厨余垃圾沼渣特性及资源化利用

厨余垃圾沼渣特性及资源化利用

殷大维 1 童裕军 2

光大环保能源（宁海）有限公司，浙江省宁波市 315000

光大环保能源（杭州）有限公司 ，浙江省杭州市310000

摘要：在两座厨余垃圾处理厂对厌氧发酵产生的沼气进行了部分筛选，并对其主要理化性质和营养指标进行了分析。结果表明，垃圾厌氧发酵产生的pH值在7.23～8.14之间，不受碱度的影响。盐的溶解度分别为1.78-1.85、2.62～2.91 mS/cm。NaCl的含量不高，两厂之间的差异很明显。有机质含量在20-30%之间，低于其他种类的甲烷。总营养素含量超过5%；As、Cd、Pb、Cr的检出限分别为2.63、0.818、9.47～19.34、4.20～12.77 mg/kg。结果表明，厨余垃圾残渣营养丰富，对人体毒性低，具有合理利用资源的潜力。然而，甲烷和有机残渣的含量相对较低，直接影响其利用。较低的腐殖质和发芽率表明，经厌氧发酵处理的厨房沼气对植物仍有较高的毒性。因此，它可以作为有机绿化的基础，或作为生产高质量无机-有机复合材料的原料进行进一步加工和应用。

关键词：厨余垃圾；沼渣；资源化

家庭厨余垃圾占湿垃圾的最大比例。厌氧发酵是城市生活垃圾处理最重要的方法，其副产物营养丰富，资源利用价值高。然而，由于早期管理阶段和技术限制，生活垃圾主要与厨房垃圾混合作为生活垃圾。同时，厨余垃圾比餐厨垃圾含有更少的盐和脂肪，便于生物处理。随着废物分类政策和《中华人民共和国固体废物污染防治法》第57条要求的全面实施，到2020年，厨余垃圾回收利用和环境无害化管理的组织工作由区内外地方政府环境卫生行政部门负责。厨余垃圾的合理利用已成为研究热点。本文分析了厨余垃圾厌氧发酵产生的生物残渣的性质，并对其资源化利用进行了研究，为烹饪过程中产生的沼泽残渣的利用提供了理论支持。

一、餐厨垃圾厌氧发酵处理工艺分类与流程

1.餐厨垃圾归类为厌氧发酵过程。分析了餐厨垃圾厌氧发酵方法的分类、优缺点，总结了餐厨垃圾厌氧发酵可分为湿发酵和干发酵（取决于餐厨垃圾中的干物质含量）、单相发酵和两相发酵（取决于反应顺序），平均温度发酵（取决于反应器温度）、分批发酵和连续发酵（取决于饲料）。有机物浓度可分为湿（小于15%）和干（小于20%-40%）。分为成熟的湿法工艺；廉价的加工手段和复杂的预处理；炉渣应定期清除，且对高流量水和废水的影响敏感。干湿废物不能分开处理；设备成本高；由于固体含量高，运输和混合困难，尤其是混合，这是一个技术问题。该反应为单相和两相反应，单相投资低，反应器内氧化容易控制，抑制产甲烷菌生长，影响厌氧发酵。两相系统稳定；提高加工效率；提高给料机的缓冲能力。高投资操作和维护复杂且难以控制。反应温度广泛应用于平均温度35-38℃、高温50-60℃、常温和平均温度；低功耗；操作稳定，热解时间长，消除时间短；天然气产量略高；几小时后，杀灭寄生卵的数量可以达到90%以上，这需要更多的热量和更高的运行成本。氨的高温和浓度高于氨的平均温度，甲烷中氨的浓度高，室温下能耗低；工艺稳定，消耗低；效率低下。

2.厌氧发酵工艺流程。由于我国餐厨垃圾含水量较高，一般采用湿法、单项、连续、中温发酵法。该技术经济可行，垃圾收集后，首先对系统进行预处理，这是保证后处理系统稳定运行的前提和关键步骤。其功能是尽可能地保持厨房垃圾中的有机杂质和脂肪，并通过将其粉碎成小颗粒来分离杂质和脂肪；分离出的有机肥料进入厌氧发酵系统，产生甲烷并提取资源。另一方面，沼气污泥经过厌氧处理后，可按规定进入污水处理系统；正在运输的水泥饼厌氧发酵在世界各地的餐厨垃圾处理中被广泛应用，国外主要采用湿法发酵，从混合物中去除的有机垃圾主要用于酶干燥。

二、餐厨垃圾厌氧发酵反应器

最常见的厌氧发酵全混式厌氧反应器（CSTR）、塞流式（PFR）和内循环（IC）。CSTR在常规反应器中装有搅拌器，使发酵物料和微生物充分混合，活性区分布在整个反应器中。该反应器用于高浓度固体悬浮液的厌氧发酵。其优点是可以作为高悬浮物的原料，原料在反应器中分布均匀。缺点是能耗高、消化池容积大目前，当反应器中产生甲烷，且反应器中的原料流处于活塞位移状态时，会发生垂直搅拌。本实用新型无搅拌装置，结构简单，能耗低，缺点是促进剂易沉淀固体，前端易酸化，更适合发酵高强度有机物。然而，PFR显示出强烈的局部酸化，这不利于长期去除过载分解基质（如厨房垃圾）。在CSTR的基础上，对内部IC反应器进行升级，将其内置在甲烷提升管中，以确保低流体供应。本实用新型具有节能、抗冲击等优点。缺点是内部结构。厌氧混合脉冲也是如此。循环泵用于能量传递和搅拌，以促进厌氧反应器中原料和微生物的混合。厌氧发酵，适用于有机污泥和剩余污泥，效率高，功耗低，维护方便，但对浆料流动更有效。

三、材料与方法

1.材料。样品来自于两个湿垃圾处理厂A和B，两者均用干式厌氧发酵处理。家庭厨房的食物残渣和残渣库存是预处理系统，消除了其中的大部分物质，具有稳定和较少的有害成分。对从两个工厂采集的三三批次沼渣的调查是厨房垃圾排放的20 d氨氧的产物。第一批样品将于2020年7月16日采集，第二个是8月3日采集，第三个是8月28日采集。

2.仪表。410型火焰光度计，ME204、pH计，恒温器阻尼器SHA，高速粉碎器，干燥箱装置101A，MARS6，SX2电阻炉，电导率分析装置HD3400，光度光学计，ICE3000吸收仪，静电耦合。

3.试验方法。对各种试验指标采用各自的试验方法和标准，每批试验指标确定三次。

四、结果与讨论

1.沼渣理化性质。图1显示了A，B工厂厨余垃圾沼渣的pH值。从图1可以看出，A厂三次采样的pH值范围为7.23-7.77。B厂7.71至8.14范围内pH值的平均取样均为碱。pH差异较小，符合NY525—2012《生物肥料》的要求。A，B厂3次NaCl和沼渣中NaCl质量得分。A厂三次抽样的NaCl质量指数为0.81%，B厂三次抽样的NaCl质量指数为1.67%，工厂结束时NaCl质量值稳定，但两个工厂的NaCl质量差较高。A，B两厂的EC值。EC值用于确定沼泽相对于盐对植物生长的影响。工厂A的三个采样的EC值范围为1.78 ms/cm。B的三个采样的EC值范围为2.62 ms/cm。如果EC值小于3.5 ms/cm，则不会影响植物的正常生长。EC值在此范围内越大，沼泽中含有的养分就越多。该研究从工厂B采集样品，其盐含量和EC值均高于工厂A，主要与区域垃圾收集和饮食习惯有关。

图1 A，B两厂厨余垃圾沼渣的pH值

2.营养目标。20到30%的有机质量存在厨余垃圾沼渣中。养分总量超过5%，生物量和总营养能反映沼渣能微生物可用于代谢的成分比例。较高的生物量表明沼泽中可消耗的成分较多。NY 525生物肥料标准要求生物量≥45%，总养分≥5%。

检测有机质和总养分结果，即沼渣的有机质量，一般都不足以直接用作有机肥。研究表明沼泽作为植物的基础具有良好的物理性质，沼泽中的养分量对于树干等植物的生长研究结果表明，沼泽与肥料的结合可以提高土壤pH值，提高玉米产量和品质。因此，预计在进一步加工厨余垃圾沼渣后，作为绿化或原料，将产生更昂贵的有机和有机堆肥。

3.沼渣腐熟指标，如表1所示。

表1厨余垃圾沼渣中腐殖质含量

腐殖质分为胡敏素、酸和富里酸。腐殖酸和富里酸的结构变化主要发生在堆肥后期，是衡量堆肥腐化程度的重要指标。两厂厨余垃圾沼渣含有20%-30%的腐殖质，这是最低的胡敏酸含量，其次是富里酸。含量高胡敏素。腐殖酸指数HIi是反映堆肥成熟度的最佳参数之一。高达1.6表示堆肥已腐熟。HI腐殖化的计算如下：

(1)

在(1)中，腐殖化系数FHI；胡敏酸FHA含量；富里酸FFA含量。计算结果表明，A厂和B厂的甲烷回收率较高，分别为0.20和0.27。0.25和0.44远远不能满足分解要求。发芽率反映了堆肥对植物的毒性。一般来说，如果发芽率超过50%，堆肥可被视为对种子无害。发芽率为3倍，从6.58%到14.74%。厌氧发酵沼渣未腐熟仍然很高，表明其对生物废弃物仍然具有很高的毒性。

4.重金属含量。在两家工厂，3批次沼渣重金属含量较低。砷比检出限低2.63 mg/kg，镉比检出限低0.81 mg/kg，铅为9.47～19.34 mg/kg，铬为4.20～12.77 mg/kgg。没有发现汞或铊。两个工厂检测到的重金属均低于绿色有机基质GB/T 33891有机无机复合肥GB/T 18877的规定限值，表明干法厌氧发酵生产的沼渣燃料毒性较低，有助于更好地利用资源。

5.探讨资源化方向。最近的研究表明，沼渣被广泛用作土壤改良剂和有机肥料。结果表明，施用沼渣可以改善土壤质量，增加土壤有机碳含量，提高土壤渗透性，减少土壤体积。进一步研究表明，施用生物残渣还可以增加土壤微生物的数量和代谢活性。对3个月内土壤养分和pH值进行了分析，结果表明，生物残渣提高了土壤总碳、NH4和磷的水平。代谢分析表明，生物残渣还可以改善土壤微生物结构，促进植物尤其是豆类植物对养分的吸收。通过盆栽试验研究了有机甲烷和无机甲烷的各种残留结果表明，有机肥和无机肥处理的土壤有机质、全氮和速效磷含量分别为12.4-26.3%、0.1-10.3%和10.1-30.1%，高于无机肥处理。此外，通过椰糠、木屑和黄心土育苗的比较，探讨了利用沼渣育苗的可行性。结果表明，在植物栽培领域，沼渣EC值的价值适合育苗基质，沼渣的营养成分有利于幼苗生长。此外，重金属和抗生素也会积聚在沼渣中。长期使用也可能导致农业生态系统污染的风险。沼液沼渣中的利用对土壤次生盐渍化具有潜在危害。与畜禽粪便等固体有机废物相比，餐厨垃圾具有重金属含量低、致病微生物风险低的优点。它可以防止过量使用沼渣造成的土壤污染，这对植物的正常生长有害。仅在这个地区，每年就产生约3.0×105 t万吨厨房垃圾。这些废物被加工成高质量的有机基质，用于绿化目的。因此，厨余垃圾沼渣的利用不仅减少了环境污染，而且具有很高的经济价值，对建立资源环境合理利用的社会具有重要意义。

该研究发现，通过对基本化学物质、营养价值指标、腐蚀和重金属含量进行干式厌氧发酵，对选择A和B两厂进行垃圾分类所产生的厨余垃圾进行了研究。结果表明，厨余垃圾沼渣中的生物量和营养总量一般约为30%，重金属和pH值较适宜，沼渣具有高营养和低的生物毒性，具有很好的资源利用潜力。

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