王凯军：厨余垃圾分类盛宴后的处理问题
近年来，垃圾分类的推进在如火如荼地进行。而垃圾分类的下一步，离不开各种细分垃圾处理技术的探讨。12月20日，在E20环境平台、中国城市建设研究院有限公司联合主办的“2019（第十三届）固废战略论坛”中，清华大学环境学院教授王凯军和与会嘉宾分享了热点之后的一些冷思考。
来源：中国固废网 整理：李艳茹
近年来，垃圾分类的推进在如火如荼地进行。而垃圾分类的下一步，离不开各种细分垃圾处理技术的探讨。12月20日，在E20环境平台、中国城市建设研究院有限公司联合主办的“2019（第十三届）固废战略论坛”中，清华大学环境学院教授王凯军和与会嘉宾分享了热点之后的一些冷思考。
王凯军
一个老农拉着一百斤的葱进城去卖葱，一元一斤。聪明的城里人跟他说，不如你卖给我葱白七角一斤，葱叶三角一斤，加一起也是一元钱。老农一听有道理呀，很快把一百斤的葱卖出去了。老农没有城里人聪明，一百斤葱应该卖一百块钱，最后他只卖了58块钱。
现在的分类也有类似的问题。技术人员和政府说应该分类，但分类以后，厨余每吨处理成本不低于300元，剩下的还需要焚烧。焚烧领域早已实现了火热化，最便宜的20元左右每吨就能处理。这么一看，似乎整体垃圾的处理成本上升了。有些城市领导就算不过来账，认为这样多花了很多钱，钱从哪来？这背后的逻辑不作细说，涉及资源回收、减排、社会成本等诸多方面。但这个质疑给从事厨余垃圾处理的人带来一个问题：是否真的需要这么多钱？有没有更好的办法？今天主要分享的内容就是在这方面的研究和思考。
2017年3月，国家发改委、住建部《生活垃圾分类制度实施方案》发布，要求全国46个城市先行实施生活垃圾强制分类，2020年底，包括厨余等易腐垃圾的回收利用率达35%以上。今年4月，习近平总书记强调，要结合实施农村人居环境整治三年行动计划和乡村振兴战略，进一步推广浙江好的经验做法，建设好生态宜居的美丽乡村。总书记及部委的持续关注，使各个城市都行动起来了。
谈到有机垃圾，自然要谈它的最终处理方向是什么。在前一轮发改委五批示范工程支持下，根据统计，厌氧处理是主要的一项技术。应该可以判断，我国厨余垃圾今后的技术方向主导将是厌氧。上述提到的中央财经领导小组第十四次会议中的重要文件，一个涉及畜禽养殖，一个文件涉及到厨余。综合来看，这对于生物天然气行业是重大的利好消息。
简单来算，每年畜禽养殖的40亿方畜禽粪便，产沼气潜力最少400-1000亿方；每人每天的0.4kg厨余，产生0.2方沼气，全国每年产生1000亿沼气。这是非常大的潜在市场。此外，此前提出的煤改气，在这几年实践不够成功，但无疑给了生物天然气市场提供了很大的空间。未来的生物天然气市场或将到达千亿产量的估值。这个数据有重要含义。若将生物天然气的市场平均定价定为三块钱，那么，这个后端产品的市场，体量与城市污水市场差不多，甚至超过。
在做分类的时候就必须要考虑后端，后端处理离不开合适的技术。长期以来，厌氧技术取得了不小的成果，但是否能够应用到高含固率领域，包括厨余垃圾、餐厨垃圾、畜禽粪便这些有机垃圾中？实际上，半个世纪以来，厌氧消化除了在池型、材料、搅拌等方面改进外。在基本原理和工艺方面没有取得实质性的突破。这就导致在餐厨垃圾方面的应用，最多只能达到三公斤负荷，超过三公斤，就会有氨氮抑制等问题。在厨余垃圾领域，也会遇到一系列问题，如反应器比较低效，停留时间会超过30天，难水解，氨氮易酸化，产气比较低，系统不稳定等等。
如何解决？我们研究团队做了一些工作，今天主要讲两条技术路线：新型仿生工艺，餐厨与厨余垃圾乙醇化技术路线。
①新型仿生工艺
技术突破不了，我们就需要回到原点，看看自然界是怎么降解垃圾。一片树叶在自然里头，很容易就被消化了。鲁迅名言“牛吃进去的是草,挤出来的是奶”描述的是整个同化作用的高效性。牛的负荷非常高，大于100 kg/(m3·d)；停留时间段，少于3天；TS转化率高，非常难处理的秸秆也可达到60-70%。按照这个思路，我们来对比瘤胃系统，然后仿照动物消化系统的原理来处理厨余垃圾。
与传统厌氧反应器相比，瘤胃系统呈现出几点不同。在微生物方面，传统厌氧使用的是厌氧污泥，瘤胃系统使用的是瘤胃微生物；传统厌氧反应器相对恒定pH，分为中温、高温、常温等条件；瘤胃系统则采用动态pH条件（5.5-6.8），刚吃进“食料”时候是中性的，在消化过程中裂变成酸性，温度保持恒定（39℃）；传统厌氧反应器中产物积累，有抑制作用，是绝对厌氧环境，有干发酵、湿发酵；而瘤胃系统中，产物迅速排除，处于交替微氧环境，干湿交替条件。根据这些不同我们开发的系统效率大大提高，仅仅需要5-6天的停留时间。
很多业内人士担心，厨余垃圾会不会面临餐厨垃圾一样的、几百个项目上马但难以运行的境地。餐厨垃圾处理项目为什么实施率低？主要源于餐厨垃圾集中处理存在收运困难、运营成本高、沼液沼渣处理难、投资周期长、风险大等问题。亟待开发经济合理、针对性强的技术，寻求适合国情的综合解决方案。
结合历史经验，可以看到，餐厨和厨余垃圾处理面临一系列问题需要思考：能否采用简单的预处理设备？选择什么反应器解决CSTR厌氧反应器低效、不稳定、酸化、经济效益低下等问题？产生量的污泥量超过城市污泥10倍。能否解决好沼渣沼液处理、利用的老问题？处理费用高的问题如何解决？现在，一些公司围绕这些重点已经开展了一些工作，包括一些破碎、制浆、压榨等设备，在预处理环境发力，并在餐厨垃圾里取得了一定效果。期待后续的发展。
②餐厨与厨余垃圾乙醇化技术路线
餐厨垃圾和厨余垃圾处理，仍然可以吸收仿生角度的研究经验。此前，传统反应器采用恒定pH，在5-6之间，需要不断投加碱度，产物主要是有机酸。如果不调控pH，系统pH会降低至4以下，同时发现酸化产物中有乙醇产生，但是转化率较低。研究团队控制不同的pH条件，研究了不同的产物构成。同样，团队观察了不同温度和pH条件下的反应情况，进行优化，以此来确定最优反应条件。从而确定了优化的产乙醇的路径的厨余垃圾处理技术路线。这样就产生了一个问题，这大大突破了传统的路线。
事实上，各行各业都有这样路径依赖的问题。很难想象连世界上最先进的航天飞机的尺寸，都是由两千年前两匹战马的屁股宽度来决定的。历史惯性力量是多么的强大，要冲破由惯性形成的规则又是多么的艰难。在技术研究过程中，也需要尽可能脱离以往研究的路径依赖。厌氧的产物是否一定要是甲烷？
在厌氧过程里头，会产生乙酸、丙酸、乙醇、氢，不同产物的价格不同。其中，甲烷的价格相对最低，但甲烷产生的话，需要较长的停留时间，长达30天、40天，其中90%的时间是为了产生甲烷，且有机负荷低。
而厌氧产酸过程，停留时间少于5天，有机负荷可以达到20公斤。酸化以后，提取中间产物，包括乙酸、丙酸，效果都非常好。如果要提取更高价值产品，也完全可能实现。如实验室产生乙醇，蒸馏回收的纯度能达到60%。破除路径依赖，技术问题在不同的需求条件下或许有着不一样的答案。
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编辑 |郭香莲、李艳茹
统筹 | 谷林
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