下的沼渣協(xié)同焚燒模式經(jīng)濟(jì)效益較好，但也需要從技術(shù)角度考慮實(shí)際運(yùn)行問(wèn)題。根據(jù)《生活垃圾清潔焚燒指南》，當(dāng)沼渣摻燒比過(guò)高(>7%)時(shí)，容易出現(xiàn)爐膛結(jié)焦和鍋爐積灰現(xiàn)象，將大大增加檢修時(shí)間和頻次，難以確保連續(xù)8000h/a的穩(wěn)定運(yùn)行要求。例如，上海金山區(qū)污泥協(xié)同焚燒現(xiàn)場(chǎng)反饋，爐膛內(nèi)壁結(jié)焦達(dá)30cm，須3個(gè)月打焦1次，余熱鍋爐積灰，清灰頻率增加。

2.新興資源化技術(shù)

1）高值碳化。

碳是沼渣含量最高的元素，其干重質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%~70%。近些年，水熱碳化(hydrothermal carbonization，HTC)已成為有機(jī)物高值資源化的一項(xiàng)新興技術(shù)。HTC技術(shù)通過(guò)適當(dāng)?shù)臏囟?180~250℃)，壓力(10~50bar)和酸堿度條件下，數(shù)小時(shí)(1~12h)內(nèi)可將含水的生物質(zhì)或其他殘?jiān)�產(chǎn)生2種主工產(chǎn)品：生物炭和水溶性產(chǎn)品(圖4a)。各種濕生物質(zhì)(如沼渣)均能被處理并轉(zhuǎn)化為燃料和其他工業(yè)利益物質(zhì)，例如HTC技術(shù)的磷回收率接近100%。另外，生物炭具有高比表面積和發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，具備吸附劑的性能，常用在含重金屬?gòu)U水處理中。高價(jià)值多領(lǐng)域的產(chǎn)品應(yīng)用使得HTC技術(shù)在有機(jī)固廢領(lǐng)域逐漸實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。2010年，德國(guó)HTCycle GmbH首次在全球運(yùn)營(yíng)工業(yè)規(guī)模的HTC污泥處理工廠，并在2017年建立了第2個(gè)生物質(zhì)碳化工廠。然而，不同的處理規(guī)模、原料與區(qū)域選擇決定著HTC技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益。以德國(guó)某HTC技術(shù)處理稻穗枯木的項(xiàng)目為例，生物質(zhì)的前端供應(yīng)(運(yùn)輸或購(gòu)買)導(dǎo)致了項(xiàng)目的虧損。此外，基于AVA-CO2公司(Karlsruhe，Germany)的HTC技術(shù)中試項(xiàng)目運(yùn)行數(shù)據(jù)(15m3序批式反應(yīng)器，25~30t/d，沼渣含水率80%)，項(xiàng)目總投資成本為3000萬(wàn)元，總運(yùn)營(yíng)成本為380~450元/t。總體來(lái)說(shuō)，HTC技術(shù)投資高，且有較高的總收益需求值，意味著需要高收益才能補(bǔ)償HTC的資金投入。提高處理規(guī)模，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，是決定HTC技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性的關(guān)鍵舉措。

2）生物干化。

生物干化最早在1984年由William J．Jewell研究牛糞好氧堆肥的操作參數(shù)時(shí)提出，其原理是通過(guò)好氧微生物降解有機(jī)物釋放生物熱能將物料中的水分蒸發(fā)，同時(shí)引入強(qiáng)通風(fēng)條件實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充氧氣并帶走水蒸汽，從而實(shí)現(xiàn)干化作用(圖4b)。此技術(shù)在1996年于意大利首次實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，采用BioCubi工藝處理生活垃圾。2013年，荷蘭GMB BioEnergie BV公司首次采用生物干化技術(shù)處理污泥(處理量410t/d)，含水率在10~12d由78%降至33%，干化后污泥低位熱值高達(dá)1850kcal/kg，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能源與資源回收(熱能回收9.3MW/a；(NH4)2SO4回收7300t/a)。通過(guò)間歇式通風(fēng)，生物干化反應(yīng)時(shí)間可縮短至7d，完成對(duì)餐廚垃圾干化(含水率由80%降到40%，低位熱值高達(dá)1970kcal/kg)�；�于相同的技術(shù)原理，近些年生物干化技術(shù)被應(yīng)用在沼渣資源化領(lǐng)域中。生物干化的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行費(fèi)用較低(熱干化230~280元/t，低溫?zé)岣苫?00~150元/t，好氧堆肥80~100元/t，生物干化60~80元/t)。工程應(yīng)用上，輔料(木屑、鋸木、秸稈等)的購(gòu)置與運(yùn)輸是主要運(yùn)行成本之一。超高溫好氧菌(hyperthermophilic aerobic bacteria)的發(fā)現(xiàn)為生物干化提供了新的發(fā)展方向。YM菌是一種典型的超高溫好氧菌，無(wú)需添加輔料，能在90℃以上(最高可達(dá)120℃)的超高溫好氧條件下活躍工作，發(fā)酵分解有機(jī)廢棄物，且能對(duì)臭氣物質(zhì)徹底分解，已在日本應(yīng)用40余年。近幾年，以YM菌為原型，我國(guó)研發(fā)了各類超高溫好氧菌，并逐漸在工程上應(yīng)用。

3）昆蟲(chóng)轉(zhuǎn)化。

   有機(jī)固廢沼渣富含大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，具備資源化潛質(zhì)。昆蟲(chóng)轉(zhuǎn)化技術(shù)作為近幾年的新興技術(shù)，將有機(jī)固廢轉(zhuǎn)化生產(chǎn)高價(jià)值產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)全鏈條資源化(圖4c)。例如，黑水虻將有機(jī)固廢作為食物，在體內(nèi)消化并合成高含量的粗蛋白(40%干重)與粗油脂(30%干重)，具有較高的商業(yè)價(jià)值。但就昆蟲(chóng)轉(zhuǎn)化而言，物料的選擇是成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)污泥沼渣作原料時(shí)，黑水虻需要漫長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化(40d)，遠(yuǎn)長(zhǎng)于果蔬垃圾為原料的轉(zhuǎn)化時(shí)間(10d)。除Agriprotein公司利用廚余為原料之外，其他公司均以果蔬、谷類、食品加工廢渣作為原料生產(chǎn)動(dòng)物飼料(表2)。此外，國(guó)際昆蟲(chóng)食品飼料協(xié)會(huì)(International Platform of Insects for Food and Feed，IPIFF)將餐飲垃圾、畜禽糞便、含魚(yú)肉類食品列為昆蟲(chóng)轉(zhuǎn)化技術(shù)的禁用原料。而加工類廢渣如麩皮、麥糠、酒渣、奶渣、果蔬垃圾的源頭可溯相對(duì)“安全”，推薦采用昆蟲(chóng)技術(shù)。目前，全球處理量最大的是法國(guó)Ynsect公司采用的黃粉蟲(chóng)技術(shù)，每天處理1000t麥糠及其他輔料，且昆蟲(chóng)轉(zhuǎn)化工藝的末端殘?jiān)�富含腐殖酸，烘干后可作為有機(jī)肥料或土壤改良劑使用。近些年，昆蟲(chóng)技術(shù)在我國(guó)迅速發(fā)展，主要應(yīng)用于廚余垃圾三相分離后的有機(jī)固渣處理，然而如何實(shí)現(xiàn)機(jī)械化養(yǎng)殖與運(yùn)營(yíng)是昆蟲(chóng)技術(shù)在我國(guó)發(fā)展的瓶頸(尤其是蟲(chóng)卵、蟲(chóng)糞、幼蟲(chóng)的精準(zhǔn)篩分)。另外，鮮蟲(chóng)或干蟲(chóng)的消納渠道是決定昆蟲(chóng)技術(shù)是否盈利的關(guān)鍵，根據(jù)Eawag在印度尼西亞的黑水虻生產(chǎn)測(cè)試線調(diào)研報(bào)告，相比養(yǎng)殖場(chǎng)飼料，將干蟲(chóng)或鮮蟲(chóng)作為家庭寵物飼料更為適合，更加利于建立全鏈條資源化產(chǎn)業(yè)鏈。

3.碳排放

   沼渣處理是一個(gè)排放CO2(eq)的過(guò)程，其能量消耗可通過(guò)二氧化碳當(dāng)量(CO2(eq))核算。不同處理手段的沼渣處理過(guò)程碳排放排序?yàn)椋簬�式干�?100kgCO2/t)>開(kāi)放堆存利用(38kgCO2(eq)/t)>熱濃縮(24kgCO2(eq)/t)>槳葉式干燥(21kgCO2(eq)/t)>堆肥利用(18kgCO2(eq)/t)>膜分離(10kgCO2(eq)/t)>太陽(yáng)能干化(6kgCO2(eq)/t)(圖5)。沼渣干化工藝的選擇影響著碳排放量：帶式干燥的耗電量大，且過(guò)程中大量的氮源流失，導(dǎo)致其土地利用價(jià)值較低、碳排放較大；而太陽(yáng)能干化通過(guò)利用太陽(yáng)能輻射轉(zhuǎn)化能量，極大減少了碳排放。若沼渣進(jìn)行土地利用，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)具備碳減排效益，沼渣代替肥料可實(shí)現(xiàn)碳補(bǔ)償-20~-28kgCO2(eq)/t。相比之下，沼渣焚燒的碳排放為95~100kgCO2(eq)/t。就新興資源化技術(shù)而言，昆蟲(chóng)轉(zhuǎn)化工藝的碳排放較少(約30kgCO2(eq)/t)，僅為焚燒工藝的30%，但針對(duì)沼渣的昆蟲(chóng)轉(zhuǎn)化技術(shù)仍處在研究階段。尚無(wú)沼渣高值碳化(HTL)與生物干化過(guò)程的碳排放的研究報(bào)道。

04 結(jié)語(yǔ)

   本文分析了各類沼渣的特性，并討論了國(guó)內(nèi)外沼渣處理現(xiàn)狀與發(fā)展方向，結(jié)合土地資源、經(jīng)濟(jì)、政策、規(guī)范，重點(diǎn)探究了我國(guó)沼渣的傳統(tǒng)資源化處置路徑與新興技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。我國(guó)廚余垃圾處理處置仍處在起步發(fā)展階段，現(xiàn)有工程項(xiàng)目的沼渣大多通過(guò)填埋和營(yíng)養(yǎng)土利用，靜脈產(chǎn)業(yè)園的建設(shè)與沼渣協(xié)同焚燒具有前景或?qū)⒊蔀橹攸c(diǎn)發(fā)展方向。污泥沼渣重金屬含量高，若土地利用需重點(diǎn)考慮安全性因素，通過(guò)深度脫水與干化降低含水率(減量)是污泥沼渣處理的關(guān)鍵。農(nóng)業(yè)固廢沼渣營(yíng)養(yǎng)物含量高且重金屬含量低，建議完善政策規(guī)范并鼓勵(lì)農(nóng)戶沼渣就地土地利用。我國(guó)城市固廢有機(jī)組分采用厭氧消化模式案例匱乏，沼渣利用信息不全。新興資源化技術(shù)，如水熱碳化技術(shù)，盡管已有項(xiàng)目運(yùn)行，但其經(jīng)濟(jì)可行性不高，制約了技術(shù)的發(fā)展，而生物干化技術(shù)通過(guò)高效菌種的應(yīng)用為有機(jī)固廢(沼渣)的資源化提供了新思路。昆蟲(chóng)轉(zhuǎn)化在國(guó)外已進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，但需重點(diǎn)考慮產(chǎn)品消納以及物料種類避免安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，本文根據(jù)具體沼渣處理處置項(xiàng)目或案例，重點(diǎn)論證了沼渣運(yùn)輸、處理規(guī)模、消納路徑關(guān)鍵影響因素，并提出處理處置方案。