餐廚垃圾處理的惡臭氣體排放及處理方法研究

鄧松圣，冷夕杜,2,戴 飛,2

(1.重慶工程職業技術學院，重慶 402260；2.四川利興龍環保科技有限公司，四川 成都 610000)

1 引言

隨著我國城市化進程的加快和人們物質生活水平的提高，產生的餐廚與生活垃圾量迅速增加，據國家統計局統計，2018年全國餐廚垃圾產生總量已超過1億t。若餐廚垃圾處理不善，不僅會污染土壤和水體，而且產生多種惡臭氣體，包括烷烴、烯烴、鹵代烴、芳香烴、硫化物、含氧有機物等。這些氣體通過呼吸道、消化道和皮膚等途徑對人體產生毒害作用，危及操控人員和附近居民的身體健康，嚴重時會致畸和致癌等[1]，因此，對餐廚垃圾減量化、無害化、資源化處理要求迫在眉睫。我國餐廚垃圾處理行業尚處于初級階段，截至2017年底，我國餐廚垃圾處理項目(包括籌集、在建和投產項目)達172座[2]，我國餐廚垃圾處理行業發展潛力巨大。

餐廚垃圾處理有填埋、焚燒、飼料化、好氧堆肥及厭氧發酵處理等幾種方式，盡管經歷了不同的物理、化學和生物過程，但是始終伴隨著臭氣的產生，尤以餐廚垃圾填埋的處理過程產生的臭氣為甚。目前，餐廚處理企業面臨的臭氣污染問題仍然比較突出，對餐廚垃圾及臭氣處理的實踐在不斷積累過程中。臭氣處理涉及多學科領域，有必要對餐廚垃圾處理過程中惡臭氣體的產生、排放特點及處理方法進行系統分析，為餐廚垃圾惡臭氣體處理提供設計方法指導。

2 餐廚垃圾處理過程惡臭氣體排放

2.1 填埋處理

將餐廚垃圾和生活垃圾在一起進行填埋處理是比較原始的處理方式，受制于早期的設計理念、技術水平和經費投入等因素，致使垃圾滲濾液對水資源和土壤造成污染[3]。

填埋餐廚垃圾在厭氧環境下，有機物與微生物發生復雜生物化學反應，產生甲烷、二氧化硫、硫化氫、氨和二氧化碳等氣體，其產氣量與厭氧環境、填埋垃圾組分及填埋量有關。由于部分設備設施長期超負荷運行且管理不善，致使二氧化硫和硫化氫等惡臭氣體散發到空氣中，惡化空氣質量，對附近居民健康造成極大危害[4]。排放氣體的溫室效應危害嚴重，因為甲烷的溫室效應是同等質量的二氧化碳的21倍，而且，在一定條件下甲烷積聚會引發爆炸[3]。因此，垃圾填埋場的選址和填埋工藝要求非常嚴格，應遵守《生活垃圾填埋處理技術規范》(GB50869-20134)、《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB 16889—2008)的規定。目前，很少再新建餐廚垃圾填埋場，而把已建垃圾填埋場的綜合治理作為技術層面關心的重點[5，6]。

2.2 飼料化與肥料化處理

2.2.1 肥料化處理

餐廚垃圾具有有機質含量高、微生物可利用營養物質豐富和易于降解等特點使其適宜進行堆肥化處理[7]。好氧堆肥處理是通過在餐廚垃圾中添加真菌、細菌等堆肥菌劑或在物料本身所含微生物的作用下使其中的有機物分解，把有機物轉化成穩定腐殖質的生物化學過程，再經高溫滅菌處理獲得有機肥料或土壤改良劑。

餐廚垃圾堆肥處理方式減量化顯著，大部分有機物轉化為水、二氧化碳和氨氣，具有工藝簡單、安全性高和處理成本低等優點，適宜于餐廚垃圾的分散或集中處理，實現了餐廚垃圾的減量化和資源化，但是若生物發酵過程中曝氣風機供風量不足，會導致厭氧發酵，產生大量揮發性臭氣CH4、NH3和H2S等[7]，而且餐廚垃圾中的鹽分容易導致土壤的鹽漬化。

2.2.2 飼料化處理

餐廚垃圾飼料化技術處理是通過物理法和生物法將餐廚垃圾制作成蛋白飼料，實現資源利用最大化。物理法常采用如下脫水工藝：對收集的餐廚垃圾進行粗篩，去除大塊固體廢物，經過破碎處理和固液分離，得到固態物質，再進行高溫滅菌、干燥和人工研磨，最后混入基礎飼料均勻攪拌制成干飼料。生物法是指通過培養特殊菌種，將泔腳和別的介質(如秸桿粉)按一定比例混合以增加蛋白質含量[8]，或在適宜條件下利用特定生物(蠅蛆、水虻和蝗蟲等)，將餐廚垃圾中有機物轉化成腐殖物，并獲得一定數量蠅蛆或水虻等生物蛋白飼料。該法具有能量和資源損失小、資源化程度高的優點[9]。

在餐廚垃圾的飼料化處理過程中，同樣存在因氧氣供應不足導致厭氧發酵而產生臭氣及惡臭滲濾液產生的臭氣，致使H2S和NH3擴散[9]。由于餐廚垃圾飼料化處理方法存在危及人類健康的疾病傳播潛在不確定性風險[10]，我國不提倡餐廚垃圾的簡單飼料化法處理方法。

2.3 焚燒處理

焚燒法是一種常見的生活垃圾處理方法。首先，對餐廚垃圾進行壓榨處理，經篩選并降低垃圾水分后，再混合一定燃料進行燃燒或與生活垃圾一起焚燒，有機可燃成分轉化為灰燼，最大限度地實現餐廚垃圾的減量化，產生的熱量用于供熱或發電實現資源的循環利用[11]。

餐廚垃圾含水率高，焚燒不充分，爐內溫度不高，易造成次生煙氣污染，其中SO2所占比例較高[12]。倘若塑料類垃圾參與燃燒，將產生對人體毒害大的HCl和二噁英等氣體。

2.4 厭氧發酵

餐廚垃圾的厭氧發酵是指在無氧條件下，利用兼性微生物及厭氧微生物的代謝作用將復雜有機物分解為小分子有機物及無機物，在此過程中產生沼氣，主要成分為甲烷。沼氣產量與原料直接相關，據杭州市餐廚垃圾處理工程經驗, 在處理能力為200 t∕d時沼氣產量可達13000 m3∕d[13]。厭氧發酵具有資源化效果好、環境污染小等優點，成為大規模餐廚垃圾處理的主要技術選項之一。

餐廚垃圾高油脂、高鹽分會導致過度酸化及抑制菌體生長不利于餐廚垃圾的持續穩定降解。餐廚垃圾厭氧處理過程的非穩定性、參數控制的不準確性、設備的非密閉性等會導致惡臭氣體的產生與釋放。厭氧消化產生的沼渣處理難度大，需干化處理后填埋或重新采用堆肥工藝制成有機肥[14]，而且存在一次性投資大、占地面積廣、工藝復雜、操作要求高等不足。因此，尋找適合我國餐廚垃圾組分與特點的厭氧處理工藝，保證厭氧消化系統的穩定運行，降低運行管理難度及費用是亟待解決的關鍵技術問題[15]。

2.5 廢水處理產生的臭氣

餐廚垃圾處理中的廢水來源于垃圾滲濾液和場地清洗液，油脂回收、廢氣回收和厭氧發酵等環節的產生液。在污水處理單元以及污泥處理單元會產生含硫化合物、烴類化合物、含氧化合物和含氮化合物等，主要成分為H2S、SO2、NH3和CH4[16]。

在餐廚垃圾處理過程中，除了由于處理工藝自身特點產生的惡臭氣體外，還存在由于垃圾收運不及時、運輸和處理過程不密閉等因素導致的惡臭氣體的產生與擴散，特別地，在料坑、垃圾儲池、地下瀝液坑、廚余車間、卸料及前處理大廳集中產生大量惡臭氣體，對從業人員和附近居民的身體健康造成極大威脅。惡臭氣體治理的好壞直接影響餐廚垃圾處理產業的發展前景和企業的成敗。

3 臭氣處理方法分析

對餐廚垃圾處理過程中產生的惡臭氣體進行處理的方法主要包括吸收法、吸附法、冷凝法、燃燒法、微生物法、UV光解催化法以及植物液噴灑法等。

3.1 吸收法

吸收法是利用被吸收介質的物理化學性質，應用水或其它化學吸收液對氣體進行物理吸收或化學吸收的過程。氣體的水吸收屬于物理吸收，通過氣液界面傳質氣體轉入液相，氣相在溶液中的濃度服從亨利定律，其最大吸收量由吸收條件下的氣液相平衡關系決定，可由氣液平衡計算得到，而氣相被吸收的速度取決于污染物從氣相擴散進入液相的速度。當用水作為吸收介質時水量消耗大，廢水處置難度大，且吸收過程不穩定，受環境因素影響大。當環境條件改變，如溫度和pH值變化，或工作介質受到攪動，氣液平衡被打破，已經溶解到水里面的氣體容易再次揮發造成二次污染[17]。

若吸收過程中組分與吸收劑發生化學反應則屬于化學吸收，如堿液吸收CO2、SO2或酸液吸收NH3等，是屬于伴隨化學反應的氣液擴散與對流傳質的綜合傳質問題。氣體的吸收程度取決于氣液相平衡和液相反應平衡。被選作為化學吸收液的介質，要求吸收產物穩定，且不造成二次污染。在實際處理中常采用酸堿混合吸收液來提高吸收效率。液體吸收法在石化行業中應用較多，如輕烴回收。張艷姝研究了石化企業酸性水罐頂溢出的氣體的除臭過程，溢出氣體氣液分離后進入超重力旋轉床和填料塔，經堿性吸收液進行二次吸收，脫除硫化氫及其它酸性組分，最后由15 m高排氣筒排放[18]。吸收過程有時與其他處理方法互相結合在一起，如在臭氣的生物處理工藝中，氣體進入水溶液包括了氣液間的擴散與對流傳質過程，亦屬吸收過程。

3.2 吸附法

吸附法是利用能從混合氣體中選擇性地吸收某些組分的多孔性固體來脫出惡臭氣體的方法。根據熱力學第二定律，凡是能降低表面力的過程均能自動進行，惡臭氣體能在相界面上自動富集。吸附分為物理吸附和化學吸附。其中，物理吸附是由分子間的引力即通常稱為的“范德華力”引起，是可逆的，可以對吸附介質進行解吸附；化學吸附是一種表面化學反應，吸附作用力為化學鍵力。物理吸附和化學吸附有時相伴發生，這取決于吸附劑和被吸附介質的物理化學性質。

吸附劑是具有大量內表面積的多孔物質，如分子篩、活性炭、活性氧化鋁和硅膠等，活性炭因具有性能穩定、抗腐蝕等優點而廣泛應用。吸附通常通過床層來進行，按吸附劑和操作方式可分為固定床吸附、移動床吸附、硫化床吸附和多床串聯吸附等。為了保證吸附作業的連續性，常將兩床并聯布置，輪流工作，氣體吸附與床層再生交替進行。吸附法通常用于濃度低、毒性大，且氣體處理量比較小的場合[17]。

目前，在國內垃圾中轉站除臭中活性炭吸附尚有應用[19]。由于活性炭更換頻繁，操作不便，壓力損失大，對無機成分吸附容量低，除臭領域中的應用越來越少。隨著材料技術的發展，逐漸采用碳纖維來進行吸附[20]。

3.3 冷凝法

依據不同氣體具有不同的凝點，將待處理氣體進行冷凝，收集不同溫度范圍內的冷凝液，以達到收集或回收氣體的目的。該方法涉及多組分氣液平衡問題，在油田、煉廠、油庫及加油站等輕烴回收中被廣泛采用，也可用于對厭氧發酵產生氣體的處理。該法氣體回收率較高，但是投資大，涉及制冷、熱交換和氣液傳質等多相介質的熱量和質量傳遞過程，設備多，操作復雜。

3.4 燃燒除臭法

燃燒法是對被處理氣體中的可燃成分進行燃燒，得到水和氧化物等產物。這種方法只能用于有機氣體(包括部分惡臭氣體)的處理。燃燒除臭法分為直接燃燒、熱力燃燒和催化燃燒三種，其中催化燃燒法應用較為普遍。催化燃燒實際上是一催化氧化過程，即在催化劑的作用下，有害的可燃組分完全轉化為CO2和H2O。絕大部分有機物具有可燃性，而且有色金屬Pt、Pd和Al2O3等催化劑的參與，使燃燒溫度下降，所需輔助燃料減少。因此，催化燃燒法成為治理惡臭氣體的有效方法，但是存在催化劑價格較高的問題。張立艷等[21]探討了采用吸附并催化燃燒的方法處理印刷包裝材料行業的有機廢氣，使得苯減少96%以上，甲苯減少98%以上，二甲苯減少99%以上，臭氣減少92%以上。該方法涉及多組分介質流動、傳熱、傳質及燃燒和催化化學反應的復雜綜合問題，可用數值模擬并且主要依賴實驗研究來確定催化燃燒工藝參數。

采用燃燒法處理惡臭氣體可對燃燒過程產生的熱量進行回收以用于供熱或發電，但是，沒有回收組分，資源化利用率低，且需要精確控制燃燒過程以防止二噁英的形成，特別是處理含氯介質時更是如此。

3.5 微生物法(增加生物除臭的機理)

微生物處理VOCs是一復雜的物理和生物化學過程，需要培養適宜的菌種并在適宜條件下運行[22，23]，處理過程包括：VOCs廢氣與液相接觸，克服氣液膜阻力，通過氣液傳質進入液相吸；VOCs在液相中擴散，發生氣固傳質并吸附于生物膜上；VOCs被微生物作為能源和碳源進行生長代謝，產生CO2、H2O和生物量等。

生物凈化法具有以下優點：①適用于多種低濃度惡臭氣體的處理；②可在常溫(10～40 ℃)、常壓下工作，運行成本低；③處理過程無二次污染；④處理量大。因此，生物除臭法日益受到重視，正發展成為一種重要的氣體除臭方法[24]。常用的生物處理方法有生物過濾、生物洗滌、生物滴濾及生物膜反應器等。王東升等[25]研究了生物發酵制藥中生物濾池對臭氣的處理，其效率可達85%。

3.6 UV光解催化技術

用特定波長的高能紫外線照射能共振解離特征臭氣分子，迅速分解空氣中的氧分子和水分子，通過耦合光觸媒反應生成具有強氧化性的氧自由基和羥基自由基，促進臭氣大分子的鏈結構斷裂，使得有機氣體徹底分解為CO2和H2O，整個分解、氧化和活化過程瞬間完成。該方法具有反應速率高和處理效果好的優點[26]。重慶豐盛三峰環保發電有限公司開展了利用UV光解催化垃圾燃燒除臭的實驗研究，甲苯光解催化聯合降解率達80%以上[26]。

3.7 植物吸收液

在植物的提取液中含有一種生物堿，其能夠與臭氣中的硫化物、氨氣發生反應，并且提取液還具有一定的吸附能力，因此可以利用植物液來達到除臭的目的。此外，與普通堿相比，植物堿不具有毒性，在反應后能及時降解，不會對環境產生影響。同時，植物提取液對氧氣和臭氣的反應具有催化作用，能更好更快除去臭氣[20]。噴灑植物液常用于對分散排放點的臭氣地臨時或應急處置的場合。

4 臭氣處理設計方法研究

4.1 臭氣處理方法比較研究

對上述不同臭氣處理方進行了分析，歸納其特點并給出其適應范圍的參考意見，如表1所示。

表1 不同氣體處理方式特性比較

4.2 餐廚臭氣的多技術融合

生物處理方式因其獨特的優點已成為臭氣處理的主流技術形式，同時需要融合多種處理技術才能達到較好的廢氣處理效果。例如，在臭氣處理時，常采用噴淋洗滌除臭措施，利用氧化化學洗滌劑、酸洗滌劑和堿洗滌劑等對捕捉到的有害氣體進行噴淋洗滌處理，再通過生物處理和活性炭吸附之后排放到大氣中[27]。某餐廚垃圾CBP處理工藝中對臭氣采取“空間密閉→臭氣負壓收集→堿洗反應塔→吸收液微滴吸收塔→生物除臭→排放”的除臭工藝，取得了較好的除臭效果[28]。

臭氣去除是一系統工程，而且還需考慮后續處理問題。吸收法需要對吸收液進行處置，包括吸收液的再生或被吸收介質的處置；吸附法包括對吸附介質的再生，被吸附介質的處理、利用與轉化等系列技術問題；惡臭氣體燃燒處置方法尚需對燃燒產物進行監測，防止二次污染。

4.3 餐廚處理專業化和綜合化的結合

餐廚垃圾處理本身涉及“三廢”的處理，宜將餐廚垃圾的處理納入城市“三廢”的綜合治理中。對生活垃圾、餐廚垃圾和廢水處理進行統籌規劃，合理布局，搞好處理專業化和規模化的有機結合。在特定區域建設專業化的餐廚垃圾處理廠，完成廢舊油脂回收和其它資源化作業，如飼料生產、肥料生產和沼氣生產等，避免處理車間廠小、全而不精。否則，不僅投資增加，管理難度加大，而且不容易達到排放標準；在較大區域宜建設處理能力大、功能齊面的大型綜合處理廠，能對廢氣、廢水和廢固進行集中高效處理。將生活垃圾焚燒廠與餐廚垃圾處理廠比鄰建設或聯合設計，對餐廚垃圾預處理車間的固體廢棄物、有機有毒廢氣和生活垃圾一起聯合進行焚燒處理；將餐廚垃圾產生廢水排到城市污水處理系統進行集中處理；將臭氣處理中產生的污水納入污水處理廠集中處理。

5 結論

(1)在不同的餐廚垃圾處理方式中，填埋、飼料化和肥料化處理產生的臭氣污染較為嚴重，厭氧處理及CBP聯合處理工藝產生的臭氣污染較輕；而在餐廚垃圾所有處理方式中，在垃圾裝卸、前處理環節產生的臭氣最多。

(2)系統分析了吸收法、吸附法、燃燒法、冷凝法、UN紫外光處理法、植物液吸收法和生物法等氣體處理方式的優缺點和適用范圍，為確定臭氣處理方式提供依據。

(3)從技術層面提出了“三廢”的綜合治理方案，將餐廚處理(含廢氣處理)功能的專業化和綜合化有機結合；以生物法作為臭氣處理的主流技術形式，融合多種處理技術的處理模式是臭氣處理的發展方向。