廚余垃圾厭氧沼渣處理案例探析

來源《CE碳科技》微信公眾號(hào)

作者中城環(huán)境 鄭葦、康建邨、馬換梅、高波、李波、陳子璇

鄭葦現(xiàn)任中城環(huán)境天津分公司副總工，博士，高級(jí)工程師，先后參與洛磧餐廚垃圾處理廠、合肥小廟有機(jī)資源處理中心、太原循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園控規(guī)、原馬鋼（合肥）地塊中部片區(qū)污染土壤修復(fù)工程等數(shù)十個(gè)項(xiàng)目咨詢和設(shè)計(jì)。

隨著生活垃圾分類政策推行，上海、北京、杭州、寧波、福州、合肥、重慶等城市相繼落地廚余垃圾處理設(shè)施，該設(shè)施主要采用干法厭氧產(chǎn)沼的資源化利用方案，但此類項(xiàng)目會(huì)產(chǎn)生大量的消化殘余物，工程上一般采用螺旋擠壓脫水+振動(dòng)篩分除砂+高速離心脫水的三級(jí)固液分離方式對(duì)其進(jìn)行深度處理，實(shí)現(xiàn)固液分離，獲得脫水沼渣，沼渣產(chǎn)生量約為干法厭氧進(jìn)料量的40%~60%。

厭氧沼渣資源化的重要方式是通過堆肥生產(chǎn)有機(jī)肥，目前主要針對(duì)農(nóng)作物秸稈、畜禽糞污、餐廚垃圾、市政污泥等有機(jī)廢棄物的厭氧沼渣堆肥效果進(jìn)行了研究禽畜糞便沼渣堆肥應(yīng)用主要問題在于鹽含量高達(dá)1%，且重金屬Cu、Zn、As超標(biāo)頻率高；餐廚垃圾沼渣堆肥應(yīng)用主要問題在于鹽含量高達(dá)2%；市政污泥沼渣堆肥應(yīng)用主要問題在于As、Cr、Cu、Zn普遍超標(biāo)。然而，廚余垃圾為生活垃圾分類產(chǎn)物，雜物含量是影響其沼渣堆肥應(yīng)用的重要影響因素，對(duì)此目前缺乏研究。

另外，由于廚余垃圾和農(nóng)作物秸稈、畜禽糞污、餐廚垃圾、市政污泥等有機(jī)固廢相比，雜物含量高、雜物種類多，需要對(duì)堆肥進(jìn)行后處理，而對(duì)后處理效果尚無相關(guān)報(bào)道。

因此，本研究針對(duì)我國(guó)某一典型城市的廚余垃圾處理工程案例進(jìn)行調(diào)研，分析進(jìn)料、沼渣、堆肥的物理組成特性，明確雜物去除效率，研究堆肥前后植物毒性、生物穩(wěn)定性、溶解性物質(zhì)特征，為廚余垃圾消化殘余物處理工藝優(yōu)化提供參數(shù)參考。

一、材料與方法

1. 案例簡(jiǎn)介和物料來源

調(diào)研的廚余垃圾處理工程案例具體工藝和采樣點(diǎn)見圖1。采集原生廚余垃圾、一級(jí)沼渣、二級(jí)沼渣以及堆肥篩分產(chǎn)品（以下簡(jiǎn)稱“堆肥”），并按CJ/T313—2019生活垃圾采樣和分析方法規(guī)定進(jìn)行樣品采集。

圖1 案例工藝和取樣點(diǎn)位示意

2. 測(cè)定分析方法

TS、VS及物理組分依據(jù)CJ/T313—2019中重量法測(cè)定。生物穩(wěn)定性采用四日好氧呼吸速率指數(shù)（AT4）表征，并參照德國(guó)2001年《Ordinance on Environmentally Compatible Storage of Waste from Human Settlements and on Biological Waste-Treatment ?Facilities》法令規(guī)定測(cè)定。

植物毒性采用種子發(fā)芽率（GI）表征，并依據(jù)CJJ52—2014生活垃圾堆肥處理技術(shù)規(guī)范規(guī)定測(cè)定，浸提液按照固液比1:10（樣品干基質(zhì)量/蒸餾水體積）制取，選用蘿卜種子測(cè)定；同步測(cè)定浸提液pH、溶解性氨氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）、COD和BOD。pH采用玻璃電極法測(cè)定，NH4+-N和NO3--N采用HACH試劑比色法測(cè)定，COD、BOD分別采用HACHCOD測(cè)定儀、自動(dòng)測(cè)定儀（OxiTop IS 12，WTW，Germany）測(cè)定。

3. 數(shù)據(jù)處理與分析方法

數(shù)據(jù)分析及繪圖分別利用Excel和Origin Pro軟件平臺(tái)完成。

二、結(jié)果與討論

1. 物理組成特征

原生廚余垃圾、一級(jí)沼渣、二級(jí)沼渣和堆肥的物理組成特征如表1所示。我國(guó)廚余垃圾分類處于起步階段，除上海等極少數(shù)城市正確投放率高，雜物含量?jī)H為10%，其余大部分城市目前分類收集的廚余垃圾雜物含量仍然較高，一般約25%，如孫廣雨報(bào)道的武漢廚余垃圾含雜率約25.8%，與本研究調(diào)研廚余垃圾含雜率27.5%相近。

表1 物料物理組成特征

注“其他”為分類后不可辨認(rèn)物。

另外，根據(jù)案例統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，一級(jí)沼渣獲得量約為消化殘余物總量的25%，二級(jí)沼渣獲得量約為消化殘余物總量的10%，則消化殘余物TS和VS分別約為13.3%和54.1%，其他、木竹類、橡塑類、玻璃、石頭、貝骨占比分別為72.9%、6.5%、3.0%、3.4%、0.9%、13.1%。根據(jù)各類物料比例可知，經(jīng)過預(yù)處理，橡塑類、金屬類、紡織物被大量去除，但硬性易碎物料（玻璃、石頭、貝骨）和長(zhǎng)纖維狀物料（木竹）經(jīng)過預(yù)處理和厭氧發(fā)酵反而有所富集，殘余物中干基比例增加。

同時(shí)，消化殘余物經(jīng)過三級(jí)篩分，一級(jí)沼渣中雜物含量較高，約32%。二級(jí)沼渣中雜物含量較低，＜1%。但二級(jí)沼渣的VS較低（較一級(jí)沼渣低16%），含水率高（較一級(jí)沼渣高23.5%），整體性狀黏稠不透氣，若用二級(jí)沼渣堆肥需要添加秸稈等調(diào)理劑，調(diào)整C/N為20~30，同時(shí)增加其透氣性，降低含水率。

一級(jí)沼渣經(jīng)過堆肥和篩分（15mm）處理后，含水率和雜物含量（0.5%）明顯降低，基本滿足GB/T33891—2017綠化用有機(jī)基質(zhì)中開放綠地和林地用有機(jī)基質(zhì)含水率≤40%、有機(jī)質(zhì)≥25%、塑料≤0.5%、玻璃和金屬≤2%的要求。因此，一級(jí)沼渣好氧堆肥降低含水率后篩分效果良好，但也需注意獲得的堆肥產(chǎn)品中仍然存在玻璃、石頭等尖銳物，需充分考慮其應(yīng)用過程中人員接觸問題，防止尖銳物對(duì)接觸人員造成物理性損傷。

2. 生物穩(wěn)定性

生物穩(wěn)定性主要考量物料的腐熟程度，避免土地施用過程降解發(fā)臭和產(chǎn)生滲濾液的不良環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，因此原始廚余垃圾不進(jìn)行生物穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。一級(jí)沼渣、二級(jí)沼渣、堆肥的AT4（以干基計(jì)）分別為（58.7±0.9）、（61.8±2.6）、（19.8±1.5）mg/g。歐盟、奧地利和德國(guó)、美國(guó)的AT4（以干基計(jì)）分別為≤10、≤5、≤35mg/g。

應(yīng)進(jìn)一步好氧堆肥處理，提高其生物穩(wěn)定性。一級(jí)沼渣經(jīng)過20d的好氧堆肥，AT4顯著降低，滿足美國(guó)關(guān)于AT4（以干基計(jì)）≤35mg/g的要求。與金樹權(quán)等和白玲等研究沼渣堆肥時(shí)間20d即可完成腐熟結(jié)論一致。

3. 植物毒性

物料植物毒性主要考量施用于土壤后對(duì)植物的影響，因此原始廚余垃圾不進(jìn)行植物毒性實(shí)驗(yàn)。一級(jí)沼渣、二級(jí)沼渣、堆肥的種子發(fā)芽實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

注陳子璇于2021-03-12在天津拍攝。

圖2 種子發(fā)芽實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意

可見，一級(jí)沼渣和二級(jí)沼渣皆有較大的植物毒性，GI基本為0。文獻(xiàn)中沼渣GI研究結(jié)果一般為55%~75%。這主要是因?yàn)槲墨I(xiàn)中GI測(cè)量的浸提液采用鮮質(zhì)量比1∶10配制，而本研究根據(jù)CJJ52—2014要求，GI測(cè)量的浸提液按干基固液比1∶10制取，使得浸提液濃度較其他研究高，從而GI降低。這與宋彩紅等采用干基比研究沼渣的GI結(jié)果相似（26.8％）。

另外廚余垃圾采用干法厭氧消化，因其濃度高，降解時(shí)間理論上應(yīng)長(zhǎng)于濕法厭氧消化，但由于目前干法厭氧裝置基本依托于進(jìn)口，投資遠(yuǎn)高于濕法厭氧，為節(jié)省投資，目前干法厭氧停留時(shí)間反而較濕法厭氧短，導(dǎo)致出料進(jìn)一步不穩(wěn)定，植物毒性高。

經(jīng)過20d好氧堆肥，GI顯著提高至91.1%±6.3%，滿足GB/T33891—2017中綠地林地用有機(jī)基質(zhì)GI≥65%和NY/T525—2021有機(jī)肥料中GI≥70%的要求。

4. 溶解性物質(zhì)特征

一級(jí)沼渣、二級(jí)沼渣、堆肥中pH、NH4+-N、NO3--N、COD、BOD含量見表2。

表2 溶解性物質(zhì)特性

（1）pH

一級(jí)沼渣、二級(jí)沼渣、堆肥按干基比1∶10獲得浸提液的pH。由表2可知，一級(jí)沼渣、二級(jí)沼渣和堆肥溶解性物質(zhì)的pH均在8.0~8.5，經(jīng)過堆肥，溶解性物質(zhì)的pH沒有顯著變化，堆肥產(chǎn)品符合GB/T33891—2017中綠地林地用有機(jī)基質(zhì)pH（4.0~9.5）和NY/T525—2021中pH（5.5~8.5）的要求。

（2）NH4+-N和NO3--N

由表2可知，二級(jí)沼渣溶解性NH4+-N含量最高，為一級(jí)沼渣的2.3倍；二級(jí)沼渣溶解性NO3--N含量與一級(jí)沼渣相近，約為一級(jí)沼渣的1.2倍，因此二級(jí)沼渣總氮含量較一級(jí)沼渣高，可能具有更高的營(yíng)養(yǎng)元素含量，更具有機(jī)肥料應(yīng)用前景。

一級(jí)沼渣經(jīng)過好氧堆肥，約0.6%的NH4+-N好氧轉(zhuǎn)化為NO3--N，使NO3--N增加近1倍，大部分NH4+-N經(jīng)揮發(fā)損失，轉(zhuǎn)化和揮發(fā)使基質(zhì)的溶解性NH4+-N急劇減少，較堆肥之初減少了89.6%。為減少堆肥過程氮素?fù)p失，可考慮添加鳥糞石等調(diào)理劑，實(shí)現(xiàn)固氮效果，提高堆肥產(chǎn)品品質(zhì)。

（3）COD和BOD

由表2可知，一級(jí)沼渣和二級(jí)沼渣溶解性COD相近，皆在4000~5000mg/L，二級(jí)沼渣比一級(jí)沼渣COD略高約10%。一級(jí)沼渣、二級(jí)沼渣溶解性有機(jī)物可生化性高，一級(jí)沼渣BOD/COD為0.42，二級(jí)沼渣BOD/COD為0.69，如果直接施用于土壤中，會(huì)產(chǎn)生高可生化性滲濾液，存在污染土壤和地下水的風(fēng)險(xiǎn)。

一級(jí)沼渣好氧堆肥后，溶解性COD和BOD分別顯著降低35%和82%，可生化性明顯下降為0.12，從側(cè)面反映了堆肥產(chǎn)物腐熟度提高，土壤施用安全性增強(qiáng)。

三、結(jié) 論

目前我國(guó)廚余垃圾厭氧消化殘余物常采用脫水+堆肥+篩分工藝處理，產(chǎn)品基本滿足有機(jī)肥料和綠化用有機(jī)基質(zhì)要求。一級(jí)沼渣經(jīng)20d好氧堆肥，可增強(qiáng)生物穩(wěn)定性，AT4降至20左右；增加腐熟程度，溶解性有機(jī)物BOD/COD降至0.12；降低植物毒性，GI提高至85%以上。

但需注意，一級(jí)沼渣堆肥后必須篩分處理，否則雜物含量將嚴(yán)重超標(biāo)。二級(jí)沼渣雜物含量低，氮含量高，比一級(jí)沼渣更適合堆肥后施用于土壤，但堆肥過程需要添加秸稈等作為調(diào)理劑。

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