基于好氧堆肥的餐厨垃圾肥料化利用污染分析及控制策略.pdf

基于好氧堆肥的餐厨垃圾肥料化 利用污染分析及控制策略 * 阚慧1孙翔1肖芸1朱晓东1赵德华2 1． 南京大学环境学院 污染控制与资源化研究国家重点实验室， 南京 210023; 2． 南京大学生命科学学院，南京 210093 摘要 基于高温好氧堆肥工艺， 从收运、 前处理、 堆肥、 后处理和产品施用等环节全面分析餐厨垃圾肥料化利用过程中 产生的臭气、 废水、 盐分、 油脂等污染， 分析潜在的污染源强， 提出控制方法并给出了控制效果。该研究结论是目前国 家 餐厨和厨余垃圾肥料化利用污染控制技术规范 研编过程中的阶段性成果。 关键词 餐厨垃圾; 肥料化; 污染防治 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201401024 ANALYSIS AND STＲATEGIC CONTＲOL ON POLLUTION IN THE PＲOCESS OF FOOD WASTE AEＲOBIC COMPOSTING Kan Hui1Sun Xiang1Xiao Yun1Zhu Xiaodong1Zhao Dehua2 1． State Key Laboratory of Pollution Control and Ｒesource Ｒeuse，School of the Environment，Nanjing University， Nanjing 210023，China; 2． School of Life Science，Nanjing University，Nanjing 210093，China AbstractBased on high- temperature aerobic composting process，a comprehensive analysis of potential negative ecological and environmental impacts of the odor，wastewater，salinity，grease，etc．released in the process of collection and transportation of food wastes，pre- processing，composting，post- processing and product application was carried out． Furthermore，the potential sources of pollution were analyzed，controling s were proposed and the application effects of the control s were shown as references． The study results were a part of the phasic results of policy research on ‘National guidelines on technical specification of food waste composting pollution control’ ． Keywordsfood wastes;composting;pollution control * 国家环保公益性行业科研专项 201109035 。 0引言 餐厨垃圾是对餐饮业、 食品加工业和家庭等加 工、 消费食物过程中形成的残羹剩饭、 过期食品、 下脚 料等废弃物的总称［1 ］。作为城市固体废弃物的重要 类型， 餐厨垃圾占我国城市生活垃圾的比重已达 37 ～62［2 ］， 且绝对量逐年增长。 餐厨垃圾具有高含水量、 高有机质、 高油脂等特 点， 一般来说其含水率达 70 ～ 90， 含油量 150 ～ 6 000 mg/L， 以干物质计， 其有机质含量达 80 ～ 93［3- 5 ］。因此， 用传统的填埋和焚烧等方法处理餐 厨垃圾不仅浪费资源， 更会产生大量渗滤液、 恶臭及 二恶英等污染物。近年来 ， “地沟油” 、 “垃圾猪” 等食 品安全问题也引起了广泛的关注。因此， 形成并健全 餐厨垃圾资源化利用和无害化处理产业链迫在眉睫。 肥料化是餐厨垃圾资源化利用的主要方式之一。 餐厨垃圾肥料化利用包括收运、 前处理、 堆肥、 后 处理及产品施用等过程， 是对餐厨垃圾进行无害化处 理， 将有机质转变成稳定的腐殖质， 生产高营养价值 的有机肥料的过程。但其过程中亦存在许多潜在环 境污染源， 威胁与之相关的水、 大气、 土壤等各环境要 素。目前， 国内外对于餐厨垃圾肥料化利用的研究主 要集中于工程技术方面， 从堆肥原料的参数、 堆肥过 程的条件等方面对肥料化工艺不断优化［6- 7 ］， 但对肥 料化过程中二次污染的源强、 排放状况以及控制措施 79 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 的研究几乎为空白。因此， 制定一套适应于我国国情 的餐厨垃圾肥料化利用污染控制规范是迫切的需要。 本文借鉴国内外研究成果和实践经验， 对餐厨垃圾肥 料化利用过程中的污染物成分和排放特征进行全面 分析， 并针对性地提出污染防治及控制措施。 1工程分析与污染源识别 1. 1工程分析 餐厨垃圾的肥料化利用可分为就地处理和集中 式处理。就地处理指家庭或餐厅等将产生的垃圾自 行处理， 主要方法有蚯蚓堆肥、 密封式容器堆肥等; 集 中式处理指将城市生活垃圾中的餐厨垃圾进行集中 收集运送至大型的处理场进行处理。目前， 餐厨垃圾 处理场主要采用高温好氧堆肥、 厌氧发酵等工艺。由 于就地处理规模小， 几乎不产生污染， 而厌氧发酵的 主要产物是沼气。因此本文主要分析高温好氧堆肥 法进行肥料化利用过程中可能出现的污染。 高温好氧堆肥是指在有氧条件下， 利用微生物对堆 积于地面或专门装置中的有机质进行生物降解， 最终形 成稳定的高肥力腐殖质的过程， 是目前国内外大量采用 的餐厨垃圾处理技术， 不仅使废弃物减量， 还可为土壤 提供大量生物有机质及氮、 磷、 钾等微量元素 ［ 8 ］。 高温好氧堆肥主要包括前处理、 发酵堆肥、 后处 理等环节。前处理指将收运至堆肥场地的餐厨垃圾 进行分选， 去除难降解物质后破碎， 经脱盐后通过固 液分离机， 分离出固体干物质， 必要时需杀菌消毒， 再 加入调整料调整至适宜的理化条件， 送入堆肥系统进 行堆肥。 分选出的难降解物质及经后处理的腐熟物料残 渣进行填埋或其他无害化处理。固液分离后的沥水 送入油水分离器回收油脂。处理过程中产生的污液 经污水收集装置收集后处理。全过程产生的臭气集 中收集， 经除臭系统处理后达标排放。 图 1餐厨垃圾好氧堆肥工艺流程 Fig． 1The process of aerobic composting of food wastes 1. 2源项分析 餐厨垃圾从收集至产品施用的整个肥料化利用 过程均存在潜在环境污染源， 运用全过程分析方法系 统地对这些污染源进行归纳， 见表 1。需要注意的 是， 产品施用过程中的环境污染属于累积性污染， 即 长期施用含盐量较高的肥料可能导致土壤盐渍化。 肥料化利用过程中除影响堆肥效果和肥料质量 的油脂和盐分含量需要解决外， 在多个环节都会产生 的污水、 渗滤液以及恶臭气体等均是重要的环境污染 因子， 这些污染因子直接影响堆肥场内及周边的环 表 1餐厨垃圾肥料化利用全过程污染物分析 Table 1The pollution analysis of the entire process of food wastes fertilizer utilization 项目渗滤液/污水 恶臭气体油脂盐分固废 收运√√ 前处理√√√√ 发酵√√√ 后处理√ 产品施用√ 境和人群。由于好氧堆肥过程产生的高温 可达到 70 ℃ 可将堆肥原料中的病原菌等杀灭， 而过程中产 89 环境工程 Environmental Engineering 生的固体废物需进行填埋等处理， 因此， 对病菌及固 废不做重点介绍。 1. 2. 1渗滤液和污水 餐厨垃圾肥料化过程中会产生大量的污水和渗 滤液。南京市秦淮区餐厨垃圾处理示范站处理规模 为 6 t/d， 运行过程中排放废水约 964 t/d， 其中 COD 约400 mg/L， 氨氮约35 400 mg/L， 总磷约5 400 mg/L， 动植物油约300 400 mg/L。堆肥过程中渗滤液的产生 率可达 25 ～ 40［9 ］， 曾现来等［10- 11 ］对城市生活垃 圾进行好氧堆肥实验， 发现其渗滤液是一种可生化性 良好、 微生物量丰富的高浓度有机废水， 其 pH 为 8. 01 ～ 8. 57， COD 为 5 000 ～ 10 000 mg/L， BOD5为 3 500 ～6 000 mg/L， 氨氮为 79. 35 ～110. 01 mg/L， 浊 度在 95 ～196FNU， 均高于成熟填埋场渗滤液的组成 浓度。 1. 2. 2恶臭 恶臭气体主要产生在运输、 前处理以及堆肥等 阶段［12］。缺氧条件下， 有机物被厌氧细菌分解产生 H2S、 硫醇类等物质; 氧气充足时， 好养细菌分解垃 圾产生 NH3等。这些恶臭物质即使在极低浓度下 也会造成高恶臭强度， 不仅威胁人体健康， 而且可 导致堆体中微生物的死亡， 影响堆肥速度和质量。 根据目前的研究结果［12- 15］， NH3、 H2S、 VOCs 是堆肥 恶臭气体中的主要物质。以 NH3为例， 堆肥过程中 其释放浓度普遍高于其被察觉和识别的临界值 表 2 。 表 2堆肥过程中氨排放浓度 Table 2Ammonia emissions during composting process 堆肥原料堆肥方式氨气等物质排放浓度参考文献 餐厨垃圾 台湾餐厨垃圾堆肥场 好氧堆肥NH3堆肥场内高 1. 2 m 处为 25 10 －6; 恶臭浓度为 546 ［ 14］ 城市固废中的有机成分好氧堆肥反应器堆肥实验NH3最大值在 500 ～700 mg/m3， 全过程累计排放量为每千克干物质 0. 32g NH3 ［ 16］ 餐厨垃圾、 城市生活垃圾好氧堆肥实验 NH3、 H2S、 VOCs 总量 742 g/t 以干物质计［ 17］ NH3最大量 156. 15 mg/kg， 稳定在 5 mg/kg 左右 以干物质计［ 18］ 餐厨垃圾 南京秦淮区示范站密封式好氧堆肥NH30. 15 ～0. 53 mg/m3; H2S 0. 09 ～0. 28 mg/m3 － 1. 2. 3盐分和油脂 高含盐量是影响餐厨垃圾肥料化产品质量的主 要因素， 垃圾中的盐类物质以 NaCl 为主， 除抑制微生 物活性外， 施用后还会造成土壤含盐量升高 与施用 量成正相关 ［19 ］、 作物减产等问题。 关于餐厨垃圾中的盐分含量， 梁彦杰等 ［20 ］测得 其为 0. 84 0. 11 以湿重计 ， 未脱盐堆肥后肥 料含盐量为 1. 38 0. 02 以干重计 。 油脂不仅影响堆肥质量， 也对设备有不利影响。 采用索式提取法测定垃圾中的油脂含量， 约为 28. 78［4 ］ 以湿重计 ， 未经处理的泔水油含动植物 浮油一般在 350 ～600 mg/L［21 ］。 2污染防治与控制 2. 1污染防治 2. 1. 1收运 采用密闭式储存罐收运垃圾， 不得混入有害物 质。垃圾在容器中存放时间不应过长， 必要时可采用 高压蒸汽进行杀菌处理。 2. 1. 2去除盐分和油脂 目前广泛使用的水洗脱盐方法， 其效果见表 3。 表 3水洗脱盐效果 Table 3Effect of washing desalination 对象 盐分含量 脱盐前脱盐后 工艺条件 参考 文献 餐厨垃圾 0. 84 0. 11 以湿重计 0. 22 0. 02 以湿重计25 ℃， 搅拌 10 min， m 水 /m 餐厨垃圾2［ 20］ 城市污泥堆肥 ρ Na ＞900 mg/L， ρ Cl －＞1 000 mg/L ρ Na ＞329 mg/L， ρ Cl －＞320 mg/L 淋洗用水量达到堆肥质量的 2 倍 ～3 倍［ 22］ 餐厨垃圾4. 59 以干重计3. 93 以干重计［ 19］ 餐厨垃圾内的固态油脂可采用湿热处理将其液 化 浸 出，再 进 行 油 水 分 离。 研 究 发 现 ［4 ］，在 120 ℃下加热 80 min处理效果最好， 油脂回收率最 高; 任连海等 ［23 ］对餐厨垃圾湿热处理及粗粒化床回 收油脂进行参数优化， 使油脂回收率在 75以上。 固液分离后的油水混合液可通过油水分离器等 99 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 方法分离， 固相中油脂可采用水酶法或膜分离技术等 进一步去除 ［21 ］。处理后得到的油脂不可用于生产食 用油或食品加工油。 2. 1. 3堆肥送给料参数及堆肥条件控制 餐厨垃圾经前处理后要达到堆肥送给料的参数要 求 ［ 7- 8， 24 ］， 一般 C/N 为 25 ～ 30 ∶ 1， 有机物为 20 ～ 80， 含水率为 45 ～65， pH 为 6. 0 ～8. 0， 温度为 45 ～65 ℃， 粒径为30 mm 左右。 一般堆肥原料在进入堆肥系统前需添加调整料 及微生物菌剂以达到送给料的参数要求。调整料指 木屑、 秸秆等用于调整堆肥原料 C/N 及孔隙度等参 数的物料， 不仅可使堆肥系统升温快、 高温持续时间 长 ［25 ］， 还可减少堆肥过程中产生的臭气和渗滤液［9 ］。 堆肥过程中注意翻堆频率， 保证供氧充分 氧浓 度 ＞5 。为进一步杀菌消毒， 须实现 1 密封式和 强制通风静态堆肥堆体内部温度至少在 55 ℃ 保持 3 d。2 条垛式堆肥堆体温度至少在 55 ℃保持 15 d 以上， 并保证在此期间最少 5 次翻堆 ［26 ］。 2. 2污染控制 2. 2. 1渗滤液和污水 堆肥场区内须配备渗滤液和污水收集装置， 采用 露天式堆肥的大型堆肥场应铺设防渗膜， 防止污染土 壤和地下水。堆肥渗滤液及污水可生化性良好， 因 此， 可优先考虑生物处理法处理。另外， 渗滤液再循 环回喷， 可促进堆肥稳定、 加速堆肥腐熟 ［27 ］。 2. 2. 2恶臭 减少堆肥臭气可从堆体结构、 通气方式等方面进 行优化与控制。具体做法有 ［12， 28 ］ 使堆肥颗粒大小 适中， 加入调整料， 使堆肥疏松、 干燥， 保持空气流通， 并保证规律性的翻堆。为了既能杀菌消毒又控制氨 排放， 堆肥过程中应控制升温阶段温度在 50 ～ 55 ℃［16 ］， 也可使 pH 快速上升以减少恶臭气体的产 生 ［29 ］， 包括较高的曝气频率、 加入木屑及堆肥产品、 石灰 需注意对金属浓度的监测 等。 堆肥场内需将产生的臭气集中收集送入尾气处 理系统。对恶臭气体的处理， 目前提出较多的是生物 除臭法 表 4 。由于垃圾堆肥恶臭成分的多样性， 单 一的处理方法往往效果有限， 必要时需多种方法联 用。南京秦淮区资源循环处理示范站使用 Vaportek 除臭设备， 经处理后厂界 NH3为 0.0075 ～0.0265 mg/ m3， H2S 为 0. 0045 ～0. 014 mg/m3。也可采用物理化 学方法处理臭气， 如台湾一大型餐厨垃圾堆肥场使用 化学清洗法， 用次氯酸钠作氧化剂氧化恶臭气体， 除 臭效率约为 60［15 ］。 表 4生物处理方法处理堆肥臭气 Table 4Biological treatment s for compost odor 方法优点缺点成果或经验参考文献 生物过滤法费用低、 效率高、 易 启动 占地大、 需定期更换滤 料、 易堵塞 城市污水厂，H2S 1. 96 ～ 4. 63 mg/m3， NH32. 21 ～ 5. 68 mg/m3， H2S 去除率 80， NH3达一级排放标准; ［ 30］ 台湾餐厨垃圾堆肥场， 除臭效率为 45;［ 15］ 生物滴滤法费用低、 负荷大、 占 地少、 无需更换滤料 需投加营养物、 有剩余污 泥 处理城市生活垃圾堆肥散发的恶臭气体， TVOCs 和臭气 浓度去除率均大于 70; ［ 31］ 台湾餐厨垃圾堆肥场， 以聚丙烯球作滤料， pH 值为 6. 5， 用磷酸盐和尿素增加营养物含量， 除臭效率达 82; ［ 15］ 曝气式生物除臭法可借用污水处理设施单独用于除臭成本高适用各种不超过极限负荷量的恶臭气体， 去除率 ＞99.52［ 12］ 2. 2. 3产品施用 一般认为， 当含水率为 25 ～ 35， C/N 小于 20∶ 1， 种子发芽率 GI 为 80 ～85、 耗氧速率趋于 稳定时， 堆肥达到腐熟且对植物无毒性［32 ］。 由于收集时可能混有其他有害物质或由于空气 降尘等原因， 堆肥中可能含有微量的重金属元素。因 此， 堆肥产品出厂前需进行严格监测， 保证其组分含 量和卫生条件符合出厂标准。 堆肥产品使用时需注意肥料中的盐分含量。由 于含有一定量的盐分， 因此垃圾堆肥的施用要依土壤 类型和作物负荷而异 在轻度盐渍土上少使用， 中度 盐渍土和敏感作物不使用为宜 。在堆肥产品施用 时加入无机肥可进一步降低盐分的影响， 抑制 返盐 ［33 ］。 3结论与展望 餐厨垃圾肥料化利用的污染因子主要产生于收 运、 前处理、 堆肥、 后处理和产品施用等过程， 其作用 对象主要是水、 大气、 土壤及人体健康。随着餐厨垃 001 环境工程 Environmental Engineering 圾总量的增多和我国对餐厨垃圾资源化利用的进一 步鼓励， 餐厨垃圾肥料化利用所产生的污染也必然受 到重视， 需要进一步解决的问题具体可概括为以下几 个方面 1 必须建立完善的垃圾分类回收系统以保 证餐厨垃圾肥料化利用的原料充足和安全。2 我国 餐厨垃圾肥料化利用尚未形成规模， 宜针对今后发展 的典型工艺开展细致的环境影响评价研究。3 餐厨 垃圾肥料化利用导致的土壤盐渍化问题不容忽视， 应 深入开展相关研究。4 针对我国对餐厨垃圾肥料化 工作管理的实际需求， 开展污染控制规范和标准的研 究和制定。 参考文献 ［1］胡新军， 张敏， 余俊锋， 等． 中国餐厨垃圾处理的现状、 问题和对 策［J］． 生态学报， 2012， 32 14 4575- 4584． ［2］方战强， 吴坚， 鲍伦军． 餐厨垃圾处置方法探讨［J］ ． 华南师范 大学学报， 2007 1 70- 74． ［3］王丹阳， 弓爱君， 张振星， 等． 北京市餐厨垃圾的处理现状及发 展趋势［J］． 环境卫生工程， 2010， 18 1 24- 26． ［4］宁娜， 任连海， 王攀， 等． 湿热 － 离心法分离餐厨废油脂［J］． 环 境科学研究， 2011， 24 12 1430- 1434． ［5］刘军， 刘涛， 代俊， 等． 厌氧消化处理餐厨垃圾工艺［J］． 中国资 源综合利用， 2011， 29 9 54- 57． ［6］吕凡， 何品晶， 邵立明， 等． 餐厨垃圾高温好氧生物消化工艺控 制条件优化［J］ ． 同济大学学报， 2003， 31 2 233- 238． ［7］韩涛， 任连海． 餐厨垃圾好氧堆肥工艺条件优化［J］ ． 环境卫生 工程， 2007， 15 6 28- 33． ［8］梁晓军， 耿思增， 薛庆林， 等． 餐厨垃圾就地脱水处理技术［J］． 农产品加工， 2010， 199 2 98- 102． ［9］张红玉， 路鹏， 李国学， 等． 秸秆堆厨余垃圾堆肥臭气和渗滤液 减排的影响［J］ ． 农业工程学报， 2011， 27 9 248- 254． ［ 10］曾现来， 张增强， 唐次来， 等． 生活垃圾好氧堆肥过程中渗滤液 组成的动态变化［ J］ ． 农业环境科学学报， 2007， 26 3 1147- 1152． ［ 11］曾现来， 张增强， 刘旭东， 等． 垃圾好氧堆肥渗滤液与填埋场渗 滤液的比较［J］． 水土保持研究， 2007， 14 6 325- 327． ［ 12］郭小品， 羌宁， 裴冰， 等． 城市生活垃圾堆肥厂臭气的产生及防 控技术进展［J］． 环境科学与技术， 2007， 30 6 107- 111． ［ 13］张红玉， 邹克华， 杨金兵， 等． 厨余垃圾堆肥过程中恶臭物质分 析［J］． 环境科学， 2012， 33 8 2563- 2568． ［ 14］Tsai C J，Chen M L，Ye A D，et al． The relationship of odor concentration and the critical components emitted from food waste composting plants［ J］ ． Atmospheric Environment， 2008， 42 8246- 8251． ［ 15］Mao I F，Tsai C J，Shen S H，et al． Critical components of odors in uating the perance of food waste composting plants［J］． Science of the Total Environment， 2006， 370 323- 329． ［ 16］Pagans E，Barrena Ｒ，Font X，et al． Ammonia emissions from the composting of different organic wastes．Dependency on process temperature［J］． Chemosphere， 2006， 62 1534- 1542． ［ 17］王星， 王德汉， 李俊飞， 等． 餐厨垃圾的厌氧消化技术现状分析 ［J］． 中国沼气， 2006， 24 2 35- 39． ［ 18］单爱丽， 王帆， 严红． 城市生活垃圾好氧堆肥中氨气变化及其影 响［J］． 环境工程， 2010， 28 3 91- 94． ［ 19］谢炜平， 梁彦杰， 何德文， 等． 餐厨垃圾资源化技术现状及研究 进展［J］． 环境卫生工程， 2008， 16 2 43- 48． ［ 20］梁彦杰， 谢炜平， 何德文， 等． 水洗 － 脱水预处理降低餐厨垃圾 堆肥含盐量的实验研究［J］． 环境卫生工程， 2008， 16 3 44- 49． ［ 21］李桂明， 朱华伦， 计成， 等． 餐厨废弃物中油脂分离的探讨［J］． 新饲料， 2007， 5 9- 13． ［ 22］蔡红， 陈同斌， 高定， 等． 城市污泥堆肥对蔬菜幼苗的盐害及其 淋洗脱盐效果［J］． 中国给水排水， 2009， 25 15 112- 114． ［ 23］任连海， 金宜英， 刘建国， 等． 餐厨垃圾固相油脂液化及分离回 收的影响因素［J］． 清华大学学报， 2009， 49 3 386- 389． ［ 24］Pace M G，Miller B E． The composting process［J］． Utah State University Extension， 1995， 10． ［ 25］邹德勋， 汪群慧， 隋克俭， 等． 餐厨垃圾与菌糠混合好氧堆肥效 果［J］． 农业工程学报， 2009， 25 11 269- 272． ［ 26］Wei Y S，Fan Y B，Wang M J，et al． Composting and compost application in China［J］． Ｒesources，Conservation and Ｒecycling， 2000， 30 277- 300． ［ 27］曾现来， 张增强， 张永涛， 等． 堆肥渗滤液循环喷淋对城市生活 垃圾好氧堆肥效果的影响［J］． 西北农林科技大学学报， 2007， 35 7 183- 187． ［ 28］郑瑞生， 封辉， 戴聪杰， 等． 碳氮比对堆肥过程 NH3挥发和腐熟 度的影响［J］． 环境污染与防治， 2009， 31 9 59- 63． ［ 29］Sundberg C， Yu D， Ingrid F W， et al． Effects of pH and microbial composition on odour in food waste composting ［J］．Waste Management， 2013， 33 204- 211． ［ 30］屈艳芬， 叶锦韶， 尹华． 生物过滤法处理城市污水处理厂臭气 ［J］． 生态科学， 2005， 24 1 18- 20． ［ 31］裴冰， 羌宁， 郭小品． 生活垃圾堆肥恶臭气体的生物滴滤净化性 能研究［J］． 环境科学研究， 2008， 21 1 179- 182． ［ 32］秦莉， 李玉春， 李国学， 等． 城市生活垃圾堆肥过程中腐熟度指 标及参数控制［J］． 农业工程学报， 2006， 22 12 189- 193． ［ 33］宿庆瑞， 李卫孝， 迟凤琴． 有机肥对土壤盐分及水稻产量的影响 ［J］． 中国农学通报， 2006， 22 4 299- 301． 第一作者 阚慧 1990 － ， 硕士。kanhuinju hotmail． com 通讯作者 孙翔 1982 － ， 博士， 助理研究员， 主要从事环境影响评价、 遥感与 GIS 等领域研究。sunxiang nju． edu． cn 101 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal