餐廚垃圾廢水處理研究進(jìn)展

劉光博，李小皎，伍海輝，胡曉鈞

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，上海 201418;2.上海藝邁實(shí)業(yè)有限公司，上海 200504)

引 言

餐廚垃圾，亦稱廚余垃圾或餐飲垃圾，即從事餐飲服務(wù)、企業(yè)學(xué)校食堂及家庭等的在生產(chǎn)、加工處理、食用過程中產(chǎn)生的殘余。隨著我國的居民生活質(zhì)量不斷提高，日常生活中食品種類不斷廣泛多樣化，浪費(fèi)現(xiàn)象愈加普遍，因此餐廚垃圾的產(chǎn)量也隨之增加。據(jù)上海市相關(guān)年鑒統(tǒng)計(jì)[1]，在2015年餐廚垃圾清運(yùn)量已達(dá)到31.5萬t，并且保持15%的速率不斷增加。

相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國目前有 400 多萬家大大小小餐館，由此餐廚垃圾產(chǎn)生的數(shù)量巨大。由于這些餐點(diǎn)較為分散，把這些餐廚垃圾集中處理又會增大成本，因此如何安全合理環(huán)保節(jié)約成本的去處理這些餐廚垃圾是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。餐廚垃圾過多且集中度不夠，就會造成餐廚垃圾的分散處理方式，而分散就地處理過程中會產(chǎn)生一部分較為難處理的廢水，即餐廚垃圾廢水。其主要特點(diǎn)是水質(zhì)復(fù)雜，化學(xué)需氧量高，油含量高，并且高氨氮高磷等，所以餐廚垃圾廢水不經(jīng)過嚴(yán)格的處理會對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

由于餐廚垃圾廢水水質(zhì)復(fù)雜，水質(zhì)波動大，污染程度高，因此對處理技術(shù)開發(fā)與研究提出了較高的挑戰(zhàn)，目前針對此類廢水的處理方法主要有物理處理法、化學(xué)處理法、物理化學(xué)處理法、土地處理法、生物處理法、聯(lián)合處理法。雖已有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行相關(guān)報(bào)道，但其是從資源化利用及油水分離角度展開的綜述[2]，而本文將從處理效果及設(shè)計(jì)參數(shù)方向針對上述方法進(jìn)行歸納并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

1 物理處理法

物理法指通過重力分離、離心分離、膜分離、過濾、粗?；舭l(fā)等除去廢水中的大部分懸浮物及油類的方法，僅僅使用物理法只能有限的去除廢水中的污染物。劉蓉等[3]以W型和H型改性聚丙烯纖維作為粗?；牧希l(fā)現(xiàn)H型改性聚丙烯纖維有更好的處理油的效果，采用粗粒化技術(shù)能有效降低餐飲廢水中的含油量，并較大程度降低了化學(xué)需氧量。劉全諹等[4]提到超濾膜技術(shù)，能夠很好地處理含有乳化劑、頑固油質(zhì)等油脂的廢水，且超濾膜技術(shù)對于處理氧化物質(zhì)有明顯的效果，同時能夠有效的清理乳化劑中的油性物質(zhì)。

碟管式反滲透(DTRO)是反滲透的一種該處理方法，屬于膜分離技術(shù)。此工藝可直接處理餐廚垃圾廢水，也可做預(yù)處理，同時還可與生化處理相結(jié)合，應(yīng)用廣泛，應(yīng)用價值較高， DTRO工藝具有出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)、運(yùn)行靈活性和抗沖擊性較好、抗結(jié)垢和膜污染且壽命長、易于維護(hù)、運(yùn)行費(fèi)用低可自動化等特點(diǎn)。但此工藝只是對廢水高度濃縮，濃縮液還需進(jìn)一步處理。目前此法應(yīng)用在餐廚垃圾廢水的案例較少，多數(shù)案例應(yīng)用于垃圾滲濾液的處理方面，杜宏偉[5]對云南省某建制鎮(zhèn)生活垃圾填埋場中滲濾液處理工程所采用的兩級DTRO工藝從工藝流程設(shè)計(jì)、處理效果、運(yùn)行成本等方面進(jìn)行分析，結(jié)果表明處理量為15 m3/d的兩級DTRO工藝對COD、BOD5、NH3-N、TN去除率分別約為99.72%、99.72%、99.33%、99.33%。出水水質(zhì)穩(wěn)定且滿足《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16889-2008)對滲濾液排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

高鑫等[6]對四川安岳縣垃圾填埋場中的滲濾液采用兩級 DTRO系統(tǒng)作為應(yīng)急處理的主工藝，從工藝流程設(shè)計(jì)、處理效果、運(yùn)行成本等方面進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明進(jìn)水量為200 m3/d的DTRO工藝對COD、NH3-N、TP、TN、SS都有較好的去除效果，其中出水中的COD、NH3-N的濃度分別低于17 mg/L、6 mg/L，且工程總投資 (694.12 萬元) 和運(yùn)行成本 (41.82 元/t) 較低，經(jīng)濟(jì)性好。

特征出水水質(zhì)穩(wěn)定且滿足《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16889-2008)對滲濾液排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。其中二級DTRO設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

表1 二級DTRO 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of second-level DTRO system

2 化學(xué)處理法

3 物理化學(xué)法

物理化學(xué)法通過物理化學(xué)的手段將污染物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)的方法，采用物理化學(xué)法可以較為有效的去除廢水中的無機(jī)或有機(jī)污染物。出水較為穩(wěn)定且不易受到進(jìn)水水質(zhì)的制約，但成本較高。主要有濕式催化氧化法、焚燒法、氣浮法、萃取法、電化學(xué)法、氣化等。徐玲等[10]采用新型的尖晶石型鐵酸鎂FeMgxO1.5+x復(fù)合氧化物催化劑，對餐廚廢水進(jìn)行濕式催化氧化處理發(fā)現(xiàn)該催化劑具實(shí)用性，但其穩(wěn)定性有待加強(qiáng)。Hyeon Su Heo[11]通過Py-GC/MS催化劑作用，利用高溫分解方法，有效地使餐廚垃圾滲濾液中各種油脂成分分饋出來，使其成為一種重要的資源生物油。Satish等[12]人研究了無介質(zhì)雙室微生物燃料電池(MFC)的產(chǎn)酸發(fā)酵及電化學(xué)性能，即以高錳酸鉀作為陰極，以餐廚垃圾廢水作為陽極，當(dāng)COD濃度為5 000 mg/L時，MFC的電流密度為66.75 A/m3，功率密度為15.14 W/m3，COD去除率達(dá)到90%。證明了利用餐廚垃圾廢水可以進(jìn)行生物發(fā)電的可行性。王宇飛等[13]采用隔油/電凝聚氣浮法處理食堂含油廢水，試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)處理?xiàng)l件為電流密度為30 A/m2，停留時間為20 min時，處理效果較好，對動植物油去處理可達(dá)到90%以上，對固體懸浮物去除率可達(dá)80%以上，對化學(xué)需氧量可達(dá)到50%以上，最高可達(dá)85%。出水基本達(dá)到《污水排入城市下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》 (CJ 343—2010) 的要求。

4 土地處理法

5 生物處理法

生物法利用微生物(好氧菌、厭氧菌及兼性厭氧菌)將廢水中的污染物作為自身的營養(yǎng)物質(zhì)，從而使污水得到凈化的方法。該法具有處理量大、易于控制、經(jīng)濟(jì)可行、無二次污染等特點(diǎn)，受到專家學(xué)者的親睞。但生物法易受到pH、溫度等因素影響，而且培養(yǎng)時間過長。此外，雖然餐廚垃圾廢水可生化性較高，但其中含有一部分油脂，油脂會包裹在污泥表面，影響生物對其的去除效果，故廢水進(jìn)入生化系統(tǒng)前，應(yīng)盡可能的出去餐廚垃圾廢水中的油脂含量。生物法一般分為好氧處理與厭氧處理。厭氧處理一般處理高濃度有機(jī)廢水，好氧處理主要處理低濃度廢水。單純的厭氧處理或好氧處理很難達(dá)到處理要求，因此往往采用厭氧-好氧等聯(lián)合工藝。厭氧生物處理的方法主要包括 CSTR、厭氧接觸消化池、升流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)、厭氧顆粒污泥膨脹床反應(yīng)器(EGSB)、內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(IC)厭氧生物濾池、厭氧流化床和厭氧生物轉(zhuǎn)盤。好氧生化處理工藝有活性污泥法、生物接觸氧化法、A2/O、A/O、HCR、SBR 及衍變工藝。Liwen Luo等[17]研究了餐廚垃圾滲濾液循環(huán)率對固體廢物降解的影響，得出了微生物種群和代謝產(chǎn)物濃度的關(guān)系。在50%的滲濾液再循環(huán)比下，滲濾床反應(yīng)器中產(chǎn)生最高的氫產(chǎn)量，在相應(yīng)的甲烷生成階段產(chǎn)生最高的甲烷產(chǎn)量，比其他條件下至少高出15%。

膜生物反應(yīng)器(MBR)屬于廢水處理的新工藝，即由膜技術(shù)和生物法的有機(jī)結(jié)合。 有膜組件、生物反應(yīng)器、物料輸送裝置三部分組成。具有的優(yōu)點(diǎn)有：能較高效的實(shí)現(xiàn)固液分離、出水水質(zhì)穩(wěn)定且出水懸濁物基本為零的；由于膜的截留作用，完全實(shí)現(xiàn)了水力停留時間和污泥齡的分離，使泥齡控制更加靈活便捷；同時膜生物反應(yīng)器內(nèi)的微生物濃度較高，對更濃度有機(jī)廢水也有較好的耐沖擊效果；同時，此設(shè)備占地面積小可實(shí)現(xiàn)全程自動化。湯萌萌[18]等采用預(yù)處理/MBR/臭氧高級氧化技術(shù)處理餐廚垃圾廢水，其中MBR工藝采用二級硝化反硝化系統(tǒng)，在MBR系統(tǒng)總水力停留時間約為7 d，進(jìn)水廢水COD約為10 750 mg/L，NH3-N約為1 250 mg/L，經(jīng)此工藝處理后，COD的去除率可達(dá)到97.26%，NH3-N的去除率可達(dá)到98.87%，達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》 (GB 8978—1996) 中的三級排放標(biāo)準(zhǔn)，且出水水質(zhì)較為穩(wěn)定。

圍繞生物處理法的工藝較多，以下簡要分析一下幾種國內(nèi)主要的生物處理法工藝的優(yōu)缺點(diǎn)[19～21]，見表2。

表2 主要的生物處理工藝的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.2 Advantages and disadvantages of major biological processing processes

6 聯(lián)合處理法

目前，在對餐廚廢水的處理方法的選擇上，從實(shí)際處理效果出發(fā)，單一的處理方式由于其本身缺點(diǎn)所限制，很難滿足處理要求，為了進(jìn)一步滿足出水的要求，多種方法聯(lián)合使用以使各種處理方法優(yōu)劣互補(bǔ)是很有必要的，不同處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表3所示。

表3 各種處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.3 Comparison of advantages and disadvantages of various treatment methods

因?yàn)椴蛷N垃圾可生化性較高，因此目前大多數(shù)的處理工藝都有生化部分，但由于其中含有較多的油脂，故在進(jìn)入生化處理前應(yīng)添加預(yù)處理部分以盡可能的去除廢水中的油脂。大多數(shù)的處理工藝圍繞如何提高生化部分的效果展開。

譚益民[22]將廢水經(jīng)過IC反應(yīng)器，CASS反應(yīng)器，芬頓氧化器，MBR 池等過程，成功的將高濃度餐廚廢水處理為符合國家污水綜合排放三級標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過處理其中COD去除率為98.3%，氨氮去除率為93.25%，總磷的去除率為99.3%，固體懸浮物去除率為96.5%，達(dá)到污水處理廠接管標(biāo)淮。工藝流程圖見圖1。

圖1 譚益民處理餐廚垃圾廢水工藝流程Fig.1 Tan Yimin process flow chart of kitchen waste wastewater treatment

朱霞[23]等將餐廚廢水經(jīng)過氣浮處理后，處理后水質(zhì)為COD為1.5～5.0 g/L，NH3-N為100～310 mg/L，TN為180～430 mg/L，TP為80～180 mg/L。將此類預(yù)處理后的水進(jìn)入UASB-A2/O-MBR組合工藝生化系統(tǒng)處理后排出，其中組合工藝參數(shù)如下：UASB有效容積為22 m3停留時間為一天；A2/O使用O型填料，總停留時間為52 h，其中厭氧停留時間18h，缺氧停留時間14 h，好氧停留時間為20 h；MBR池有效容積為13 m3，停留時間為14h，采用浸沒式聚偏氟乙烯中空纖維膜，溶解氧濃度控制為3～4 mg/L，混合液回流比為300%，MBR運(yùn)行方式為運(yùn)行7 min，反沖洗1 min。結(jié)果表明：系統(tǒng)對水中COD、NH3-N、TP、TN的去除率分別為96.8%、96.4%、70%及80%，其中，UASB對COD去除效果較為顯著，A2/O-MBR系統(tǒng)對NH3-N、TP、TN處理效果較好，此外，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。其技術(shù)路線如圖2。

圖2 朱霞等處理餐廚垃圾廢水工藝流程圖Fig.2 Zhu Xia et al.process flow chart for treatment of kitchen waste wastewater

7 結(jié) 語

總的來說，不同工藝的優(yōu)缺點(diǎn)也各不相同，物理化學(xué)的方法較多應(yīng)用于餐廚垃圾廢水的預(yù)處理，對懸浮物、油脂、無機(jī)鹽等有較好的去除效果，但處理效果有限。膜法效果較好且出水較為穩(wěn)定，但后續(xù)濃縮液處理方法需要進(jìn)一步探究。土地處理法時間較為漫長，且土地資源有限，因此此方法局限性較大。生物法經(jīng)濟(jì)可行，處理量也較為理想，但容易受到pH、溫度等條件因素的制約，且前期培養(yǎng)馴化菌種花費(fèi)時間過長。如何優(yōu)速優(yōu)質(zhì)的完成菌種培養(yǎng)及馴化，是其問題所在。MBR技術(shù)基本成熟且效果較好，是一種較為理想處理餐廚廢水方式?？紤]到環(huán)境及成本問題，物化法和生物處理法聯(lián)合使用是一種處理餐廚垃圾廢水經(jīng)濟(jì)、可行的方法。