长期以来,我国餐厨垃圾多用作泔水喂猪,也有少量简单加工为动物饲料或炼制地沟油的实践。显然,这样的“资源化”处置方式易滋生病菌,造成二次污染,而且存在食物链传播健康风险的问题。
填埋和焚烧处理简便,是我国餐厨垃圾目前主要的处置方式。
然而,餐厨垃圾高含水率,填埋易产生高浓度渗滤液,焚烧则导致较高的耗能。进言之,餐厨垃圾高易生化降解有机成分在填埋过程中往往只是被降解,产生的填埋气也难以有效利用,这就对餐厨垃圾所含能源、资源造成极大浪费,也会给生态环境带来巨大负面影响。
目前,我国部分住宅小区虽有采用餐厨垃圾粉碎机(foodwastedisposalunits,FWD)在下水管网前破碎处理餐厨垃圾的尝试,但被粉碎后的餐厨垃圾通过城市下水管网进入污水处理厂,也只是被动降解,难以实现资源化利用。
近些年来,国家政策倡导餐厨垃圾资源化处置,餐厨垃圾资源化利用和无害化处理试点城市工作在不断推进。在被批复的五批餐厨垃圾试点城市中,厌氧消化产沼气、好氧堆肥、综合处理等技术均有不同程度应用;其中,厌氧消化产沼气技术已在不少试点城市应用。尽管如此,我国餐厨垃圾资源化处置工作并不容乐观,这主要是因为我国餐厨垃圾处理厂主要局限于试点城市,总体餐厨垃圾回收率仍然较低,而且“吃不饱”现象在运营当中的餐厨垃圾处理厂时有发生,影响了餐厨垃圾处理厂的正常运行;加之,我国的垃圾分类工作进展缓慢,餐厨垃圾里往往混有不少有机杂物,给后续餐厨垃圾生物处理造成不利影响,也就降低了餐厨垃圾资源化处置效率。
填埋、焚烧亦是国外餐厨垃圾处置曾经采用的常用方式。为应对能源危机与气候变化,许多国家开始扩大生物处置餐厨垃圾的规模,以减少填埋、焚烧处置的份额。
欧盟早在1990年代起就采取禁止可生化降解垃圾直接填埋处置的措施;韩国也已于2005年出台了禁止可生化垃圾直接填埋的管理办法。为避免填埋,日本、北美等国家也有不同程度地应运居家FWD方式处置厨余垃圾的范例。就餐厨垃圾资源化回收技术而言,厌氧消化产沼气、好氧堆肥和制作饲料等技术在国外占有重要份额。日本以微生物堆肥与制作饲料技术实现了较高的餐厨垃圾资源化处置率,这与日本严格执行餐厨垃圾分类不无联系;韩国以成熟的堆肥与制作饲料技术保障了较高的餐厨垃圾资源化处置率(2006年高达94.2%)。
近年来,餐厨垃圾厌氧消化处理的工程应用在许多国家持续快速增长,如:美国加利福尼亚餐厨垃圾共消化项目、新加坡“2012绿色计划”方案等行动均提高了餐厨垃圾厌氧消化处理的能力。总体上,欧洲国家在利用厌氧消化技术处理餐厨垃圾方面的工程应用更为普遍、技术更加成熟。截止到2014年,欧洲国家厌氧消化设施年处理包括餐厨垃圾在内的城镇有机固废物能力高达7.75百万t˙a-1,其中,德国高达2百万t˙a-1,西班牙为1.6百万t˙a-1;而且对沼气与沼渣的利用已有相当成熟的技术,沼气经提纯作为车用燃料工程化应用已有不少成功案例。
填埋餐厨垃圾
填埋处置是以微生物代谢作用为基础的,细菌可将其中可降解有机成分分解为填埋气(沼气),其余部分被稳定至腐殖质,同时,产生渗滤液。填埋气主要成分是甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2),两者分别占到填埋气体积的50%~65%和30%~40%。CH4和CO2都是温室气体,若不加以收集而任其自然排放,将对大气环境产生不利影响。甲烷是一种高热值可再生能源,可通过对填埋场有效管理,实现其高效利用(如燃烧发电),降低碳排放量。
然而,填埋气产量与成分受限于餐厨垃圾特性、填埋方式等因素。也有文献报道,餐厨垃圾填埋处置之碳排放量因处置方式不同而效果不同;一般而言,填埋+填埋气发电、填埋+填埋气燃烧、好氧预处理+填埋、厌氧填埋在次序上会导致碳排放量逐渐增大。
目前,餐厨垃圾与其他垃圾混合填埋较为广泛,这种客观存在的现实主要源于居家丢弃与市政转运的方便,也是造成填埋气产量低下的重要原因,更是我国大多数填埋场不愿收集填埋气的原因。
餐厨垃圾与其他垃圾混合填埋处置虽然在城镇化进程中有其存在的历史意义,但会对环境造成诸多不利影响。餐厨垃圾因较高含水率与高有机成分,填埋处置必然会产生大量高浓度以有机成分为主的渗滤液,处置不当会导致地下水、甚至地表水二次污染的现象。填埋气不加以利用则增加碳排放量。更为严重的是填埋过程中挥发性有机化合物(VFAs)的释放将污染空气,直接威胁到人体健康。此外,填埋场占地面积往往较大,况且适合填埋的场地又十分有限,这又导致了填埋处置成本并非最低的尴尬现象。
与此同时,填埋普遍以减量、消容为目的,多数不能实现餐厨垃圾资源化利用,这显然与目前我国餐厨垃圾资源化处置原则相悖,注定其今后将被淘汰。
好氧堆肥
堆肥是在适宜的环境条件下,微生物将餐厨垃圾中有机物氧化、转化为腐殖质的过程。腐殖质中含有大量营养物质,可作为优质肥料使用。
好氧堆肥主要采用以下5种系统:条垛式;强制通风条垛式;膜覆盖式;隧道式;容器式。
为加快机质经微生物作用被稳定为腐殖质的过程并保障肥效,往往需要优化堆肥过程中含水率、通风条件、C/N比和接种量等工艺参数;堆制结束需要对堆料进行腐熟度、不同等级的安全指标测定,并依据其肥效及安全等级选择适合应用的场合。
餐厨垃圾高有机成分及易生化降解特性非常适合作为微生物的营养底物,可以达到快速稳定为腐殖质的效果。但是,餐厨垃圾含水率较高(77%以上),不在堆肥最佳的含水率范围(50%~65%)以内,这势必导致微生物可利用的氧量减少。
此外,餐厨垃圾相对高的油脂含量会在堆料表面形成一层膜,这会导致堆料出现厌氧状态,使底物发酵酸化,pH值下降,不利于堆肥微生物的生长。因此,利用餐厨垃圾堆肥时,要首先探明其具体特性,然后选择合适的膨胀剂及混合比或采用与其他底物(如:园林绿化植物垃圾)进行联合堆肥,以达到调节含水率和堆料孔隙的目的(以增加含氧率)。绿化植物垃圾产生量大、结构疏松,干化后与餐厨垃圾适量共堆肥,可拓宽对市政有机固体废弃物处理的途径。但是,绿化植物垃圾木质纤维素含量高,较难生化降解,这就需要研究共同堆肥过程中优势菌属及物料的演变规律,进而得出共同堆肥的最优工艺参数。
堆肥技术工艺较为简便、发展历史悠久,已在我国餐厨垃圾试点城市多处应用;典型成熟的应用案例有北京南宫堆肥厂等。
然而,餐厨垃圾堆肥产生的腐殖肥效及安全等级受原料成分(如:高油、盐成分)影响往往导致肥料品质不佳的现象,这就影响了肥料的大规模使用,特别是受限于农业方面。
为此,做好餐厨垃圾分类与堆肥预处理工作以及拓宽下游肥料出路是保障肥料品质及提高肥料应用范围的关键。
粉碎直排
粉碎直排是指将餐厨垃圾经厨房下水接口配置的餐厨垃圾粉碎机(FWD)粉碎后直接排入市政下水管网的方法。采用FWD的处置方式虽有避免餐厨垃圾丢弃与转运导致二次污染的现象、可为市政污水处理厂增加碳源等优势,但是,餐厨垃圾在资源化方面的作用则大打折扣,流入污水处理厂的粉碎有机物大都被直接稳定至CO2,只有增量的剩余污泥可用作厌氧消化实现能量转化、回收利用。因此,对大中城市来说,FWD并非可持续的选项,只有人口相对分散的地区,可能才会有应用的需要。
虽然FWD在美国城市当中的允许安装率超过94%,且居家的累积安装率超过高达50%,但这并不代表着它是一种应用的国际趋势,因为各地对FWD安装并应用的前提条件颇为严苛。FWD也开始在我国一些社区尝试应用,但下水道接纳以及污水处理厂适应性均没有考虑FWD带来的额外负荷。加之,FWD的使用需要耗电、耗水,无形之中又增加了对它在进一步应用与可持续性餐厨垃圾处置上的质疑。
厌氧消化产沼气
厌氧消化产沼气技术是在人为优化工艺条件下,有机质在多菌种协同作用下,经水解、酸化、产甲烷阶段转化为沼气、沼渣的过程。沼气可用于热电联产(CHP)和提纯后用作车用燃料使用,沼渣可用作肥料。
厌氧消化产沼气技术是将有机固体废弃物转化为能源最为有效的技术途径,我国餐厨垃圾年产量巨大,若用此技术处理并从中回收能源后经CHP等途径利用,这就能达到科学处置与回收能源的双重目的。
数据显示,我国餐厨垃圾厌氧消化产沼气能源回收潜力巨大,可达165119GW˙h˙a-1。目前,我国不少运用厌氧消化产沼气技术的餐厨垃圾处理厂已呈现较高的能源回收能力,例如,重庆黑石子餐厨垃圾处理厂处理能力36.5万t˙a-1,年产生沼气量2800万m3˙a-1、发电3300万kW˙h˙a-1;北京董村餐厨垃圾处理厂最大处理能力达200t˙d-1,年产生沼气量3827万m3˙a-1。
温度、pH、VFAs、C/N比和微量元素是厌氧消化产沼气技术运行需要优化的主要参数。通常,水解阶段是有机固体废弃物厌氧消化产沼气的限速阶段。油脂的水解速率比蛋白质和碳水化合物均慢,这将在一定程度上影响厌氧消化速率并造成残余油脂在系统内累积。我国餐厨垃圾含油率普遍较高,是厌氧消化的限制因子。此外,餐厨垃圾里往往混有塑料袋、餐巾纸、玻璃碎片等杂物,也极易影响厌氧消化系统稳定性运行及设备正常工作。所以,餐厨垃圾在厌氧消化之前必须进行一定的预处理,以最大程度上分离固体杂物。过度酸化也是餐厨垃圾厌氧消化运行时的常见现象,主要源于餐厨垃圾中高浓度易降解有机物。
餐厨垃圾的这些特性,使得其不同于其他有机底物厌氧消化;虽具有产气量大、反应周期短等优势,但存在单独厌氧消化运行稳定欠佳的问题。这就导致对许多有待解决的问题研究,如:油脂成分对厌氧消化的影响、抑制过度酸化现象等。
餐厨垃圾中的油脂经水解作用而形成甘油和长链脂肪酸(LCFAs),LCFAs经β氧化产生氢气和乙酸,最终被产甲烷菌转化为甲烷(CH)。理论上,油脂可比蛋白质与碳水化合物产生更多的CH,但是β氧44化速率非常缓慢,且LCFAs能抑制产乙酸菌、丙酸降解菌和乙酸型产甲烷菌的活性,特别是当LCFAs吸附至微生物的细胞壁或细胞膜上时,会大幅度改变细胞膜的流动性和渗透性,导致大量细菌细胞解体,致使厌氧消化系统运行失败。实验表明,餐厨垃圾与浮油单独厌氧消化时,浮油累积产气量比餐厨垃圾高29%;两者厌氧共消化时,往餐厨垃圾中添加适量油脂(5g˙L-1)后,油脂可生化降解性比其单独消化时提高7.8%(达91.3%);但当油脂添加量增至50g˙L-1时,油脂可生化降解性反而降低至10.8%。
因此,油脂蕴含高能量,且与餐厨垃圾适量共消化可达到协同降解效果,提高厌氧消化产气量。
针对餐厨垃圾水解阶段过度酸化和油脂会引起系统不稳定运行等问题,有学者进行实验添加微量元素(如钴)、两相厌氧消化等技术解决不稳定运行问题。
为了缓解LCFAs的抑制作用,也可以采取向厌氧消化系统内投加吸附剂、氯化钙及不连续进料的运行方式。然而,两相工艺投资成本较高、而微量元素的效果易受多菌种微生物特性及反应动力学的影响。相形之下,厌氧共消化技术有调节C/N比、稀释油脂含量和互补微量元素等优势,可系统解决餐厨垃圾水解阶段过度酸化和油脂引起的系统不稳定运行问题。餐厨垃圾与牛粪以不同混合比厌氧共消化与两者单独消化相比,可大幅度提高沼气产量(24%~47%)与产气速率,这得益于C/N比的优化和微量元素的互补。
共消化技术这些明显的优势,更可为市政有机固体废物可持续管理提供好的处置路径。在此方面,奥地利斯特拉斯和美国希博伊根污水处理厂的工程实践起到了很好的示范作用;这两个污水厂利用污水处理过程中产生的剩余污泥与外源餐厨垃圾/有机固体废物共消化已获得充足运行能量(CH4),已实现“碳中和”运行目标。
对餐厨垃圾厌氧消化的研究仍有不断深入的空间,针对高油脂与易降解高有机质成分特点,未来应在一些工艺参数(如,微量金属元素)影响稳定运行以及强化沼气产量等方面有所突破。同时,需要推广应用剩余污泥与餐厨垃圾共消化技术,对共消化带来的高产气量与产气速率的具体机制、反应过程优势微生物种群的变化深入研究,以优化共消化运行参数。
综合处置
综合处置方式是指根据餐厨垃圾成分,利用破碎、分拣、筛选、搅拌等机械过程以及后续生物处理技术(如厌氧消化)、填埋等方式对餐厨垃圾进行处置。这样,可回收原垃圾中的金属、玻璃等可循环利用物,并采用填埋等方式处理从原垃圾中分拣出的难以生化降解的有机固体垃圾,既减少了填埋负荷量、避免过多温室气体排放,又能实现资源化、能源化回收利用。
当前,我国餐厨垃圾分类回收体系并不完善,餐厨垃圾里混杂有金属、玻璃瓶、废餐具和纸巾等杂物。对未进行垃圾分类的地区,采用综合处置方式显然可提高餐厨垃圾资源化、能源化率。但这种末端分类的处理方式往往工艺繁杂、亦受机械处理环节影响,分拣的误差率较大,会丢失部分可生化降解有机质并影响后续生物处理效果。
归纳以上5种餐厨垃圾处置方式可知,填埋虽然简便,但会丧失有机能源,造成大量温室气体排放,并不适合高有机成分餐厨垃圾的处置。堆肥在一定程度上受餐厨垃圾质量的制约,工程应用范围并不宽泛。粉碎直排固然有餐厨垃圾源头减量、增加污水处理厂碳源等优势,但其在资源化及可持续性方面的缺陷亦十分明显。
厌氧消化产沼气技术理论与实践均较为成熟,是回收餐厨垃圾中有机能源的重要途径,特别是,将其与其他来源有机废弃物(如:市政剩余污泥)一同共消化不仅可提高污泥厌氧消化能量转化效率、增加甲烷产量,亦可节省单独处置餐厨垃圾的基础设施,已成为今后餐厨垃圾处置的首选途径。
最后,综合处置方式被视为末端处理工艺,流程繁琐,运行成本高,只对未实行垃圾分类地区有临时性处置意义。(来源:农业环境科学)