湖州市餐廚垃圾產(chǎn)沼氣發(fā)電生命周期評價

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帶來嚴(yán)峻的環(huán)境問題[3-5]。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展及人們環(huán)保意識的不斷增強，餐廚垃圾資源化的利用范圍越來越廣泛。餐廚垃圾厭氧消化[6]產(chǎn)生的沼氣可用于車用燃氣[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)電無疑是一舉兩得的方式，既改善了餐廚垃圾堆積帶來的環(huán)境問題也充分解決了傳統(tǒng)火力發(fā)電的能源緊張問題。盡管餐廚垃圾產(chǎn)生的沼氣為清潔能源[12]，但生產(chǎn)過程的復(fù)雜性以及厭氧工藝的不確定性都可能會對環(huán)境產(chǎn)生不利影響，采用生命周期評價方法(LCA)對全周期產(chǎn)沼氣發(fā)電的環(huán)境影響進行分析評價是十分必要的。

全生命周期評價(LCA)方法[13]最早誕生于20世紀(jì)60年代，美國可口可樂公司對飲料的包裝從原材料的獲取直至廢棄物處理進行了全過程的分析評價[14]。作為評估產(chǎn)品、過程和活動在生命周期所有階段的環(huán)境影響的一種國際化標(biāo)準(zhǔn)方法，生命周期評價方法包含四大部分[7，15]：目標(biāo)和范圍定義、生命周期清單分析、生命周期影響評價和結(jié)果解釋[16-17]。近幾年，生命周期評價在建筑垃圾[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]等對水葫蘆厭氧產(chǎn)沼氣發(fā)電的三個階段進行環(huán)境影響評價，找出了對環(huán)境影響最大的階段并提出建設(shè)性建議；吳文君[28]等基于生命周期評價方法對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行了比較評價分析。

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)的混合比例以達到較高的產(chǎn)氣量。實驗首先探究了餐廚垃圾與污泥不同配比混合的產(chǎn)氣性能，然后對日產(chǎn)氣與累積產(chǎn)氣以及pH對產(chǎn)氣性能的影響進行作圖分析，之后就沼氣發(fā)電帶來的環(huán)境影響進行全周期的分析。基于生命周期評價模型，本探究選取了全球變暖(GWP)、酸化(AP)、富營養(yǎng)化(EP)、人體健康(HTP)四個影響類型，針對湖州餐廚垃圾產(chǎn)業(yè)化項目中沼氣發(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)電進行對比，以期為餐廚垃圾沼氣工程提供理論指導(dǎo)。

1 實驗部分

1.1 材料與方法

原料取自湖州項目現(xiàn)場所收集的餐廚漿料、污泥，接種物取湖州項目禽畜糞便產(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表1。

1.2 實驗裝置

實驗采用的產(chǎn)甲烷潛力自動分析儀見圖1，此套裝置主要由發(fā)酵單元、凈化單元、甲烷氣體測定單元3部分組成。發(fā)酵單元：模擬CSTR 批式厭氧發(fā)酵過程，整個厭氧發(fā)酵裝置置于水浴鍋中保持37 ℃恒溫培養(yǎng)，同時進行定時攪拌，以使實驗原料充分混合；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)過該單元后的氣體基本為甲烷氣體；甲烷氣體測定單元：模具化cell設(shè)計，微量氣體流量精準(zhǔn)化測量，內(nèi)置芯片，軟硬件一體化，對數(shù)據(jù)進行采集、分析及輸出。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental device diagram

1.3 實驗方法

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∶1六組實驗，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實驗組中，方案一對pH進行了調(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，具體實驗方案見表2。實驗裝置置于恒溫水浴鍋中保持37 ℃恒溫發(fā)酵，每組設(shè)定2個平行，另外設(shè)定實驗空白對照，以提高實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表2 實驗方案表Table 2 Experimental scheme table

1.4 評價方法

本文擬通過餐廚垃圾經(jīng)過預(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，采用全生命周期評價方法(LCA)對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的電量用于計算餐廚垃圾產(chǎn)沼氣發(fā)電的輸入與輸出，同時火力發(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。整個過程的系統(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目分為以下三個階段：①收運階段，主要是垃圾收運車在運行時消耗柴油時排放的污染物；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主要流程，該階段大部分依靠電力實施；③沼氣發(fā)電階段。此外，火力發(fā)電由原料開采及運輸階段和燃料發(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 影響評價模型

環(huán)境影響評價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)境影響負荷。為探究污染物對環(huán)境的影響，本研究以全球變暖(GWP)、酸化(AP)、富營養(yǎng)化(EP)、人體健康(HTP)四個影響類型進行下一步的分析。依據(jù)排放清單，結(jié)合四種環(huán)境類型的計算方法和當(dāng)量因子、歸一化值、權(quán)重(見表3)分別計算出環(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)對沼氣發(fā)電與火力發(fā)電做出對比分析。

表3 環(huán)境評價模型參數(shù)值Table 3 Parameter values of environmental assessment model

2 結(jié)果討論

2.1 餐廚垃圾產(chǎn)氣性能的試驗探究

2.1.1 日產(chǎn)氣量變化

對不同配比實驗組厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量進行分析，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)實驗組在培養(yǎng)期出現(xiàn)3個產(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的實驗組日產(chǎn)氣量變化趨勢相似，配料比為9∶1實驗組主要高峰期出現(xiàn)在培養(yǎng)后4～20天，配料比為4∶1、7∶3實驗組主要高峰期出現(xiàn)在培養(yǎng)后5～23天，早于未添加污泥的實驗組。配料比為9∶1、4∶1、7∶3的實驗組日產(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實驗組(即污泥實驗組)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?，餐廚垃圾本身的產(chǎn)氣率較高，這可能是因為餐廚垃圾中含有較多的有機物，這些有機物極易被微生物利用[33]。污泥的添加可以促進餐廚漿料的分解，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的實驗組中，未調(diào)節(jié)pH組與調(diào)節(jié)pH組的日產(chǎn)氣量變化趨勢類似，也出現(xiàn)3個產(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

不同配比實驗組厭氧發(fā)酵累積產(chǎn)氣變化如圖5、圖6所示。

圖5表示厭氧發(fā)酵過程的累積產(chǎn)氣量情況，整個發(fā)酵過程餐廚漿料：污泥配料比為1∶0(調(diào)節(jié)pH)實驗組持續(xù)時間較短，僅23天，配料比為9∶1、4∶1、7∶3、0∶1的實驗組發(fā)酵時間相對較長，均在45天左右。總產(chǎn)氣量表現(xiàn)為配料比9∶1實驗組(5.75 L)>4∶1實驗組(5.37 L)>1∶0(調(diào)節(jié)pH)實驗組(5.35 L)>7∶3實驗組(5.28 L)>0∶1實驗組(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的實驗組分別在第19、16、18、17、18天累積產(chǎn)氣量達到總產(chǎn)氣量的85%。由此可見，污泥的添加可以使體系累積產(chǎn)氣量達到總產(chǎn)氣量85%的時間提前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)酵時間短于調(diào)節(jié)前，調(diào)節(jié)pH后的時間為23天，調(diào)節(jié)前為26天。總產(chǎn)氣量調(diào)節(jié)pH實驗組(5.35 L)大于未調(diào)節(jié)pH組(4.07 L)。同時在整個培養(yǎng)期，調(diào)節(jié)pH實驗組在第19天累積產(chǎn)氣量達到總產(chǎn)氣量的85%，而未調(diào)節(jié)pH實驗組相對較晚，在第24天達到總產(chǎn)氣量的85%。

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

表4列出了本次實驗各配料比體系及前期實驗產(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)實驗組(757.79 m3/t TS)>9∶1實驗組(463.12 m3/t TS)>4∶1實驗組(301.81 m3/t TS)>7∶3實驗組(228.29 m3/t TS)>0∶1實驗組(48.81 m3/t TS)。由此可見，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的餐廚漿料實驗組原料單位TS產(chǎn)氣率(757.79 m3/t TS)大于未調(diào)節(jié)pH實驗組(575.05 m3/t TS)。這是因為pH值過低，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的停留時間為19天，餐廚/污泥配料比為9∶1的停留時間為16天，餐廚/污泥配料比為4∶1的停留時間為18天，餐廚/污泥配料比為7∶3的停留時間為17天，餐廚/污泥配料比為0∶1的停留時間為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，整個周期SO2排放量僅占火力發(fā)電的28.20%；沼氣發(fā)電的CO2排放量主要集中在上游，這主要受垃圾車收運、生產(chǎn)柴油以及產(chǎn)沼氣三個階段的影響，在整個生命周期中，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)電過程的9.44%，遠低于傳統(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，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)由實驗結(jié)果得知，餐廚垃圾本身的產(chǎn)氣量很高，日產(chǎn)氣量可達0.92 L/天，適當(dāng)比例污泥的添加會促進產(chǎn)氣發(fā)生，當(dāng)餐廚垃圾與污泥比為9∶1時促進效果最好，可使體系產(chǎn)氣高峰期提前3～4天。

(2)基于生命周期評價方法，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%。