源頭破碎瀝水處理廚余垃圾及產(chǎn)甲烷潛力研究

蒙 艷 劉彤宙

（1深圳市寶安區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站 廣東深圳 518000 2哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳） 廣東深圳 518055）

引言

2017年全國(guó)的生活垃圾清運(yùn)量達(dá)到2億多噸，其中家庭廚余垃圾占比達(dá)到50%以上[1]，并且廚余垃圾總量也有逐年增加的趨勢(shì)。廚余垃圾主要包括丟棄的菜葉、剩菜、剩飯、果皮、蛋殼等，主要特點(diǎn)為含水率高、易腐敗發(fā)臭、有機(jī)物含量高，處理難度大。將廚余垃圾與其他生活垃圾混合收集并處理是目前廚余垃圾的主要處理方式。廚余垃圾有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)80~95%，粗脂肪含量高達(dá)15.2~30%，粗蛋白含量高達(dá)14~26%[3]，具有很高的資源利用價(jià)值[4]，直接焚燒和填埋是對(duì)廚余垃圾這一可利用資源的巨大浪費(fèi)。因此，解決廚余垃圾的高含水率、易腐敗發(fā)臭的缺點(diǎn)對(duì)于正確處理廚余垃圾有著極其重要的意義。

針對(duì)廚余垃圾的高含水率、易腐敗發(fā)臭這兩個(gè)致命缺點(diǎn)，本研究基于源頭破碎瀝水的廚余垃圾設(shè)備對(duì)家庭廚余垃圾進(jìn)行處理，并探究其處理效果，分析廚余垃圾破碎瀝水的減容效果、減重效果，以及產(chǎn)物物料的理化性質(zhì)、是否會(huì)對(duì)污水管道系統(tǒng)造成不良影響，并進(jìn)一步分析產(chǎn)生的固體廚余垃圾物料的厭氧發(fā)酵的潛力。

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)所用廚余垃圾來源于居民家庭。厭氧發(fā)酵接種液來源于深圳市某餐廚垃圾厭氧發(fā)酵處理廠。本試驗(yàn)所用廚余垃圾源頭破碎瀝水設(shè)備的主要處理過程如圖1。

圖1 家庭廚余垃圾處理裝置工藝流程

廚余垃圾進(jìn)入進(jìn)料口，被刀組所粉碎，再經(jīng)擠壓瀝水，實(shí)現(xiàn)固液分離，廚余垃圾的固體殘?jiān)?jīng)垃圾打包槽進(jìn)行打包封口，擠壓出的廢水則流經(jīng)下水道進(jìn)入市政污水管道系統(tǒng)。

2 果與分析

2.1 減容效果和減重效果

減容率和減重率是評(píng)價(jià)廚余垃圾減量化的重要指標(biāo)。測(cè)定不同廚余垃圾樣品經(jīng)過破碎瀝水處理前后的體積和重量，即可計(jì)算源頭破碎瀝水處理對(duì)廚余垃圾的減容率和減重率。

經(jīng)過源頭破碎瀝水處理后，廚余垃圾的減容率大約為40%~60%，減重率大約為15%~30%。廚余垃圾經(jīng)過粉碎刀組粉碎，大塊垃圾破碎成5mm左右的碎粒，再經(jīng)過螺旋擠壓脫水，體積減小到約為原生垃圾的一半。相比于破碎處理前，單位體積的收運(yùn)容器可容納更多的生活垃圾，不僅提高了生活垃圾收運(yùn)的效率，也可降低收運(yùn)成本。減重效果明顯低于減容效果，主要是因?yàn)樵撛O(shè)備的擠壓瀝水作用只能去除掉廚余垃圾中游離的油水部分，對(duì)細(xì)胞內(nèi)的結(jié)合水或其他無法游離出來的水分并無明顯脫水作用。但廚余垃圾在家庭端進(jìn)行破碎瀝水處理之后，可以避免在收運(yùn)過程中出現(xiàn)油水四處滴漏的現(xiàn)象，污染環(huán)境。

2.2 破碎瀝水后的固渣理化性質(zhì)和排放的廢水特征

測(cè)定廚余垃圾樣品破碎瀝水后的固渣理化性質(zhì)和設(shè)備沖洗廢水的水質(zhì)參數(shù)，用以評(píng)價(jià)破碎瀝水后的物料厭氧發(fā)酵處理的可行性和使用廚余垃圾破碎瀝水設(shè)備產(chǎn)生的廢水對(duì)排水系統(tǒng)的影響。測(cè)定處理后廚余垃圾的總固體含量（Total Solid，TS）和揮發(fā)性固體含量（Volatile Solid，VS）。

處理后的廚余垃圾TS為15~30%，均值為23%，高于大多數(shù)現(xiàn)有的餐廚垃圾厭氧發(fā)酵廠（≤15%），如南方某市處理能力200t/d的餐廚垃圾厭氧發(fā)酵廠的TS為15.18%[5]。如果用傳統(tǒng)的濕式厭氧發(fā)酵工藝，則需外加大量新鮮水稀釋，造成水資源的浪費(fèi)，因此本試驗(yàn)中處理后的廚余垃圾可采用高含固率的干式發(fā)酵處理工藝。處理后的廚余垃圾物料有機(jī)質(zhì)含量集中在80~90%，平均數(shù)為82%，說明廚余垃圾中可用來生物降解的部分較高，具有資源回收利用價(jià)值，適合厭氧發(fā)酵處理。

經(jīng)計(jì)算后產(chǎn)生的廢水與生活污水混合后的水量增幅僅為1%~2.3%，COD、NH4+-N、TN、TP、鹽分等各項(xiàng)污染物濃度最大增幅分別為29.3%、4.3%、7%、5%、6.3%，水質(zhì)指標(biāo)中COD的增幅較大，有利于污水處理廠C/N的改善，對(duì)其他水質(zhì)指標(biāo)無顯著影響。因此，使用該設(shè)備產(chǎn)生的沖洗廢水對(duì)家庭生活污水無顯著改變，可直接匯入生活污水管網(wǎng)。

2.3 生化產(chǎn)甲烷潛力測(cè)試

廚余垃圾在產(chǎn)生源頭有效實(shí)現(xiàn)了固液分離，沖洗廢水經(jīng)過生活污水管道進(jìn)入污水處理廠，而固渣部分將通過厭氧發(fā)酵方式進(jìn)行資源化處理。以破碎瀝水處理之后的廚余垃圾為發(fā)酵底物進(jìn)行BMP試驗(yàn)測(cè)試?yán)塾?jì)產(chǎn)甲烷量和產(chǎn)氣速率。

結(jié)果顯示，廚余垃圾進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氣過程主要集中在反應(yīng)的0~20d，累積甲烷產(chǎn)量為330.6 mL/gVS。反應(yīng)初期0~6d，甲烷含量低于40%；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，之后6~20d，甲烷含量逐漸升高達(dá)到55%，最終趨于穩(wěn)定。累計(jì)產(chǎn)氣持續(xù)增長(zhǎng)，沒有出現(xiàn)酸化抑制期，其原因可能是接種液來自于發(fā)酵穩(wěn)定的餐廚垃圾厭氧發(fā)酵處理廠，具有很高的活性，且底物與接種液的VS比例為1∶2，底物進(jìn)入反應(yīng)器可以充分被微生物利用，因此不會(huì)出現(xiàn)酸化抑制期。

試驗(yàn)開始時(shí)產(chǎn)氣速率高達(dá)到65.6mL（/gVS·d），表明在試驗(yàn)初期甲烷菌就具有較強(qiáng)的生物活性。第2d之后產(chǎn)氣速率迅速降低，在第5d時(shí)降至25mL（/gVS·d），并保持此速率繼續(xù)反應(yīng)，直到第17d時(shí)降至5mL（/gVS·d）左右，產(chǎn)沼氣反應(yīng)進(jìn)入到停滯期。

2.4 不同類型廚余垃圾產(chǎn)沼氣潛力研究

不同有機(jī)成分會(huì)影響廚余垃圾的發(fā)酵過程，對(duì)蛋白質(zhì)類、淀粉類、脂肪類、纖維素類等四類廚余垃圾進(jìn)行BMP試驗(yàn)測(cè)定累積產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率。

結(jié)果顯示，BMP試驗(yàn)的累積產(chǎn)氣量（mL/gVS）順序?yàn)榈鞍踪|(zhì)類（681）＞淀粉類＞（626）＞脂肪類（539）＞纖維素類（514），有研究證實(shí)產(chǎn)沼氣潛力與發(fā)酵底物的VS具有很高的相關(guān)性，VS越大，沼氣產(chǎn)量越大[6]，蛋白質(zhì)類廚余垃圾的VS含量最高（23%），因此產(chǎn)沼氣潛力最大。

產(chǎn)氣速率順序?yàn)榈矸垲悾镜鞍踪|(zhì)類＞纖維素類＞脂肪類。四種廚余垃圾底物總體產(chǎn)氣速率變化趨勢(shì)類似，0~5d時(shí)產(chǎn)氣加快，第5d時(shí)達(dá)到巔峰期，隨后在第6~15d時(shí)，產(chǎn)氣速率逐漸減慢，進(jìn)入低谷期，反應(yīng)第15d之后，四種廚余垃圾產(chǎn)氣反應(yīng)幾乎停止。與淀粉類、蛋白質(zhì)類和纖維素類的底物發(fā)酵曲線變化趨勢(shì)相比，脂肪類的產(chǎn)氣速率在5d之后下降較為平和，這可能是由于脂肪類有機(jī)物的初步降解產(chǎn)物分子量較大，難以被產(chǎn)甲烷微生物利用，因此需要更長(zhǎng)的時(shí)間適應(yīng)和馴化[7]。

結(jié)語(yǔ)

（1）源頭破碎瀝水設(shè)備對(duì)廚余垃圾的處理效果很好。其中減容率40-60%，減重率15-30%。

（2）沖洗破碎瀝水設(shè)備的廢水不會(huì)對(duì)家庭生活污水的水質(zhì)水量造成不良影響，可直接排水至下水管道系統(tǒng)。固渣部分的TS為15~30%，適合干式發(fā)酵處理，VS為80-90%，有較高的資源利用價(jià)值。

（3）廚余垃圾經(jīng)過破碎瀝水產(chǎn)生的固體物料有很高的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣潛力，后續(xù)處理可采用厭氧發(fā)酵，進(jìn)行資源回收利用。