基于物質(zhì)流分析餐廚垃圾厭氧消化工藝的問(wèn)題與對(duì)策*

呂 凡，章 驊，邵立明，何品晶

（1.同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所，上海 200092；2.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部村鎮(zhèn)建設(shè)司農(nóng)村生活垃圾處理技術(shù)研究與培訓(xùn)中心，上海 200092）

·本刊特稿·

基于物質(zhì)流分析餐廚垃圾厭氧消化工藝的問(wèn)題與對(duì)策*

呂 凡1，2，章 驊1，2，邵立明1，2，何品晶1，2

（1.同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所，上海 200092；2.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部村鎮(zhèn)建設(shè)司農(nóng)村生活垃圾處理技術(shù)研究與培訓(xùn)中心，上海 200092）

采用物質(zhì)流分析方法，評(píng)估了我國(guó)現(xiàn)有餐飲垃圾和廚余垃圾厭氧消化的9種典型工藝模式，估算了氣、液、固三相產(chǎn)物和殘余物產(chǎn)生量，計(jì)算了物料在預(yù)處理、厭氧消化、固液分離、污水處理等主要技術(shù)單元的物流分配，分析了這些工藝模式的特點(diǎn)和局限性。物質(zhì)流分析結(jié)果表明，厭氧消化和沼液處理成為調(diào)控物流分配的核心單元；改善干式厭氧消化技術(shù)和高穩(wěn)定沼液資源利用技術(shù)的整合水平，是化解廢物流通量隨處理流程持續(xù)增加的關(guān)鍵；而干式厭氧消化技術(shù)的應(yīng)用受到沼渣和沼液處理脫水污泥的消納出路限制；預(yù)處理和液體回流等單元環(huán)節(jié)均有優(yōu)化空間。因此，應(yīng)從城市固體廢物全系統(tǒng)管理（包括與污水處理的銜接）的角度，綜合應(yīng)用物質(zhì)流分析等決策工具，認(rèn)識(shí)餐廚垃圾處理廠在環(huán)境管理和生態(tài)保護(hù)中的作用。

餐廚垃圾；餐飲垃圾；廚余垃圾；厭氧消化；物質(zhì)流分析；干式消化；濕式消化

“十二五”期間，由于“地溝油”問(wèn)題、鼓勵(lì)可再生能源發(fā)展等背景，餐飲垃圾分流處理被列為國(guó)家重要的規(guī)劃領(lǐng)域。從2011年至2015年，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)分5批共設(shè)置了100個(gè)“餐廚廢棄物資源化利用和無(wú)害化處理試點(diǎn)城市”。除了國(guó)家頒布的一系列鼓勵(lì)政策文件，多個(gè)試點(diǎn)城市也專門出臺(tái)了餐廚垃圾管理辦法或條例。目前，全國(guó)已投運(yùn)、在建、籌建的50 t/d規(guī)模以上餐廚垃圾處理項(xiàng)目至少有118座，這些處理設(shè)施中有76.1%采用厭氧消化技術(shù)，14.1%為好氧發(fā)酵，6.4%為制飼料等［1］。因此，厭氧消化是目前我國(guó)餐飲垃圾處理的主流技術(shù)。而且，廚余垃圾采用厭氧消化技術(shù)處理也已經(jīng)提上了日程。但是，已建的餐廚垃圾厭氧消化廠的運(yùn)營(yíng)狀況不盡理想、亟待提升。除了存在預(yù)處理工藝復(fù)雜、占地面積大、二次污染控制不理想，以及主體厭氧消化單元效率低等直接的技術(shù)問(wèn)題外，厭氧消化工藝的選擇、優(yōu)化控制、前后端技術(shù)銜接、厭氧消化的綜合經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益、厭氧消化技術(shù)在城市固體廢物管理體系中的作用等問(wèn)題，均尚未明晰。

物質(zhì)流分析 （Material Flow Analysis， MFA；或，Substance FlowAnalysis，SFA）是固體廢物管理的主要研究方法之一，常用于決策區(qū)域生活垃圾的收集路線和處理技術(shù)［2］，評(píng)估廢物的資源和能源轉(zhuǎn)化效益［3-4］，規(guī)劃固體廢物管理框架［5-6］，比較不同工藝類別處理技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性［7］，評(píng)估污染物在收運(yùn)體系［8］和處理工藝流程［9-10］上的分布。

因此，筆者根據(jù)我國(guó)已投運(yùn)餐廚垃圾厭氧消化處理廠、中試工程的部分實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，已建、在建或籌建項(xiàng)目的設(shè)計(jì)文件、現(xiàn)場(chǎng)考察，以及與現(xiàn)場(chǎng)工作人員的交流等方式獲得的各類氣、液、固物料量和性質(zhì)信息，采用物質(zhì)流分析方法，評(píng)估了我國(guó)現(xiàn)有餐飲垃圾和廚余垃圾厭氧消化典型工藝模式的沼氣、沼液和沼渣產(chǎn)生量，總結(jié)了這些工藝模式的特點(diǎn)和局限性。在此基礎(chǔ)上，分析和探討了厭氧消化技術(shù)在我國(guó)維持可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)優(yōu)化思路，以及其在城市固體廢物管理系統(tǒng)中的定位。

1 我國(guó)餐廚垃圾厭氧消化技術(shù)的代表性工藝模式

1.1 餐飲垃圾厭氧消化處理工藝

我國(guó)已基本形成了處理餐飲垃圾的統(tǒng)一工藝技術(shù)路線，即：預(yù)處理制漿液提油+漿液濕式厭氧消化。

餐飲垃圾進(jìn)入接收輸送稱重系統(tǒng)后，先進(jìn)入預(yù)處理工序，去除雜質(zhì)，并均化制漿。典型的預(yù)處理工序?yàn)椋海ù执螅?雜物（料）分選機(jī)（去除金屬、玻璃、竹木、布料等雜質(zhì)；典型工序?yàn)槠拼Y分+磁選機(jī)+破碎機(jī)+分選機(jī)）+制漿分選機(jī)（去除塑料等輕物質(zhì)雜質(zhì)，并均化制漿得到6～8mm粒徑物料）+濕熱水解反應(yīng)器（滅菌析油）+除砂+三相分離（分別獲得固、水、油三相，固相經(jīng)研磨機(jī)或二次打漿進(jìn)一步粉碎至2 mm，與水相混合得到漿液）+均質(zhì)池（均質(zhì)、貯存、初步水解、除浮渣纖維雜質(zhì)等）。制漿方法為打漿或壓榨擠漿。目前，國(guó)內(nèi)已建成的餐飲垃圾處理廠的預(yù)處理工藝主要類型有：兩級(jí)分揀+破碎制漿工藝；粗破碎+水力制漿工藝；機(jī)械破碎+濕熱水解工藝；水力旋篩+研磨制漿工藝；自動(dòng)分選+擠壓脫水工藝；液壓壓榨工藝［11］。

經(jīng)上述預(yù)處理后獲得的漿液含固率為8%～10%（wt），其中，有機(jī)物含量為60%～90%（dw）；進(jìn)入濕式厭氧消化工序，多采用CSTR或UBF反應(yīng)器，該工序出料為沼氣和消化液。

消化液全量進(jìn)入污水處理系統(tǒng)；或經(jīng)固液分離出沼渣后，沼液再進(jìn)入污水處理系統(tǒng)。制漿需要外加水，對(duì)垃圾進(jìn)行稀釋（稀釋水添加位點(diǎn)：垃圾接收料斗、制漿器、除砂裝置），通常采用車輛沖洗水、工藝廢水或沼液為稀釋水源。濕熱水解反應(yīng)器、厭氧消化罐、毛油制粗脂肪酸甲酯系統(tǒng)3處還需外加蒸汽用于濕熱水解，或消化罐直接加熱的蒸汽也能起到部分稀釋水的作用。

1.2 廚余垃圾厭氧消化處理工藝

廚余垃圾，指的是城市生活垃圾分類收集后獲得的廚余組分；或混合收集的生活垃圾在廠內(nèi)進(jìn)行機(jī)械分選后獲得的廚余組分；以及集貿(mào)市場(chǎng)產(chǎn)生的果蔬垃圾。已建、在建或計(jì)劃建設(shè)項(xiàng)目中采用的處理工藝可分為同樣是制漿后再濕式厭氧消化及干式厭氧消化2類。

1）預(yù)處理制漿液+漿液濕式厭氧消化。

預(yù)處理工序通常包括如下環(huán)節(jié)：破袋+滾筒篩（去除大尺寸雜質(zhì)）+磁選機(jī)（去除金屬）+破碎機(jī)（破碎至50 mm以下）+分選機(jī)（去除塑料等雜物，并破碎至20 mm以下）+水解制漿（制漿，并分離大顆粒殘?jiān)?除砂（去除小顆粒沙礫、骨頭） +水解均質(zhì)（初步水解、均質(zhì)、去除浮渣）。與餐飲垃圾相比，廚余垃圾的預(yù)處理工序因不除油而無(wú)需濕熱水解和三相分離。不過(guò)有些項(xiàng)目為了加速有機(jī)物水解速率，也采用熱水解+水洗+兩級(jí)壓榨制漿的預(yù)處理工藝。

經(jīng)上述預(yù)處理后獲得的漿液含固率為8%～10%（wt），其中有機(jī)物含量為55%～90%（dw）；進(jìn)入濕式厭氧消化工序。消化液經(jīng)固液分離出沼渣后，沼液進(jìn)入污水處理系統(tǒng)。

2）預(yù)處理除雜+生物質(zhì)干式厭氧消化。

預(yù)處理工序通常包括如下環(huán)節(jié)：破袋+滾筒篩（去除大尺寸雜質(zhì)）+磁選機(jī)（去除金屬）+破碎機(jī)（破碎至50 mm以下）+分選機(jī)（去除塑料等雜物，并破碎至20 mm以下）。與預(yù)處理制漿工藝相比，減少了水解制漿和除砂的步驟。因此，細(xì)顆粒沙礫、石塊、骨頭等會(huì)隨生物質(zhì)進(jìn)入?yún)捬跸蕖?/p>

經(jīng)預(yù)處理除雜后，生物質(zhì)的含固率約為30%（wt），根據(jù)后續(xù)干式厭氧消化罐的物料含固率要求，利用沼液稀釋至15%～25%（wt），或者維持原狀不稀釋直接進(jìn)入干式厭氧消化罐。干式厭氧消化常為連續(xù)式推流工藝，多為高溫厭氧消化工藝。

3）垃圾干式厭氧消化+后處理除雜。

預(yù)處理僅作簡(jiǎn)單的稱重、破袋、破碎、輸送后，垃圾全量進(jìn)入干式厭氧消化罐。干式厭氧消化常為批式進(jìn)出料。消化殘余物再進(jìn)行機(jī)械后處理除雜。

該工藝厭氧消化段的有機(jī)物降解率要低于純生物質(zhì)進(jìn)料的濕式或干式厭氧消化，但同時(shí)也避免了前段預(yù)處理導(dǎo)致的部分生物質(zhì)損失。消化殘余物進(jìn)行后處理除雜過(guò)程的二次污染，如臭氣和污水滴漏較為嚴(yán)重。上述工藝模式的典型工藝設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 我國(guó)餐廚垃圾厭氧消化工藝單元的典型設(shè)計(jì)參數(shù)

2 物質(zhì)流分析的參數(shù)取值依據(jù)

下述物質(zhì)流分析基于100 t/d的餐廚垃圾處理規(guī)模。物質(zhì)流分析的系統(tǒng)輸入物流包括：餐飲垃圾或廚余垃圾、沖洗水和蒸汽、脫水藥劑；系統(tǒng)輸出物流包括：雜質(zhì)、毛油、沼氣、沼渣、污水處理出水、污水處理后的脫水污泥。系統(tǒng)輸出物流中未設(shè)置沼液一項(xiàng)，這是因?yàn)?，盡管沼液被認(rèn)為富含氮、磷、腐殖質(zhì)［12］，可作為液態(tài)肥料，但我國(guó)的實(shí)際應(yīng)用中，目前均是被當(dāng)作高濃度污水處理，自建或利用周邊已有的污水處理設(shè)施；執(zhí)行的外排出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為GB 16889—2008生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)、DB 31/445—2009污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、GB/T 18920—2002城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)或GB 8978—1996污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 雜質(zhì)

餐飲垃圾的雜質(zhì)含量設(shè)計(jì)值為6%～15%（wt），但實(shí)際的季節(jié)性變化很大，檢測(cè)值為1.97%～32.85%（15.10%±9.53%） （wt），呈現(xiàn)春、秋、冬三季雜質(zhì)量少、夏季雜質(zhì)量多的規(guī)律［13］；全系統(tǒng)的雜質(zhì)分離量為4～10 t/d；這些雜質(zhì)主要包括塑料餐具、泡沫輕物質(zhì)、竹木、金屬、砂石、骨類和貝殼等。廚余垃圾的雜質(zhì)含量設(shè)計(jì)值為30%～35%（wt）；全系統(tǒng)雜質(zhì)分離量約30 t/d；塑料袋、竹木、纖維制品、金屬、生活日用品、砂石和玻璃等是主要的雜質(zhì)種類。目前，雜質(zhì)（除金屬外）的去向均是填埋或焚燒。分離出塑料的含水率高，仍有相當(dāng)?shù)挠袡C(jī)物殘留，不太適合做塑料粒，導(dǎo)致再生塑料廠家不愿意回收利用。

2.2 毛油

由于飲食習(xí)慣，我國(guó)餐飲垃圾的含油量較高。基于對(duì)影響后續(xù)厭氧消化過(guò)程的擔(dān)心，以及期望收獲油脂，因此，餐飲垃圾的處理工藝幾乎都設(shè)置了油水分離環(huán)節(jié)。油脂提純方式包括：①人工撈油，油相含油率約40%（wt）；②三相分離機(jī)，得到水相、油相和渣相，油相含油率約60%（wt）；③三相分離機(jī)+立式離心機(jī)，油相再經(jīng)升溫至80～85℃后進(jìn)入立式離心機(jī)，得到純度約 98%（wt）的毛油［11］。根據(jù)常州市餐廚廢棄物應(yīng)急處理工程近3 a的運(yùn)行數(shù)據(jù)［11］，餐飲垃圾的平均含油率為2%（wt），利用“蒸汽+三相分離機(jī)+立式離心機(jī)”方法的平均提油率為88.56%，即毛油得率1.78 t/d，毛油含油率均值98.2%（wt）。餐飲垃圾項(xiàng)目一般與廢棄油脂處理項(xiàng)目共建，廢棄油脂處理量（或設(shè)計(jì)收集量）約為餐飲垃圾的4%～17%（wt）。廢棄油脂的含水率約68%（wt）。廢棄油脂制脂肪酸甲酯（聯(lián)產(chǎn)甘油、丙三醇、粗甲酯） 的工藝（如，酸堿聯(lián)合催化法）相對(duì)成熟，在此不做討論。

2.3 沼氣

餐飲垃圾的沼氣產(chǎn)率設(shè)計(jì)值約7～8 t/d，廚余垃圾為10～11 t/d。但是，目前缺少實(shí)際連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行數(shù)據(jù)。沼氣產(chǎn)率取決于厭氧消化效率，工程在設(shè)計(jì)時(shí)，停留時(shí)間取低值（15～20 d）、有機(jī)負(fù)荷取高值（6～8 kg/m3），會(huì)造成實(shí)際厭氧消化效率遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)預(yù)期，工藝運(yùn)行不穩(wěn)定，沼氣、沼渣和沼液的產(chǎn)量與性質(zhì)都會(huì)受到影響。

2.4 漿液

雖然我國(guó)為了發(fā)展會(huì)計(jì)信息化工作，已經(jīng)發(fā)布了一系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但是相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)并不健全，尤其在網(wǎng)絡(luò)信息安全監(jiān)管方面十分滯后，并沒(méi)有相關(guān)法律保護(hù)受侵犯者的合法權(quán)益。

包括擠壓脫水預(yù)處理后獲得漿液，或者厭氧消化后形成的消化液。漿液/消化液進(jìn)一步固液分離后獲得沼渣（生物質(zhì)殘?jiān)┖驼右海ɑ蛭鬯?。根?jù)常州項(xiàng)目的運(yùn)行數(shù)據(jù)［11，14］，擠壓脫水預(yù)處理后獲得漿液的水質(zhì)為：CODCr21 300～86 000（54 763± 135 82）mg/L，氨氮30～460（164±96）mg/L，總氮482～1 920（1 171±291）mg/L，總磷120～391（242± 61）mg/L。采用熱水解壓榨固液分離后濃漿物料的有機(jī)物濃度更高，CODCr可達(dá)70 000～130 000 mg/L，TS為8%～15%（wt）。消化液經(jīng)固液分離后的沼液水質(zhì)典型工藝設(shè)計(jì)值是：CODCr10 000～30 000 mg/L，BOD55 000～8 000 mg/L（B/C=0.3～0.4），SS 5%～10%（wt），pH6～9，氨氮2000～3200mg/L，TP100～160mg/L。國(guó)外餐飲垃圾厭氧消化殘余物（包括沼液和沼渣）的運(yùn)行結(jié)果是［15］：CODCr43887（34067～53707）mg/L，BOD58769（6437～11100）mg/L，TS4.5%（2.7%～6.8%）（wt），VS69%（68.3%～69.6%）（dw），pH 8.4（8.3～8.4），酸值（以CaO%計(jì)）26.1%（23.1%～29.1%）（wt），氨氮10.5%（5.5%～16.0%）（dw）（相當(dāng)于4725mg/L），總磷TP0.7%（0.3%～2%）（dw）（相當(dāng)于315mg/L）。

2.5 沼渣

沼渣的濕基產(chǎn)量與其含固率密切相關(guān)，取決于漿液/消化液的固液分離效率。漿液的固液分離方式有：帶式壓濾、螺桿擠壓和離心脫水。國(guó)外的工程實(shí)踐表明，食品廢物厭氧消化殘余物采用上述3種脫水方式獲得的沼渣含固率分別為8.7%～9.5%（wt）、12.9%～14.0%（wt） 和22.3%～24.3%（wt）［16］。我國(guó)已知工程大多數(shù)采用螺桿擠壓方式，設(shè)計(jì)值為沼渣含固率80%（wt）；已有工程的沼渣含固率為25%（wt）；常州市餐廚廢棄物應(yīng)急處理工程制得的生物質(zhì)殘?jiān)搪士蛇_(dá)35%（wt）［17-18］。螺桿擠壓效率與螺距、螺桿數(shù)、擠壓時(shí)間、轉(zhuǎn)數(shù)、篩網(wǎng)孔徑、藥劑量等有關(guān)。而熱水解污泥和餐飲垃圾混合消化后的殘余物脫水性能整體劣化［19-20］。無(wú)論是餐飲垃圾還是廚余垃圾，隨著厭氧消化的進(jìn)行，消化殘余物的脫水性能均會(huì)逐漸劣化，特別是在厭氧消化6～8 d（處于水解階段）時(shí)物料的脫水性能最差［19］。餐飲垃圾消化殘余物的脫水性能要差于廚余垃圾［19］。

3 不同工藝模式的物質(zhì)流分析

3.1 餐飲垃圾：預(yù)處理制漿液提油+漿液濕式厭氧消化

該工藝的典型物流桑基圖如圖1～3所示。圖1中的消化液全量作為污水處理；圖2中的消化液經(jīng)固液分離后，分離出沼渣，僅沼液作為污水處理，因此，進(jìn)入污水處理廠的液體CODCr濃度有所降低；圖3中考慮了沼渣分離和沼液部分回流。圖中的數(shù)值均以濕基為計(jì)量基準(zhǔn)，括號(hào)內(nèi)數(shù)值為物料的含水率，連接線的線寬與物質(zhì)量大小相對(duì)應(yīng)。以處理100 t/d的餐飲垃圾為基準(zhǔn)，厭氧消化單元有機(jī)物降解率設(shè)為80%，3種方案的系統(tǒng)總輸出物流量分別為：114.2、114.6、110.2 t/d（污水處理過(guò)程產(chǎn)生的CO2不計(jì)入）。

圖1 餐飲垃圾預(yù)處理制漿液+漿液濕式厭氧消化工藝模式物流（消化液全量作為污水處理）

圖2 餐飲垃圾預(yù)處理制漿液+漿液濕式厭氧消化工藝模式物流（沼渣分離）

圖3 餐飲垃圾預(yù)處理制漿液+漿液濕式厭氧消化工藝模式物流（沼渣分離+沼液部分回流）

3.2 廚余垃圾：預(yù)處理制漿液+漿液濕式厭氧消化

該工藝的典型物流桑基圖如圖4～6所示。圖4方案考慮了沼液部分回流，由于沼液含固率仍較高（～3%wt），作為稀釋水難以達(dá)到漿液含固率8%～10%（wt）的制漿效果，因此，還需補(bǔ)充外加稀釋水。圖5方案以外排出水作為稀釋水。圖6方案以部分沼液和外排出水作為稀釋水。以處理100 t/d的廚余垃圾為基準(zhǔn)，厭氧消化單元有機(jī)物降解率設(shè)為50%，3種方案的系統(tǒng)總輸出物流量分別為：180.3、109.6、110.2 t/d。

圖4 廚余垃圾濕式厭氧消化工藝模式物流（沼液回流）

圖5 廚余垃圾濕式厭氧消化工藝模式物流（出水回流）

圖6 廚余垃圾濕式厭氧消化工藝模式物流（沼液和出水回流）

3.3 廚余垃圾：干式厭氧消化

該工藝的典型物流?；鶊D如圖7～9所示。圖7和圖8采用的是預(yù)處理除雜先于厭氧消化的方式。圖7方案中考慮了部分沼液回流，以達(dá)到干式或半干式厭氧消化反應(yīng)器內(nèi)的物料含固率要求。圖8方案則不進(jìn)行液體回流。圖9采用的是先厭氧消化后除雜的方式，不進(jìn)行液體回流。以處理100t/d的廚余垃圾為基準(zhǔn)，前2種方案厭氧消化單元有機(jī)物降解率設(shè)為50%，后除雜方案設(shè)為40%，3種方案的系統(tǒng)總輸出物流量分別為：104.7、105.1和104.6t/d。

圖7 廚余垃圾干式厭氧消化工藝模式物流（沼液回流）

圖8 廚余垃圾干式厭氧消化工藝模式物流（無(wú)液體回流）

圖9 廚余垃圾干式厭氧消化工藝模式物流（除雜后置）

4 問(wèn)題分析

4.1 核心單元技術(shù)不成熟導(dǎo)致工藝過(guò)程的中間廢物流通量大幅提高

表2匯總了上述9種模式的系統(tǒng)物質(zhì)輸出數(shù)據(jù)，以及厭氧消化單元有機(jī)物降解率取最低值和最高值（參見(jiàn)表1）時(shí)的計(jì)算結(jié)果，并據(jù)此探討如下問(wèn)題。

厭氧消化和沼液處理/利用成為調(diào)控物流分配的核心單元。由于餐廚垃圾原料含固率與厭氧消化濕式、半干式或干式工藝要求的反應(yīng)器物料含固率之間的差異，除了干式厭氧消化工藝之外，物料稀釋往往是不可避免的。但是，盡管干式厭氧消化在國(guó)外的應(yīng)用較成熟，在國(guó)內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行的案例卻很少，存在技術(shù)不確定性?？赡艿脑蛟谟?，雜質(zhì)去除效率不高（特別是沙礫、玻璃、石塊、骨頭、貝殼等細(xì)顆粒），容易造成惰性顆粒在反應(yīng)器底部淤積，或隨消化殘余物進(jìn)入固液分離設(shè)施，易造成脫水設(shè)備的磨損；曾經(jīng)出現(xiàn)的運(yùn)行故障還有“爆管”，可能是由于高含固率物料輸送不暢，使氣體流動(dòng)淤堵，導(dǎo)致管道壓力過(guò)高。由此，濕式成為我國(guó)固體廢物厭氧消化的主流工藝，加入水分稀釋物料，導(dǎo)致設(shè)施的處理負(fù)荷基本翻番，物料量大幅增加。廚余垃圾除雜后的含固率為20%～30%（wt），而濕式厭氧消化的進(jìn)料含固率要求6%～10%（wt），這意味著稀釋水的添加量基本需要達(dá)到垃圾進(jìn)料量的1.3～1.6倍，厭氧消化罐的處理負(fù)荷達(dá)198～228 t/d，污水處理設(shè)施的處理負(fù)荷達(dá)113～166 t/d。

表2 厭氧消化技術(shù)處理100 t/d餐廚垃圾的系統(tǒng)物質(zhì)輸出

高穩(wěn)定（腐殖化） 沼液可以濃縮利用獲取氮肥和腐殖質(zhì)。北歐國(guó)家在沼液濃縮利用方面報(bào)道的處理成本是8～15 €/m3，這基本與沼液作為污水處理的成本持平，但有可能通過(guò)產(chǎn)物利用獲得資源和經(jīng)濟(jì)效益，將廢物流轉(zhuǎn)化為資源產(chǎn)物流。而在我國(guó)，沼液基本被當(dāng)作污水進(jìn)行處理，除了沼液利用技術(shù)整合水平不足之外，沼液性質(zhì)也是影響其利用可行性的因素。厭氧消化降解率較低時(shí)，沼液中仍殘留大量可降解組分、生物穩(wěn)定性差，在濃縮腐殖質(zhì)的同時(shí)，鹽分也同時(shí)被濃縮。穩(wěn)定沼液的BOD/COD比應(yīng)在0.2左右或以下，但已測(cè)定的部分實(shí)際沼液樣品顯示其BOD/COD比約為0.4，反映其生物穩(wěn)定性較差，也間接反映出其厭氧消化段的有機(jī)物降解率不理想。廚余垃圾濕式厭氧消化的污水處理量最高，而餐飲垃圾的污水處理量計(jì)算值也達(dá)到了88～95 t/d。已有的工程實(shí)踐表明，實(shí)際的污水處理量將近100 t/d（其它的水分輸入包括車輛沖洗水3～13 t/d，蒸汽4～12 t/d）。

4.2 沼渣和沼液處理之間的物質(zhì)量權(quán)衡

廚余垃圾干式厭氧消化工藝的沼液產(chǎn)量（相當(dāng)于污水處理量）最低（16.3～22.3 t/d），但其沼渣產(chǎn)量（40～47.6 t/d）比濕式消化工藝高87%，其沼渣和污泥總產(chǎn)量約50 t/d，比濕式消化工藝高39%。而濕式消化工藝盡管沼渣產(chǎn)量?jī)H24.3～26.2t/d，但其較高的污水處理負(fù)荷導(dǎo)致高污泥產(chǎn)量（8.3～12.3t/d）。餐飲垃圾濕式厭氧消化效率往往略高于廚余垃圾的濕式厭氧消化，物料含固率也較低，因此其沼渣和污泥的產(chǎn)量較低（4.8～6.6 t/d）。需要指出的是，沼液有機(jī)質(zhì)最終轉(zhuǎn)化為污泥，但在有些沼液外運(yùn)處理的項(xiàng)目中并沒(méi)有被考慮進(jìn)去。因此，對(duì)于廚余垃圾的厭氧消化處理，沼渣和污泥的消納是主要問(wèn)題。首先，應(yīng)進(jìn)一步提高核心單元厭氧消化的反應(yīng)效率，以降低沼渣和沼液中的有機(jī)質(zhì)，提高沼渣和沼液的生物穩(wěn)定性，改善消化液的固液分離效果［19］；其次，是尋求適宜的沼渣和污泥消納途徑。

如表2所示，餐飲垃圾濕式厭氧消化單元的有機(jī)物降解率從80%降至70%時(shí)，沼氣產(chǎn)量降低了12%～13%，沼渣和污泥總量增加了50%～74%；廚余垃圾濕式厭氧消化單元的有機(jī)物降解率從70%降至50%時(shí)，沼氣產(chǎn)量降低了28%～29%，沼渣和污泥總量增加了136%～216%；廚余垃圾干式厭氧消化單元的有機(jī)物降解率從60%降至40%時(shí)，沼氣產(chǎn)量降低了33%，沼渣和污泥總量增加了56%～61%。

現(xiàn)有工程項(xiàng)目的沼渣和沼液處理脫水污泥基本采用填埋或焚燒處理處置。替代技術(shù)方面，沼渣制肥的問(wèn)題是無(wú)市場(chǎng)需求，同時(shí)，還存在鹽分累積風(fēng)險(xiǎn)和臭氣控制問(wèn)題。部分項(xiàng)目擬考慮沼渣經(jīng)好氧處理后林用或作為園林綠化基質(zhì)土，但目前缺乏相關(guān)的產(chǎn)品和污染控制標(biāo)準(zhǔn)。部分沼渣好氧堆肥項(xiàng)目無(wú)法通過(guò)環(huán)評(píng)，但試點(diǎn)城市又規(guī)定必須有該項(xiàng)措施，造成了進(jìn)退兩難的局面。餐飲垃圾的沼渣或漿液脫水后的生物質(zhì)殘?jiān)龅鞍罪暳系氖称钒踩L(fēng)險(xiǎn)尚無(wú)定論。而沼渣熱解制生物炭是近期提出來(lái)的又一種消納途徑。生物炭用途廣泛［21-25］，在部分試驗(yàn)田作為土壤調(diào)理劑的施用量可達(dá)5%～10%（wt）。根據(jù)熱解條件，生物炭的干基得率是30%～50%，但性質(zhì)差異很大［26］。目前，還缺乏熱解及生物炭產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品規(guī)范。沼渣進(jìn)行熱解前需干化至含水率近零，因此，干化（熱干化或太陽(yáng)能輔助熱/生物干化）的能量消耗會(huì)極大影響沼氣的能源效益。據(jù)測(cè)算，含水率70%沼渣的熱干化能耗是557 kWh/t［27］。另外，熱解氣（干基得率約10%） 和熱解油（干基得率約50%）盡管被稱之為能源產(chǎn)品，但實(shí)際應(yīng)用市場(chǎng)并不理想［28］。

另外，沼渣直接填埋也存在風(fēng)險(xiǎn)。目前，GB 16889—2008生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：“厭氧產(chǎn)沼等生物處理后的固態(tài)殘余物、糞便經(jīng)處理后的固態(tài)殘余物和生活污水處理廠污泥經(jīng)處理后含水率小于60%可以進(jìn)入生活垃圾填埋場(chǎng)填埋處置”。但如前所述，在現(xiàn)有的固液分離效率下，沼渣的含水率一般只能達(dá)到65%（wt）。沼渣直接進(jìn)填埋場(chǎng)必然對(duì)填埋堆體穩(wěn)定性、滲瀝液產(chǎn)生量造成極大的影響。

4.3 沼液回流與出水回流的比較

由于沼液本身仍有一定的含固率（～3%），工藝自產(chǎn)的沼液量無(wú)法將高含固率物料的含固率調(diào)節(jié)至濕式厭氧消化所需的低含固率值范圍。對(duì)于廚余垃圾濕式厭氧消化，外加稀釋水80～95 t/d（以純水分計(jì)）是必須的。稀釋水源可考慮周邊滲瀝液或城市污水處理設(shè)施出水，或自建的污水處理設(shè)施的外排出水。完全以外排出水作為稀釋水的方案，可以使厭氧消化罐和固液分離設(shè)施的處理負(fù)荷降低7.5%～15%，但也使得污水處理負(fù)荷提高23%～32%。沼液回流可以使沼液中的有機(jī)物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。對(duì)于餐飲垃圾濕式厭氧消化，沼液回流可以提高沼氣產(chǎn)量10%，減少污水處理量5%～8%，但厭氧消化罐容積需增加22%，且有鹽分累積的疑慮（餐飲垃圾含鹽量為1.26%～2.62%（wt）［13］，設(shè)計(jì)值為1%～2%（wt）。

4.4 預(yù)處理環(huán)節(jié)中部分工序設(shè)置的合理性

由于餐廚垃圾來(lái)料成分雜、質(zhì)量和種類變化極大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)往往全方位配置各類預(yù)處理設(shè)備。預(yù)處理的每一環(huán)節(jié)都會(huì)導(dǎo)致有機(jī)物損失，工序越長(zhǎng)則有機(jī)物損失量越大。而且，雜質(zhì)被有機(jī)物粘污，會(huì)提高雜質(zhì)的含水率，降低塑料、金屬等的回收價(jià)值，且易導(dǎo)致腐臭，影響后續(xù)貯存和處理處置。預(yù)處理工藝越復(fù)雜、作業(yè)線越長(zhǎng)，則設(shè)備成本和能耗高、故障率高、占地面積大、二次污染嚴(yán)重。因此，預(yù)處理工藝的合理選擇、提高容錯(cuò)水平、降低故障率就顯得非常必要。

由于飲食習(xí)慣，我國(guó)餐飲垃圾含油量較高。基于對(duì)影響后續(xù)厭氧消化過(guò)程的擔(dān)心，以及期望收獲油脂。因此，餐飲垃圾處理工藝幾乎都設(shè)置了油水分離環(huán)節(jié)。如果漿液固液分離后廢水不進(jìn)行厭氧消化，而是直接進(jìn)入采用膜法工藝的污水處理設(shè)施，那么一般建議先進(jìn)行油水分離。因?yàn)橛椭瑫?huì)粘結(jié)在膜壁上，導(dǎo)致后端膜處理出水量受到嚴(yán)重影響，清洗頻率大幅增加。但是，如果漿液要進(jìn)行厭氧消化，設(shè)置油水分離是否還有必要？餐飲垃圾含油率以2.3%（wt）計(jì)，相當(dāng)于23 kg/t。漿液濕式消化由于基本要外加1倍體積的水稀釋，因此，漿液中的含油量約為11.5 g/L。研究表明，與廢水的厭氧消化相比，具有一定含固率的物料在進(jìn)行厭氧消化時(shí)，固相能吸附部分油或長(zhǎng)鏈脂肪酸LCFA（油分解的中間代謝產(chǎn)物，主要的毒性物質(zhì)），從而降低長(zhǎng)鏈脂肪酸的毒性，而顆粒態(tài)物料厭氧消化可耐受的油脂含量水平可達(dá)180～220 g/kg或9～15 g/L［29］。因此，現(xiàn)有的漿液含油水平并不會(huì)降低厭氧消化效率。相反，油脂的理論甲烷產(chǎn)率是800～1 000 mL/g，是碳水化合物理論甲烷產(chǎn)率350 mL/g的2～3倍［30］。油脂的進(jìn)入反而能大幅提高沼氣產(chǎn)量和沼氣中的甲烷濃度。但是，含油和蛋白質(zhì)含量高的物料濕式厭氧消化可能會(huì)加劇起泡問(wèn)題［31］。因此，油水分離的必要性需進(jìn)一步全面論證。

已知工程項(xiàng)目中部分設(shè)有專門均質(zhì)池，有些沒(méi)有設(shè)置。已設(shè)置的均質(zhì)池基本是做調(diào)蓄池使用，停留時(shí)間在0.5～2 d。近期的研究結(jié)果表明，厭氧消化前的預(yù)水解可以起到降低破碎能耗［32-35］、溶解半纖維素［36］、提高單位甲烷產(chǎn)率［37］的作用。原狀漿液或貯存1 d后漿液的甲烷產(chǎn)率是285～308 mL/g，貯存2～4 d后漿液的甲烷產(chǎn)率是418～530 mL/g，貯存5～12 d后漿液的甲烷產(chǎn)率是618～696 mL/g［37］。因此，均質(zhì)池所起的作用和停留時(shí)間在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有新的考慮。另外，均質(zhì)池是設(shè)置在預(yù)處理前以降低破碎能耗，還是設(shè)置在預(yù)處理后也需進(jìn)一步論證。

5 結(jié)論和建議

國(guó)內(nèi)的餐飲、廚余垃圾處理工藝，既存在設(shè)施本身技術(shù)環(huán)節(jié)的問(wèn)題需要進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化，也有一些總體經(jīng)營(yíng)環(huán)境的問(wèn)題。采用物質(zhì)流分析方法，能從宏觀角度判斷工藝設(shè)置的合理性，判別技術(shù)的處理能力極限，識(shí)別出技術(shù)發(fā)展的前后銜接關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

由于至今仍缺乏全規(guī)模穩(wěn)定運(yùn)行的實(shí)際工程案例，上述分析主要是基于個(gè)別中試裝置的運(yùn)行參數(shù)、工程設(shè)計(jì)參數(shù)和作者的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)確定的。因此，目前亟需典型的穩(wěn)定運(yùn)行的實(shí)際工程案例供進(jìn)一步分析和剖析。

而更嚴(yán)峻的問(wèn)題在于，幾乎所有現(xiàn)有工程或規(guī)劃的工程項(xiàng)目都沒(méi)有按照全物流、全成本的角度來(lái)核算物料、能量和成本。即：物質(zhì)流、能量流和資金流的框架不完整或不合理，部分物流/能量流/資金流被隱去或表達(dá)不合理。比較典型的，如：沼渣填埋也需要成本，但很多餐廚垃圾處理廠建于填埋場(chǎng)或“靜脈產(chǎn)業(yè)園”內(nèi)，使得這部分隱形成本經(jīng)常沒(méi)有被考慮；沼液被送入污水廠處理，除了隱形成本沒(méi)有被計(jì)算在內(nèi)外，也會(huì)對(duì)污水廠帶來(lái)很多運(yùn)行隱患，這些問(wèn)題也沒(méi)有被充分考慮（如有些項(xiàng)目的消化液沒(méi)有脫水就直接進(jìn)入污水廠處理）。

因此，不宜就廠論廠，就技術(shù)單元論技術(shù)單元，而要從城市固體廢物全系統(tǒng)管理（包括與污水處理的銜接）的角度，綜合應(yīng)用物質(zhì)流分析等決策工具，認(rèn)識(shí)生物質(zhì)廢物（餐飲、廚余垃圾）處理廠在環(huán)境、生態(tài)保護(hù)中的作用。除了關(guān)注處理設(shè)施本身的經(jīng)濟(jì)收益外，更應(yīng)衡量通過(guò)生物質(zhì)廢物處理設(shè)施的運(yùn)營(yíng)，是否能使城市固體廢物全局管理更順暢，能否提高其它固體廢物處理環(huán)節(jié)的技術(shù)可靠性、經(jīng)濟(jì)收益、改善二次污染控制。

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Problems of Anaerobic Digestion Process to Deal with Food Waste and its Countermeasures through Material Flow Analysis

Lü Fan1，2，Zhang Hua1，2，Shao Liming1，2，He Pinjing1，2
（1.Institute of Waste Treatment and Reclamation，Tongji University，Shanghai 200092；2.Centre for the Technology Research and Training on Household Waste in Small Towns&Rural Area，Ministry of Housing and Urban-Rural Development of PR.China，Shanghai200092）

We used the tool of material flow analysis（MFA）to estimate the generation of gas，liquid and solid materials from nine types of typical anaerobic digestion processes for food waste from restaurants or kitchens.The mass flows along pretreatment，anaerobic digestion，solid-liquid separation，and wastewater treatment were calculated.The characteristics and the limitations of these processes were then critically reviewed.Results demonstrated that anaerobic digestion and the treatment of liquid digestate were the two core unitsregulating the mass flow.In order to prevent the expansion of waste flow along process，it was important to develop the technology of dry anaerobic digestion and the technology for the beneficial utilization of liquid digestate.Furthermore，the sustainable development of dry anaerobic digestion depended on appropriate utilization of solid digestate and dewatered wastewater sludge from the treatment of liquid digestate.Meanwhile，the unitsof pretreatment and liquid recirculation can be further optimized.Therefore，from the viewpoint of an integrated management of municipal solid waste which is also associated with the treatment of municipal wastewater，we should made an integrated application on decision tools such asMFA and realized the function of food waste treatment plant in the context of environmental management and ecological protection.

food waste；restaurant food waste；kitchen food waste；anaerobic digestion；material flow analysis；dry anaerobic digestion；wet anaerobic digestion

X705

A

1005-8206（2017）01-0001-09

呂凡（1979—），研究員，博士，主要從事固體廢物處理與資源化研究。已發(fā)表第一和通訊作者期刊論文44篇。

E-mail：lvfan.rhodea@#edu.cn。

何品晶，教授，博士，主要從事固體廢物處理與資源化研究。已發(fā)表第一和通訊作者學(xué)術(shù)期刊論文400篇。

E-mail：solidwaste@#edu.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金（51622809）；國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目（2015-4）；上海市技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目（14DZ0501500）

2016-05-12