餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液處理技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

祖 柱 李 娟 易志剛,＊ 謝 璨,2

（1 湖南仁和環(huán)境股份有限公司 湖南長沙 410005 2 湖南仁和環(huán)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(gè)方面，隨著社會進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，“食”這一要點(diǎn)對應(yīng)的餐飲業(yè)得到迅猛發(fā)展，餐廚垃圾的產(chǎn)生量也隨之急劇增加[1]。餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液是指餐廚垃圾經(jīng)過厭氧罐發(fā)酵后的出水，具有高有機(jī)物濃度、高氨氮含量、高總氮含量、成分復(fù)雜等特點(diǎn)，單一的工藝無法對其進(jìn)行有效處理，目前國內(nèi)通常采用“預(yù)處理+生化處理+深度處理”組合工藝[2]。餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液的資源化利用技術(shù)在近年也被重點(diǎn)研究。本文將對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液兩種處理方向已進(jìn)行的探索和研究進(jìn)行概括，并提出了針對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液的處理和利用技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。

1 厭氧沼液達(dá)標(biāo)排放處理工藝

餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液參考水質(zhì)情況見表1。對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液進(jìn)行達(dá)標(biāo)排放處理時(shí)，通常采用預(yù)處理+生化處理+深度處理的流程，使其達(dá)到污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)三級標(biāo)準(zhǔn)。

表1 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液水質(zhì)情況

1.1 預(yù)處理工藝

厭氧發(fā)酵沼液含有纖維雜質(zhì)等懸浮物以及動植物油脂，預(yù)處理工藝作為餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液處理的前端工藝，主要目的為去除這幾類雜質(zhì)，使后續(xù)生化處理環(huán)節(jié)的處理效果能被強(qiáng)化以及深度處理工藝能正常運(yùn)行。

1.1.1 混凝法

混凝法是一種處理工業(yè)和生活廢水最基礎(chǔ)普遍的方法，具有操作簡單、成本低等優(yōu)勢。馮一然等對取自北京市某豬場沼氣工程發(fā)酵罐的沼液進(jìn)行了研究。對比明礬、硫酸鋁、PAC 的投加計(jì)量和價(jià)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(xù)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(shí)際應(yīng)用中，也將混凝法與其他方法一起結(jié)合作為預(yù)處理環(huán)節(jié)工藝。鄔振江等人對河北省某餐廚垃圾處理廠進(jìn)行了調(diào)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(yù)處理環(huán)節(jié)的工藝為“二相固液分離+氣浮+混凝沉淀”，經(jīng)過預(yù)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]?；炷ㄗ鳛橐环N不可或缺的廢水處理技術(shù)，也是一種餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液預(yù)處理工藝的恰當(dāng)選擇。

1.1.2 氣浮法

在預(yù)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(jié)合一起作為預(yù)處理環(huán)節(jié)的工藝。氣浮的工作原理為氣浮機(jī)產(chǎn)生氣泡攜帶懸浮物上升到水面，通過擋刮板實(shí)現(xiàn)懸浮物的去除。重慶合川350t/d 餐廚沼液處理項(xiàng)目中，即利用了格柵+隔油沉淀+氣浮的方法對餐廚沼液進(jìn)行預(yù)處理。通過預(yù)處理工藝環(huán)節(jié)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(jī)產(chǎn)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(xiàng)目現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)中布置一套離心脫水試驗(yàn)裝置，用于處理沼液，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來分析離心法對沼液的處理效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dāng)餐廚垃圾厭氧沼液含固率高時(shí)，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(jī)實(shí)現(xiàn)，沼液從進(jìn)料口進(jìn)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(xiàng)目即采用格柵+螺旋擠壓方法對沼液進(jìn)行預(yù)處理，可大幅降低厭氧沼液的SS含量和雜物，且工藝簡單經(jīng)濟(jì)[7]。

表2 預(yù)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(shè)和運(yùn)行費(fèi)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(xiàng)目中兩級A/O 工藝的處理效果。發(fā)現(xiàn)生化單元對沼液中COD 和TP 的去除幾乎沒有貢獻(xiàn)，甚至經(jīng)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?yàn)榛钚晕勰嘀形⑸锏纳L狀況不佳。A/O 工藝法主要依賴于微生物的硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌等微生物的生命活動來實(shí)現(xiàn)COD 和TP 的去除。在文中，作者也給出了相應(yīng)的建議，可在進(jìn)入生化處理池之前，降低SS 濃度，并采用比如鳥糞石結(jié)晶法、氨吹脫法等降低氨氮的濃度，避免后續(xù)抑制沼液的可生化性。同時(shí)生化池的容積可以適當(dāng)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(tǒng)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(dǎo)致在全程硝化反硝化時(shí)會出現(xiàn)好氧區(qū)需額外補(bǔ)充堿度，厭氧區(qū)需額外補(bǔ)充碳源的情況出現(xiàn)。而短程硝化反硝化更適合應(yīng)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(shù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果為：當(dāng)進(jìn)水COD 為6944mg/L 時(shí)，去除率可達(dá)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(shí)驗(yàn)檢測UASB 出水水質(zhì)指標(biāo)，得出UASB 對廢水水樣中COD 的去除效果最優(yōu)，達(dá)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(jī)污染物及氨氮等大量被降解。在出水仍然不能達(dá)標(biāo)時(shí)，需要增加深度處理單元，確保出水達(dá)標(biāo)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(shù)因成本低、操作便捷等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于廢水處理。陳海紅等采用臭氧氧化法處理江西省某養(yǎng)豬場沼液處理后的出水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：COD 去除率隨著臭氧投加量的增加而升高。同時(shí)，隨著溶液pH 值升高至10.6，COD 去除率達(dá)到最大值42.2%[10]。臭氧氧化技術(shù)可以作為深度處理技術(shù)處理餐廚沼液，進(jìn)一步使沼液中各指標(biāo)降低，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)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(shù)采用膜處理技術(shù)，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(xiàng)目進(jìn)行了調(diào)研，該廠將與餐廚廢水與生活垃圾滲濾液處理協(xié)同處理，采用的工藝為厭氧+MBR+深度膜，膜處理系統(tǒng)采用“二級物料膜+高壓反滲透”組合。在工藝運(yùn)行的8 個(gè)月中，出水水質(zhì)各項(xiàng)均達(dá)標(biāo)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定[11]。

1.3.3 MBR 工藝

MBR 即膜生物反應(yīng)器，是一種將膜分離技術(shù)與活性污泥法結(jié)合的新型水處理技術(shù)。膜生物反應(yīng)器在污水處理領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并已運(yùn)用于沼液處理。李保光等調(diào)研了山西省某環(huán)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(jīng)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(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)標(biāo)[12]。

表4 深度處理工藝對比

1.4 小結(jié)

餐廚沼液的達(dá)標(biāo)排放處理中，以長沙餐廚項(xiàng)目為例，采用的工藝為離心+AO+深度氣浮工藝，操作簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，技術(shù)成熟，出水達(dá)標(biāo)，是餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液達(dá)標(biāo)排放處理的一個(gè)良好參照和示范。

2 厭氧沼液資源化利用技術(shù)

目前國內(nèi)餐廚項(xiàng)目中產(chǎn)生的厭氧沼液大部分采用“預(yù)處理+生化＋深度處理”工藝處理后排入市政管網(wǎng)。極少數(shù)餐廚項(xiàng)目產(chǎn)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(xiàng)目中厭氧沼液的處理成本成為了餐廚項(xiàng)目運(yùn)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(xiàng)目運(yùn)行成本，有利于餐廚垃圾處理行業(yè)的良好發(fā)展，還能將餐廚沼液“變廢為寶”，在資源化循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域具有重要意義。

2.1 沼液濃縮

沼液中富含養(yǎng)分及活性物質(zhì)，可作為液態(tài)有機(jī)肥還田，在農(nóng)田承載負(fù)荷有限和運(yùn)輸成本居高不下的雙重約束下，沼液濃縮制肥技術(shù)迅速發(fā)展。沼液濃縮不僅可以減少儲存和運(yùn)輸成本，還可以大幅度提高單位體積沼液中的養(yǎng)分含量，將沼液復(fù)配成高品質(zhì)有機(jī)肥，分離后的水還可回用或達(dá)標(biāo)排放。

2.1.1 膜蒸餾

膜蒸餾是一種熱驅(qū)動型的膜分離過程，又稱為蒸發(fā)濃縮。相比于其他沼液處理技術(shù)，膜蒸餾可在低成本與低碳排放的前提下實(shí)現(xiàn)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(qū)以及周邊環(huán)境造成污染。賀清堯等總結(jié)了膜蒸餾處理沼液的處理現(xiàn)狀，提出了未來的研究需要采用膜蒸餾的方法進(jìn)行中試，并且結(jié)合不同的膜蒸餾方法，實(shí)現(xiàn)優(yōu)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(yǎng)物質(zhì)與水的分子量的不同實(shí)現(xiàn)分離，達(dá)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(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)減少水分，實(shí)現(xiàn)沼液的減量化。但是，這種方法同時(shí)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(jià)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(jìn)行濃縮處理，得出最佳濃縮倍數(shù)為6 倍，氮、磷、鉀濃度均得到了提高[15]。

2.2 微藻養(yǎng)殖法

利用生物進(jìn)行污水處理也是一個(gè)備受關(guān)注的研究方向。微藻具有光合作用效率高、生物量大等優(yōu)勢。黃俊霖等利用經(jīng)過絮凝預(yù)處理的豬場沼液進(jìn)行小球藻養(yǎng)殖，經(jīng)過ICP-AES 分析證明沼液中含有小球藻生長所必需的營養(yǎng)元素，經(jīng)過添加絮凝劑PAC+PAM處理后的沼液用于培養(yǎng)小球藻，實(shí)驗(yàn)組生物質(zhì)產(chǎn)量比對照組生物質(zhì)產(chǎn)量提高了33.17%。最終出水中的COD 和TP 含量達(dá)標(biāo)，NH3-N 含量未達(dá)標(biāo)，需要進(jìn)一步處理[16]。利用餐廚垃圾沼液微藻進(jìn)行的微藻養(yǎng)殖處理是一種綠色環(huán)保的方法，不會產(chǎn)生二次污染。但微藻的培養(yǎng)難度高、經(jīng)濟(jì)性差、出水需要進(jìn)一步處理等也是未來需要突破的技術(shù)難題。另外，將沼液運(yùn)用于其它作物的種植也是個(gè)值得探索的方向，例如某些農(nóng)作物、經(jīng)濟(jì)作物等。

2.3 沼液滴灌

利用滴灌技術(shù)實(shí)現(xiàn)沼液的還田利用，是眾多研究者關(guān)注的方向。但是目前鮮有報(bào)道沼液滴灌技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)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(zhì)容易堵塞過濾器，因此沼液進(jìn)入滴灌系統(tǒng)之前的預(yù)處理很重要。孫欽平等采用三級過濾工藝，結(jié)合曝氣和反沖洗手段，對沼液進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)了沼液的無堵塞過濾和滴灌利用[17]。

表5 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液資源化利用技術(shù)對比

2.4 小結(jié)

餐廚沼液的資源化利用，目前業(yè)內(nèi)仍沒有一種能兼具充分利用沼液中營養(yǎng)成分，且安全低廉的方法。餐廚垃圾發(fā)酵沼液資源化利用任重道遠(yuǎn)。

結(jié)語

本文對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液目前應(yīng)用的兩種處理方向進(jìn)行了總結(jié)，結(jié)論為：（1）兩種處理方向?qū)⒄右鹤鳛閺U水處理實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放和利用資源化技術(shù)實(shí)現(xiàn)沼液的增值回收利用；（2）在對沼液進(jìn)行達(dá)標(biāo)處理時(shí)，通常需要通過組合工藝：預(yù)處理+生化處理+深度處理來處理。

未來需要加強(qiáng)研究的方面有如下。（1）在對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液進(jìn)行達(dá)標(biāo)排放處理方面?，F(xiàn)有很多研究是在實(shí)驗(yàn)室做出的，將沼液作為污水處理的中試研究和工程化應(yīng)用需加強(qiáng)。需針對于沼液自身高氨氮、低碳氮比、高固體含量等特性進(jìn)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(yīng)用于實(shí)踐的關(guān)鍵。（2）在資源化利用餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液方面。對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液進(jìn)行資源化利用符合可持續(xù)發(fā)展的理念，將是未來的研究重心。對沼液進(jìn)行二次利用時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注的是沼液中肥效的保留、采用技術(shù)的成本、以及是否有二次污染等問題，處理沼液后形成標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品有利于獲得經(jīng)濟(jì)效益這一方面也應(yīng)當(dāng)?shù)玫街匾?。另外，餐廚垃圾厭氧發(fā)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(kuò)展沼液的利用途徑，如作為有機(jī)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(fā)有很大貢獻(xiàn)。因此，確定餐廚垃圾沼液中的臭味組分，對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液中不同組分污染物進(jìn)行針對性的去除將是未來一個(gè)值得研究的方向。