我国厨余垃圾资源化技术的多维绩效评价

近年来，我国大力推进生活垃圾源头分类管理，旨在提高生活垃圾的资源化利用水平，其中源头单独分类收集的厨余垃圾处理和利用尤其受到关注。厨余垃圾指居民日常生活及食品加工、饮食服务和单位供餐等活动中产生的有机垃圾，可分为家庭厨余垃圾、餐厨垃圾和其他厨余垃圾。

据测算，我国生活垃圾清运量中的厨余垃圾占比约为53.7%，总量约为1.15亿t·a^-1；而餐馆和食堂等单元产生的餐厨垃圾可能达到0.6亿t·a^-1。厨余垃圾的总有机质含量一般在10%~20%（湿基），干基有机碳含量达50%，氮、磷和钾等营养元素含量约为2.9%、2.8%和2.1%（湿基），具有一定资源化利用潜力。在全面实行垃圾分类管理制度之后，虽有部分城市已在规划建设专门的厨余垃圾处理设施，但是目前我国主要的厨余垃圾处理方式仍是卫生填埋或焚烧，厨余垃圾中生物质资源的利用水平还较低。

厨余垃圾的资源化利用是垃圾分类管理和“无废城市”建设下的必然趋势，目前已有厌氧消化、好氧生物处理和昆虫饲料转化等技术工艺投入应用实践。

厌氧消化处理技术：在无氧或缺氧环境下对有机物进行转化，最终生成沼气、沼液和沼渣的过程，是当前主流的集中式厨余垃圾处理技术，应用规模一般在100~400t·d^-1。按照反应温度可分为高温（发酵温度50~60℃）、中温（30~35℃）和常温（与自然环境温度相同）厌氧消化；按照原料含固率（TS）可分为干式（TS在20%~35%之间）和湿式（TS＜15%）厌氧消化。

好氧生物处理技术：指在供氧条件下，借助好氧微生物（如细菌和真菌等）降解有机物的过程，可应用于集中式工业堆肥（50~500t·d^-1），也可应用于分散式堆肥（0.1~20t·d^-1），有生化处理机、条垛堆肥、阳光房和简易堆肥等形式。

昆虫饲料转化：将厨余垃圾作为昆虫食物，进而生产高品质生物蛋白质，已有蚯蚓、黑水虻、蝇类和黄粉虫等昆虫类型，产物包括虫体和虫粪。昆虫饲料转化即可应用于集中式生产（50t·d^-1左右），也可应用于社区分散处理（约1t·d^-1）。

此外，还有热解、气化和催化产氢等技术用于厨余垃圾处理，但尚未投入大规模生产应用。

厨余垃圾资源化技术种类众多，在原理、规模和适用性等方面存在差异，系统全面地认识不同类型技术的绩效优缺点，是规划、设计、运维和管理厨余垃圾资源化设施的关键。有研究关注厌氧消化和好氧生物处理技术的碳排放等环境影响指标和经济效益指标，但已有技术评价在综合性指标、系统化分析和数据全面性等方面还有待改进。

目前已有技术经济分析（technologyeconomyanalysis，TEA）、生命周期评价（lifecycleassessment，LCA）和专家评估法等方法应用于技术绩效评价。

LCA常用于产品或服务“从摇篮到坟墓”全过程的环境影响，已有研究将其用于垃圾处理和资源化技术评价。Levis等将LCA应用于厨余垃圾不同处理方式的环境影响比较，认为厌氧消化技术的温室气体、NO_x和SO₂等排放量相对较低。

TEA通过分析比较不同技术方案的经济可行性水平，寻求经济效益的最大化。有研究应用TEA比较了利用厨余垃圾厌氧消化生产5种资源化产物的经济效益，认为从投资回报率上看，生产聚乳酸>生产氢气甲烷混合物>生产乙酸丁酸>生产乳酸>生产甲烷。

技术绩效评价一般通过文献查阅、实地考察、实验测定和专家评定等手段，收集兼具时效性和全面性的本土化数据。由于厨余垃圾资源化利用技术应用（特别是规模化应用）在我国还刚起步，厨余垃圾资源化技术的应用案例还不多见，研究视角也仅落在对个别案例的评估，缺乏全面性的数据参数和标准化的多维绩效评价框架。

本研究基于全生命周期思想，从资源效率、环境影响、经济可行和社会效应这4个维度（REES），筛选了适宜厨余垃圾资源化技术评价的21项指标，构建了厨余垃圾资源化技术的综合评价方法，对厌氧消化、好氧生物处理和昆虫饲料转化等典型技术路线进行绩效评价和短板诊断，旨在为我国厨余垃圾处理技术的工艺选择、规划设计和运维管理提供科学依据。

一、材料与方法

1.系统边界和功能单元：基于全生命周期思想，技术评价边界包括厨余垃圾输入（进场）到资源化产品及各类废弃物输出的全过程（见图1）。厨余垃圾资源化技术评价的功能单元为1t厨余垃圾（含难生化降解的杂质）。其中，输入包括厨余垃圾、能源、辅料、水和土地资源等，输出包括资源化产品和废气、废水和废渣等废弃物。在技术评价过程中，环境影响追溯到每一项投入辅料或能量的“摇篮”阶段；每一项资源化产品的环境效益，以对应的等量替代资源开采量计算。其中，堆肥产品如有机肥和土壤调理剂可认为等量替代了化肥的生产，本研究中将堆肥产品中磷和钾元素分别按照替代矿物开采过程计算环境效益；沼气和油脂等资源化产品按照等量替代的原则分别替代天然气和柴油的生产过程，其中沼气中甲烷含量采取55%计算，天然气中甲烷含量按照85%计算，油脂转化生物柴油的效率按照80%计算。技术应用案例中包含污水处理设施的，按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918）二级排放标准计算污染物排放量；污水外排至厂界外的污水处理厂的，按照排出厂界时的总量与浓度计算，对于废水处理过程中的物质投入和产生的废弃物不做考虑。废气排放按照环评报告数据计算；厨余垃圾处理过程产生的废渣由于理化性质和后续处理途径难以确定，在本文中不考虑其产热产电效益和废气等环境排放。

各项厨余垃圾资源化技术投入的物料、资源化产品和污染物的环境影响分析采用EcoInvent数据库，优先选择中国本地化数据，其次为全球平均数据，评价方法为ReCiPe 2016 Midpoint（H）。除能源、水资源和环境污染物等共性投入-产出物外，厨余垃圾厌氧消化工艺考虑沼气脱硫剂、混凝剂和酸碱投入，以及沼气和油脂等资源化产品产出；好氧生物处理过程考虑添加剂和絮凝剂等投入和有机肥和土壤改良剂等资源化产品产出；昆虫饲料转化考虑蛋白质和脂肪等资源化产品产出（图1）。

图1 厨余垃圾资源化技术多维绩效评价的系统边界与物质及能量输入-输出类型数据收集方法

本研究筛选了全国范围内已建成或在建的典型厨余垃圾处理项目，按照技术应用的规模和应用方式分为集中式和分散式两类。集中式处理技术的处理能力＞50t·d^-1，其环境影响评价报告书或可行性研究报告作为技术工艺参数的数据来源。

分散式处理技术是在乡镇（街道）或城乡社区尺度应用的厨余垃圾资源化技术，本研究采用实地调研的方式获得厨余垃圾社区堆肥的技术参数。本研究共获得了6个厌氧消化处理、6个好氧生物处理和2个昆虫饲料转化处理案例的基础数据，其基本信息见表1。在实际技术应用过程中，厨余垃圾的杂质含量和含水率等理化性质随城市、分类纯度和季节等因素会呈现明显变化，按该应用案例的可行性研究报告或环境影响评价报告中设定的厨余垃圾原始物料特征计算。

表1 厨余垃圾资源化技术研究案例的基本信息

多维绩效评价指标体系本研究采用的评价方法和指标体系基于中国循环经济协会团体标准《固体废物资源化技术多维绩效评价技术规范》（T/CACE 050-2022）中的推荐指标，指标说明参见该标准。本研究根据厨余垃圾资源化技术特点对推荐指标进行了调整，表2列出了不同技术应用案例的指标计算数值。对主要指标的调整说明如下。

（1）战略资源回收的稀缺性贡献指标中，结合厨余垃圾处理技术的特点，只考虑磷、钾和天然气这3类战略资源，仍按铜当量计算（Cu_eq），其储量按照国家统计局统计数据计算。

（2）由于社区分散式处理案例基本无直接经济效益，故而选择将净现值指标作为衡量经济可行维度的指标之一。根据技术规模的不同，集中式处理技术的服务期按20a计算，社区分散式处理技术的服务期按10a计算。

表2 厨余垃圾资源化技术的多维绩效评价指标体系和研究案例的指标测算数值

指标无量纲化采用以下方法对正负向定量指标和定性指标的具体数值进行无量纲化处理。

1. 定量指标的无量纲化

对于正向指标，其具体数值的无量纲化按照公式（1）进行：

对于负向指标，其具体数值的无量纲化按照公式（2）进行：

式中，a₁为指标的上限值；a₂为指标的下限值；x为原始指标值；y为无量纲化后的指标值。

2. 定性指标的无量纲化

S₂和S₃为定性指标，取值在[0，1]之间，无需再进行无量纲化，即y=x。权重分配和绩效得分计算1. 权重分配

采用均一权重法计算4个维度下的得分，各维度满分为25分，各维度下的指标也均一赋分，总分为100分。

2. 绩效得分

对各个维度的值求和后可得到评价对象的绩效表现总分P，按照公式（3）计算。

式中，R_i为资源效率指标i在无量纲化后的数值；E_ni为环境影响指标i在无量纲化后的数值；E_ci为经济可行指标i在无量纲化后的数值；S_i为社会效应指标i在无量纲化后的数值。

3. 结果展示和比较

通过Origin 2021绘制不同处理技术的多维绩效结果（图2）和不同类别处理技术的整体分布情况（图3）。图2 厨余垃圾资源化技术的多维绩效评价结果

图3 集中式与分散式厨余垃圾资源化技术四维绩效表现比较

二结果与分析
1.厌氧消化处理技术：厨余垃圾厌氧消化处理技术的REES四维绩效得分均值依次为16.70、16.09、17.26和8.34分[图2（a）]，总分均值为58.39分。中温干式厌氧工艺在战略资源回收的稀缺性贡献（0.10kg·t^-1，以Cu_eq计，下同）、净现值（31349.70万元）和吨均运行成本（170.07元·t^-1）指标上，比厌氧消化技术应用案例的平均值分别高0.05kg·t^-1、10976.00万元和-75.41元·t^-1（“-”表示低于平均值，对于负向指标而言，取值越低绩效越优，下同）。中温湿式厌氧工艺在辅料消耗（0.03t·t^-1）、吨均水消耗量（0.10t·t^-1）、吨均土地占用（38.41m²·t^-1）、余热利用率（25.25%）、酸化（0.04kg·t^-1，以SO_2eq计，下同）和光化学污染（0.03kg·t^-1，以NMVOC_eq计，下同）方面的绩效更好，分别高于平均值的-0.10t·t^-1、-0.33t·t^-1、-22.49m²·t^-1、12.58%、-0.32kg·t^-1和-0.14kg·t^-1。高温湿式厌氧工艺在吨均能耗（0.002tce·t^-1）、厨余垃圾资源化率（91.96%）、气候变化（7.00kg·t^-1，以CO_2eq计，下同）、人体毒性（-5.30kg·t^-1，以1，4-DCB_eq计，下同）、生态毒性（-14.82kg·t^-1，以1，4-DCB_eq计，下同）、销售净利润率（31.81%）和就业效益（0.005个·万元^-1）上处于优势，分别高出平均值-0.01tce·t^-1、11.10%、-40.82kg·t^-1、-3.53kg·t^-1、-9.86kg·t^-1、3.85%和0.002个·万元^-1。除水循环利用率、富营养化、吨均投资成本、就业效益、循环经济示范性和职业暴露风险等指标外，厨余垃圾厌氧消化处理技术的各应用案例间呈现较大的波动（表2）。例如，厨余垃圾资源化率分布在62.95%~98.50%之间，这与厨余垃圾原料的杂质含量、纯度和预处理工艺相关。同一技术类型下的部分指标差异也较大，如中温湿式厌氧消化处理的水循环利用率为0.04t·t^-1和0.84t·t^-1，高温湿式厌氧消化处理为0.13t·t^-1和0.77t·t^-1，这说明同一技术路线下不同的辅助工艺流程也可能存在较大差异。此外，干式厌氧消化A和B的对比结果表明，沼渣和沼液的处理方式和物质流向将显著影响其环境影响指标，如光化学污染影响可从7.27kg·t^-1下降到-1.23kg·t^-1。

2.好氧生物处理技术：好氧生物处理技术的REES四维绩效得分均值为12.24、13.21、12.30和11.41分，总分均值为49.16分[图2（b）]。分散式好氧堆肥无资源化产品销售收益，因此集中式过程在净利润率上占据优势，高出约27%。除在吨均土地占用、战略资源回收的稀缺性贡献和富营养化上没有明显差别外，集中式相对于分散式技术在吨均原辅料消耗、酸化效应、销售净利润率和循环经济示范性等方面具较优，分别高出-1.02t·t^-1、-2.73kg·t^-1、26.82%和0.75分；后者在新鲜水消耗、资源化率、气候变化、光化学污染、人体毒性、生态毒性、净现值、吨均投资、就业效益和职业暴露风险等方面具有优势，分别高出-0.03tce·t^-1、-0.28m³·t^-1、56.44%、-128.96kg·t^-1、-0.37kg·t^-1、-13.49kg·t^-1、-0.61kg·t^-1、5270.24万元、-52.40万元·（t·d）^-1、-59.15元·t^-1、1.65个·万元-1和0.13分。

厨余垃圾的分散式好氧生物处理可进一步分为两类：社区简易堆肥和生化处理机，主要差异在于后者配备有专门的机械设备用于粉碎、堆肥和污水处理等过程。分散式生化处理机的绩效表现总得分为53.74分，高于简易社区堆肥（均值为50.39分）。相对于社区简易堆肥，分散式生化处理机在原辅料消耗、吨均土地占用、气候变化、酸化效应和生态毒性表现更佳，分别高出-1.47t·t^-1、-0.01tce·t^-1、-38.22m²·（t·d）^-1、-138.58kg·t^-1、-4.14kg·t^-1和-138.97元·t^-1。而社区简易堆肥在吨均水消耗量、战略资源回收的稀缺性贡献、光化学污染、人体毒性、生态毒性、净现值、吨均投资和就业效益等方面具有一定的优势，分别高出-0.15m³·t^-1、0.10kg·t^-1、-0.01kg·t^-1、-4.91kg·t^-1、-0.13kg·t^-1、76.21万元、-5.22万元·（t·d）^-1和2.12个·万元^-1。

3.昆虫饲料转化：厨余垃圾昆虫饲料转化处理技术的REES四维绩效表现均值分别为14.03、19.58、9.34和16.74分[图2（c）]，总分均值为59.65分。一方面，厨余垃圾的昆虫饲料转化过程需要较少的物资和能源投入，仅需维持生物生长环境的基本条件。集中式技术应用仅需0.07t·t^-1的辅料投入和0.01tce·t^-1的能源投入（表2），远低于所有技术应用均值的0.47t·t^-1和0.02tce·t^-1。同时，转化后的产品如蛋白质和虫卵品质优良，具有较高的经济效益，如销售净利润率为26%，显著高于总体均值的17%。另一方面，昆虫饲料转化过程基本没有职工暴露风险（如接触有毒有害物质的风险），因此该技术具有较高的经济和社会绩效。

此外，厨余垃圾的昆虫饲料转化工艺在原辅料消耗、吨均综合能耗、战略资源回收的稀缺性贡献、气候变化、酸化效应、光化学污染、人体毒性和循环经济示范性等指标上表现更佳，分别高出所有技术应用均值的-0.44t·t^-1、-0.01tce·t^-1、0.08kg·t^-1、-75.43kg·t^-1、-1.03kg·t^-1、-0.14kg·t^-1、-5.56kg·t^-1、6.17%、0.21分和0.13分。集中式的昆虫饲料转化相对于分散式的得分更高，二者差异主要在经济效益维度上，分别为17.3分和1.4分。这主要是因为集中式和规模化的生产摊低了厨余垃圾昆虫饲料转化处理技术应用的设备和运行费用投入。

4. 集中式与分散式处理技术比较

图3显示了不同规模与应用方式下（即集中式和分散式）的厨余垃圾资源化技术在资源效率、环境影响、经济可行和社会效应这4个维度上的绩效差异。从已收集的技术应用案例均值看，集中式处理技术在资源效率和经济可行维度上的指标较优，维度分值比分散式处理技术高13%和62%；分散式处理技术在环境影响和社会效应维度上的指标较优，维度分值比集中式处理技术高8%和34%。这是因为集中式处理技术具有一定的规模效应，在吨均土地占用、水循环利用和余热利用等方面具有更大的优势；同时其单位投资建设费用和运行成本相对也偏低，资源化产品销售具有一定规模且经济收益较好。

而分散式处理技术由于其化学品辅料添加量较少且能耗较低，特别是社区简易堆肥的部分应用案例几乎没有能耗，因此在全生命周期环境影响的角度具有一定优势。此外，分散式处理技术采用的设施和设备较为简单，运行过程中的职业暴露风险较低，提升其社会效应维度的得分。这说明，在不同的技术应用目标约束下，集中式和分散式处理技术具有各自的优劣势，具有不同的适用范围。

图3也可说明集中式和分散式处理技术下，不同技术类型的四维绩效得分具有较大幅度的差异。除分散式处理技术的资源效率维度指标外，其他绩效指标都呈现不同程度的波动。总体而言，集中式技术的绩效得分呈现更加分散的趋势，即纵向变化幅度更大（上限更高且下限更低），如图3（a）所示。特别是在集中式处理技术的资源效率维度，得分最高的中温湿式厌氧技术（19.58分）比得分最低的生化处理机技术（9.82分）高约1倍；同样，在环境影响维度，得分最高的高温湿式厌氧（20.46分）为得分最低的生化处理机技术（好氧A，3.35分）的6.1倍。

此外，在所有的技术应用案例中，出现了少数大幅偏离同类规模技术的应用案例，如集中式处理技术中的好氧A，在环境影响和经济可行维度明显低于其他技术应用；分散式处理技术中的生物B（黑水虻饲养）在经济可行维度明显低于其他技术应用。在相同处理规模、分布方式和技术原理下，技术应用案例绩效得分存在差异，这说明技术应用案例的工艺设计、装备水平和运行维护等对技术绩效的影响可能较大。

三、讨论

本研究基于《固体废物资源化技术多维绩效评价技术规范》（T/CACE 050-2022），对我国的14项典型厨余垃圾资源化技术应用案例进行了定量化综合评价。总体而言，不同类型的技术应用均存在得分较高或较低的绩效，对应的有各自需要重点提升和优化的方向。已收集技术应用案例的均一化绩效评价结果显示，在集中式处理技术路线中，昆虫饲料转化和厌氧消化（特别是中温湿式厌氧消化）具有更高的综合绩效得分；在分散式处理技术路线中，分散式生化处理机具有更高的综合绩效得分。

厌氧消化技术在资源效率和环境影响方面仍有提升的空间，如沼渣和沼液的资源利用和吨均综合能耗降低等方面，可大幅提高其综合绩效水平。好氧生物处理技术需要在吨均能耗、温室气体排放和资源化产品的经济可行等方面提升。昆虫饲料转化的提升也可主要关注在经济可行上面，其吨均投资较高，仅在标准化且规模化生产的前提下才会产生较高的经济效益。

从处理规模和应用方式看，集中式和分散式技术各有优劣，在实际的技术推广应用中，处理技术可结合当地的厨余垃圾理化性质、生活垃圾分类收集工作推进情况、财政承担能力和收运距离等多因素综合考量，因地制宜地选择适宜技术路线。

本研究收集的技术案例几乎均以厨余垃圾为单一原料，在原料含水率和碳氮比调配等预处理过程中会产生较高的资源与能源消耗，进而降低技术的绩效。在未来的技术应用中，尤其是在县城和村镇等厨余垃圾产量相对较低的场景下，厨余垃圾、园林垃圾和污泥粪污等多源物料的协同处理将是提升技术绩效的有效途径。此外，土地占用和全周期投资建设与运行维护费用是城市管理者和厨余垃圾处理项目投资者关注的重点内容。

本研究表明，厨余垃圾的昆虫饲料转化需要消耗较大的土地面积，其次为好氧生物处理，厌氧消化技术的吨均占地面积较小。社区简易堆肥技术目前在全国已有一定数量的应用案例，可充分利用社区的闲置用地构建有机质微循环细胞单元。因此，尽管在本研究中社区堆肥在吨均土地占用等指标上高于集中式处理技术，但社区堆肥在弘扬“无废细胞”文化和降低垃圾清运费用等方面同样具有优势。

厨余垃圾是城市重要的碳排放源之一，也是城市节能-减污-降碳协同增效目标实现的重点领域。本研究在分析了6类主要的全生命周期环境影响绩效后发现，厌氧消化、好氧处理和昆虫饲养等技术的碳排放（气候变化E_n1）、同吨均能耗（R₂）、光化学污染（E_n3）和人体毒性（E_n4）之间具有显著的相关性，碳排放可以作为不同类型厨余垃圾资源化技术环境影响比较的重点。

有研究认为厨余垃圾厌氧消化处理设施可能成为间接的“碳汇”，即其资源化产品可替代原生资源开采而带来碳减排，如沼气发电和油脂转化为生物柴油等。本文测算的技术碳足迹（气候变化潜值，以CO_2eq计）的取值在-13.86~112.82kg·t^-1之间。其中，高温湿式厌氧工艺的温室气体碳足迹为负值，中温干式厌氧消化工艺和中温湿式厌氧消化工艺的温室气体碳足迹为正值，主要是由于高温湿式厌氧工艺具有更高的甲烷产率，且中温干式厌氧和中温湿式厌氧消化案例的吨均能耗较高。基于现场实测的研究表明，即使考虑了堆肥产品营养物质的碳减排作用，厨余垃圾堆肥处理仍是净碳排放源。这主要是因为堆肥过程中局部供氧不足可能产生CH₄和N₂O等温室气体，其排放强度在0.034~4.2kg·t^-1和0.092~0.78kg·t^-1之间波动。

本研究考虑了技术应用过程辅料和能源投入的全生命周期碳排放，以及有机肥等资源化产品的替代作用导致的碳减排。结果表明，在各项技术的应用中应进一步致力于处理过程中的能耗水平降低和甲烷、沼渣和有机肥等有机碳资源的再生利用。

厨余垃圾资源化利用技术的应用在我国刚刚起步，因此不同类型技术的数据积累仍然不足，需要开展更为深入的研究。首先，在技术类型和技术应用案例覆盖度上，本研究仅包括厌氧消化、生化处理机、社区堆肥和黑水虻昆虫饲养转化等技术类型，目前还有热解、水解、黄粉虫和蚯蚓等其他昆虫饲养转化技术的应用，由于缺乏可靠的技术资料，本研究未开展此类技术的分析比较。第二，厨余垃圾集中式处理技术参数的数据来源基本是项目环境影响评价报告和可行性研究报告，目前仍缺乏实际生产中的运行参数，未来需要开展更多的厨余垃圾技术应用测评研究，以更为客观地反映技术应用的实际绩效。第三，本研究收集的技术应用案例中，原料存在一定差异，部分为单一的餐厨垃圾或家庭厨余垃圾，给分析结果带来不确定性。随着我国更多的厨余垃圾处理技术应用案例投入应用，未来的技术比较可以进一步体现不同处理物料下技术绩效的差异，为多源厨余垃圾物料的资源化利用提供科学依据。

四、结论

1. 本研究收集的厨余垃圾处理技术应用案例显示，厨余垃圾昆虫饲料转化和厌氧消化处理的多维绩效高于好氧生物处理，在细分技术中集中式黑水虻转化和中温湿式厌氧消化处理技术的绩效得分较高，资源效率-环境影响-经济可行-社会效应四维绩效评价方法可为技术优化提供方法学支撑。

2. 厌氧消化技术在资源效率和环境影响维度上有改进空间，如沼液沼渣的再利用等；好氧生物处理技术在能耗、废气处理和资源化产品销售等方面有待提升；昆虫生物转化的主要改进方向可侧重于分散式小规模应用的费用-效益比提升。

3. 不同规模的技术具有各自的适用场景。以均一化权重的赋值结果来看，集中式技术在资源效率和经济可行维度上绩效表现更佳；分散式技术在环境影响和社会效应维度上绩效表现更优。在厨余垃圾处理和管理实践中，需要根据当地实际情况筛选适宜的技术路线。