高濃度餐廚垃圾壓榨液主要污染物分析與處理技術(shù)研究

周 凱，張 軍，2*，李治陽，2

（1.無錫城市職業(yè)技術(shù)學院 建筑環(huán)境工程學院，江蘇 無錫 214153；2.無錫環(huán)境科學與工程研究中心，江蘇 無錫 214153）

餐廚垃圾主要是指在食品加工、飲食活動過程中產(chǎn)生的食物殘余和加工廢料，通常包含米面、魚、肉、油脂、骨、水及廢餐具、塑料、紙巾等多種物質(zhì)。隨著垃圾分類的推行，餐廚垃圾也在各地開展了資源化處理。目前餐廚垃圾的處理工藝主要包括填埋法、焚燒法、好氧發(fā)酵和厭氧消化等，填埋法與焚燒法在處理過程中二次污染較為嚴重，好氧發(fā)酵與厭氧消化逐漸成為餐廚垃圾的主流工藝。餐廚垃圾往往含水量可高達90%以上[1]，為加快其在好氧發(fā)酵與厭氧消化中的反應(yīng)速率，提高反應(yīng)效果，通常需要對餐廚垃圾實施固液分離的預(yù)處理，而處理產(chǎn)生的分離液，也是餐廚垃圾處理過程中面臨的難題之一。

1 餐廚垃圾壓榨脫液的主要成分

餐廚垃圾壓榨脫液主要是指借助壓濾設(shè)備，對餐廚垃圾利用過濾、沉降等方式，對餐廚垃圾進行減容處理過程中產(chǎn)生的廢液。餐廚垃圾壓榨脫液組分往往受諸多因素影響，如季節(jié)變化、節(jié)假日到來、飲食習慣和烹飪手法等，餐廚垃圾產(chǎn)生的垃圾壓榨脫液中的主要組分與比例，如淀粉類、糖類、蛋白質(zhì)、無機鹽和脂類等也有所不同，這也導(dǎo)致了所需處理壓榨脫液水質(zhì)的波動有所不同。

2 壓榨脫液中高濃度污染物

據(jù)報道，餐廚垃圾滲出廢水中COD（化學需氧量）高達40～50 g/L，SS（懸浮固體）在35～40 g/L之間，油脂含量約4.5 g/L，TP（總磷）、TN（總氧）分別約為70～90 mg/L和500～2 000 mg/L[2]，而餐廚垃圾壓榨脫液的污染物含量更高，COD往往在10萬以上，同時相比餐廚垃圾滲出廢水，有著更高的氮、磷含量。壓榨脫液中的油脂若不預(yù)先處理，會抑制生化處理效果，油膜也會堵塞相關(guān)設(shè)備而影響系統(tǒng)正常運行。因此如何進行餐廚垃圾壓榨脫液的高效處理，是現(xiàn)有處理技術(shù)面臨的重大挑戰(zhàn)。

3 壓榨脫液中主要污染物的處理技術(shù)分析

壓榨脫液處理面臨的最大難題是選擇合理、高效的工藝和技術(shù)，即低成本、高效率的處理技術(shù)是其處理的核心內(nèi)容。處理難點主要是油脂、總氮與總磷的處理。

3.1 油的處理

壓榨脫液中的油以重油、輕質(zhì)油和乳化油等形式存在?？梢圆捎梦锢砼c物化方式分離后去除或回收。物理分離主要有重力分離與離心分離2種形式。重力分離是利用油和水的密度差和不相溶性，實現(xiàn)油水重力差分離，典型的油水分離設(shè)備就是隔油池，經(jīng)過一段時間的靜置，油層會浮在設(shè)備上層。離心分離是借助高速旋轉(zhuǎn)的離心力，將密度不同的油和水分布在旋轉(zhuǎn)壁和中心位置，從而將兩者分離開來。離心分離處理時長遠低于重力分離，但離心設(shè)備能耗大，維護與處理成本相對較高。

油脂的物化分離主要有膜分離與混凝氣浮2種方式。膜分離原理如圖1所示，是通過膜的選擇滲透作用實現(xiàn)油水分離，常用的有微濾膜、超濾膜和反滲透膜，其中，聚偏氟乙烯（PVDF）和聚砜（PSF）超濾膜是使用更為廣泛的。有研究人員制備了用陶瓷管做載體、Mg（OH）2為成膜物質(zhì)的動態(tài)膜，在油水分離中發(fā)現(xiàn)，在較高通量下對油脂的截留率在98%以上[3]。然而，壓榨脫液中鹽分高，若鹽分積累形成鹽橋容易在膜分離中產(chǎn)生濾餅層。因此，膜分離面臨的最大問題是油脂的截留堵塞膜孔道并污染膜表面，降低膜的工作效率，大大縮短了膜的清洗維護周期。

圖1 油水的膜分離原理

混凝氣浮是利用溶氣、電解和散氣等方式產(chǎn)生大量高度分散的微小氣泡，黏附在廢水中的油滴身上并借助小氣泡的浮力作用，在廢水表面形成浮渣，實現(xiàn)油水分離。然而考慮到水中有乳化油存在，油粒表面雙電層不僅阻礙了油粒兼并，也影響了油粒與氣泡的黏附，所以往往需要聯(lián)合聚合氯化鋁、三氯化鐵等混凝劑先行破乳脫穩(wěn)。再輔以助凝劑，可利用油水混和體系中的膠體，或乳液顆粒表面的靜電中和、吸附及架橋等作用，以及無機鹽電解質(zhì)對膠體或乳液顆粒表面電荷產(chǎn)生的凝聚作用，從而提高除油效率。Roshni等[4]研究發(fā)現(xiàn)，混凝氣浮除油的實現(xiàn)依賴于氣泡附著到分散的油粒表面，常規(guī)氣泡可氣浮粒徑大于40 μm的油粒。Liu等[5]利用微氣泡旋流浮選處理油含量為2 000～2 500 mg/L的廢水，油分離率達80%以上。因此，氣浮+混凝工藝較高的油脫除率可用于壓榨液中油水的分離。然而混凝氣浮除油的效果與氣泡粒徑密切相關(guān)。因此，混凝氣浮設(shè)備的選用是確保壓榨脫液除油效果的關(guān)鍵因素。

3.2 氮與有機物的去除

壓榨液中高含量氮的去除可采用吹脫法或生化法，吹脫法對吹脫產(chǎn)生的氨氣往往需回收處理，通常需增設(shè)吸收塔、吸收液溶藥與加藥裝置等，由于吹脫過程中依賴氨氮氣、液的含量平衡，去除效果有效，仍需依賴生化處理進行進一步脫氮。生化處理過程中，微生物將20%～40%的氮用作生長活動，大部分氮經(jīng)過氨化、硝化和反硝化一系列反應(yīng)后轉(zhuǎn)化成N2，從而實現(xiàn)污水中的生物脫氮。目前常用的脫氮工藝包括SBR（序列間歇式活性污泥法）工藝及厭氧氨氧化工藝、A2O（厭氧—缺氧—好氧法）工藝和多級AO（缺氧好氧）工藝。SBR工藝由于間歇排水、不能攪拌污泥，所以進行了相應(yīng)改良。雷英春等[6]在利用MSBR（改良式序列間歇反應(yīng)器）工藝處理養(yǎng)殖廢水時，氨氮去除率達到了74%。然而這一去除效果無法滿足壓榨液中高含量氮的去除要求。王剛等[7]利用該工藝在對煤氣化廢水的處理研究中發(fā)現(xiàn)，通過控制反應(yīng)條件并外加少量碳源，總氮和COD去除率分別可達87.0%和94.0%。然而該工藝本身受到脫氮原理的限制，脫氮效率有限，且C/N比控制較為嚴格，同時，厭氧反應(yīng)器中往往會發(fā)生硝化反應(yīng)，導(dǎo)致后續(xù)出水往往存在硝酸鹽積累。因此，不建議用于高氮含量的餐廚垃圾壓榨液處理。厭氧氨氧化工藝由于處理效率高、耗能低，成為目前較為熱門的脫氮工藝之一。常規(guī)A2O工藝由于易降解碳源在厭氧端的先行降解，易導(dǎo)致后續(xù)脫氮的碳源不足。而改良A2O工藝（如圖2所示）在傳統(tǒng)厭氧池前面增設(shè)一個預(yù)缺氧池，先利用易降解有機物進行反硝化脫氮，同時降低氮的高毒性對厭氧反應(yīng)的抑制，也更好地發(fā)揮厭氧池對難降解有機物的水解酸化作用，從而提高了整體工藝的脫氮能力。多級AO工藝由于優(yōu)化了碳源配置，又充分發(fā)揮了生化脫氮作用，常用于高濃度含氮垃圾滲濾液的處理。據(jù)報道兩級AO工藝（如圖3所示）在經(jīng)過兩級脫氮系統(tǒng)，工程實踐證明COD去除率可達95%以上，氨氮去除率可達98%以上[8]。因此，該工藝可作為高濃度含氮壓榨脫液的生化處理工藝。

圖2 改良A2O工藝流程圖

圖3 兩級AO工藝流程圖

3.3 磷的去除

廢液中磷的去除可利用生化技術(shù)與物化技術(shù)。生化除磷，先在厭氧環(huán)境條件下利用聚磷菌的積磷能力釋放磷，再在好氧環(huán)境下吸收過量的磷，從而實現(xiàn)生物除磷。常用的除磷生化工藝有SBR、AAO（A2O）等。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展也衍生了許多新工藝，如UCT、AOA、AAN等[9]。其特點是利用反硝過程進行磷的脫除，即反硝化聚磷菌在以硝態(tài)氮或者亞硝態(tài)氮為電子受體時，在缺氧條件下進行過量吸磷，并以“一碳兩用”實現(xiàn)廢水的同步脫氮除磷，其有效避免了硝化菌和反硝化聚磷菌的底物競爭，但同時也需要控制底物中的C/N比，避免產(chǎn)生底物競爭導(dǎo)致反應(yīng)不充分，或底物抑制致使反應(yīng)效率低的情況出現(xiàn)。而化學除磷主要通過混凝劑或吸附劑與廢液中的磷進行化學反應(yīng)而脫除，化學除磷效果較好，但往往處理成本相對較高，且產(chǎn)生大量二次化學污泥。無論是生化除磷還是化學去除磷，只是將污水中的磷脫離了原先位置，前者進入了生化污泥中，后者進入了化學污泥中。面對壓榨脫液中高濃度的磷，更需要的是一種可持續(xù)發(fā)展的處理方式。目前，從污水污泥中回收磷的技術(shù)包括結(jié)晶法、濕化學萃取、濕式氧化、超臨界水氧化、冶金冶煉氣體處理和鐵磷沉淀的磁選等，這些技術(shù)可使污水中的磷回收率達到40%～70%。國內(nèi)研究較多的是結(jié)晶法，通常添加鈣、鎂的晶種劑接種，加快結(jié)晶反應(yīng)速率，形成磷酸鈣、磷酸鎂等沉淀后實現(xiàn)磷回收。然而添加的氯化鎂等藥劑造成回收成本過高，因此如何經(jīng)濟、有效地回收磷（如利用藍鐵礦、鳥糞石等），應(yīng)是研究人員值得關(guān)注的問題。

4 深度處理

廢液中的高濃度污染物僅依賴生化處理難以達到處理標準，應(yīng)輔以必要的深度處理。常用的深度處理工藝包括膜法與高級氧化技術(shù)。

4.1 膜法

膜法處理效率高、出水水質(zhì)穩(wěn)定，在垃圾滲濾液中應(yīng)用較多。納濾可分離廢液中殘留的難降解污染物，反滲透可以截留分子量更小的污染物，能保證脫氮除磷與脫色效果，脫鹽率通常在98%以上。納濾膜中包含懸浮物、溶解物、膠體和二價離子，而反滲透濃液中主要殘留物為溶質(zhì)、鹽，深度處理效果更徹底。常用膜型式特點對比見表1。然而，在膜法處理長期運行中發(fā)現(xiàn)：膜本身易于結(jié)垢、管道與設(shè)備易腐蝕，運行維護成本相對較高。

表1 常用膜型式特點對比

4.2 高級氧化技術(shù)

高級氧化技術(shù)在反應(yīng)中會產(chǎn)生活性極強的自由基（如·OH），自由基可以與廢水中污染物發(fā)生加成、取代、電子轉(zhuǎn)移和斷鍵反應(yīng)等，將大分子污染物轉(zhuǎn)化成小分子物質(zhì)，或礦化為CO2和H2O。按照自由基產(chǎn)生方式與反應(yīng)條件，有光化學氧化法、臭氧氧化法、電化學氧化法、Fenton（芬頓）法與過硫酸鹽法等。光化學氧化法是利用光輻射，如UV（紫外線）將臭氧或雙氧水激發(fā)產(chǎn)生自由基進行氧化處理。UV與O3（臭氧）光化學氧化在垃圾滲濾液深度處理中，COD、氨氮、色度的去除率分別高達80.61%、64.47%和91.70%[10]。然而UV經(jīng)常需要更換，處理成本相對較高。Fenton法利用H2O2為氧化劑，利用Fe2+為催化劑產(chǎn)生自由基對廢水中難降解污染物有較好的去除作用。研究發(fā)現(xiàn)該法在H2O2/Fe2+摩爾比為1.3時[11]，pH=5.0時，垃圾滲濾液生化出水COD與色度的去除率分別為68%與87%。然而該方法需要調(diào)節(jié)pH，流程控制相對復(fù)雜，且會產(chǎn)生二次污泥。臭氧氧化法氧化能力強，反應(yīng)速率高、可以有效去除廢水中的有機物、色度等，但單一臭氧使用時，往往使用效率低、處理成本高，通常需借助催化劑進行催化氧化?？捎行コ袡C物和無機物，降低色度，并能在一定程度上提高滲濾液可生化性。但臭氧產(chǎn)生效率低，且催化劑價格高、重復(fù)利用率低。利用粉末CuO進行臭氧催化氧化時，對垃圾滲濾液深度處理時的COD與色度去除率為70%～80%與100%[12]。然而，臭氧催化氧化通常適用于污染物含量較低的生化出水深度處理，這是由于高含量污染物往往會對催化劑產(chǎn)生抑制而影響處理效果。

5 結(jié)束語

餐廚垃圾壓榨脫液污染物種類多、含量高，可利用氣浮+混凝等預(yù)處理工藝將壓榨脫液中的油進行有效分離，以確保后續(xù)工藝的有效開展。經(jīng)分析，兩級AO工藝可較好地分配原水碳源，且脫氮效果相對徹底，壓榨脫液中的高濃度氮的脫除可采用兩級AO工藝。而壓榨脫液中高含量的磷，部分可依賴生化處理，部分仍需后續(xù)的物化含量處理。上述工藝，不能對高濃度氮、磷有效回收，建議后期應(yīng)開展對壓榨脫液中氮、磷的回收處理研究，以提高壓榨脫液處理的經(jīng)濟價值、環(huán)境價值與社會價值。