餐厨垃圾与市政污泥特性及联合生物处理技术分析

杨金明，杨玉军，钱 龙，董 军

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430010）

餐厨垃圾和市政污泥是目前环境领域较难处理的两种废弃物，随着我国城市化进程的加快和人民生活水平的提高，城市餐饮业日益繁荣，城镇生活用水量增加，致使我国城市餐厨垃圾的产量日益增大，同时生活污水和污水处理副产物市政污泥的产量也日益增大[1-2]。餐厨垃圾地域差异性大，有机质含量高，易变质、腐烂；市政污泥含水率高，含有大量微生物和有毒有害物质，处理不当会对环境造成严重污染，将二者无害化、减量化以及资源化是主要的研究内容[3-5]。近年来，人们针对餐厨垃圾和市政污泥各自特点研究出了一些联合生物处理技术，不仅能同时对这两种废物进行减量化、无害化、资源化处理与处置，减少废弃物处理分支流程，还能提高处理效率，可有效避免单一处理的弊端。本文介绍了餐厨垃圾和市政污泥的基本特性，分析了国内外联合生物处理技术的研究现状，为我国餐厨垃圾和市政污泥的高效处理和资源化、能源化利用提供参考。

1 餐厨垃圾和脱水污泥概述

1.1 餐厨垃圾来源及特点

2013年实施的《餐厨垃圾处理技术规范》（CJJ 184-2012）将餐厨垃圾主要分为餐饮垃圾和厨余垃圾两大类[6]。餐饮垃圾是指饭店、宾馆及食堂等公共场所的餐饮剩余物以及后厨在食物加工过程中产生的废弃物；而厨余垃圾主要包括家庭日常生活中丢弃的剩菜剩饭、水果蔬菜及食物下脚料等废弃物。

餐厨的特征与当地生活水平、饮食习惯等密切相关。从表1可以看出，餐厨垃圾在成分和特性方面存在显著的空间变化，主要特征为高含水量、高脂肪含量、高有机物含量和高盐度[7]。对我国4 个具有地域代表性城市的调查发现，食物和骨头占餐厨垃圾的比重超过90%，其余的成分主要是纸、塑料等（见表2）[7]。

表1 我国部分城市餐厨垃圾成分

表2 我国部分城市餐厨垃圾组成

1.2 市政污泥特点

市政污泥的主要来源是城镇污水处理厂的排泥，目前城镇污水处理厂以生物法处理工艺为主，使得污泥中累积了大量的微生物、病原体、寄生虫卵以及难生物降解的有毒有害物质。李艳霞对中国16 个城市29 座污水处理厂市政污泥养分进行了统计分析，发现污泥中有机质平均含量达到384 g/kg，氮、磷、钾总养分含量平均达到48.3 g/kg[8]。由此可见，污泥成分复杂，若不妥善处理，容易产生污泥渗滤液，滋生细菌，造成二次污染，给人们的身体健康造成极大的威胁。

此外，市政污泥含水率较高，水分以自由水、间隙水、表面水和结合水四种形式存在，常用的机械脱水只能去除自由水、间隙水和部分表面吸附水，其余表面水和结合水要求更深入的处理技术才能去除。结合水和剩余的表面水的去除一般需要通过热处理破坏污泥细胞，使水相变到水蒸汽而被去除[9]。污泥可用作衍生燃料或者填埋处置，但其高含水率特性使得热值较低、运输成本高、填埋不稳定，因此污泥的减量化有重要意义。

2 联合处理技术

将市政污泥与餐厨垃圾进行联合生物处理，可以相互平衡营养物质，接种微生物，通过二者的耦合作用实现减量化、无害化和资源化处理。目前，国内外研究比较热门的联合生物处理技术有联合厌氧发酵、联合生物干化以及联合生物蒸发。

2.1 联合厌氧消化处理

联合厌氧消化是在厌氧条件下，利用兼性菌和厌氧菌将市政污泥和餐厨垃圾中复杂的大分子有机物分解为成二氧化碳、甲烷及水等的过程。目前主要利用厌氧消化来产生甲烷和氢气等能源物质，甲烷和氢气都是非常理想的能源气体，有较高的经济利用价值，而且厌氧消化过程耗能低，对环境污染小[10-14]。由此可见，联合厌氧消化可实现对餐厨垃圾和市政污泥的同步减容减量处理以及资源化利用。

餐厨垃圾与市政污泥联合厌氧消化可以实现“1+1 ＞2”的协同效应。市政污泥中的C/N 只有6 ～8，相对较低，单独厌氧消化可能出现氨抑制现象，不利于甲烷菌生长，导致甲烷产气量低，而与餐厨垃圾混合可以大量补充厌氧消化所需的C/N；餐厨垃圾中含有大量易水解的碳水化合物，容易引起酸化等不稳定问题，同时餐厨垃圾中高盐分（Na+）对甲烷菌生长也有不利影响，与市政污泥进行联合处理可以稀释餐厨垃圾中对厌氧消化不利物质的浓度[15-17]。王永会等用餐厨垃圾与市政污泥进行联合厌氧消化，通过设置不同混合比例，研究餐厨垃圾和污泥单独消化与联合消化对消化系统的性能、产甲烷潜力的区别[18]。结果表明，与餐厨垃圾、剩余污泥单独消化相比，二者联合厌氧消化可以提高产气效率，尤其当VS 混合比例为1:1 时，沼气和甲烷产量分别达358.2 mL/g（VS）和224.1 mL/g（VS），较单独消化估计值分别提高了23.09%和36.80%。同时，联合厌氧消化可以能调节混合物料pH、VFA 浓度和氨氮浓度，缩短产气周期。由此可见，联合消化可以显著提高系统的稳定性和产气能力。

目前，联合厌氧消化还处于基础研究阶段，更多的是集中在技术讨论与工程可行性分析上，为加快联合厌氧消化技术应用于实际生产中，需对协同效应机理及消化过程控制参数进一步研究，为未来工程实践提供理论指导和技术支持。

2.2 联合生物干化

由于焚烧法处理餐厨垃圾和市政污泥的效率较高、处理彻底，产生的热能可实现能源回收利用，因而被广泛关注。但是，餐厨垃圾与污泥的高含水率降低了燃烧热值，不做预处理直接燃烧需添加大量辅助燃料，造成投资大的问题，因此餐厨垃圾及污泥的干化脱水处理至关重要。生物干化技术主要是利用微生物好氧发酵降解有机质所产生的生物能为驱动力，配合通风使水分蒸发去除，从而实现废弃物快速干化[19-20]。与传统的热干化相比，其特点在于无需外加热源，干化所需能量来源于微生物的代谢热，已被广泛应用于市政污泥干化脱水处理[21-22]。然而，市政污泥中大多数有机物被微生物细胞膜分离不能用于生物降解，减少了微生物好氧发酵代谢热的产生，同时污泥含水率过高，污泥自身产热干化脱水能力有限[23]。将市政污泥与餐厨垃圾进行联合生物干化处理，污泥可以为餐厨垃圾接种丰富的微生物群体，而餐厨垃圾高有机质含量可以为污泥中的微生物提供碳源，通过两者的耦合作用，增加生物干化过程中生物热的产生量，达到更好的水分去除效果，可作为市政污泥和餐厨垃圾制作衍生燃料或者进行垃圾焚烧的预处理手段[24]。

Jiao Ma 等人利用玉米芯作为添加剂，进行脱水污泥和餐厨垃圾联合生物干化处理研究[25]。结果表明，当餐厨垃圾和脱水污泥质量比为2:2 时，联合生物干化协同效应明显，在去除较多水分的同时消耗更少的VS；当玉米芯粒径＜3 mm、混合物料初始含水率为62.68%及通风速率为0.04 m3/（h·kg）时，生物干化过程得到优化，峰值温度更高，高温阶段更长，主要是提供了一个适合的自有空域，有利于氧气的传质和水蒸气的散发。此外，苗秋实等研究发现，餐厨垃圾与污泥联合消化过程中，采用预热空气进行曝气时可缩短干化启动时间，高温阶段持续时间更长，水分去除率更高；在干化过程中根据温度变化实时调控曝气量可以强化干化效果，更加节能；而翻堆虽然可以调整物料的孔隙结构，有助于温度控制和水分去除，但干化效果不够明显[24]。

我国城市污泥产生量较大，联合生物干化技术是一项具有实际应用价值的新兴技术，需要优化生物干化过程的控制策略，下一步要重点对生物干化过程中温度、通风控制及蒸发之间的相互关系进行更深层次的研究，以提高生物干化的速度和效率。

2.3 联合生物蒸发处理

生物蒸发法是好氧堆肥和生物干化技术的发展[26-27]。其对废水有机质含量要求较高，当废水VS 含量达到120 g/L 时才可以实现生物蒸发“零排放”处理，在研究的初期阶段主要集中于用生物干化污泥作添加剂处理餐厨垃圾[26-28]。为扩大生物蒸发处理对象，研究者利用餐厨垃圾VS 含量高的特点，将其与一般高浓度有机废水混合调节有机质含量以达到生物蒸发处理要求，生物干化污泥作为市政污泥生物干化过程的产物可以为餐厨垃圾和高浓度废水提供结构支持和接种微生物[29]。将餐厨垃圾（或餐厨垃圾和高浓度废水的混合液）加入至生物干化污泥中混匀，向混合物料底部通风曝气时，生物干化污泥中微生物好氧降解混合物料中有机质产生大量代谢热，混合物料中的水分被代谢热汽化蒸发，从而实现有机物和水分的同步去 除[26-28]。由于生物蒸发所需热量来自有机物的降解，不需外加热源，整个过程的能耗只有曝气产生，所以该工艺是一项经济、节能、环保的高浓度有机废水新兴处理技术。

Benqin Yang 等人用生物干化污泥做添加剂，将餐厨垃圾和垃圾渗滤液两级DTRO 浓缩液进行联合生物蒸发处理研究[30]。首先将COD 为18 g/L 的浓缩液和COD 为210 g/L 的餐厨垃圾按质量比1.0:1.1混合，调节混合液COD 至120 g/L，脱水污泥经生物干化后含水率为32.59%，然后将混合液与生物干化污泥进行多轮批次处理，通风速率为0.035 m3/（kg TS·h），批次投加量为90%，在以上最佳操作条件下，经过5 轮间歇式批次投料，联合生物蒸发处理过程中水分总去除率高达96.70%，对应降解消耗总的VS 为96.50%，实现了高效多轮次的浓缩液和餐厨垃圾联合生物蒸发处理。

生物蒸发技术可以同时处理和处置餐厨垃圾、脱水污泥和高浓度废液，可以实现餐厨垃圾和高浓度废液“零排放”处置，最后剩余的污泥可通过卫生填埋处理，其经济效益和社会效益显著。为了加快推广应用，生物蒸发更深层次的机理研究和反应设备的运行、过程控制以及尾气处理将是下一步研究的重点。

2.4 联合处理比较

联合厌氧消化、联合生物干化及联合生物蒸发对餐厨垃圾和市政污泥都有减量化和稳定化处理效果，运行机理有很大的相似之处，但三者在工艺目的和工艺参数方面有很大区别。表3是联合厌氧消化、联合生物干化及联合生物蒸发3 种工艺的比较[13-30]。

表3 联合厌氧消化、联合生物干化及联合生物蒸发的比较

联合厌氧消化在实现餐厨垃圾和市政污泥减容减量的同时可以对能源物质回收利用，并且增强了协同效应，剩余沼渣可填埋或堆肥。联合生物干化是对市政污泥及餐厨垃圾的预处理，主要是在保留大部分有机质化学氧化总热值的同时降低物料含水率，以增加固废回收燃料（SRF）热值，混合物料减容减量也方便短期储存和运输。联合生物蒸发属于水处理范畴，其主要目的是在去除废液中水分的同时削减混合物料中的污染物质，蒸发后剩余的污泥可以循环作为膨胀剂和微生物载体。

3 结语

联合厌氧消化、联合生物干化及联合生物蒸发可以实现餐厨垃圾和市政污泥的减量化、资源化和无害化，三种工艺的社会效益和经济效益均比较显著，在未来的研发工作中有较大的应用价值。但目前国内这三种技术对餐厨垃圾和市政污泥的处理研究还处于起步阶段，不够成熟，一些相关的工艺仍处于小试和中试阶段，处理设备也还在研发和优化中，不能满足市场化、产业化的要求。今后，要加强三种工艺的协同机理和过程参数控制方面更深层次的研究，以支撑这三种技术早日推广应用。