厨余垃圾厌氧沼渣处理案例探析

来源：《CE碳科技》微信公众号

作者：中城环境 郑苇、康建邨、马换梅、高波、李波、陈子璇

郑苇：现任中城环境天津分公司副总工，博士，高级工程师，先后参与洛碛餐厨垃圾处理厂、合肥小庙有机资源处理中心、太原循环经济产业园控规、原马钢（合肥）地块中部片区污染土壤修复工程等数十个项目咨询和设计。

随着生活垃圾分类政策推行，上海、北京、杭州、宁波、福州、合肥、重庆等城市相继落地厨余垃圾处理设施，该设施主要采用干法厌氧产沼的资源化利用方案，但此类项目会产生大量的消化残余物，工程上一般采用螺旋挤压脱水+振动筛分除砂+高速离心脱水的三级固液分离方式对其进行深度处理，实现固液分离，获得脱水沼渣，沼渣产生量约为干法厌氧进料量的40%~60%。

厌氧沼渣资源化的重要方式是通过堆肥生产有机肥，目前主要针对农作物秸秆、畜禽粪污、餐厨垃圾、市政污泥等有机废弃物的厌氧沼渣堆肥效果进行了研究：禽畜粪便沼渣堆肥应用主要问题在于盐含量高达1%，且重金属Cu、Zn、As超标频率高；餐厨垃圾沼渣堆肥应用主要问题在于盐含量高达2%；市政污泥沼渣堆肥应用主要问题在于As、Cr、Cu、Zn普遍超标。然而，厨余垃圾为生活垃圾分类产物，杂物含量是影响其沼渣堆肥应用的重要影响因素，对此目前缺乏研究。

另外，由于厨余垃圾和农作物秸秆、畜禽粪污、餐厨垃圾、市政污泥等有机固废相比，杂物含量高、杂物种类多，需要对堆肥进行后处理，而对后处理效果尚无相关报道。

因此，本研究针对我国某一典型城市的厨余垃圾处理工程案例进行调研，分析进料、沼渣、堆肥的物理组成特性，明确杂物去除效率，研究堆肥前后植物毒性、生物稳定性、溶解性物质特征，为厨余垃圾消化残余物处理工艺优化提供参数参考。

一、材料与方法

1. 案例简介和物料来源

调研的厨余垃圾处理工程案例具体工艺和采样点见图1。采集原生厨余垃圾、一级沼渣、二级沼渣以及堆肥筛分产品（以下简称“堆肥”），并按CJ/T313—2019生活垃圾采样和分析方法规定进行样品采集。

图1 案例工艺和取样点位示意

2. 测定分析方法

TS、VS及物理组分依据CJ/T313—2019中重量法测定。生物稳定性采用四日好氧呼吸速率指数（AT4）表征，并参照德国2001年《Ordinance on Environmentally Compatible Storage of Waste from Human Settlements and on Biological Waste-Treatment ?Facilities》法令规定测定。

植物毒性采用种子发芽率（GI）表征，并依据CJJ52—2014生活垃圾堆肥处理技术规范规定测定，浸提液按照固液比1:10（样品干基质量/蒸馏水体积）制取，选用萝卜种子测定；同步测定浸提液pH、溶解性氨氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）、COD和BOD。pH采用玻璃电极法测定，NH4+-N和NO3--N采用HACH试剂比色法测定，COD、BOD分别采用HACHCOD测定仪、自动测定仪（OxiTop IS 12，WTW，Germany）测定。

3. 数据处理与分析方法

数据分析及绘图分别利用Excel和Origin Pro软件平台完成。

二、结果与讨论

1. 物理组成特征

原生厨余垃圾、一级沼渣、二级沼渣和堆肥的物理组成特征如表1所示。我国厨余垃圾分类处于起步阶段，除上海等极少数城市正确投放率高，杂物含量仅为10%，其余大部分城市目前分类收集的厨余垃圾杂物含量仍然较高，一般约25%，如孙广雨报道的武汉厨余垃圾含杂率约25.8%，与本研究调研厨余垃圾含杂率27.5%相近。

表1 物料物理组成特征

注：“其他”为分类后不可辨认物。

另外，根据案例统计数据，一级沼渣获得量约为消化残余物总量的25%，二级沼渣获得量约为消化残余物总量的10%，则消化残余物TS和VS分别约为13.3%和54.1%，其他、木竹类、橡塑类、玻璃、石头、贝骨占比分别为72.9%、6.5%、3.0%、3.4%、0.9%、13.1%。根据各类物料比例可知，经过预处理，橡塑类、金属类、纺织物被大量去除，但硬性易碎物料（玻璃、石头、贝骨）和长纤维状物料（木竹）经过预处理和厌氧发酵反而有所富集，残余物中干基比例增加。

同时，消化残余物经过三级筛分，一级沼渣中杂物含量较高，约32%。二级沼渣中杂物含量较低，＜1%。但二级沼渣的VS较低（较一级沼渣低16%），含水率高（较一级沼渣高23.5%），整体性状黏稠不透气，若用二级沼渣堆肥需要添加秸秆等调理剂，调整C/N为20~30，同时增加其透气性，降低含水率。

一级沼渣经过堆肥和筛分（15mm）处理后，含水率和杂物含量（0.5%）明显降低，基本满足GB/T33891—2017绿化用有机基质中开放绿地和林地用有机基质含水率≤40%、有机质≥25%、塑料≤0.5%、玻璃和金属≤2%的要求。因此，一级沼渣好氧堆肥降低含水率后筛分效果良好，但也需注意获得的堆肥产品中仍然存在玻璃、石头等尖锐物，需充分考虑其应用过程中人员接触问题，防止尖锐物对接触人员造成物理性损伤。

2. 生物稳定性

生物稳定性主要考量物料的腐熟程度，避免土地施用过程降解发臭和产生渗滤液的不良环境风险，因此原始厨余垃圾不进行生物稳定性实验。一级沼渣、二级沼渣、堆肥的AT4（以干基计）分别为（58.7±0.9）、（61.8±2.6）、（19.8±1.5）mg/g。欧盟、奥地利和德国、美国的AT4（以干基计）分别为≤10、≤5、≤35mg/g。

应进一步好氧堆肥处理，提高其生物稳定性。一级沼渣经过20d的好氧堆肥，AT4显著降低，满足美国关于AT4（以干基计）≤35mg/g的要求。与金树权等和白玲等研究沼渣堆肥时间20d即可完成腐熟结论一致。

3. 植物毒性

物料植物毒性主要考量施用于土壤后对植物的影响，因此原始厨余垃圾不进行植物毒性实验。一级沼渣、二级沼渣、堆肥的种子发芽实验结果如图2所示。

注：陈子璇于2021-03-12在天津拍摄。

图2 种子发芽实验结果示意

可见，一级沼渣和二级沼渣皆有较大的植物毒性，GI基本为0。文献中沼渣GI研究结果一般为55%~75%。这主要是因为文献中GI测量的浸提液采用鲜质量比1∶10配制，而本研究根据CJJ52—2014要求，GI测量的浸提液按干基固液比1∶10制取，使得浸提液浓度较其他研究高，从而GI降低。这与宋彩红等采用干基比研究沼渣的GI结果相似（26.8％）。

另外厨余垃圾采用干法厌氧消化，因其浓度高，降解时间理论上应长于湿法厌氧消化，但由于目前干法厌氧装置基本依托于进口，投资远高于湿法厌氧，为节省投资，目前干法厌氧停留时间反而较湿法厌氧短，导致出料进一步不稳定，植物毒性高。

经过20d好氧堆肥，GI显著提高至91.1%±6.3%，满足GB/T33891—2017中绿地林地用有机基质GI≥65%和NY/T525—2021有机肥料中GI≥70%的要求。

4. 溶解性物质特征

一级沼渣、二级沼渣、堆肥中pH、NH4+-N、NO3--N、COD、BOD含量见表2。

表2 溶解性物质特性

（1）pH

一级沼渣、二级沼渣、堆肥按干基比1∶10获得浸提液的pH。由表2可知，一级沼渣、二级沼渣和堆肥溶解性物质的pH均在8.0~8.5，经过堆肥，溶解性物质的pH没有显著变化，堆肥产品符合GB/T33891—2017中绿地林地用有机基质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，二级沼渣溶解性NH4+-N含量最高，为一级沼渣的2.3倍；二级沼渣溶解性NO3--N含量与一级沼渣相近，约为一级沼渣的1.2倍，因此二级沼渣总氮含量较一级沼渣高，可能具有更高的营养元素含量，更具有机肥料应用前景。

一级沼渣经过好氧堆肥，约0.6%的NH4+-N好氧转化为NO3--N，使NO3--N增加近1倍，大部分NH4+-N经挥发损失，转化和挥发使基质的溶解性NH4+-N急剧减少，较堆肥之初减少了89.6%。为减少堆肥过程氮素损失，可考虑添加鸟粪石等调理剂，实现固氮效果，提高堆肥产品品质。

（3）COD和BOD

由表2可知，一级沼渣和二级沼渣溶解性COD相近，皆在4000~5000mg/L，二级沼渣比一级沼渣COD略高约10%。一级沼渣、二级沼渣溶解性有机物可生化性高，一级沼渣BOD/COD为0.42，二级沼渣BOD/COD为0.69，如果直接施用于土壤中，会产生高可生化性渗滤液，存在污染土壤和地下水的风险。

一级沼渣好氧堆肥后，溶解性COD和BOD分别显著降低35%和82%，可生化性明显下降为0.12，从侧面反映了堆肥产物腐熟度提高，土壤施用安全性增强。

三、结 论

目前我国厨余垃圾厌氧消化残余物常采用脱水+堆肥+筛分工艺处理，产品基本满足有机肥料和绿化用有机基质要求。一级沼渣经20d好氧堆肥，可增强生物稳定性，AT4降至20左右；增加腐熟程度，溶解性有机物BOD/COD降至0.12；降低植物毒性，GI提高至85%以上。

但需注意，一级沼渣堆肥后必须筛分处理，否则杂物含量将严重超标。二级沼渣杂物含量低，氮含量高，比一级沼渣更适合堆肥后施用于土壤，但堆肥过程需要添加秸秆等作为调理剂。

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