餐廚垃圾生化處理機工藝惡臭污染特征研究

呼佳寧，林子吟，費波

上海市環境科學研究院

社會經濟的發展、城市人口的增加以及多元生活方式帶來了消費結構升級，人們外出就餐的頻率增大，促進了城市餐飲服務業的迅猛發展，同時也產生了大量的餐廚垃圾。餐廚垃圾指的是居民日常生活以及除居民日常生活以外的食品加工、飲食服務、單位供餐等活動中產生的廚余垃圾和廢棄食用油脂等垃圾[1]。餐廚垃圾有機物含量高、營養物質豐富，但也具有易降解、易腐敗等特性[1-2]，其本身既是資源也是污染物。2010年以來，我國多個城市試點開展餐廚垃圾資源化利用和無害化處理，2019年5 月，我國“無廢城市”試點建設工作正式在16個城市和地區啟動[3]。推動生活垃圾源頭減量和資源化利用是“無廢城市”建設的重點任務之一，我國各地開始大力投資試點和建設餐廚垃圾資源化處理項目。由于餐廚垃圾含水率高、有機質含量高、容易腐敗，收集、轉運和處理過程極易造成惡臭污染[4]，若得不到及時合理的處置，會給人體健康和社會環境帶來較大隱患。惡臭污染屬于大氣污染范疇，具有大氣污染的一般特性，但是臭感不僅與物質結構、官能團、碳鏈、極性有關[5]，同時與個人神經系統息息相關，由于大部分惡臭物質嗅閾值低，會出現惡臭污染“達標投訴”的現象，導致惡臭污染治理較為困難。

目前國內外餐廚垃圾的主要處理方法有填埋法[6-7]、焚燒法[6-8]、厭氧消化法[6-7,9-10]、好氧堆肥法[2,6-7,9-10]、飼料化處理[6,10]、生化處理機技術[7,10]等，其中填埋法由于占地面積大，且填埋后易形成滲濾液而污染地下水及周邊土壤環境，我國正著力控制餐廚垃圾的填埋處置[7]。2011——2015年，我國試點建設了100個餐廚垃圾處理項目，處理工藝主要包括預處理階段（如分選、粉碎和熱水解等）、廢物處理階段（如厭氧消化、好氧堆肥、好氧生化處理機技術、固體堆肥+液相厭氧消化等）和產品后處理階段（如生物柴油、熱能、電力、肥料和飼料添加劑等）[10]，其中好氧堆肥或好氧生化處理機技術處理能力合計為0.3 萬t/d，占總處理能力的14.2%[7]。關于餐廚垃圾在收集、處理等過程中的廢氣排放特征，國內外學者已經開展了大量研究與分析。Wu等[11]研究表明，餐廚垃圾在運輸過程的直接揮發、好氧生物降解和厭氧生物降解過程均會產生揮發性有機化合物（VOCs）；Tan等[12]調查了垃圾產生后24 h內VOCs的排放特征，檢測到乙醇是主要化合物；Wu等[13]研究表明，乙醇、甲硫醇和硫化氫是垃圾貯存階段的主要污染物；張妍等[14]通過對國內3個典型的餐廚廢物資源化處理廠（好氧發酵、飼料化處理技術）的生化處理設施進行惡臭排放特征分析，發現垃圾卸料分選階段臭氣濃度、惡臭物質濃度檢測結果均高于生化處理階段，并且分析得出這3個典型餐廚垃圾生化處理設施的典型惡臭物質為乙醇、檸檬烯、硫化氫、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫醚、乙醛、乙酸乙酯等；Mao等[15]對我國臺灣地區3個最大的食物垃圾好氧堆肥廠（堆肥原料來自果蔬濕垃圾、生活垃圾、家禽糞便和食物垃圾等）排氣口、環境空氣等氣樣進行檢測，通過測試29種化合物，發現氨、胺、二甲基硫化物和乙酸是主要的惡臭來源，并且廠界的臭氣濃度測試指標超過“臺灣環保署”標準限值（臭氣濃度為50）；阮仁俊等[16]還發現餐廚垃圾滲濾液等廢水處理過程中的重要副產物沼氣中除甲烷和二氧化碳外，還含有一定濃度的硫化氫等惡臭氣體，體積分數為0.5%～1.0%，若沼氣泄漏也會造成嚴重的惡臭污染。

綜上，餐廚垃圾資源化利用企業在垃圾預處理、生化處理等過程存在明顯的惡臭污染風險。但已有研究多以好氧堆肥[11-12,14-15]和飼料化[14]等處理技術企業的廢氣排放特征為研究對象，針對好氧生化處理機工藝的廢氣排放及污染鮮有研究，同時缺少針對餐廚垃圾處理企業惡臭污染成因的全面分析。筆者基于好氧生化處理機工藝的某餐廚垃圾資源化利用企業，從企業各垃圾處理環節的廢氣排放特征、廠區內和廠界的惡臭廢氣無組織排放特征等多維度入手，分析該企業廢氣排放的主要惡臭污染特征及成因，并提出建議對策，以期為緩解餐廚垃圾資源化利用過程的惡臭污染問題提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 研究案例選取

案例企業位于上海市閔行區，處理的垃圾主要來自周邊區域食品加工、飲食服務、單位供餐、生活社區產生的餐廚垃圾，日處理規模為200 t/d。該案例是我國第一批餐廚廢物資源化利用試點項目之一。

案例企業的垃圾采用好氧微生物生化處理機工藝（圖1），具體流程：餐廚垃圾入廠后，經預處理工序加工后與干料混拌進入生化處理機好氧發酵（溫度為75 ℃，時間為8～10 h），生化處理機出料后進入深加工車間制作成生化腐殖酸產品（土壤調理劑），處理周期為1 d。企業生產自動化程度高，預處理工藝、生化處理車間和深加工車間的廢氣分別進行整體密閉收集，車間內呈現微負壓，密閉效果較好，收集后的廢氣送往末端裝置進行臭氣治理，其中預處理工藝（餐廚垃圾卸料、破碎分選、垃圾脫水）廢氣采用堿洗塔+噴灑除臭劑，生化處理機廢氣采用堿洗塔+噴灑除臭劑，深加工車間廢氣整體密閉捕集后采用布袋除塵器+生物濾池除臭方式進行處理。

圖1 垃圾處理工藝流程Fig.1 Flow diagram of the waste treatment process

1.2 檢測方法與儀器

為評估案例企業廢氣排放特征與廠區無組織廢氣污染現狀，選擇離子流動管質譜分析技術（SIFTMS）、人工嗅辨、便攜式傅里葉變換紅外光譜（FTIR）技術、傳感器技術等對處理車間排氣筒、廠界環境、廠區環境開展檢測與分析。具體測試方法與儀器如表1所示。有組織廢氣樣品主要采集自3個車間的廢氣排氣筒；廠界環境檢測利用實時監測設備（SYFT VOICE 200型選擇離子流動管質譜分析儀）安置于面向居民區的廠門口門衛處，氣體實時采樣管安置于距離地面1.5 m高度處，與常規人體嗅辨高度相匹配；廠區環境主要利用傳感器在廠區內所有生產車間的門口進行檢測，并利用FTIR對所有生產車間和廢氣產生環節進行掃描檢測。SIFT-MS技術是一種不需要預濃縮及層析分離、靈敏度高且可以快速分析大量有機物及個別無機物的方法，其可實現對空氣中痕量氣體的精確分析[17-18]。FTIR技術對有機物響應迅速、無需直接接觸樣品[19]，可實現VOCs遠距離實時檢測，該研究中用來掃描測試餐廚垃圾滲濾液廢水處理過程中的副產物沼氣的泄漏特征。

表1 測試方法與儀器Table 1 Testing methods and instruments

1.3 關鍵測試物質

根據文獻中常見垃圾產生的惡臭物質、國內外惡臭標準的監管物質、常見VOCs物種、常見惡臭物質及嗅閾值相關資料等篩選出71種化合物開展測試，分別包括醇類8種、芳香烴類7種、含氮化合物8種、含氯化合物3種、揮發性脂肪酸6種、硫化物9種、羰基類12種、烷烴4種、烯烴6種和酯類8種。測試物質及其嗅閾值如表2所示。

表2 測試物質及嗅閾值[20-21]Table 2 Testing substances and odor thresholds

根據文獻[22]，結合異味活度（odour active value，OAV）開展主要惡臭物質篩選分析，OAV常被用來表示惡臭物質的污染程度。其計算公式如下：

式中：C為惡臭物質的檢測濃度，μmol/mol；Cthr為該物質的嗅閾值，μmol/mol。理論上在混合物中物質的OAV越大，其惡臭貢獻度也就越大[23]，本研究根據各組分OAV判斷不同組分對混合物的惡臭貢獻，分析篩選主要的惡臭物質。

2 結果與討論

2.1 各處理工藝臭氣有組織排放特征

2.1.1 VOCs濃度與臭氣濃度

該案例企業各處理工藝有組織排放的廢氣中的VOCs及惡臭物質總濃度和臭氣濃度如圖2所示。各排放口的污染物濃度為1.67～23.22 mg/m3，該結果與張妍等[14]的結果（6.02～29.70 mg/m3）相近。其中預處理車間濃度最高，其廢氣主要來自于新鮮餐廚垃圾卸料、破碎粉碎和壓縮脫水過程，是深加工車間的13.9倍；其次是生化車間，其廢氣來自于微生物生化好氧過程，廢氣濃度是深加工車間的3.9倍；深加工車間濃度最低，其廢氣來自于發酵產物土壤調理劑的破碎、分選等工藝的排放。

圖2 各處理工藝有組織廢氣排放口VOCs及惡臭物質總濃度和臭氣濃度Fig.2 Total mass concentration of VOCs and odorous substances, and odor concentration of each exhaust outlet

各生產工藝有組織廢氣排放的臭氣濃度與污染物濃度變化趨勢基本一致，臭氣濃度從大到小分別為預處理車間、生化車間和深加工車間，其中預處理車間和生化車間的臭氣濃度分別是深加工車間的1.8和1.3倍，倍數關系遠小于污染物的濃度比例，這是由于臭氣濃度不僅與物質濃度相關，同時跟物質的嗅閾值、惡臭成分之間相互作用、嗅覺感官等有關。根據進出口臭氣濃度計算可得，3套臭氣處理系統臭氣濃度去除率分別為25%、25%和0%，說明案例企業現有末端處理技術的除臭效果不佳。

各類污染物濃度占比如圖3所示。由圖3可知，預處理車間有組織排放的廢氣中醇類、羰基類和硫化物濃度占比較高，分別為28%、18%和17%；生化車間有組織排放的廢氣同樣呈現為醇類、羰基類和硫化物的濃度占比較高，分別為38%、17%和11%；深加工車間有組織排放的廢氣中硫化物、芳香烴和羰基類污染物的濃度占比較高，分別為22%、18%和18%?？梢钥闯觯碱愇镔|是預處理車間和生化車間的主要廢氣成分，其中預處理車間和生化車間廢氣污染物中乙醇濃度最高，分別為2.5和1.3 mg/m3；芳香烴類污染物在深加工車間廢氣中濃度占比明顯高于其他車間，苯系物屬于細胞性外源物質，可能來自于餐廚垃圾中木質素的降解、混入的清潔劑或者食物中自帶物質[24]。

圖3 各處理工藝有組織廢氣排放口VOCs和其他惡臭物質濃度占比Fig.3 Mass concentration ratio of VOCs and other odor substances of exhaust outlets of each treatment process

2.1.2 典型惡臭物質識別

理論上OAV大于1的物質才可以被嗅到。篩選出各生產工藝排放口污染物濃度前10和OAV排序前10的物質進行比對分析，結果見表3和表4。由表3可見，預處理車間和生化車間中乙醇濃度最高，說明乙醇是預處理車間和生化車間的主要VOCs污染物，但是由于乙醇嗅閾值較高，其在預處理車間和生化車間的OAV排序位于10名之外，所以乙醇不是主要的惡臭物質。深加工車間苯酚濃度最高，其OAV為12，排名第5，說明苯酚既是深加工車間的主要VOCs污染物，同時也是主要的惡臭物質之一。

表3 各車間廢氣排放口前10污染物濃度Table 3 Mass concentration of top 10 pollutants of exhaust outlets of each workshop

由表4可知，各排放口廢氣中OAV最高的前4種物質均為乙硫醇、丁硫醇、甲硫醇和乙硫醚，這4種物質的OAV之和對3個車間的總惡臭貢獻占比分別為97.7%、96.7%和94.0%，說明餐廚垃資源化利用過程中硫醚類、硫醇類物質是主要的惡臭成分。硫化物是生活垃圾典型的廢氣排放物[25]，由于含硫化合物嗅閾值極低，其也是造成惡臭的主要污染物之一。其中預處理車間廢氣排放口的乙硫醇的OAV高出其他車間廢氣排放口1個數量級，是深加工車間的46倍，說明乙硫醇對預處理車間的惡臭貢獻占比最高。異戊酸和乙醛均是各排放口OAV排名前10的物質，其也是惡臭貢獻的主要物質，所以乙硫醇、丁硫醇、甲硫醇、乙硫醚、異戊酸和乙醛可以認為是該企業的主要惡臭物質。此外，硫化氫、丁酸和三甲胺在預處理車間中OAV排名前10，但在另外2個車間不是，所以這3種物質可能是預處理工藝的典型惡臭成分；基于同樣的判定方法可得出，生化車間的特征惡臭成分還包括異戊醛，深加工車間的特征惡臭成分還包括二甲基二硫醚和乙酸。

表4 各車間廢氣排放口OAV排名前10的惡臭物質Table 4 Top 10 odor substances in the OAV of the exhaust outlets of each workshop

2.2 惡臭無組織排放特征

2.2.1 廠區內惡臭無組織排放情況

利用便攜式FTIR檢測儀掃描發現案例企業存在沼氣泄漏現象（圖4）。從地面角度均發現廢水厭氧罐頂部的閥門有明顯的沼氣泄漏現象，據了解該企業沼氣脫硫裝置經常性維護和關閉，導致厭氧罐沼氣從罐頂呼吸閥門直排。廢水厭氧產生的沼氣夾帶硫化氫等惡臭成分，企業沼氣產生量約1 500 m3/d，現場測得硫化氫濃度為3.5 μmol/mol，是硫化氫嗅閾值（0.001 2 μmol/mol）的 2 917 倍，所以廢水厭氧罐沼氣的泄漏是該企業惡臭無組織泄漏的重要環節。厭氧罐高12 m，閥門高1.5 m，是附近200 m范圍內最高的建筑物，推測有可能對周邊造成惡臭污染。

圖4 廢水處理厭氧罐頂部紅外掃描圖Fig.4 Infrared scanning images of the top of the anaerobic tank for wastewater treatment

廠區內環境空氣中硫化氫的濃度分布如圖5所示。由圖5可知，廠區內整體硫化氫濃度以小于0.1μmol/mol為主，在廠區垃圾車稱重處和污水處理設施周圍略高于背景整體情況，為0.1～0.5 μmol/mol，推測由于垃圾車存在滲濾液“跑冒滴漏”現象，造成稱重和車輛停留位置有滲濾液殘留，從而產生部分惡臭；污水處理設施由于存在各類縫隙、破損和格柵等設備裸露，設施周邊會有較為明顯的惡臭特征；硫化氫最高濃度位于廢水厭氧罐頂，主要由于頂部沼氣閥門泄漏明顯，造成嚴重的惡臭排放，與FTIR掃描結果相互印證。

圖5 企業廠區內硫化氫濃度分布Fig.5 Distribution map of H2S concentration in the factory area

2.2.2 廠界惡臭無組織排放情況

為了進一步分析企業廠界惡臭無組織排放特征，識別對周邊惡臭影響較大的工藝環節，結合篩選出的各車間有組織廢氣的典型惡臭物質，在廠界開展了連續采樣檢測工作，結果見圖6。由圖6可知，乙醇和乙醛濃度在16：42——23：38呈緩慢遞減趨勢，在04：03——07：12出現幾處峰值；丁硫醇、乙硫醇、甲硫醇、異戊酸濃度日間呈現小幅度振蕩，在04：41——07：05出現峰值；硫化氫和三甲胺濃度在上午普遍高于夜間和下午，07：07——07：50出現峰值，此時段正好為濕垃圾車入廠早高峰，也是預處理車間作業高峰期。二甲基二硫醚、乙酸和苯酚濃度在16：42——20：18呈緩慢降低趨勢，深加工作業流程是在生化處理機處理之后開展，該時間與廠界濃度監測結果相呼應。結合廠界污染物濃度、有組織排放口的污染物排放特征以及各車間工藝流程可以判斷典型餐廚垃圾好氧生化處理機工藝企業對周邊的惡臭污染特征呈現為上午以預處理車間惡臭污染為主，下午至夜間以深加工車間惡臭污染為主，凌晨至早上以生化處理機和預處理車間惡臭污染為主。

圖6 企業廠界各典型惡臭物質濃度變化Fig.6 Volume concentration change of typical malodorous substances at the factory boundary

3 結論與建議

（1）餐廚垃圾好氧生化處理各處理工藝廢氣中VOCs及惡臭物質排放總濃度為1.67～23.22 mg/m3，其中預處理車間濃度最高，生化車間次之，深加工車間濃度最低。排放的主要物質包括醇類、羰基類、硫化物和芳香烴等，排放濃度占比為11%～38%。

（2）乙硫醇、丁硫醇、甲硫醇、乙硫醚、異戊酸和乙醛是各處理工藝有組織廢氣中的主要惡臭物質，對惡臭貢獻占比均達94%以上。除此之外，預處理車間的特征惡臭物質還包括硫化氫、丁酸和三甲胺；生化車間的特征惡臭物質還包括異戊醛；深加工車間的特征惡臭物質還包括二甲基二硫醚和乙酸。餐廚垃圾處理企業可針對各處理工藝的主要特征惡臭物質制定更具針對性的處理工藝，進一步提高末端治理的有效性。

（3）餐廚垃圾處理企業的廢水處理設施也是惡臭產生的主要來源，包括生產過程中廢水處理設施的無組織臭氣逸散、廢水厭氧罐的沼氣泄漏問題等。企業可從密閉廢水處理設施、減少垃圾車跑冒滴漏等方面減少臭氣逸散，同時建議加強廢水厭氧罐泄漏的修復工作，可借鑒石化行業的設備管件泄漏與修復，定期開展泄漏檢測和修復工作，減少夾帶硫化氫的沼氣泄漏。

（4）餐廚垃圾好氧生化處理類型企業對周邊的惡臭污染體現為：上午以預處理車間惡臭污染為主；下午至夜間以深加工車間惡臭污染為主；凌晨至早上以生化處理機和預處理車間惡臭污染為主。同類型企業可從降低夜間生化處理機的處理負荷、優化末端治理工藝等角度著手，降低臭氣排放強度。