餐廚垃圾厭氧發酵沼液處理技術的現狀與展望

祖 柱 李 娟 易志剛,＊ 謝 璨,2

（1 湖南仁和環境股份有限公司 湖南長沙 410005 2 湖南仁和環保科技有限公司 湖南長沙 410005）

引言

衣食住行一直是人們生存和生活最重要的四個方面，隨著社會進步和經濟高速發展，“食”這一要點對應的餐飲業得到迅猛發展，餐廚垃圾的產生量也隨之急劇增加[1]。餐廚垃圾厭氧發酵沼液是指餐廚垃圾經過厭氧罐發酵后的出水，具有高有機物濃度、高氨氮含量、高總氮含量、成分復雜等特點，單一的工藝無法對其進行有效處理，目前國內通常采用“預處理+生化處理+深度處理”組合工藝[2]。餐廚垃圾厭氧發酵沼液的資源化利用技術在近年也被重點研究。本文將對餐廚垃圾厭氧發酵沼液兩種處理方向已進行的探索和研究進行概括，并提出了針對餐廚垃圾厭氧發酵沼液的處理和利用技術的重點研究方向。

1 厭氧沼液達標排放處理工藝

餐廚垃圾厭氧發酵沼液參考水質情況見表1。對餐廚垃圾厭氧發酵沼液進行達標排放處理時，通常采用預處理+生化處理+深度處理的流程，使其達到污水綜合排放標準三級標準。

表1 餐廚垃圾厭氧發酵沼液水質情況

1.1 預處理工藝

厭氧發酵沼液含有纖維雜質等懸浮物以及動植物油脂，預處理工藝作為餐廚垃圾厭氧發酵沼液處理的前端工藝，主要目的為去除這幾類雜質，使后續生化處理環節的處理效果能被強化以及深度處理工藝能正常運行。

1.1.1 混凝法

混凝法是一種處理工業和生活廢水最基礎普遍的方法，具有操作簡單、成本低等優勢。馮一然等對取自北京市某豬場沼氣工程發酵罐的沼液進行了研究。對比明礬、硫酸鋁、PAC 的投加計量和價格，以及綜合考慮三種混凝劑對沼液COD、濁度、SS 的處理效果和后續沉淀分離的效率，得出明礬是最適宜處理豬糞沼液的混凝劑[3]。在工程實際應用中，也將混凝法與其他方法一起結合作為預處理環節工藝。鄔振江等人對河北省某餐廚垃圾處理廠進行了調研，其沼液凈化工藝為：“二相固液分離→氣浮→混凝沉淀→生化處理→膜處理”。預處理環節的工藝為“二相固液分離+氣浮+混凝沉淀”，經過預處理后，沼液中86%以上的SS 可以被去除，28%以上的氨氮可以被去除[4]。混凝法作為一種不可或缺的廢水處理技術，也是一種餐廚垃圾厭氧發酵沼液預處理工藝的恰當選擇。

1.1.2 氣浮法

在預處理工藝的選擇中，氣浮是一種常被選擇的工藝，處理廢水中密度接近水的懸浮顆粒、乳化油等。氣浮法通常和其它方法結合一起作為預處理環節的工藝。氣浮的工作原理為氣浮機產生氣泡攜帶懸浮物上升到水面，通過擋刮板實現懸浮物的去除。重慶合川350t/d 餐廚沼液處理項目中，即利用了格柵+隔油沉淀+氣浮的方法對餐廚沼液進行預處理。通過預處理工藝環節去除餐廚沼液中較大的懸浮物、顆粒物、油脂[5]。

1.1.3 離心法

離心法原理為利用離心脫水機產生離心力，將物料所含水分脫離。胡鑫鑫等人在常州餐廚垃圾處理項目現有生產系統中布置一套離心脫水試驗裝置，用于處理沼液，根據實驗數據來分析離心法對沼液的處理效果。實驗結果為：厭氧出水中的COD 有一定程度下降，去除率在21%～31%左右。添加絮凝劑的情況下，整體去除SS 和COD 的效果較佳，但是離心法對于氨氮的去除能力幾乎為零[6]。

1.1.4 螺旋擠壓法

當餐廚垃圾厭氧沼液含固率高時，混凝沉淀和離心法等方法不再適合處理沼液，而螺旋擠壓法更為適用。螺旋擠壓法通過螺旋擠壓脫水機實現，沼液從進料口進入，在擠壓力作用下，水分和物料分別排出。云南某1500t/d 果蔬垃圾處理項目即采用格柵+螺旋擠壓方法對沼液進行預處理，可大幅降低厭氧沼液的SS含量和雜物，且工藝簡單經濟[7]。

表2 預處理工藝的對比

1.2 生化處理工藝

1.2.1 AO 工藝

AO 工藝即厭氧-好氧法，是一種常用的建設和運行費用較低的污水處理工藝。鄔振江等研究了河北省某大型餐廚垃圾處理項目中兩級A/O 工藝的處理效果。發現生化單元對沼液中COD 和TP 的去除幾乎沒有貢獻，甚至經過生化單元后，沼液中TP 的濃度反而升高。分析可能存在的原因為活性污泥中微生物的生長狀況不佳。A/O 工藝法主要依賴于微生物的硝化細菌、反硝化細菌等微生物的生命活動來實現COD 和TP 的去除。在文中，作者也給出了相應的建議，可在進入生化處理池之前，降低SS 濃度，并采用比如鳥糞石結晶法、氨吹脫法等降低氨氮的濃度，避免后續抑制沼液的可生化性。同時生化池的容積可以適當增大。還可以通過高級氧化、額外添加碳源等處理方法提高沼液的可生化性，提高兩級A/O 系統處理效率[4]。

1.2.2 短程硝化反硝化工藝

餐廚垃圾具有高氨氮含量和碳氮比失衡的特征，導致在全程硝化反硝化時會出現好氧區需額外補充堿度，厭氧區需額外補充碳源的情況出現。而短程硝化反硝化更適合應用于處理氨氮高、碳氮比低的污水，短程硝化反硝化對堿度要求也更低，不依賴于污水的碳氮比數值。夏一帆等即利用短程硝化反硝化過程處理餐廚垃圾沼液，最終實驗結果為：當進水COD 為6944mg/L 時，去除率可達92%，對于氨氮和總氮的去除效果也是十分顯著[8]。

1.2.3 UASB 工藝

UASB 是一種處理污水的厭氧生物方法。蘇燚在實驗室進行了中溫UASB 工藝處理餐廚垃圾廢水的中試研究，得出中溫UASB 工藝的確有處理餐廚垃圾廢水的能力，可以將廢水中COD 去除90%以上[9]。劉文蓉等采用UASB+MBR+NF+RO 方法處理垃圾滲濾液和餐廚垃圾消化液。通過實驗檢測UASB 出水水質指標，得出UASB 對廢水水樣中COD 的去除效果最優，達到了16%。對于總氮和氨氮的去除也有一定效果。但是UASB 不能完全去除水樣中的氮，需要與其它工藝組合。

表3 生化工藝的對比

1.3 深度處理工藝

在生化處理工藝階段中，沼液中有機污染物及氨氮等大量被降解。在出水仍然不能達標時，需要增加深度處理單元，確保出水達標排放。深度處理工藝常選擇臭氧氧化工藝、膜處理工藝等。

1.3.1 臭氧氧化工藝

臭氧氧化技術因成本低、操作便捷等優勢被廣泛應用于廢水處理。陳海紅等采用臭氧氧化法處理江西省某養豬場沼液處理后的出水，實驗結果為：COD 去除率隨著臭氧投加量的增加而升高。同時，隨著溶液pH 值升高至10.6，COD 去除率達到最大值42.2%[10]。臭氧氧化技術可以作為深度處理技術處理餐廚沼液，進一步使沼液中各指標降低，實現達標排放。

1.3.2 膜處理工藝

膜處理是一種成熟的深度處理工藝。河北省某大型餐廚垃圾處理廠沼液凈化工藝中深度處理技術采用膜處理技術，通過超濾膜的處理，使廢水COD、SS、TP值都有顯著降低[4]。黃祎晨對寧波某項目進行了調研，該廠將與餐廚廢水與生活垃圾滲濾液處理協同處理，采用的工藝為厭氧+MBR+深度膜，膜處理系統采用“二級物料膜+高壓反滲透”組合。在工藝運行的8 個月中，出水水質各項均達標，系統運行穩定[11]。

1.3.3 MBR 工藝

MBR 即膜生物反應器，是一種將膜分離技術與活性污泥法結合的新型水處理技術。膜生物反應器在污水處理領域廣泛應用，并已運用于沼液處理。李保光等調研了山西省某環保公司沼液處理工藝，其采用的工藝為兩級AO-MBR 工藝組合，經過兩級AO 處理和MBR 處理，可去除91%以上的COD 以及95.8%左右的氨氮，其他各項指標均能達標[12]。

表4 深度處理工藝對比

1.4 小結

餐廚沼液的達標排放處理中，以長沙餐廚項目為例，采用的工藝為離心+AO+深度氣浮工藝，操作簡單，運行穩定，技術成熟，出水達標，是餐廚垃圾厭氧發酵沼液達標排放處理的一個良好參照和示范。

2 厭氧沼液資源化利用技術

目前國內餐廚項目中產生的厭氧沼液大部分采用“預處理+生化＋深度處理”工藝處理后排入市政管網。極少數餐廚項目產生的沼液通過資源化利用的手段后，能作為液體肥料推廣或出售。然而值得注意的是，餐廚項目中厭氧沼液的處理成本成為了餐廚項目運營成本的重要組成部分[13]。餐廚沼液的資源化利用不僅能降低餐廚項目運行成本，有利于餐廚垃圾處理行業的良好發展，還能將餐廚沼液“變廢為寶”，在資源化循環和可持續發展領域具有重要意義。

2.1 沼液濃縮

沼液中富含養分及活性物質，可作為液態有機肥還田，在農田承載負荷有限和運輸成本居高不下的雙重約束下，沼液濃縮制肥技術迅速發展。沼液濃縮不僅可以減少儲存和運輸成本，還可以大幅度提高單位體積沼液中的養分含量，將沼液復配成高品質有機肥，分離后的水還可回用或達標排放。

2.1.1 膜蒸餾

膜蒸餾是一種熱驅動型的膜分離過程，又稱為蒸發濃縮。相比于其他沼液處理技術，膜蒸餾可在低成本與低碳排放的前提下實現沼液的資源回收與減量化處理。但膜蒸餾處理沼液同樣存在一些問題，蒸餾過程中，溫度的升高會加劇沼液臭味的逸散，這將會對廠區以及周邊環境造成污染。賀清堯等總結了膜蒸餾處理沼液的處理現狀，提出了未來的研究需要采用膜蒸餾的方法進行中試，并且結合不同的膜蒸餾方法，實現優勢最大化等研究[14]。

2.1.2 膜濃縮

膜濃縮的原理為利用營養物質與水的分子量的不同實現分離，達到沼液高效純化濃縮的目的。膜濃縮法處理沼液可截留沼液中營養物質，同時減少水分，實現沼液的減量化。但是，這種方法同時具有諸多弊端，比如膜容易被侵蝕和污染，膜的使用壽命有限以及價格昂貴等。研究人員杜靜等選擇納濾膜對泰興某豬場沼液進行濃縮處理，得出最佳濃縮倍數為6 倍，氮、磷、鉀濃度均得到了提高[15]。

2.2 微藻養殖法

利用生物進行污水處理也是一個備受關注的研究方向。微藻具有光合作用效率高、生物量大等優勢。黃俊霖等利用經過絮凝預處理的豬場沼液進行小球藻養殖，經過ICP-AES 分析證明沼液中含有小球藻生長所必需的營養元素，經過添加絮凝劑PAC+PAM處理后的沼液用于培養小球藻，實驗組生物質產量比對照組生物質產量提高了33.17%。最終出水中的COD 和TP 含量達標，NH3-N 含量未達標，需要進一步處理[16]。利用餐廚垃圾沼液微藻進行的微藻養殖處理是一種綠色環保的方法，不會產生二次污染。但微藻的培養難度高、經濟性差、出水需要進一步處理等也是未來需要突破的技術難題。另外，將沼液運用于其它作物的種植也是個值得探索的方向，例如某些農作物、經濟作物等。

2.3 沼液滴灌

利用滴灌技術實現沼液的還田利用，是眾多研究者關注的方向。但是目前鮮有報道沼液滴灌技術的大規模應用，其中最主要的難題是滴灌灌水器易堵塞。由于沼液中含有的膠體等物質容易堵塞過濾器，因此沼液進入滴灌系統之前的預處理很重要。孫欽平等采用三級過濾工藝，結合曝氣和反沖洗手段，對沼液進行預處理，實現了沼液的無堵塞過濾和滴灌利用[17]。

表5 餐廚垃圾厭氧發酵沼液資源化利用技術對比

2.4 小結

餐廚沼液的資源化利用，目前業內仍沒有一種能兼具充分利用沼液中營養成分，且安全低廉的方法。餐廚垃圾發酵沼液資源化利用任重道遠。

結語

本文對餐廚垃圾厭氧發酵沼液目前應用的兩種處理方向進行了總結，結論為：（1）兩種處理方向將沼液作為廢水處理實現達標排放和利用資源化技術實現沼液的增值回收利用；（2）在對沼液進行達標處理時，通常需要通過組合工藝：預處理+生化處理+深度處理來處理。

未來需要加強研究的方面有如下。（1）在對餐廚垃圾厭氧發酵沼液進行達標排放處理方面。現有很多研究是在實驗室做出的，將沼液作為污水處理的中試研究和工程化應用需加強。需針對于沼液自身高氨氮、低碳氮比、高固體含量等特性進行研究，提高各處理工藝單元的處置效率。處理每噸沼液的成本也是某種工藝方法能否應用于實踐的關鍵。（2）在資源化利用餐廚垃圾厭氧發酵沼液方面。對餐廚垃圾厭氧發酵沼液進行資源化利用符合可持續發展的理念，將是未來的研究重心。對沼液進行二次利用時，需要重點關注的是沼液中肥效的保留、采用技術的成本、以及是否有二次污染等問題，處理沼液后形成標準化產品有利于獲得經濟效益這一方面也應當得到重視。另外，餐廚垃圾厭氧發酵沼液具有惡臭氣味，使得沼液的資源化和無害化利用受到極大限制。有效去除沼液臭味，可以擴展沼液的利用途徑，如作為有機肥出售或作為液體肥料灌溉城市綠植。受嗅閾值濃度的影響，有些嗅閾值濃度低的氣體組分，即使含量很低，仍對臭味散發有很大貢獻。因此，確定餐廚垃圾沼液中的臭味組分，對餐廚垃圾厭氧發酵沼液中不同組分污染物進行針對性的去除將是未來一個值得研究的方向。