餐廚垃圾與市政污泥特性及聯合生物處理技術分析

楊金明，楊玉軍，錢 龍，董 軍

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢 430010）

餐廚垃圾和市政污泥是目前環境領域較難處理的兩種廢棄物，隨著我國城市化進程的加快和人民生活水平的提高，城市餐飲業日益繁榮，城鎮生活用水量增加，致使我國城市餐廚垃圾的產量日益增大，同時生活污水和污水處理副產物市政污泥的產量也日益增大[1-2]。餐廚垃圾地域差異性大，有機質含量高，易變質、腐爛；市政污泥含水率高，含有大量微生物和有毒有害物質，處理不當會對環境造成嚴重污染，將二者無害化、減量化以及資源化是主要的研究內容[3-5]。近年來，人們針對餐廚垃圾和市政污泥各自特點研究出了一些聯合生物處理技術，不僅能同時對這兩種廢物進行減量化、無害化、資源化處理與處置，減少廢棄物處理分支流程，還能提高處理效率，可有效避免單一處理的弊端。本文介紹了餐廚垃圾和市政污泥的基本特性，分析了國內外聯合生物處理技術的研究現狀，為我國餐廚垃圾和市政污泥的高效處理和資源化、能源化利用提供參考。

1 餐廚垃圾和脫水污泥概述

1.1 餐廚垃圾來源及特點

2013年實施的《餐廚垃圾處理技術規范》（CJJ 184-2012）將餐廚垃圾主要分為餐飲垃圾和廚余垃圾兩大類[6]。餐飲垃圾是指飯店、賓館及食堂等公共場所的餐飲剩余物以及后廚在食物加工過程中產生的廢棄物；而廚余垃圾主要包括家庭日常生活中丟棄的剩菜剩飯、水果蔬菜及食物下腳料等廢棄物。

餐廚的特征與當地生活水平、飲食習慣等密切相關。從表1可以看出，餐廚垃圾在成分和特性方面存在顯著的空間變化，主要特征為高含水量、高脂肪含量、高有機物含量和高鹽度[7]。對我國4 個具有地域代表性城市的調查發現，食物和骨頭占餐廚垃圾的比重超過90%，其余的成分主要是紙、塑料等（見表2）[7]。

表1 我國部分城市餐廚垃圾成分

表2 我國部分城市餐廚垃圾組成

1.2 市政污泥特點

市政污泥的主要來源是城鎮污水處理廠的排泥，目前城鎮污水處理廠以生物法處理工藝為主，使得污泥中累積了大量的微生物、病原體、寄生蟲卵以及難生物降解的有毒有害物質。李艷霞對中國16 個城市29 座污水處理廠市政污泥養分進行了統計分析，發現污泥中有機質平均含量達到384 g/kg，氮、磷、鉀總養分含量平均達到48.3 g/kg[8]。由此可見，污泥成分復雜，若不妥善處理，容易產生污泥滲濾液，滋生細菌，造成二次污染，給人們的身體健康造成極大的威脅。

此外，市政污泥含水率較高，水分以自由水、間隙水、表面水和結合水四種形式存在，常用的機械脫水只能去除自由水、間隙水和部分表面吸附水，其余表面水和結合水要求更深入的處理技術才能去除。結合水和剩余的表面水的去除一般需要通過熱處理破壞污泥細胞，使水相變到水蒸汽而被去除[9]。污泥可用作衍生燃料或者填埋處置，但其高含水率特性使得熱值較低、運輸成本高、填埋不穩定，因此污泥的減量化有重要意義。

2 聯合處理技術

將市政污泥與餐廚垃圾進行聯合生物處理，可以相互平衡營養物質，接種微生物，通過二者的耦合作用實現減量化、無害化和資源化處理。目前，國內外研究比較熱門的聯合生物處理技術有聯合厭氧發酵、聯合生物干化以及聯合生物蒸發。

2.1 聯合厭氧消化處理

聯合厭氧消化是在厭氧條件下，利用兼性菌和厭氧菌將市政污泥和餐廚垃圾中復雜的大分子有機物分解為成二氧化碳、甲烷及水等的過程。目前主要利用厭氧消化來產生甲烷和氫氣等能源物質，甲烷和氫氣都是非常理想的能源氣體，有較高的經濟利用價值，而且厭氧消化過程耗能低，對環境污染小[10-14]。由此可見，聯合厭氧消化可實現對餐廚垃圾和市政污泥的同步減容減量處理以及資源化利用。

餐廚垃圾與市政污泥聯合厭氧消化可以實現“1+1 ＞2”的協同效應。市政污泥中的C/N 只有6 ～8，相對較低，單獨厭氧消化可能出現氨抑制現象，不利于甲烷菌生長，導致甲烷產氣量低，而與餐廚垃圾混合可以大量補充厭氧消化所需的C/N；餐廚垃圾中含有大量易水解的碳水化合物，容易引起酸化等不穩定問題，同時餐廚垃圾中高鹽分（Na+）對甲烷菌生長也有不利影響，與市政污泥進行聯合處理可以稀釋餐廚垃圾中對厭氧消化不利物質的濃度[15-17]。王永會等用餐廚垃圾與市政污泥進行聯合厭氧消化，通過設置不同混合比例，研究餐廚垃圾和污泥單獨消化與聯合消化對消化系統的性能、產甲烷潛力的區別[18]。結果表明，與餐廚垃圾、剩余污泥單獨消化相比，二者聯合厭氧消化可以提高產氣效率，尤其當VS 混合比例為1:1 時，沼氣和甲烷產量分別達358.2 mL/g（VS）和224.1 mL/g（VS），較單獨消化估計值分別提高了23.09%和36.80%。同時，聯合厭氧消化可以能調節混合物料pH、VFA 濃度和氨氮濃度，縮短產氣周期。由此可見，聯合消化可以顯著提高系統的穩定性和產氣能力。

目前，聯合厭氧消化還處于基礎研究階段，更多的是集中在技術討論與工程可行性分析上，為加快聯合厭氧消化技術應用于實際生產中，需對協同效應機理及消化過程控制參數進一步研究，為未來工程實踐提供理論指導和技術支持。

2.2 聯合生物干化

由于焚燒法處理餐廚垃圾和市政污泥的效率較高、處理徹底，產生的熱能可實現能源回收利用，因而被廣泛關注。但是，餐廚垃圾與污泥的高含水率降低了燃燒熱值，不做預處理直接燃燒需添加大量輔助燃料，造成投資大的問題，因此餐廚垃圾及污泥的干化脫水處理至關重要。生物干化技術主要是利用微生物好氧發酵降解有機質所產生的生物能為驅動力，配合通風使水分蒸發去除，從而實現廢棄物快速干化[19-20]。與傳統的熱干化相比，其特點在于無需外加熱源，干化所需能量來源于微生物的代謝熱，已被廣泛應用于市政污泥干化脫水處理[21-22]。然而，市政污泥中大多數有機物被微生物細胞膜分離不能用于生物降解，減少了微生物好氧發酵代謝熱的產生，同時污泥含水率過高，污泥自身產熱干化脫水能力有限[23]。將市政污泥與餐廚垃圾進行聯合生物干化處理，污泥可以為餐廚垃圾接種豐富的微生物群體，而餐廚垃圾高有機質含量可以為污泥中的微生物提供碳源，通過兩者的耦合作用，增加生物干化過程中生物熱的產生量，達到更好的水分去除效果，可作為市政污泥和餐廚垃圾制作衍生燃料或者進行垃圾焚燒的預處理手段[24]。

Jiao Ma 等人利用玉米芯作為添加劑，進行脫水污泥和餐廚垃圾聯合生物干化處理研究[25]。結果表明，當餐廚垃圾和脫水污泥質量比為2:2 時，聯合生物干化協同效應明顯，在去除較多水分的同時消耗更少的VS；當玉米芯粒徑＜3 mm、混合物料初始含水率為62.68%及通風速率為0.04 m3/（h·kg）時，生物干化過程得到優化，峰值溫度更高，高溫階段更長，主要是提供了一個適合的自有空域，有利于氧氣的傳質和水蒸氣的散發。此外，苗秋實等研究發現，餐廚垃圾與污泥聯合消化過程中，采用預熱空氣進行曝氣時可縮短干化啟動時間，高溫階段持續時間更長，水分去除率更高；在干化過程中根據溫度變化實時調控曝氣量可以強化干化效果，更加節能；而翻堆雖然可以調整物料的孔隙結構，有助于溫度控制和水分去除，但干化效果不夠明顯[24]。

我國城市污泥產生量較大，聯合生物干化技術是一項具有實際應用價值的新興技術，需要優化生物干化過程的控制策略，下一步要重點對生物干化過程中溫度、通風控制及蒸發之間的相互關系進行更深層次的研究，以提高生物干化的速度和效率。

2.3 聯合生物蒸發處理

生物蒸發法是好氧堆肥和生物干化技術的發展[26-27]。其對廢水有機質含量要求較高，當廢水VS 含量達到120 g/L 時才可以實現生物蒸發“零排放”處理，在研究的初期階段主要集中于用生物干化污泥作添加劑處理餐廚垃圾[26-28]。為擴大生物蒸發處理對象，研究者利用餐廚垃圾VS 含量高的特點，將其與一般高濃度有機廢水混合調節有機質含量以達到生物蒸發處理要求，生物干化污泥作為市政污泥生物干化過程的產物可以為餐廚垃圾和高濃度廢水提供結構支持和接種微生物[29]。將餐廚垃圾（或餐廚垃圾和高濃度廢水的混合液）加入至生物干化污泥中混勻，向混合物料底部通風曝氣時，生物干化污泥中微生物好氧降解混合物料中有機質產生大量代謝熱，混合物料中的水分被代謝熱汽化蒸發，從而實現有機物和水分的同步去 除[26-28]。由于生物蒸發所需熱量來自有機物的降解，不需外加熱源，整個過程的能耗只有曝氣產生，所以該工藝是一項經濟、節能、環保的高濃度有機廢水新興處理技術。

Benqin Yang 等人用生物干化污泥做添加劑，將餐廚垃圾和垃圾滲濾液兩級DTRO 濃縮液進行聯合生物蒸發處理研究[30]。首先將COD 為18 g/L 的濃縮液和COD 為210 g/L 的餐廚垃圾按質量比1.0:1.1混合，調節混合液COD 至120 g/L，脫水污泥經生物干化后含水率為32.59%，然后將混合液與生物干化污泥進行多輪批次處理，通風速率為0.035 m3/（kg TS·h），批次投加量為90%，在以上最佳操作條件下，經過5 輪間歇式批次投料，聯合生物蒸發處理過程中水分總去除率高達96.70%，對應降解消耗總的VS 為96.50%，實現了高效多輪次的濃縮液和餐廚垃圾聯合生物蒸發處理。

生物蒸發技術可以同時處理和處置餐廚垃圾、脫水污泥和高濃度廢液，可以實現餐廚垃圾和高濃度廢液“零排放”處置，最后剩余的污泥可通過衛生填埋處理，其經濟效益和社會效益顯著。為了加快推廣應用，生物蒸發更深層次的機理研究和反應設備的運行、過程控制以及尾氣處理將是下一步研究的重點。

2.4 聯合處理比較

聯合厭氧消化、聯合生物干化及聯合生物蒸發對餐廚垃圾和市政污泥都有減量化和穩定化處理效果，運行機理有很大的相似之處，但三者在工藝目的和工藝參數方面有很大區別。表3是聯合厭氧消化、聯合生物干化及聯合生物蒸發3 種工藝的比較[13-30]。

表3 聯合厭氧消化、聯合生物干化及聯合生物蒸發的比較

聯合厭氧消化在實現餐廚垃圾和市政污泥減容減量的同時可以對能源物質回收利用，并且增強了協同效應，剩余沼渣可填埋或堆肥。聯合生物干化是對市政污泥及餐廚垃圾的預處理，主要是在保留大部分有機質化學氧化總熱值的同時降低物料含水率，以增加固廢回收燃料（SRF）熱值，混合物料減容減量也方便短期儲存和運輸。聯合生物蒸發屬于水處理范疇，其主要目的是在去除廢液中水分的同時削減混合物料中的污染物質，蒸發后剩余的污泥可以循環作為膨脹劑和微生物載體。

3 結語

聯合厭氧消化、聯合生物干化及聯合生物蒸發可以實現餐廚垃圾和市政污泥的減量化、資源化和無害化，三種工藝的社會效益和經濟效益均比較顯著，在未來的研發工作中有較大的應用價值。但目前國內這三種技術對餐廚垃圾和市政污泥的處理研究還處于起步階段，不夠成熟，一些相關的工藝仍處于小試和中試階段，處理設備也還在研發和優化中，不能滿足市場化、產業化的要求。今后，要加強三種工藝的協同機理和過程參數控制方面更深層次的研究，以支撐這三種技術早日推廣應用。