賈如月，胡術(shù)剛，耿 姣

(山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

0 引 言

我國(guó)的電力結(jié)構(gòu)至今還是以火力發(fā)電為主[1-2]，化石能源的消耗不僅造成資源的耗竭還會(huì)帶來(lái)嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題[3-5]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，餐廚垃圾資源化的利用范圍越來(lái)越廣泛。餐廚垃圾厭氧消化[6]產(chǎn)生的沼氣可用于車(chē)用燃?xì)鈁7]、燃料電池[8]、烹飪[9-10]、發(fā)電等[11]。餐廚垃圾產(chǎn)沼氣發(fā)電無(wú)疑是一舉兩得的方式，既改善了餐廚垃圾堆積帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也充分解決了傳統(tǒng)火力發(fā)電的能源緊張問(wèn)題。盡管餐廚垃圾產(chǎn)生的沼氣為清潔能源[12]，但生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜性以及厭氧工藝的不確定性都可能會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，采用生命周期評(píng)價(jià)方法(LCA)對(duì)全周期產(chǎn)沼氣發(fā)電的環(huán)境影響進(jìn)行分析評(píng)價(jià)是十分必要的。

全生命周期評(píng)價(jià)(LCA)方法[13]最早誕生于20世紀(jì)60年代，美國(guó)可口可樂(lè)公司對(duì)飲料的包裝從原材料的獲取直至廢棄物處理進(jìn)行了全過(guò)程的分析評(píng)價(jià)[14]。作為評(píng)估產(chǎn)品、過(guò)程和活動(dòng)在生命周期所有階段的環(huán)境影響的一種國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)方法，生命周期評(píng)價(jià)方法包含四大部分[7，15]：目標(biāo)和范圍定義、生命周期清單分析、生命周期影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋[16-17]。近幾年，生命周期評(píng)價(jià)在建筑垃圾[18-19]、生活垃圾[20]、電子廢棄產(chǎn)品[23]、工業(yè)廢水[24]、農(nóng)業(yè)廢棄物[25-26]等方面都有不同層次的探究。葉小梅[27]等對(duì)水葫蘆厭氧產(chǎn)沼氣發(fā)電的三個(gè)階段進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)，找出了對(duì)環(huán)境影響最大的階段并提出建設(shè)性建議；吳文君[28]等基于生命周期評(píng)價(jià)方法對(duì)禽畜糞便沼氣熱電聯(lián)供系統(tǒng)的不同工藝及不同階段的效益進(jìn)行了比較評(píng)價(jià)分析。

就餐廚垃圾資源化產(chǎn)氣潛力方面，本文依托湖州市餐廚垃圾處理項(xiàng)目，將餐廚垃圾與殘余污泥共消化[29]，探究最優(yōu)的混合比例以達(dá)到較高的產(chǎn)氣量。實(shí)驗(yàn)首先探究了餐廚垃圾與污泥不同配比混合的產(chǎn)氣性能，然后對(duì)日產(chǎn)氣與累積產(chǎn)氣以及pH對(duì)產(chǎn)氣性能的影響進(jìn)行作圖分析，之后就沼氣發(fā)電帶來(lái)的環(huán)境影響進(jìn)行全周期的分析?；谏芷谠u(píng)價(jià)模型，本探究選取了全球變暖(GWP)、酸化(AP)、富營(yíng)養(yǎng)化(EP)、人體健康(HTP)四個(gè)影響類(lèi)型，針對(duì)湖州餐廚垃圾產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目中沼氣發(fā)電全生命周期的環(huán)境排放與同功能單位下的火力發(fā)電進(jìn)行對(duì)比，以期為餐廚垃圾沼氣工程提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與方法

原料取自湖州項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)所收集的餐廚漿料、污泥，接種物取湖州項(xiàng)目禽畜糞便產(chǎn)生的沼液，接種前需將其在37 ℃下活化7天[30]，以上三種物料的特性分析見(jiàn)表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用的產(chǎn)甲烷潛力自動(dòng)分析儀見(jiàn)圖1，此套裝置主要由發(fā)酵單元、凈化單元、甲烷氣體測(cè)定單元3部分組成。發(fā)酵單元：模擬CSTR 批式厭氧發(fā)酵過(guò)程，整個(gè)厭氧發(fā)酵裝置置于水浴鍋中保持37 ℃恒溫培養(yǎng)，同時(shí)進(jìn)行定時(shí)攪拌，以使實(shí)驗(yàn)原料充分混合；沼氣凈化(脫除二氧化碳、硫化氫)單元：吸收液為3 mol/L NaOH溶液(80 mL)，經(jīng)過(guò)該單元后的氣體基本為甲烷氣體；甲烷氣體測(cè)定單元：模具化cell設(shè)計(jì)，微量氣體流量精準(zhǔn)化測(cè)量，內(nèi)置芯片，軟硬件一體化，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析及輸出。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental device diagram

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

為優(yōu)化原料產(chǎn)氣潛力，探究最優(yōu)原料配比及pH條件，設(shè)置原料配比(餐廚漿料∶污泥配料)分別為1∶0(調(diào)節(jié)pH)、1∶0(不調(diào)節(jié)pH)、9∶1、4∶1、7∶3、0∶1六組實(shí)驗(yàn)，其VS比分別為1∶0(調(diào)節(jié)pH)、1∶0(不調(diào)節(jié)pH)、2∶1、1∶1、1∶2、0∶1。此外，餐廚漿料：污泥配料比1∶0實(shí)驗(yàn)組中，方案一對(duì)pH進(jìn)行了調(diào)節(jié)，方案二不調(diào)節(jié)pH，未調(diào)節(jié)組的pH值為5.5，調(diào)節(jié)組pH為6.5。其余各組體系pH均為7，具體實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)裝置置于恒溫水浴鍋中保持37 ℃恒溫發(fā)酵，每組設(shè)定2個(gè)平行，另外設(shè)定實(shí)驗(yàn)空白對(duì)照，以提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表2 實(shí)驗(yàn)方案表Table 2 Experimental scheme table

1.4 評(píng)價(jià)方法

本文擬通過(guò)餐廚垃圾經(jīng)過(guò)預(yù)分選、厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣、沼氣凈化以及最終沼氣發(fā)電作為研究邊界，采用全生命周期評(píng)價(jià)方法(LCA)對(duì)湖州市餐廚垃圾沼氣發(fā)電產(chǎn)生的環(huán)境排放與火力發(fā)電進(jìn)行比較。

1.4.1 系統(tǒng)邊界與功能單位

湖州餐廚廢棄物資源化利用項(xiàng)目日處理量為400 t/d，日產(chǎn)沼氣2.4×104 m3，沼氣發(fā)電效率為1.8 kW·h。該研究以日發(fā)電量為1 000 kW·h,即功能單位是1 000 kW·h的電量用于計(jì)算餐廚垃圾產(chǎn)沼氣發(fā)電的輸入與輸出，同時(shí)火力發(fā)電也采用該功能單位，使得這兩種不同的處理系統(tǒng)具有可比性。整個(gè)過(guò)程的系統(tǒng)邊界圖2所示。

圖2 餐廚垃圾沼氣發(fā)電的系統(tǒng)邊界Fig.2 System boundary of biogas power generation from kitchen waste

1.4.2 清單分析

本文大致將湖州市餐廚垃圾處理項(xiàng)目分為以下三個(gè)階段：①收運(yùn)階段，主要是垃圾收運(yùn)車(chē)在運(yùn)行時(shí)消耗柴油時(shí)排放的污染物；②產(chǎn)沼氣階段，包含了餐廚垃圾經(jīng)預(yù)處理、厭氧發(fā)酵以及沼氣脫硫凈化三個(gè)主要流程，該階段大部分依靠電力實(shí)施；③沼氣發(fā)電階段。此外，火力發(fā)電由原料開(kāi)采及運(yùn)輸階段和燃料發(fā)電階段組成。為便于沼氣發(fā)電與火力發(fā)電進(jìn)行比較，規(guī)定餐廚垃圾產(chǎn)沼氣發(fā)電中的①和②兩部分為階段a，第③部分為階段b，同樣火力發(fā)電的兩部分定義為a、b兩階段。

1.4.3 影響評(píng)價(jià)模型

環(huán)境影響評(píng)價(jià)模型主要由以下四部分組成：特征化、標(biāo)準(zhǔn)化、加權(quán)和環(huán)境影響負(fù)荷。為探究污染物對(duì)環(huán)境的影響，本研究以全球變暖(GWP)、酸化(AP)、富營(yíng)養(yǎng)化(EP)、人體健康(HTP)四個(gè)影響類(lèi)型進(jìn)行下一步的分析。依據(jù)排放清單，結(jié)合四種環(huán)境類(lèi)型的計(jì)算方法和當(dāng)量因子、歸一化值、權(quán)重(見(jiàn)表3)分別計(jì)算出環(huán)境影響潛值、標(biāo)準(zhǔn)后的環(huán)境潛值、加權(quán)后的影響潛值[31-32]，根據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)沼氣發(fā)電與火力發(fā)電做出對(duì)比分析。

表3 環(huán)境評(píng)價(jià)模型參數(shù)值Table 3 Parameter values of environmental assessment model

2 結(jié)果討論

2.1 餐廚垃圾產(chǎn)氣性能的試驗(yàn)探究

2.1.1 日產(chǎn)氣量變化

對(duì)不同配比實(shí)驗(yàn)組厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖4 不同pH下的日產(chǎn)氣變化Fig.4 Variation of daily gas production at different pH values

由圖3可知，配料比1∶0(調(diào)節(jié)pH為6.5)實(shí)驗(yàn)組在培養(yǎng)期出現(xiàn)3個(gè)產(chǎn)氣高峰期，但主要高峰期為培養(yǎng)后8～22天，日產(chǎn)氣峰值為0.92 L/天，出現(xiàn)在第17天，培養(yǎng)23天后停止產(chǎn)氣。配料比為9∶1、7∶3、4∶1的實(shí)驗(yàn)組日產(chǎn)氣量變化趨勢(shì)相似，配料比為9∶1實(shí)驗(yàn)組主要高峰期出現(xiàn)在培養(yǎng)后4～20天，配料比為4∶1、7∶3實(shí)驗(yàn)組主要高峰期出現(xiàn)在培養(yǎng)后5～23天，早于未添加污泥的實(shí)驗(yàn)組。配料比為9∶1、4∶1、7∶3的實(shí)驗(yàn)組日產(chǎn)氣峰值分別為0.92、0.75、0.75 L/天，分別出現(xiàn)在第13天、12天、11天，培養(yǎng)30天后日產(chǎn)氣量均不斷減少，46天后停止產(chǎn)氣。配料比為0∶1實(shí)驗(yàn)組(即污泥實(shí)驗(yàn)組)日產(chǎn)氣量最低，在培養(yǎng)后第9天出現(xiàn)峰值，峰值為0.09 L/天?？梢?jiàn)，餐廚垃圾本身的產(chǎn)氣率較高，這可能是因?yàn)椴蛷N垃圾中含有較多的有機(jī)物，這些有機(jī)物極易被微生物利用[33]。污泥的添加可以促進(jìn)餐廚漿料的分解，使其產(chǎn)氣高峰期提前3～4天，但隨著污泥所占比例的增加體系日產(chǎn)氣峰值不斷減少。

圖3 不同配比下的日產(chǎn)氣變化Fig.3 Variation of daily gas production at different ratios

從圖4可以看出，餐廚漿料/污泥配料比為1∶0的實(shí)驗(yàn)組中，未調(diào)節(jié)pH組與調(diào)節(jié)pH組的日產(chǎn)氣量變化趨勢(shì)類(lèi)似，也出現(xiàn)3個(gè)產(chǎn)氣高峰期。但是與調(diào)節(jié)pH組相比，未調(diào)節(jié)pH組主要產(chǎn)氣高峰期及日產(chǎn)氣高峰值出現(xiàn)時(shí)間滯后，高峰期在培養(yǎng)后10～25天，日產(chǎn)高峰值出現(xiàn)在第23天，日產(chǎn)氣峰值較低，為0.52 L/天，整個(gè)厭氧發(fā)酵持續(xù)26天。

2.1.2 累積產(chǎn)氣量變化

不同配比實(shí)驗(yàn)組厭氧發(fā)酵累積產(chǎn)氣變化如圖5、圖6所示。

圖5表示厭氧發(fā)酵過(guò)程的累積產(chǎn)氣量情況，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程餐廚漿料：污泥配料比為1∶0(調(diào)節(jié)pH)實(shí)驗(yàn)組持續(xù)時(shí)間較短，僅23天，配料比為9∶1、4∶1、7∶3、0∶1的實(shí)驗(yàn)組發(fā)酵時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，均在45天左右?？偖a(chǎn)氣量表現(xiàn)為配料比9∶1實(shí)驗(yàn)組(5.75 L)>4∶1實(shí)驗(yàn)組(5.37 L)>1∶0(調(diào)節(jié)pH)實(shí)驗(yàn)組(5.35 L)>7∶3實(shí)驗(yàn)組(5.28 L)>0∶1實(shí)驗(yàn)組(0.89 L)。且在培養(yǎng)期內(nèi)，配料比為1∶0(調(diào)節(jié)pH)、9∶1、4∶1、7∶3、0∶1的實(shí)驗(yàn)組分別在第19、16、18、17、18天累積產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量的85%。由此可見(jiàn)，污泥的添加可以使體系累積產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量85%的時(shí)間提前1～3天，但隨著污泥所占比例的增加，體系總產(chǎn)氣量不斷減少。

圖5 不同配比下的累計(jì)產(chǎn)氣變化Fig.5 Variation of cumulative gas production at different ratios

圖6可以看出，餐廚漿料組將pH調(diào)節(jié)到6.5后發(fā)酵時(shí)間短于調(diào)節(jié)前，調(diào)節(jié)pH后的時(shí)間為23天，調(diào)節(jié)前為26天?？偖a(chǎn)氣量調(diào)節(jié)pH實(shí)驗(yàn)組(5.35 L)大于未調(diào)節(jié)pH組(4.07 L)。同時(shí)在整個(gè)培養(yǎng)期，調(diào)節(jié)pH實(shí)驗(yàn)組在第19天累積產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量的85%，而未調(diào)節(jié)pH實(shí)驗(yàn)組相對(duì)較晚，在第24天達(dá)到總產(chǎn)氣量的85%。

圖6 不同pH下的累計(jì)產(chǎn)氣變化Fig.6 Variation of cumulative gas production at different pH values

表4列出了本次實(shí)驗(yàn)各配料比體系及前期實(shí)驗(yàn)產(chǎn)氣潛力。

表4 原料產(chǎn)氣潛力Table 4 Gas production potential of raw materials

從表4中可以看出，不同配料比原料單位TS產(chǎn)氣率差距較大，表現(xiàn)為配料比1∶0(調(diào)節(jié)pH)實(shí)驗(yàn)組(757.79 m3/t TS)>9∶1實(shí)驗(yàn)組(463.12 m3/t TS)>4∶1實(shí)驗(yàn)組(301.81 m3/t TS)>7∶3實(shí)驗(yàn)組(228.29 m3/t TS)>0∶1實(shí)驗(yàn)組(48.81 m3/t TS)。由此可見(jiàn)，隨著污泥所占比例的增加，體系產(chǎn)氣潛力逐漸降低。

此外，pH條件對(duì)餐廚厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣影響也較大。將pH調(diào)節(jié)到6.5的餐廚漿料實(shí)驗(yàn)組原料單位TS產(chǎn)氣率(757.79 m3/t TS)大于未調(diào)節(jié)pH實(shí)驗(yàn)組(575.05 m3/t TS)。這是因?yàn)閜H值過(guò)低，微生物的生命代謝受到抑制，導(dǎo)致餐廚漿料厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量大大降低。工程上建議：餐廚/污泥配料比為1∶0的停留時(shí)間為19天，餐廚/污泥配料比為9∶1的停留時(shí)間為16天，餐廚/污泥配料比為4∶1的停留時(shí)間為18天，餐廚/污泥配料比為7∶3的停留時(shí)間為17天，餐廚/污泥配料比為0∶1的停留時(shí)間為18天。

2.2 餐廚垃圾產(chǎn)沼氣發(fā)電與火力發(fā)電的環(huán)境排放對(duì)比

全生命周期沼氣發(fā)電與火力發(fā)電的環(huán)境排放物對(duì)比數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 沼氣發(fā)電與火力發(fā)電的環(huán)境排放比較Table 5 Comparison of environmental emissions between biogas power generation and thermal power generation

由表5可知，沼氣經(jīng)凈化后發(fā)電的SO2排放主要集中在上游階段，整個(gè)周期SO2排放量?jī)H占火力發(fā)電的28.20%；沼氣發(fā)電的CO2排放量主要集中在上游，這主要受垃圾車(chē)收運(yùn)、生產(chǎn)柴油以及產(chǎn)沼氣三個(gè)階段的影響，在整個(gè)生命周期中，沼氣發(fā)電CO2排放量只有火力發(fā)電的33.25%；沼氣發(fā)電CO的排放量占到火力發(fā)電的43.87%，兩個(gè)階段幾乎相等，但火力發(fā)電相差較大；NOX的排放量上，沼氣發(fā)電僅占火力發(fā)電過(guò)程的9.44%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的火力發(fā)電排放；沼氣發(fā)電的全生命周期VOC的排放量占到火力發(fā)電的20.39%。

該工程的環(huán)境影響潛值以及經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、加權(quán)賦值后的環(huán)境影響潛值如表6所示。

表6 沼氣發(fā)電與火力發(fā)電環(huán)境影響潛值Table 6 Environmental impact potential of biogas power generation and thermal power generation

由表6可見(jiàn)，餐廚垃圾產(chǎn)沼氣發(fā)電與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，全周期都呈現(xiàn)較高的環(huán)境影響潛值，其中酸化的環(huán)境減排能力最高，比火力發(fā)電高達(dá)93.26%，其次是全球變暖減排89.97%和人體健康減排了78.72%，表明餐廚垃圾資源化產(chǎn)沼氣發(fā)電具有非常高的環(huán)境潛值。

3 結(jié) 論

(1)由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，餐廚垃圾本身的產(chǎn)氣量很高，日產(chǎn)氣量可達(dá)0.92 L/天，適當(dāng)比例污泥的添加會(huì)促進(jìn)產(chǎn)氣發(fā)生，當(dāng)餐廚垃圾與污泥比為9∶1時(shí)促進(jìn)效果最好，可使體系產(chǎn)氣高峰期提前3～4天。

(2)基于生命周期評(píng)價(jià)方法，餐廚垃圾產(chǎn)沼氣發(fā)電全生命周期的污染物排放量都明顯低于傳統(tǒng)的火力發(fā)電，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)賦權(quán)后，環(huán)境影響潛值由高到低依次是酸化(AP)、全球變暖(GWP)、人體健康(HTP)、富營(yíng)養(yǎng)化(EP)，其中酸化(AP)具有最高的環(huán)境減排能力，比火力發(fā)電高93.26%。