餐厨垃圾厌氧消化残余物土壤利用现状调研分析

马换梅，高 波，郑 苇，陈子璇，李 波

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074)

2012年，住建部发布的《餐厨垃圾处理技术规范》CJJ184—2012[1]规定，餐厨垃圾为餐饮垃圾和厨余垃圾的总称，是我国城市的一种主要固体废弃物。根据不完全统计，2010年以来，我国开展的“城市餐厨废弃物资源化利用和无害化处理”试点城市，大部分城市以餐饮垃圾为主要处理对象，对于分类产生的厨余垃圾处理工作，尚处于起步阶段[2]。本文为了和引用参考文献保持一致，采用了“餐厨垃圾”的说法，所述“餐厨垃圾”，实际上来源为餐饮行业及单位食堂，也即餐饮垃圾[3]。

鉴于中国居民特有的生活习惯，餐厨垃圾的产生量非常大，且餐厨垃圾具有含水率高、有机质含量高、易腐烂发臭，如不及时有效处理和处置，会给环境卫生带来极大的危害。同时，一些不法分子利用餐厨垃圾加工食用油，或者直接用于喂养禽畜，最终垃圾返回餐桌，严重威胁人民饮食安全和身体健康。我国餐厨垃圾占城市生活垃圾的30%～50%，并且逐年增加[4-5]。餐厨垃圾主要处理方式有填埋、厌氧消化、饲料化、肥料化以及作为原材料制备工业用材料等。目前，厌氧消化技术是我国处理餐厨垃圾的主流技术，可以产生甲烷、氢气等生物质能源，同时实现餐厨垃圾的减量化、资源化和无害化。但厌氧消化残余物的处理方面存在一定的困难，消化残余物产量大、有机物含量高、各种大、中、微量元素丰富，如果不加以妥善处置就会产生二次污染。我国餐厨垃圾厌氧消化后的沼渣大多数进入了焚烧或填埋设施，沼液则是进入污水处理系统，处理后进行回用或者达标排放。目前，国内外针对餐厨垃圾厌氧消化后沼渣沼液资源化利用的研究报道较少，本文通过调研分析沼渣沼液的物理化学和生物特性，结合土壤利用的标准限值要求，探析更合理的资源化利用途径，提高餐厨垃圾处理的经济效益。

1 厌氧消化技术在餐厨垃圾处理中的应用现状

厌氧消化技术是实现餐厨垃圾资源化利用的主要途径之一，根据发改委2011年发布的《关于组织开展城市餐厨废弃物资源化利用和无害化处理试点工作的通知》，截至2017年底，我国餐厨废弃物资源化利用和无害化处理示范项目(包括筹集、在建和投产项目)达172座[6]，其中至少70%以上采用了厌氧消化技术，然后依次为好氧堆肥、饲料化、蚯蚓堆肥等工艺[7]。

厌氧消化是餐厨垃圾在无氧环境下，利用微生物的代谢作用，使有机物降解为小分子有机物和无机物，同时生产甲烷、二氧化碳的过程。除了沼气，利用厌氧消化还可获得各种有机酸、醇类和氢气等物质，不同程度实现对餐厨垃圾的资源化及减量化处理[8]。

虽然厌氧消化在国内应用案例较多、可靠性相对较高，顺应国家政策和行业技术发展方向需求。随着最新版《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》的执行，餐厨垃圾厌氧消化工艺也面临沼液、沼渣出路不通的问题[9]。按照实际运行工程的经验，对于一个100 t·d-1的餐厨垃圾处理项目，生产过程中需要外加5～6 t冲洗水，产出物中包括2～3 t生物柴油,8000 m3沼气，还有10 t沼渣和83 t沼液。借鉴常州某餐厨垃圾处理工程运行参数，厌氧消化残余物的水质CODcr为21300～86000(54763±13582)mg·L-1，氨氮为30～460(164±96)mg·L-1，总氮为482～1920(1171±291)mg·L-1，总磷为120～391(242±61)mg·L-1。可以推算，100 t·d-1的餐厨垃圾处理项目，除了每天产生8000 m3沼气作为再生能源之外，消化残余物中还包含了8.76 t CODcr，26.24 kg氨氮，187.36 kg总氮，38.72 kg总磷。因此，如果沼液和沼渣不进行合理的资源化利用，随意排放会导致环境受到极大的威胁，沼渣和沼液中大量的营养元素也会随之流失(包括N,P,K,Ca,Mg等等)，制约了餐厨垃圾资源化与无害化处理的整体效率。

2 餐厨垃圾厌氧消化残余物特性分析

2.1 物理化学特性

2.1.1 沼渣和沼液含固率

采用湿法厌氧消化工艺处理餐厨垃圾，由于原始物料特性、厌氧反应器类型以及工艺参数控制等因素的差异，消化残余物中含固率也不同，但是一般均小于10%，约为3%左右[10-12]。一般地，厌氧消化残余物进行固液分离后，对沼渣和沼液分别进行资源化利用。根据不同的资源化利用途径，选择合适的消化残余物脱水技术[13-14]。

餐厨垃圾厌氧消化残余物的固液分离方式有：带式压滤、螺杆挤压、离心脱水和板框挤压。工程实践证明，食品废物厌氧消化残余物采用上述4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)，22.3%～24.3%(wt)和25%～30%[9]。而国内的餐厨垃圾处理工程中，采用较多的是离心脱水方式[15]。何品晶[16]等研究认为，沼渣的脱水性能主要受厌氧消化时间的影响，随着消化时间延长，有机质降解程度越来越高，沼渣中的含固率也会不断降低。但是，因为物料本身特性不同，经过预处理后固体颗粒大小不同，以及过程工艺参数控制不同等因素，沼渣的脱水性能也会有差异，最终导致沼渣中的含固率存在较大差异。只有沼渣经过脱水，才有利于进一步的资源化利用，例如作为农肥、土壤改良剂、园林种植土以及制备活性碳材料等[17-18]。

2.1.2 沼渣和沼液pH值

在厌氧消化过程中，反应体系pH值呈现先下降后上升的趋势，主要由于前期餐厨垃圾水解产生大量的挥发性脂肪酸(VFAs)浓度急剧增大，而后期逐渐被利用。同时，各类微生物代谢产生的氨氮也会影响厌氧体系的pH值[19]。一般地，厌氧消化过程中体系pH值维持在6.7～8.4的中性偏弱碱性的环境下，此时体系内微生物活性高，沼气产量相对较大[20-21]。中性的消化残余物适合在土壤中施用，因为碱性的消化残余物使土壤中氨氮随着温度升高而挥发，导致氮元素的损失，而酸性残余物会使土壤酸化，加速重金属离子迁移。因此，合理的pH值不仅对厌氧消化产沼量有重要的影响作用，而且对后续沼肥在土壤中施用也是关键的[22]。国外跟踪研究土壤施用餐厨垃圾厌氧消化残余物后的特性变化，土壤初始pH值为5.4～5.7，施用厌氧消化残余物四年后，土壤pH值仍然维持在5.6～5.7，基本没有发生变化[23]，可见，连续施用与土壤酸碱度相近的餐厨垃圾消化残余物，基本不对土壤酸碱性造成影响。

对于沼渣而言，不同沼渣的pH值差异不大，在6.54～8.41范围内。根据《有机肥料》NY525-2012[24]规定，有机肥的pH值要求为5.5～8.5，可见，沼渣作为土壤肥料的制造原料，其酸碱度满足相关标准要求。

对于沼液的资源化利用，如果施用于土壤，或者作为液态肥，或者浸种，又或者用于叶面施肥，其酸碱度均应该满足相关水溶肥料标准，否则会导致土壤酸、碱化。一般水溶肥料标准规定的pH值要求在3～10范围内，而餐厨垃圾厌氧消化后的沼液酸碱度呈现偏中性，pH值在6～9之间[12,25]，可见，餐厨沼液的酸碱度符合土壤施用的要求。

2.1.3 沼渣和沼液含盐量

餐厨垃圾中盐分主要来源于烹饪食用盐(NaCl)，由于全国各地饮食习惯的差异，不同地区餐厨垃圾的含盐量稍有差异。一般地，大型餐厨垃圾含盐量为1.26～2.62 wt%，设计值取1～2 wt%[9]。经过厌氧消化后，残余物中含盐量基本与初始物料保持一致，在10000 mg·L-1～20000 mg·L-1(折NaCl含量：1～2 wt%)之间。研究表明[26]，适当的提高消化底物的含盐量可以提高厌氧沼气产量，但过多的盐含量则会抑制产气量。为了获得含盐量较低的餐厨垃圾原料，研究人员采用稀释-离心脱水的方式处理原始餐厨垃圾，虽然降低了餐厨垃圾含盐量，但是也产生了大量的含盐有机废水，存在二次污染的风险[27]。因此，在实际工程案例中几乎不采纳水洗法降低餐厨垃圾含盐量，盐分基本都进入厌氧消化系统，然后随消化残余物排出，这也给后续残余物的资源化利用带来困扰。沼液沼渣直接土壤利用存在促进土壤次生盐渍化的潜在风险，因为钠离子和氯离子在土壤中会累积而导致的土壤盐碱化，影响作物生长。

一般地，餐厨垃圾厌氧消化残余物经过固液分离后，沼渣和沼液分别进行资源化利用。也有学者将餐厨垃圾厌氧消化残余物直接用于土壤施肥，由于盐分含量过高，需要采用大量稀释剂对消化产物进行稀释。结果表明，施用了餐厨垃圾厌氧消化产物的小白菜鲜重产量增加、叶绿素含量也增加，并且效果等同于无机化学肥料[28]。这类研究多数并没有将关注重点放在消化残余物中盐分对作物的累积影响作用[29]，而更多关注消化残余物中营养元素的回收利用[30～32]。当沼渣和沼液分别进行土壤利用时，需要明确沼渣和沼液中盐分的分配比例，目前关于这方面的研究报道较少。

餐厨垃圾沼渣和沼液进行土壤施用时，其中NaCl含量可按照表1中标准执行，如《有机—无机复混肥料》、《绿化用有机基质》以及《农田灌溉水质标准》等，否则一定会产生盐分在土壤中累积的风险。对于餐厨垃圾厌氧沼渣和沼液的土壤利用，含盐量对于土壤盐渍化和作物生长发育影响机制是重点研究方向。

2.1.4 沼渣和沼液重金属含量

餐厨垃圾厌氧消化沼渣和沼液中含有大量重金属离子，主要源于两方面，一是源自生物链富集食物；二是源自与餐厨垃圾混合的废电池、废灯管、废旧电器及表面镀金材料等生活垃圾的重金属离子释放[35]。

根据文献调研[39]，一般餐厨垃圾厌氧消化残余物中重金属离子的含量，如表2所示。可以看出，餐厨垃圾中部分重金属离子也会出现超标的现象。餐厨垃圾经过厌氧消化，其沼渣和沼液中重金属分配情况，尚未见相关研究报道。根据对畜禽粪便厌氧沼渣沼液的研究，重金属离子大多数存在于沼渣中，少量释放于沼液中，因为随着反应的进行，液相中重金属会逐渐吸附在固体表面或胶团上，从而形成沉淀进入沼渣，所以沼液中重金属含量低于沼渣。当沼渣用于堆肥或者土壤调理剂时，宜满足农业农村部相关肥料标准对重金属离子含量限值要求，如NY525-2012《有机肥料》，见表2。由于沼渣堆肥阶段，大量挥发性有机物被降解，堆料明显减容减重，产生“相对浓缩效应”，重金属离子所占比例会增加，带来重金属污染的风险[40]。类似地，沼液在土壤施用方面也存在重金属离子污染的问题，尤其作为灌溉水施用于土壤时，需要满足《农田灌溉水质标准》要求，见表2。

表2 餐厨垃圾消化残余物中重金属含量及肥料、灌溉水标准要求

可见，沼渣沼液用于土壤前，有必要对沼肥中重金属离子的含量、形态和迁移路径进行跟踪研究，并且优化最佳施用方案，保证不对土壤和地下水以及农作物造成污染和毒害。目前，餐厨垃圾厌氧消化沼渣和沼液中重金属离子存在的人类毒性和土壤毒性方面的研究鲜有报道，是后续餐厨垃圾厌氧残余物土壤安全施用的关键问题。

2.1.5 沼液的理化特性

餐厨垃圾厌氧消化残余物经过固液分离产生大量的沼液，据统计，餐厨垃圾厂93%的污水来自于厌氧消化后的沼液。餐厨沼液具有成分复杂、有机物浓度高(COD浓度高)、盐分含量高等特点[25]。

由于餐厨垃圾处理厂采用的厌氧消化反应器类型、工艺参数、原始餐厨垃圾组分、接种物及其混合比例差异较大，因此，厌氧消化沼液中的CODCr含量相差甚远[41]。表3中列出了不同餐厨垃圾厌氧消化沼液中CODCr含量，统计范围内沼液中CODCr含量分布在16000～100000 mg·L-1之间，而B/C值在0.35～0.40之间，说明沼液中仍然存在大量可生物降解有机物。

表3 餐厨垃圾厌氧消化沼液理化指标

目前，餐厨垃圾处理厂产生大量高浓度有机废液，给污水处理系统带来了不小的压力，常年处于高负荷运转状态。由于氨氮的累积，若进行脱氮处理则易降解有机物仍显不足，导致餐厨厂污水处理成本居高不下，同时出水稳定达标仍然十分困难。因此，餐厨垃圾厌氧沼液的资源化利用显得尤为重要。沼液资源化利用方式很多，包括直接作为肥料、沼液生物农药、无土栽培基液、饲料掺拌剂等，目前主要以沼液还田为主，其工艺简单，消纳量较大，适用性好[46-47]。通过添加合适的营养元素和去毒处理，使其作为肥料或者土壤调理剂，不仅可以提供植物生长所需营养物质，而且可以防止病虫害的发生[48]。

2.2 营养特性

2.2.1 沼渣和沼液有机质含量

餐厨垃圾厌氧消化后，残余物中保留了大量丰富的营养物质，包括有机质和腐殖酸类物质，这些物质有利于提高土壤中微生物活性、改善土壤团粒结构[49]。不同原料、不同类型厌氧消化器和工艺参数的不同，导致厌氧消化残余物中组分及含量差异较大。餐厨垃圾厌氧消化残余物中有机质含量为33%～73.3%(干基)[32]，经过脱水的沼渣中有机质含量在61.7%～73.6%(干基)[50]。

如果将沼渣进行肥料化，可以使有机物在自然界形成可持续的循环利用模式，将会大大提升沼渣的利用价值。餐厨垃圾脱水沼渣中有机物含量远远大于《有机肥料》(NY 525-2012)标准规定的45%限值。因此，餐厨垃圾厌氧沼渣用于制造肥料，有机质含量满足肥料标准要求。

2.2.2 沼渣和沼液养分含量

餐厨垃圾厌氧消化沼渣沼液是一种较复杂的有机物复合系统，各种养分元素都保留在消化残余物中，其中一部分水溶性物质残留在沼液中，另一部分不溶物或难分解的有机、无机固形物则残留在沼渣中。沼渣沼液中各营养元素的相对含量与餐厨垃圾原料中各元素相对含量趋势保持一致，如表4所示。

表4 原始餐厨垃圾物料和厌氧消化残余物中氮磷钾元素的含量 (wt%,干基)

当沼渣施用于土壤时，其中氮、磷、钾元素的含量要符合《有机肥料》(NY525-2012)的要求，即有机肥料中氮、磷、钾元素的总养分含量(以N+P2O5+K2O计)≥5%(干基)。由表4中各元素平均含量可以推算，餐厨垃圾厌氧沼渣的氮、磷、钾总养分含量(以N+P2O5+K2O计)为5.73%(干基)，满足《有机肥料》标准要求。可见，沼渣肥料化可以满足植物生长所需要的氮、磷、钾元素含量要求。

对于沼液的土壤利用，其中营养元素要满足液态肥料相关标准，如《大量元素水溶肥料》(NY1107-2010)、《含腐殖酸水溶肥料》(NY1106-2010)均对氮、磷、钾元素含量作出规定，液体肥料产品的大量元素含量(N，P2O5，K2O含量之和)至少200 g·L-1，单一大量元素含量不低于20 g·L-1。餐厨垃圾厌氧沼液中的营养元素基本上是以速效养分形式存在的，包括氮(0.03%～0.08%)、磷(0.02%～0.07%)、钾(0.05%～1.40%)等大量营养元素和钙、铜、铁、锌、锰等中、微量营养元素，还含有17种氨基酸和活性酶[60]。李祎雯[56]等研究餐厨垃圾湿法厌氧消化沼液中养分含量变化，发现沼液中含水溶性氮0.124 wt%，磷0.0063 wt%，钾0.026 wt%。显然，沼液中大量元素养分远远低于标准要求的。因此，根据实际情况，沼液作为液态肥料需要适当添加必要的营养元素。目前，餐厨垃圾厌氧消化沼液作为肥料的应用案例比较少。一方面，尚未出台相关标准规定餐厨垃圾厌氧沼液进行土壤施肥的通用技术条件。另一方面，餐厨沼液中重金属元素对土壤环境的不利影响也备受关注。

2.2.3 沼渣和沼液土壤施用效果

餐厨垃圾厌氧消化残余物要施用于土壤，最终表现形式为对植物生长情况的影响作用。种子发芽指数是衡量堆肥腐熟程度的重要评价指标，反映了堆肥的植物毒性。汪洋[61-62]等通过对小白菜施用餐厨垃圾厌氧沼渣后的生长情况进行统计。相比不施肥，施用沼渣后小白菜的出芽率提高了16.6%，证明了沼渣对提高小白菜出芽率和土壤肥效均有促进作用。但在实际工程中，餐厨垃圾厌氧消化残余物直接用于农业生产的情况较为少见，主要是由于消化残余物未经过深度腐熟，其中可生化降解的有机物含量高且不稳定，会对环境产生二次污染；另一方面，沼渣储存时间较短，不能适应季节性施肥的方式。因此，沼渣只有经过好氧堆肥，将有机物分解转化成为大量腐殖质，最终的堆肥产品要达到稳定化和无害化，满足标准要求方可施用于土壤。研究也证明[63]，沼渣经过高温好氧堆肥后腐熟度大于原始沼渣，且采用前者的种子发芽率大于后者。

2.3 卫生指标要求

当餐厨垃圾厌氧沼渣沼液作为基肥施用于土壤时，不仅考虑其理化特性和营养特性的指标要求，同时需要考虑其卫生指标。根据《沼肥施用技术规范》(NY/T2065-2011)，沼渣沼液卫生指标要求符合下表中规定，其中粪大肠杆菌和蛔虫卵、沙门氏菌等有害菌类的指标要求如下表5所示。

表5 沼渣沼液资源化利用卫生指标要求

目前，针对餐厨垃圾厌氧消化过程中病原微生物的研究较少见。一般餐厨垃圾处理工程中，采用中温或者高温厌氧消化工艺。有研究通过对城市有机生活垃圾厌氧消化残余物中大肠杆菌进行检测，结果表明，经过32天的高温厌氧消化工艺，蛔虫卵死亡率达到100%，大肠杆菌死亡率达到10-3个·g-1，可以满足有机肥料标准，而中温和常温厌氧消化工艺，蛔虫卵的死亡率仅仅为66.6%和30.8%，远远低于肥料标准[64]。

因此，厌氧消化残余物的卫生指标情况依赖于厌氧消化工艺、时间和温度等。沼渣沼液直接施用于土壤前，必须经过卫生学指标检测，满足无害化标准要求才能施用。如果不符合标准要求，则须进行必要的后续处理，防止消化残余物直接用于土壤调节剂或作为肥料而引起的病原微生物传染问题。厌氧沼渣在好氧堆肥或者生物干化过程中，温度可维持在55℃以上，从而杀死物料中的寄生虫卵和病原菌等，满足《有机肥料》(NY525-2012)卫生指标要求[24]。因此，餐厨垃圾厌氧沼渣堆肥或者干化后进行土壤利用，卫生指标并不是其限制性因素。当沼液施用于土壤时，为了满足《农田灌溉水质标准》中卫生指标要求，需根据实际进行必要的消毒处理，否则不宜进行土壤施用。

表6 不同温度下厌氧消化32天对病原微生物的杀灭效果

3 餐厨垃圾厌氧消化残余物土壤利用适用性

目前，针对餐厨垃圾湿法厌氧消化残余物土壤适用性以及作物影响机制等方面研究较少，缺乏餐厨垃圾厌氧消化残余物资源化利用基础数据。通过以上特性分析，对餐厨垃圾湿法厌氧沼渣沼液的土壤利用适用性进行初步判断：

(1)餐厨垃圾厌氧沼渣沼液较高的有机质含量，富含氮、磷、钾等营养元素，并且酸碱度接近中性，较适宜土壤利用，增强土壤肥力，改善土壤环境。但同时考虑沼渣的腐熟度不高，不足以作为有机肥料直接施用，需要进行腐熟处理消除其植物毒性和土壤毒性；沼液中速效养分含量高，土地对养分的吸收利用率高，但作为不同用途的液态肥料需要复配以不同的营养成分，例如《含腐殖酸水溶肥料》标准要求腐殖酸含量不低于3%；此外，沼液中CODCr含量很高，需要经过生化处理，是其中可降解有机物含量大大降低，满足《农田灌溉水质标准》要求。

(2)餐厨垃圾消化残余物中含有较高的盐分、重金属离子，需要对其进行进一步除盐、去重金属处理之后才能进行土壤利用。首先，沼渣沼液中的盐分和重金属含量不会因为厌氧消化过程而比餐厨垃圾本身的少，因此，高含盐量对于土壤施用存在土壤盐碱化的风险，而重金属离子超标会导致重金属离子在作物、土壤中不断富集，威胁土壤生态环境和人类身体健康[65]。餐厨垃圾沼渣沼液的脱盐、去毒工艺研究可能是未来沼渣沼液土壤利用领域的关键性问题，也是比较容易被忽视的问题。

(3)餐厨垃圾厌氧消化残余物中的卫生学指标对其安全利用起到重要作用。餐厨垃圾沼渣沼液中有害病菌在高温厌氧消化、好氧堆肥、生物干化等处理过程中基本可以被杀灭，如采用中温厌氧消化工艺，有必要进行二次杀菌消毒处理。因此，沼渣沼液进行土壤施用，卫生学指标相对容易满足相关标准要求。

4 结论与建议

我国餐厨垃圾产生量巨大，具有较强的资源性。当采用湿式厌氧消化进行处理时，获得生物质能源的同时，产生了大量的沼渣和沼液。根据对沼渣和沼液特性的分析，认为其同样具有重要的资源特性。沼渣和沼液中富含有机质、氮磷钾等营养元素以及微量元素，其基本理化特性满足有机肥料相关标准，较适合土壤施用，或者作为原料加工肥料，或作为土壤调理剂，或者用作农田灌溉水。沼渣沼液土壤施用的三点建议：首先，重点关注沼渣和沼液中重金属离子含量，避免重金属超标对土壤、地下水和作物产生毒性；其次，作为肥料，需要对其肥力进行评价，避免营养不足或者过剩，给作物生长造成不利影响；再次，需要严格控制单位耕地面积沼液沼渣用量和施用时间，防止土壤中盐分的累积。加强餐厨垃圾湿法厌氧消化残余物土壤利用的研究，开发沼肥相关产品，具有潜在的巨大经济、环境及社会效益。