基于物质流分析餐厨垃圾厌氧消化工艺的问题与对策*

吕 凡，章 骅，邵立明，何品晶

（1.同济大学固体废物处理与资源化研究所，上海 200092；2.住房和城乡建设部村镇建设司农村生活垃圾处理技术研究与培训中心，上海 200092）

·本刊特稿·

基于物质流分析餐厨垃圾厌氧消化工艺的问题与对策*

吕 凡1，2，章 骅1，2，邵立明1，2，何品晶1，2

（1.同济大学固体废物处理与资源化研究所，上海 200092；2.住房和城乡建设部村镇建设司农村生活垃圾处理技术研究与培训中心，上海 200092）

采用物质流分析方法，评估了我国现有餐饮垃圾和厨余垃圾厌氧消化的9种典型工艺模式，估算了气、液、固三相产物和残余物产生量，计算了物料在预处理、厌氧消化、固液分离、污水处理等主要技术单元的物流分配，分析了这些工艺模式的特点和局限性。物质流分析结果表明，厌氧消化和沼液处理成为调控物流分配的核心单元；改善干式厌氧消化技术和高稳定沼液资源利用技术的整合水平，是化解废物流通量随处理流程持续增加的关键；而干式厌氧消化技术的应用受到沼渣和沼液处理脱水污泥的消纳出路限制；预处理和液体回流等单元环节均有优化空间。因此，应从城市固体废物全系统管理（包括与污水处理的衔接）的角度，综合应用物质流分析等决策工具，认识餐厨垃圾处理厂在环境管理和生态保护中的作用。

餐厨垃圾；餐饮垃圾；厨余垃圾；厌氧消化；物质流分析；干式消化；湿式消化

“十二五”期间，由于“地沟油”问题、鼓励可再生能源发展等背景，餐饮垃圾分流处理被列为国家重要的规划领域。从2011年至2015年，国家发展和改革委员会分5批共设置了100个“餐厨废弃物资源化利用和无害化处理试点城市”。除了国家颁布的一系列鼓励政策文件，多个试点城市也专门出台了餐厨垃圾管理办法或条例。目前，全国已投运、在建、筹建的50 t/d规模以上餐厨垃圾处理项目至少有118座，这些处理设施中有76.1%采用厌氧消化技术，14.1%为好氧发酵，6.4%为制饲料等［1］。因此，厌氧消化是目前我国餐饮垃圾处理的主流技术。而且，厨余垃圾采用厌氧消化技术处理也已经提上了日程。但是，已建的餐厨垃圾厌氧消化厂的运营状况不尽理想、亟待提升。除了存在预处理工艺复杂、占地面积大、二次污染控制不理想，以及主体厌氧消化单元效率低等直接的技术问题外，厌氧消化工艺的选择、优化控制、前后端技术衔接、厌氧消化的综合经济和环境效益、厌氧消化技术在城市固体废物管理体系中的作用等问题，均尚未明晰。

物质流分析 （Material Flow Analysis， MFA；或，Substance FlowAnalysis，SFA）是固体废物管理的主要研究方法之一，常用于决策区域生活垃圾的收集路线和处理技术［2］，评估废物的资源和能源转化效益［3-4］，规划固体废物管理框架［5-6］，比较不同工艺类别处理技术的技术经济可行性［7］，评估污染物在收运体系［8］和处理工艺流程［9-10］上的分布。

因此，笔者根据我国已投运餐厨垃圾厌氧消化处理厂、中试工程的部分实际运营数据，已建、在建或筹建项目的设计文件、现场考察，以及与现场工作人员的交流等方式获得的各类气、液、固物料量和性质信息，采用物质流分析方法，评估了我国现有餐饮垃圾和厨余垃圾厌氧消化典型工艺模式的沼气、沼液和沼渣产生量，总结了这些工艺模式的特点和局限性。在此基础上，分析和探讨了厌氧消化技术在我国维持可持续发展的技术优化思路，以及其在城市固体废物管理系统中的定位。

1 我国餐厨垃圾厌氧消化技术的代表性工艺模式

1.1 餐饮垃圾厌氧消化处理工艺

我国已基本形成了处理餐饮垃圾的统一工艺技术路线，即：预处理制浆液提油+浆液湿式厌氧消化。

餐饮垃圾进入接收输送称重系统后，先进入预处理工序，去除杂质，并均化制浆。典型的预处理工序为：（粗大） 杂物（料）分选机（去除金属、玻璃、竹木、布料等杂质；典型工序为破袋筛分+磁选机+破碎机+分选机）+制浆分选机（去除塑料等轻物质杂质，并均化制浆得到6～8mm粒径物料）+湿热水解反应器（灭菌析油）+除砂+三相分离（分别获得固、水、油三相，固相经研磨机或二次打浆进一步粉碎至2 mm，与水相混合得到浆液）+均质池（均质、贮存、初步水解、除浮渣纤维杂质等）。制浆方法为打浆或压榨挤浆。目前，国内已建成的餐饮垃圾处理厂的预处理工艺主要类型有：两级分拣+破碎制浆工艺；粗破碎+水力制浆工艺；机械破碎+湿热水解工艺；水力旋筛+研磨制浆工艺；自动分选+挤压脱水工艺；液压压榨工艺［11］。

经上述预处理后获得的浆液含固率为8%～10%（wt），其中，有机物含量为60%～90%（dw）；进入湿式厌氧消化工序，多采用CSTR或UBF反应器，该工序出料为沼气和消化液。

消化液全量进入污水处理系统；或经固液分离出沼渣后，沼液再进入污水处理系统。制浆需要外加水，对垃圾进行稀释（稀释水添加位点：垃圾接收料斗、制浆器、除砂装置），通常采用车辆冲洗水、工艺废水或沼液为稀释水源。湿热水解反应器、厌氧消化罐、毛油制粗脂肪酸甲酯系统3处还需外加蒸汽用于湿热水解，或消化罐直接加热的蒸汽也能起到部分稀释水的作用。

1.2 厨余垃圾厌氧消化处理工艺

厨余垃圾，指的是城市生活垃圾分类收集后获得的厨余组分；或混合收集的生活垃圾在厂内进行机械分选后获得的厨余组分；以及集贸市场产生的果蔬垃圾。已建、在建或计划建设项目中采用的处理工艺可分为同样是制浆后再湿式厌氧消化及干式厌氧消化2类。

1）预处理制浆液+浆液湿式厌氧消化。

预处理工序通常包括如下环节：破袋+滚筒筛（去除大尺寸杂质）+磁选机（去除金属）+破碎机（破碎至50 mm以下）+分选机（去除塑料等杂物，并破碎至20 mm以下）+水解制浆（制浆，并分离大颗粒残渣）+除砂（去除小颗粒沙砾、骨头） +水解均质（初步水解、均质、去除浮渣）。与餐饮垃圾相比，厨余垃圾的预处理工序因不除油而无需湿热水解和三相分离。不过有些项目为了加速有机物水解速率，也采用热水解+水洗+两级压榨制浆的预处理工艺。

经上述预处理后获得的浆液含固率为8%～10%（wt），其中有机物含量为55%～90%（dw）；进入湿式厌氧消化工序。消化液经固液分离出沼渣后，沼液进入污水处理系统。

2）预处理除杂+生物质干式厌氧消化。

预处理工序通常包括如下环节：破袋+滚筒筛（去除大尺寸杂质）+磁选机（去除金属）+破碎机（破碎至50 mm以下）+分选机（去除塑料等杂物，并破碎至20 mm以下）。与预处理制浆工艺相比，减少了水解制浆和除砂的步骤。因此，细颗粒沙砾、石块、骨头等会随生物质进入厌氧消化罐。

经预处理除杂后，生物质的含固率约为30%（wt），根据后续干式厌氧消化罐的物料含固率要求，利用沼液稀释至15%～25%（wt），或者维持原状不稀释直接进入干式厌氧消化罐。干式厌氧消化常为连续式推流工艺，多为高温厌氧消化工艺。

3）垃圾干式厌氧消化+后处理除杂。

预处理仅作简单的称重、破袋、破碎、输送后，垃圾全量进入干式厌氧消化罐。干式厌氧消化常为批式进出料。消化残余物再进行机械后处理除杂。

该工艺厌氧消化段的有机物降解率要低于纯生物质进料的湿式或干式厌氧消化，但同时也避免了前段预处理导致的部分生物质损失。消化残余物进行后处理除杂过程的二次污染，如臭气和污水滴漏较为严重。上述工艺模式的典型工艺设计参数如表1所示。

表1 我国餐厨垃圾厌氧消化工艺单元的典型设计参数

2 物质流分析的参数取值依据

下述物质流分析基于100 t/d的餐厨垃圾处理规模。物质流分析的系统输入物流包括：餐饮垃圾或厨余垃圾、冲洗水和蒸汽、脱水药剂；系统输出物流包括：杂质、毛油、沼气、沼渣、污水处理出水、污水处理后的脱水污泥。系统输出物流中未设置沼液一项，这是因为，尽管沼液被认为富含氮、磷、腐殖质［12］，可作为液态肥料，但我国的实际应用中，目前均是被当作高浓度污水处理，自建或利用周边已有的污水处理设施；执行的外排出水水质标准为GB 16889—2008生活垃圾填埋场污染控制标准、DB 31/445—2009污水排入城镇下水道水质标准、GB/T 18920—2002城市污水再生利用城市杂用水水质或GB 8978—1996污水综合排放标准三级标准。

2.1 杂质

餐饮垃圾的杂质含量设计值为6%～15%（wt），但实际的季节性变化很大，检测值为1.97%～32.85%（15.10%±9.53%） （wt），呈现春、秋、冬三季杂质量少、夏季杂质量多的规律［13］；全系统的杂质分离量为4～10 t/d；这些杂质主要包括塑料餐具、泡沫轻物质、竹木、金属、砂石、骨类和贝壳等。厨余垃圾的杂质含量设计值为30%～35%（wt）；全系统杂质分离量约30 t/d；塑料袋、竹木、纤维制品、金属、生活日用品、砂石和玻璃等是主要的杂质种类。目前，杂质（除金属外）的去向均是填埋或焚烧。分离出塑料的含水率高，仍有相当的有机物残留，不太适合做塑料粒，导致再生塑料厂家不愿意回收利用。

2.2 毛油

由于饮食习惯，我国餐饮垃圾的含油量较高。基于对影响后续厌氧消化过程的担心，以及期望收获油脂，因此，餐饮垃圾的处理工艺几乎都设置了油水分离环节。油脂提纯方式包括：①人工捞油，油相含油率约40%（wt）；②三相分离机，得到水相、油相和渣相，油相含油率约60%（wt）；③三相分离机+立式离心机，油相再经升温至80～85℃后进入立式离心机，得到纯度约 98%（wt）的毛油［11］。根据常州市餐厨废弃物应急处理工程近3 a的运行数据［11］，餐饮垃圾的平均含油率为2%（wt），利用“蒸汽+三相分离机+立式离心机”方法的平均提油率为88.56%，即毛油得率1.78 t/d，毛油含油率均值98.2%（wt）。餐饮垃圾项目一般与废弃油脂处理项目共建，废弃油脂处理量（或设计收集量）约为餐饮垃圾的4%～17%（wt）。废弃油脂的含水率约68%（wt）。废弃油脂制脂肪酸甲酯（联产甘油、丙三醇、粗甲酯） 的工艺（如，酸碱联合催化法）相对成熟，在此不做讨论。

2.3 沼气

餐饮垃圾的沼气产率设计值约7～8 t/d，厨余垃圾为10～11 t/d。但是，目前缺少实际连续稳定的运行数据。沼气产率取决于厌氧消化效率，工程在设计时，停留时间取低值（15～20 d）、有机负荷取高值（6～8 kg/m3），会造成实际厌氧消化效率远低于设计预期，工艺运行不稳定，沼气、沼渣和沼液的产量与性质都会受到影响。

2.4 浆液

虽然我国为了发展会计信息化工作，已经发布了一系列国家标准，但是相关法规和标准并不健全，尤其在网络信息安全监管方面十分滞后，并没有相关法律保护受侵犯者的合法权益。

包括挤压脱水预处理后获得浆液，或者厌氧消化后形成的消化液。浆液/消化液进一步固液分离后获得沼渣（生物质残渣）和沼液（或污水）。根据常州项目的运行数据［11，14］，挤压脱水预处理后获得浆液的水质为：CODCr21 300～86 000（54 763± 135 82）mg/L，氨氮30～460（164±96）mg/L，总氮482～1 920（1 171±291）mg/L，总磷120～391（242± 61）mg/L。采用热水解压榨固液分离后浓浆物料的有机物浓度更高，CODCr可达70 000～130 000 mg/L，TS为8%～15%（wt）。消化液经固液分离后的沼液水质典型工艺设计值是：CODCr10 000～30 000 mg/L，BOD55 000～8 000 mg/L（B/C=0.3～0.4），SS 5%～10%（wt），pH6～9，氨氮2000～3200mg/L，TP100～160mg/L。国外餐饮垃圾厌氧消化残余物（包括沼液和沼渣）的运行结果是［15］：CODCr43887（34067～53707）mg/L，BOD58769（6437～11100）mg/L，TS4.5%（2.7%～6.8%）（wt），VS69%（68.3%～69.6%）（dw），pH 8.4（8.3～8.4），酸值（以CaO%计）26.1%（23.1%～29.1%）（wt），氨氮10.5%（5.5%～16.0%）（dw）（相当于4725mg/L），总磷TP0.7%（0.3%～2%）（dw）（相当于315mg/L）。

2.5 沼渣

沼渣的湿基产量与其含固率密切相关，取决于浆液/消化液的固液分离效率。浆液的固液分离方式有：带式压滤、螺杆挤压和离心脱水。国外的工程实践表明，食品废物厌氧消化残余物采用上述3种脱水方式获得的沼渣含固率分别为8.7%～9.5%（wt）、12.9%～14.0%（wt） 和22.3%～24.3%（wt）［16］。我国已知工程大多数采用螺杆挤压方式，设计值为沼渣含固率80%（wt）；已有工程的沼渣含固率为25%（wt）；常州市餐厨废弃物应急处理工程制得的生物质残渣含固率可达35%（wt）［17-18］。螺杆挤压效率与螺距、螺杆数、挤压时间、转数、筛网孔径、药剂量等有关。而热水解污泥和餐饮垃圾混合消化后的残余物脱水性能整体劣化［19-20］。无论是餐饮垃圾还是厨余垃圾，随着厌氧消化的进行，消化残余物的脱水性能均会逐渐劣化，特别是在厌氧消化6～8 d（处于水解阶段）时物料的脱水性能最差［19］。餐饮垃圾消化残余物的脱水性能要差于厨余垃圾［19］。

3 不同工艺模式的物质流分析

3.1 餐饮垃圾：预处理制浆液提油+浆液湿式厌氧消化

该工艺的典型物流桑基图如图1～3所示。图1中的消化液全量作为污水处理；图2中的消化液经固液分离后，分离出沼渣，仅沼液作为污水处理，因此，进入污水处理厂的液体CODCr浓度有所降低；图3中考虑了沼渣分离和沼液部分回流。图中的数值均以湿基为计量基准，括号内数值为物料的含水率，连接线的线宽与物质量大小相对应。以处理100 t/d的餐饮垃圾为基准，厌氧消化单元有机物降解率设为80%，3种方案的系统总输出物流量分别为：114.2、114.6、110.2 t/d（污水处理过程产生的CO2不计入）。

图1 餐饮垃圾预处理制浆液+浆液湿式厌氧消化工艺模式物流（消化液全量作为污水处理）

图2 餐饮垃圾预处理制浆液+浆液湿式厌氧消化工艺模式物流（沼渣分离）

图3 餐饮垃圾预处理制浆液+浆液湿式厌氧消化工艺模式物流（沼渣分离+沼液部分回流）

3.2 厨余垃圾：预处理制浆液+浆液湿式厌氧消化

该工艺的典型物流桑基图如图4～6所示。图4方案考虑了沼液部分回流，由于沼液含固率仍较高（～3%wt），作为稀释水难以达到浆液含固率8%～10%（wt）的制浆效果，因此，还需补充外加稀释水。图5方案以外排出水作为稀释水。图6方案以部分沼液和外排出水作为稀释水。以处理100 t/d的厨余垃圾为基准，厌氧消化单元有机物降解率设为50%，3种方案的系统总输出物流量分别为：180.3、109.6、110.2 t/d。

图4 厨余垃圾湿式厌氧消化工艺模式物流（沼液回流）

图5 厨余垃圾湿式厌氧消化工艺模式物流（出水回流）

图6 厨余垃圾湿式厌氧消化工艺模式物流（沼液和出水回流）

3.3 厨余垃圾：干式厌氧消化

该工艺的典型物流桑基图如图7～9所示。图7和图8采用的是预处理除杂先于厌氧消化的方式。图7方案中考虑了部分沼液回流，以达到干式或半干式厌氧消化反应器内的物料含固率要求。图8方案则不进行液体回流。图9采用的是先厌氧消化后除杂的方式，不进行液体回流。以处理100t/d的厨余垃圾为基准，前2种方案厌氧消化单元有机物降解率设为50%，后除杂方案设为40%，3种方案的系统总输出物流量分别为：104.7、105.1和104.6t/d。

图7 厨余垃圾干式厌氧消化工艺模式物流（沼液回流）

图8 厨余垃圾干式厌氧消化工艺模式物流（无液体回流）

图9 厨余垃圾干式厌氧消化工艺模式物流（除杂后置）

4 问题分析

4.1 核心单元技术不成熟导致工艺过程的中间废物流通量大幅提高

表2汇总了上述9种模式的系统物质输出数据，以及厌氧消化单元有机物降解率取最低值和最高值（参见表1）时的计算结果，并据此探讨如下问题。

厌氧消化和沼液处理/利用成为调控物流分配的核心单元。由于餐厨垃圾原料含固率与厌氧消化湿式、半干式或干式工艺要求的反应器物料含固率之间的差异，除了干式厌氧消化工艺之外，物料稀释往往是不可避免的。但是，尽管干式厌氧消化在国外的应用较成熟，在国内稳定运行的案例却很少，存在技术不确定性。可能的原因在于，杂质去除效率不高（特别是沙砾、玻璃、石块、骨头、贝壳等细颗粒），容易造成惰性颗粒在反应器底部淤积，或随消化残余物进入固液分离设施，易造成脱水设备的磨损；曾经出现的运行故障还有“爆管”，可能是由于高含固率物料输送不畅，使气体流动淤堵，导致管道压力过高。由此，湿式成为我国固体废物厌氧消化的主流工艺，加入水分稀释物料，导致设施的处理负荷基本翻番，物料量大幅增加。厨余垃圾除杂后的含固率为20%～30%（wt），而湿式厌氧消化的进料含固率要求6%～10%（wt），这意味着稀释水的添加量基本需要达到垃圾进料量的1.3～1.6倍，厌氧消化罐的处理负荷达198～228 t/d，污水处理设施的处理负荷达113～166 t/d。

表2 厌氧消化技术处理100 t/d餐厨垃圾的系统物质输出

高稳定（腐殖化） 沼液可以浓缩利用获取氮肥和腐殖质。北欧国家在沼液浓缩利用方面报道的处理成本是8～15 €/m3，这基本与沼液作为污水处理的成本持平，但有可能通过产物利用获得资源和经济效益，将废物流转化为资源产物流。而在我国，沼液基本被当作污水进行处理，除了沼液利用技术整合水平不足之外，沼液性质也是影响其利用可行性的因素。厌氧消化降解率较低时，沼液中仍残留大量可降解组分、生物稳定性差，在浓缩腐殖质的同时，盐分也同时被浓缩。稳定沼液的BOD/COD比应在0.2左右或以下，但已测定的部分实际沼液样品显示其BOD/COD比约为0.4，反映其生物稳定性较差，也间接反映出其厌氧消化段的有机物降解率不理想。厨余垃圾湿式厌氧消化的污水处理量最高，而餐饮垃圾的污水处理量计算值也达到了88～95 t/d。已有的工程实践表明，实际的污水处理量将近100 t/d（其它的水分输入包括车辆冲洗水3～13 t/d，蒸汽4～12 t/d）。

4.2 沼渣和沼液处理之间的物质量权衡

厨余垃圾干式厌氧消化工艺的沼液产量（相当于污水处理量）最低（16.3～22.3 t/d），但其沼渣产量（40～47.6 t/d）比湿式消化工艺高87%，其沼渣和污泥总产量约50 t/d，比湿式消化工艺高39%。而湿式消化工艺尽管沼渣产量仅24.3～26.2t/d，但其较高的污水处理负荷导致高污泥产量（8.3～12.3t/d）。餐饮垃圾湿式厌氧消化效率往往略高于厨余垃圾的湿式厌氧消化，物料含固率也较低，因此其沼渣和污泥的产量较低（4.8～6.6 t/d）。需要指出的是，沼液有机质最终转化为污泥，但在有些沼液外运处理的项目中并没有被考虑进去。因此，对于厨余垃圾的厌氧消化处理，沼渣和污泥的消纳是主要问题。首先，应进一步提高核心单元厌氧消化的反应效率，以降低沼渣和沼液中的有机质，提高沼渣和沼液的生物稳定性，改善消化液的固液分离效果［19］；其次，是寻求适宜的沼渣和污泥消纳途径。

如表2所示，餐饮垃圾湿式厌氧消化单元的有机物降解率从80%降至70%时，沼气产量降低了12%～13%，沼渣和污泥总量增加了50%～74%；厨余垃圾湿式厌氧消化单元的有机物降解率从70%降至50%时，沼气产量降低了28%～29%，沼渣和污泥总量增加了136%～216%；厨余垃圾干式厌氧消化单元的有机物降解率从60%降至40%时，沼气产量降低了33%，沼渣和污泥总量增加了56%～61%。

现有工程项目的沼渣和沼液处理脱水污泥基本采用填埋或焚烧处理处置。替代技术方面，沼渣制肥的问题是无市场需求，同时，还存在盐分累积风险和臭气控制问题。部分项目拟考虑沼渣经好氧处理后林用或作为园林绿化基质土，但目前缺乏相关的产品和污染控制标准。部分沼渣好氧堆肥项目无法通过环评，但试点城市又规定必须有该项措施，造成了进退两难的局面。餐饮垃圾的沼渣或浆液脱水后的生物质残渣做蛋白饲料的食品安全风险尚无定论。而沼渣热解制生物炭是近期提出来的又一种消纳途径。生物炭用途广泛［21-25］，在部分试验田作为土壤调理剂的施用量可达5%～10%（wt）。根据热解条件，生物炭的干基得率是30%～50%，但性质差异很大［26］。目前，还缺乏热解及生物炭产品的相关技术和产品规范。沼渣进行热解前需干化至含水率近零，因此，干化（热干化或太阳能辅助热/生物干化）的能量消耗会极大影响沼气的能源效益。据测算，含水率70%沼渣的热干化能耗是557 kWh/t［27］。另外，热解气（干基得率约10%） 和热解油（干基得率约50%）尽管被称之为能源产品，但实际应用市场并不理想［28］。

另外，沼渣直接填埋也存在风险。目前，GB 16889—2008生活垃圾填埋场污染控制标准规定：“厌氧产沼等生物处理后的固态残余物、粪便经处理后的固态残余物和生活污水处理厂污泥经处理后含水率小于60%可以进入生活垃圾填埋场填埋处置”。但如前所述，在现有的固液分离效率下，沼渣的含水率一般只能达到65%（wt）。沼渣直接进填埋场必然对填埋堆体稳定性、渗沥液产生量造成极大的影响。

4.3 沼液回流与出水回流的比较

由于沼液本身仍有一定的含固率（～3%），工艺自产的沼液量无法将高含固率物料的含固率调节至湿式厌氧消化所需的低含固率值范围。对于厨余垃圾湿式厌氧消化，外加稀释水80～95 t/d（以纯水分计）是必须的。稀释水源可考虑周边渗沥液或城市污水处理设施出水，或自建的污水处理设施的外排出水。完全以外排出水作为稀释水的方案，可以使厌氧消化罐和固液分离设施的处理负荷降低7.5%～15%，但也使得污水处理负荷提高23%～32%。沼液回流可以使沼液中的有机物进一步转化。对于餐饮垃圾湿式厌氧消化，沼液回流可以提高沼气产量10%，减少污水处理量5%～8%，但厌氧消化罐容积需增加22%，且有盐分累积的疑虑（餐饮垃圾含盐量为1.26%～2.62%（wt）［13］，设计值为1%～2%（wt）。

4.4 预处理环节中部分工序设置的合理性

由于餐厨垃圾来料成分杂、质量和种类变化极大，因此，在设计时往往全方位配置各类预处理设备。预处理的每一环节都会导致有机物损失，工序越长则有机物损失量越大。而且，杂质被有机物粘污，会提高杂质的含水率，降低塑料、金属等的回收价值，且易导致腐臭，影响后续贮存和处理处置。预处理工艺越复杂、作业线越长，则设备成本和能耗高、故障率高、占地面积大、二次污染严重。因此，预处理工艺的合理选择、提高容错水平、降低故障率就显得非常必要。

由于饮食习惯，我国餐饮垃圾含油量较高。基于对影响后续厌氧消化过程的担心，以及期望收获油脂。因此，餐饮垃圾处理工艺几乎都设置了油水分离环节。如果浆液固液分离后废水不进行厌氧消化，而是直接进入采用膜法工艺的污水处理设施，那么一般建议先进行油水分离。因为油脂会粘结在膜壁上，导致后端膜处理出水量受到严重影响，清洗频率大幅增加。但是，如果浆液要进行厌氧消化，设置油水分离是否还有必要？餐饮垃圾含油率以2.3%（wt）计，相当于23 kg/t。浆液湿式消化由于基本要外加1倍体积的水稀释，因此，浆液中的含油量约为11.5 g/L。研究表明，与废水的厌氧消化相比，具有一定含固率的物料在进行厌氧消化时，固相能吸附部分油或长链脂肪酸LCFA（油分解的中间代谢产物，主要的毒性物质），从而降低长链脂肪酸的毒性，而颗粒态物料厌氧消化可耐受的油脂含量水平可达180～220 g/kg或9～15 g/L［29］。因此，现有的浆液含油水平并不会降低厌氧消化效率。相反，油脂的理论甲烷产率是800～1 000 mL/g，是碳水化合物理论甲烷产率350 mL/g的2～3倍［30］。油脂的进入反而能大幅提高沼气产量和沼气中的甲烷浓度。但是，含油和蛋白质含量高的物料湿式厌氧消化可能会加剧起泡问题［31］。因此，油水分离的必要性需进一步全面论证。

已知工程项目中部分设有专门均质池，有些没有设置。已设置的均质池基本是做调蓄池使用，停留时间在0.5～2 d。近期的研究结果表明，厌氧消化前的预水解可以起到降低破碎能耗［32-35］、溶解半纤维素［36］、提高单位甲烷产率［37］的作用。原状浆液或贮存1 d后浆液的甲烷产率是285～308 mL/g，贮存2～4 d后浆液的甲烷产率是418～530 mL/g，贮存5～12 d后浆液的甲烷产率是618～696 mL/g［37］。因此，均质池所起的作用和停留时间在设计时应有新的考虑。另外，均质池是设置在预处理前以降低破碎能耗，还是设置在预处理后也需进一步论证。

5 结论和建议

国内的餐饮、厨余垃圾处理工艺，既存在设施本身技术环节的问题需要进一步研究优化，也有一些总体经营环境的问题。采用物质流分析方法，能从宏观角度判断工艺设置的合理性，判别技术的处理能力极限，识别出技术发展的前后衔接关键节点。

由于至今仍缺乏全规模稳定运行的实际工程案例，上述分析主要是基于个别中试装置的运行参数、工程设计参数和作者的专业经验确定的。因此，目前亟需典型的稳定运行的实际工程案例供进一步分析和剖析。

而更严峻的问题在于，几乎所有现有工程或规划的工程项目都没有按照全物流、全成本的角度来核算物料、能量和成本。即：物质流、能量流和资金流的框架不完整或不合理，部分物流/能量流/资金流被隐去或表达不合理。比较典型的，如：沼渣填埋也需要成本，但很多餐厨垃圾处理厂建于填埋场或“静脉产业园”内，使得这部分隐形成本经常没有被考虑；沼液被送入污水厂处理，除了隐形成本没有被计算在内外，也会对污水厂带来很多运行隐患，这些问题也没有被充分考虑（如有些项目的消化液没有脱水就直接进入污水厂处理）。

因此，不宜就厂论厂，就技术单元论技术单元，而要从城市固体废物全系统管理（包括与污水处理的衔接）的角度，综合应用物质流分析等决策工具，认识生物质废物（餐饮、厨余垃圾）处理厂在环境、生态保护中的作用。除了关注处理设施本身的经济收益外，更应衡量通过生物质废物处理设施的运营，是否能使城市固体废物全局管理更顺畅，能否提高其它固体废物处理环节的技术可靠性、经济收益、改善二次污染控制。

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Problems of Anaerobic Digestion Process to Deal with Food Waste and its Countermeasures through Material Flow Analysis

Lü Fan1，2，Zhang Hua1，2，Shao Liming1，2，He Pinjing1，2
（1.Institute of Waste Treatment and Reclamation，Tongji University，Shanghai 200092；2.Centre for the Technology Research and Training on Household Waste in Small Towns&Rural Area，Ministry of Housing and Urban-Rural Development of PR.China，Shanghai200092）

We used the tool of material flow analysis（MFA）to estimate the generation of gas，liquid and solid materials from nine types of typical anaerobic digestion processes for food waste from restaurants or kitchens.The mass flows along pretreatment，anaerobic digestion，solid-liquid separation，and wastewater treatment were calculated.The characteristics and the limitations of these processes were then critically reviewed.Results demonstrated that anaerobic digestion and the treatment of liquid digestate were the two core unitsregulating the mass flow.In order to prevent the expansion of waste flow along process，it was important to develop the technology of dry anaerobic digestion and the technology for the beneficial utilization of liquid digestate.Furthermore，the sustainable development of dry anaerobic digestion depended on appropriate utilization of solid digestate and dewatered wastewater sludge from the treatment of liquid digestate.Meanwhile，the unitsof pretreatment and liquid recirculation can be further optimized.Therefore，from the viewpoint of an integrated management of municipal solid waste which is also associated with the treatment of municipal wastewater，we should made an integrated application on decision tools such asMFA and realized the function of food waste treatment plant in the context of environmental management and ecological protection.

food waste；restaurant food waste；kitchen food waste；anaerobic digestion；material flow analysis；dry anaerobic digestion；wet anaerobic digestion

X705

A

1005-8206（2017）01-0001-09

吕凡（1979—），研究员，博士，主要从事固体废物处理与资源化研究。已发表第一和通讯作者期刊论文44篇。

E-mail：lvfan.rhodea@tongji.edu.cn。

何品晶，教授，博士，主要从事固体废物处理与资源化研究。已发表第一和通讯作者学术期刊论文400篇。

E-mail：solidwaste@tongji.edu.cn。

国家自然科学基金（51622809）；国家环境保护标准项目（2015-4）；上海市技术标准项目（14DZ0501500）

2016-05-12