廚余垃圾厭氧發(fā)酵沼液資源化利用概述

引言

中國(guó)廚余垃圾產(chǎn)量已超過(guò)1.27億t，并呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)。廚余垃圾具有典型的“垃圾”和“資源”的雙重特性，目前廚余垃圾處理采用的主要工藝為“預(yù)處理＋厭氧發(fā)酵＋資源化利用”和好氧堆肥。當(dāng)前全國(guó)在建的廚余垃圾處理設(shè)施，厭氧產(chǎn)沼工藝比例占到60%以上，而沼液占厭氧產(chǎn)沼副產(chǎn)物質(zhì)量的80%以上，沼液處置運(yùn)行成本占廚余垃圾處置直接運(yùn)行成本的60%～80%。

對(duì)于厭氧發(fā)酵沼液的處理現(xiàn)有兩種方向，第一種是通過(guò)“預(yù)處理＋生化處理＋深度處理”工藝，實(shí)現(xiàn)厭氧發(fā)酵沼液的達(dá)標(biāo)排放；第二種是通過(guò)資源化利用技術(shù)對(duì)厭氧發(fā)酵沼液進(jìn)行再利用，比如將其用于農(nóng)用肥料、農(nóng)田灌溉等。

目前，畜牧業(yè)沼液資源化應(yīng)用研究較多，毛曉月等研究了連續(xù)施用沼液對(duì)水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。Chen等研究了在雙季茭白上施用沼液后對(duì)植物生長(zhǎng)和環(huán)境影響， 發(fā)現(xiàn)適當(dāng)施用沼液能提高土壤細(xì)菌豐度，提高土壤全氮、堿解氮、全鉀及速效鉀等養(yǎng)分含量。但是，國(guó)內(nèi)廚余垃圾厭氧發(fā)酵的沼液資源化應(yīng)用較少，沼液主要作為污水處理，這也是廚余垃圾處理的主要成本之一。在西歐國(guó)家，有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵處理后的沼液只要滿(mǎn)足鹽度和重金屬控制目標(biāo)，即可作為液態(tài)有機(jī)肥（或基礎(chǔ)肥）直接回田。比如德國(guó)對(duì)沼渣液施肥的主要要求是：（1）厭氧發(fā)酵液中的總固體達(dá)到30％可以施肥；（2）采用固液分離，液體直接作肥料，固體加工后作為肥料；（3）農(nóng)場(chǎng)外的發(fā)酵廢物全部要在70℃下經(jīng)過(guò)1小時(shí)消毒，方可作肥料入田；（4）多個(gè)不同農(nóng)場(chǎng)使用一個(gè)沼氣工程時(shí)，肥料也需要消毒，防止交叉感染；（5）考慮到作物用肥、環(huán)境保護(hù)、肥料利用，《肥料法》規(guī)定180天貯存期，每年10月至次年4月沼肥不得入田。這樣不僅節(jié)約大量處理成本，還實(shí)現(xiàn)了資源化利用效益。

廚余垃圾厭氧發(fā)酵的沼液合理處置對(duì)廚余垃圾行業(yè)的發(fā)展及環(huán)境保護(hù)具有重要意義。本文綜合分析國(guó)內(nèi)廚余垃圾厭氧發(fā)酵工藝特點(diǎn)、沼液理化特性及營(yíng)養(yǎng)成分，探討廚余厭氧發(fā)酵的沼液資源化利用途徑，拓寬廚余厭氧的沼液利用渠道，以期為我國(guó)沼液資源化利用提供借鑒。

一、廚余垃圾厭氧發(fā)酵技術(shù)

隨著2017年餐廚廢棄物資源化利用和無(wú)害化處理試點(diǎn)工作的開(kāi)展，國(guó)內(nèi)一線(xiàn)、二線(xiàn)城市先后建設(shè)完善了廚余垃圾處理設(shè)施。尤其是在先行先試的46個(gè)重點(diǎn)城市基本建成垃圾分類(lèi)處理系統(tǒng)后，廚余垃圾厭氧發(fā)酵工藝成為主要處理技術(shù)之一。廚余垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼工藝過(guò)程主要分為兩種理論：三階段理論和四階段理論。普遍認(rèn)可的是廚余垃圾厭氧過(guò)程在各類(lèi)菌群的作用下分為水解、發(fā)酵產(chǎn)酸、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷的四階段理論（圖1、圖2）。

厭氧發(fā)酵按照垃圾總固含率分為干式（20%～40%）和濕式（10%～15%），按照反應(yīng)級(jí)數(shù)分為單級(jí)和多級(jí)，按照進(jìn)料方式分為序批式和連續(xù)式，按照發(fā)酵反應(yīng)溫度分為常溫（25℃）、中溫（35℃～45℃）和高溫發(fā)酵（50℃～60℃）。我國(guó)厭氧發(fā)酵主要采用濕式連續(xù)中溫發(fā)酵工藝，濕法反應(yīng)器可以應(yīng)用不同的預(yù)處理工藝；連續(xù)式反應(yīng)系統(tǒng)占地面積較小，產(chǎn)氣效率較高；中溫發(fā)酵速度較快，產(chǎn)氣率較高，與高溫發(fā)酵相比，中溫發(fā)酵所需的熱量較少。

我國(guó)已建成100多座廚余垃圾厭氧發(fā)酵處理廠(chǎng)。目前，全球最大的城市有機(jī)垃圾綜合處理項(xiàng)目——廣州東部固體資源再生中心生物質(zhì)綜合處理廠(chǎng)已建成投產(chǎn)，該項(xiàng)目采用“預(yù)處理＋共發(fā)酵＋綜合利用”的厭氧工藝。

二、廚余垃圾厭氧產(chǎn)沼的沼液特性

廚余垃圾的含水率較高，一般在80%左右，剩余的干物質(zhì)以可降解有機(jī)物為主。干物質(zhì)中包括碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、木質(zhì)纖維素、油脂和少量的金屬元素等。其中，碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪的含量通常超過(guò)干物質(zhì)的70%，具有較高的產(chǎn)甲烷潛力，使廚余垃圾的厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼成為可能。廚余垃圾的碳氮比（C/N）一般在10～30，符合厭氧發(fā)酵C/N值在20～25的要求。

廚余垃圾本身油脂含量高、有機(jī)質(zhì)含量高、含水率高、含鹽量高，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼液與畜禽糞便厭氧發(fā)酵后的性質(zhì)類(lèi)似，均為一種高濃度有機(jī)廢水，具有成分復(fù)雜、富含氮磷鉀元素、肥效優(yōu)異等特征。但是，廚余垃圾產(chǎn)生的沼液含鹽量較高，呂凡等研究發(fā)現(xiàn)廚余垃圾含鹽量為1.26%～2.62%。廚余垃圾產(chǎn)生的沼液的有機(jī)物（COD）含量主要在15 000～2000 mg/L，沼液中還含有大量的N、P、K等營(yíng)養(yǎng)元素。不同的厭氧發(fā)酵設(shè)施工藝的差別可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵殘余物中含量有所差異，邵明帥等對(duì)廚余垃圾厭氧發(fā)酵后的沼渣沼液的組分與基本特征進(jìn)行分析，其中C、H、O、N 的含量分別為38.79%、5.28%、20.83%、7.28%，高含碳量說(shuō)明有機(jī)質(zhì)在厭氧發(fā)酵過(guò)程中并未完全降解，廚余垃圾沼液中還有一定的資源利用價(jià)值（表1）。

三、廚余垃圾厭氧發(fā)酵的沼液資源化利用現(xiàn)狀

（一）沼液的綜合利用

廚余垃圾經(jīng)厭氧發(fā)酵后可以有效將其分解，產(chǎn)生的沼氣作為一種清潔能源，厭氧發(fā)酵后的殘余物沼液也可資源化利用。沼液TP、TN含量較高，會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，含鹽量較高會(huì)造成土地鹽堿化，但經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后沼液可資源化利用。

第一，沼液可作為有機(jī)肥料?？梢詾榧Z食作物、蔬菜、經(jīng)濟(jì)作物等提供肥料，沼液作為灌溉肥料，施于作物根部，可以給作物提供營(yíng)養(yǎng)和微量元素，促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育。沼液也可作為液面噴肥，提高葉綠素含量，增強(qiáng)光合作用，提高產(chǎn)量。沼液是植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的良好來(lái)源，用沼液代替化肥既能實(shí)現(xiàn)沼液的資源化利用，又能減少肥料用量。研究表明：經(jīng)過(guò)沼液施肥，促進(jìn)了觀(guān)賞生菜的生長(zhǎng)；與對(duì)照組相比，兩組施肥的觀(guān)賞生菜株高分別提高12.66%和16.75%，葉面積分別提高19.97%和42.03%。沼液施肥對(duì)觀(guān)賞生菜產(chǎn)量和品質(zhì)也有不同程度的提高，經(jīng)過(guò)沼液施肥后的生菜中的維生素C、花青素、可溶性糖和蛋白質(zhì)含量均高于對(duì)照組。李金澄等采用沼液灌溉玉米生產(chǎn)的研究中，發(fā)現(xiàn)適量沼液還田時(shí)，可提高玉米籽粒中可溶性糖分的含量，玉米產(chǎn)量和品質(zhì)明顯提升。另外，沼液可作為無(wú)土栽培營(yíng)養(yǎng)液，實(shí)現(xiàn)無(wú)公害栽培。

第二，沼液可用于浸種。沼液含有多種對(duì)植物生長(zhǎng)有益的物質(zhì)，如Ca、Fe、Mn、Cu等微量元素，浸種時(shí)滲入種子細(xì)胞內(nèi)，刺激種子發(fā)芽和生長(zhǎng)；N、P、K等營(yíng)養(yǎng)元素，提供種子發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)；氨基酸、腐殖酸、水解酶以及有益菌等活性物質(zhì)，對(duì)種子的生長(zhǎng)發(fā)育有輔助作用，促進(jìn)細(xì)胞分裂和生長(zhǎng)。有研究將沼液原液進(jìn)行小麥種子浸種處理，與清水處理比較可提高約13%的發(fā)芽率，種子可提前3天出苗，葉長(zhǎng)增加1.70 cm，葉寬增加0.10 cm，幼苗干質(zhì)量增加0.70 g。

第三，沼液可作為農(nóng)藥。沼液含有抗生素類(lèi)物質(zhì)，能夠防治某些作物病蟲(chóng)害。研究發(fā)現(xiàn)，噴灑沼液對(duì)蚜蟲(chóng)、紅蜘蛛、日粉虱等害蟲(chóng)和白粉病、霜霉病、灰霉病等病害有良好的防治效果。畢婷婷等考察了施用沼液對(duì)于核桃高效生產(chǎn)的影響，發(fā)現(xiàn)沼液肥對(duì)病蟲(chóng)害防治等方面有較好的促進(jìn)作用，還有研究沼液對(duì)蜜柑葉片中的紅蜘蛛及其蟲(chóng)卵的消除率有提升作用，去除率達(dá)到85%以上。

第四，沼液可用于微藻養(yǎng)殖—生物燃料。在沼液中培養(yǎng)微藻，既能實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分管理，又能實(shí)現(xiàn)物質(zhì)生產(chǎn)；既能有效去除養(yǎng)分，又能生產(chǎn)生物燃料。有研究表明，在施用沼液肥料的微藻生產(chǎn)過(guò)程中，養(yǎng)分獲取的能量消耗可占總能量消耗的50%，在此情況下，富含營(yíng)養(yǎng)的沼液廢水可以取代無(wú)機(jī)肥料，降低成本，并實(shí)現(xiàn)廢水處理創(chuàng)造環(huán)境效益。

第五，沼液可作為補(bǔ)充碳源。沼液有機(jī)質(zhì)含量高，可生化性好，具有成為污水處理補(bǔ)充碳源的潛力。潘晨馳等以浙江省某污水處理廠(chǎng)為例，研究了不同沼液/進(jìn)水混合比對(duì)污染物去除、運(yùn)行穩(wěn)定性及污泥性狀的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混合沼液處理污水有效提高了污水處理廠(chǎng)TN的脫除效果，且降低了碳排放和運(yùn)行成本。沼液作為補(bǔ)充碳源，一方面促進(jìn)了反硝化菌的增殖，另一方面增加了活性污泥絮團(tuán)粒徑，提高了硝化反硝化的效率。沼液的資源化利用“以污治污”，有助于碳減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，降低了污水處理運(yùn)行成本，具有良好的社會(huì)和環(huán)境效益。

（二）沼液利用存在的瓶頸

廚余垃圾厭氧發(fā)酵后的副產(chǎn)物沼液具有較強(qiáng)的資源性。但是發(fā)酵殘余物中較高的鹽分、重金屬等不會(huì)因?yàn)閰捬醢l(fā)酵過(guò)程而減少，土壤施用高含鹽量的沼液后存在鹽堿化的風(fēng)險(xiǎn)，重金屬離子會(huì)在作物、土壤中不斷富集，威脅土壤生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)身體健康，因此需要通過(guò)沼液的濃縮、膜蒸餾、膜濃縮等處理進(jìn)一步除鹽、去重金屬等才能進(jìn)行利用。

廚余垃圾厭氧發(fā)酵殘余物中的衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)也極其重要。雖然沼液中有害病菌在高溫厭氧發(fā)酵、好氧堆肥、生物干化等處理過(guò)程中大部分被殺滅，但是也有必要進(jìn)行二次殺菌消毒處理。沼液進(jìn)行資源化利用，必須經(jīng)過(guò)衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)檢測(cè)，滿(mǎn)足無(wú)害化標(biāo)準(zhǔn)要求才能施用。

四、建議與展望

廚余垃圾厭氧發(fā)酵后沼液的資源化利用道路還很長(zhǎng)。目前，沼液主要是作為有機(jī)廢水處理，處理成本高。對(duì)沼液進(jìn)行資源化利用符合可持續(xù)發(fā)展的理念，是未來(lái)的研究重心。當(dāng)前沼液資源化利用主要還停留在研究階段，市場(chǎng)化應(yīng)用需要政府政策支持和企業(yè)創(chuàng)新推動(dòng)。另外，沼液資源化利用的技術(shù)問(wèn)題，如惡臭氣味、高鹽分、衛(wèi)生指標(biāo)等無(wú)害化處理也需要實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。

隨著大型城市廚余垃圾厭氧產(chǎn)沼技術(shù)的興起，沼液的產(chǎn)生量巨大，處理費(fèi)用高。從循環(huán)經(jīng)濟(jì)和降低運(yùn)行成本的角度出發(fā)，可以根據(jù)污水處理實(shí)際運(yùn)行情況，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)沼液最佳混合比，提高污水處理效率及沼液資源化利用率。通過(guò)沼液與污水協(xié)同處理， 實(shí)現(xiàn)“以污治污”。同時(shí)，污水處理過(guò)程中會(huì)形成大量高有機(jī)質(zhì)剩余污泥，可考慮將其與易腐垃圾進(jìn)行協(xié)同發(fā)酵，進(jìn)一步降低運(yùn)行成本。

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（責(zé)任編輯：榮榮）