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廚余垃圾厭氧沼渣處理案例探析

時間:2023-06-12 09:51

來源:《CE碳科技》

作者:中城環境

我國廚余垃圾處理工程大多采用厭氧工藝,末端產生大量沼渣,堆肥資源化是其利用的重要手段,但目前缺乏沼渣特性和處理效果的研究。

本文針對典型城市廚余垃圾厭氧發酵工程產生的沼渣和堆肥進行了取樣調研,研究了沼渣和堆肥的物理組成、生物穩定性、植物毒性、溶解性物質特性,分析了廚余垃圾厭氧沼渣好氧堆肥的必要性。

結果表明:一級沼渣 (即螺旋擠壓脫水產生沼渣) 蓬松易堆肥,經20d 好氧堆肥可滿足腐熟要求,但雜物含量高達32%,堆肥后必須進行篩分處理,過15mm 篩可顯著降低雜物含量至0.5%;二級沼渣(即振動篩分和高速離心脫水產生沼渣)雜物含量不到1%,但因含水率近80%,黏連不透氣,堆肥過程需要添加秸稈等調理劑增加透氣性。

作者簡介 

鄭葦:現任中城環境天津分公司副總工,博士,高級工程師,先后參與洛磧餐廚垃圾處理廠、合肥小廟有機資源處理中心、太原循環經濟產業園控規、原馬鋼(合肥)地塊中部片區污染土壤修復工程等數十個項目咨詢和設計。

隨著生活垃圾分類政策推行,上海、北京、杭州、寧波、福州、合肥、重慶等城市相繼落地廚余垃圾處理設施,該設施主要采用干法厭氧產沼的資源化利用方案,但此類項目會產生大量的消化殘余物,工程上一般采用螺旋擠壓脫水+振動篩分除砂+高速離心脫水的三級固液分離方式對其進行深度處理,實現固液分離,獲得脫水沼渣,沼渣產生量約為干法厭氧進料量的40%~60%。

厭氧沼渣資源化的重要方式是通過堆肥生產有機肥,目前主要針對農作物秸稈、畜禽糞污、餐廚垃圾、市政污泥等有機廢棄物的厭氧沼渣堆肥效果進行了研究:禽畜糞便沼渣堆肥應用主要問題在于鹽含量高達1%,且重金屬Cu、Zn、As超標頻率高;餐廚垃圾沼渣堆肥應用主要問題在于鹽含量高達2%;市政污泥沼渣堆肥應用主要問題在于As、Cr、Cu、Zn普遍超標。然而,廚余垃圾為生活垃圾分類產物,雜物含量是影響其沼渣堆肥應用的重要影響因素,對此目前缺乏研究。

另外,由于廚余垃圾和農作物秸稈、畜禽糞污、餐廚垃圾、市政污泥等有機固廢相比,雜物含量高、雜物種類多,需要對堆肥進行后處理,而對后處理效果尚無相關報道。

因此,本研究針對我國某一典型城市的廚余垃圾處理工程案例進行調研,分析進料、沼渣、堆肥的物理組成特性,明確雜物去除效率,研究堆肥前后植物毒性、生物穩定性、溶解性物質特征,為廚余垃圾消化殘余物處理工藝優化提供參數參考。

01材料與方法

1. 案例簡介和物料來源

調研的廚余垃圾處理工程案例具體工藝和采樣點見圖1。采集原生廚余垃圾、一級沼渣、二級沼渣以及堆肥篩分產品(以下簡稱“堆肥”),并按CJ/T313—2019生活垃圾采樣和分析方法規定進行樣品采集。

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圖1 案例工藝和取樣點位示意

2. 測定分析方法

TS、VS及物理組分依據CJ/T313—2019中重量法測定。生物穩定性采用四日好氧呼吸速率指數(AT4)表征,并參照德國2001年《Ordinance on Environmentally Compatible Storage of Waste from Human Settlements and on Biological Waste-Treatment  Facilities》法令規定測定。

植物毒性采用種子發芽率(GI)表征,并依據CJJ52—2014生活垃圾堆肥處理技術規范規定測定,浸提液按照固液比1:10(樣品干基質量/蒸餾水體積)制取,選用蘿卜種子測定;同步測定浸提液pH、溶解性氨氮(NH4+-N)、硝態氮(NO3--N)、COD和BOD。pH采用玻璃電極法測定,NH4+-N和NO3--N采用HACH試劑比色法測定,COD、BOD分別采用HACHCOD測定儀、自動測定儀(OxiTop IS 12,WTW,Germany)測定。

3. 數據處理與分析方法

數據分析及繪圖分別利用Excel和OriginPro軟件平臺完成。

02結果與討論

1. 物理組成特征

原生廚余垃圾、一級沼渣、二級沼渣和堆肥的物理組成特征如表1所示。我國廚余垃圾分類處于起步階段,除上海等極少數城市正確投放率高,雜物含量僅為10%,其余大部分城市目前分類收集的廚余垃圾雜物含量仍然較高,一般約25%,如孫廣雨報道的武漢廚余垃圾含雜率約25.8%,與本研究調研廚余垃圾含雜率27.5%相近。

表1 物料物理組成特征

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注:“其他”為分類后不可辨認物。

另外,根據案例統計數據,一級沼渣獲得量約為消化殘余物總量的25%,二級沼渣獲得量約為消化殘余物總量的10%,則消化殘余物TS和VS分別約為13.3%和54.1%,其他、木竹類、橡塑類、玻璃、石頭、貝骨占比分別為72.9%、6.5%、3.0%、3.4%、0.9%、13.1%。根據各類物料比例可知,經過預處理,橡塑類、金屬類、紡織物被大量去除,但硬性易碎物料(玻璃、石頭、貝骨)和長纖維狀物料(木竹)經過預處理和厭氧發酵反而有所富集,殘余物中干基比例增加。

同時,消化殘余物經過三級篩分,一級沼渣中雜物含量較高,約32%。二級沼渣中雜物含量較低,<1%。但二級沼渣的VS較低(較一級沼渣低16%),含水率高(較一級沼渣高23.5%),整體性狀黏稠不透氣,若用二級沼渣堆肥需要添加秸稈等調理劑,調整C/N為20~30,同時增加其透氣性,降低含水率。

一級沼渣經過堆肥和篩分(15mm)處理后,含水率和雜物含量(0.5%)明顯降低,基本滿足GB/T33891—2017綠化用有機基質中開放綠地和林地用有機基質含水率≤40%、有機質≥25%、塑料≤0.5%、玻璃和金屬≤2%的要求。因此,一級沼渣好氧堆肥降低含水率后篩分效果良好,但也需注意獲得的堆肥產品中仍然存在玻璃、石頭等尖銳物,需充分考慮其應用過程中人員接觸問題,防止尖銳物對接觸人員造成物理性損傷。

2. 生物穩定性

生物穩定性主要考量物料的腐熟程度,避免土地施用過程降解發臭和產生滲濾液的不良環境風險,因此原始廚余垃圾不進行生物穩定性實驗。一級沼渣、二級沼渣、堆肥的AT4(以干基計)分別為(58.7±0.9)、(61.8±2.6)、(19.8±1.5)mg/g。歐盟、奧地利和德國、美國的AT4(以干基計)分別為≤10、≤5、≤35mg/g。

應進一步好氧堆肥處理,提高其生物穩定性。一級沼渣經過20d的好氧堆肥,AT4顯著降低,滿足美國關于AT4(以干基計)≤35mg/g的要求。與金樹權等和白玲等研究沼渣堆肥時間20d即可完成腐熟結論一致。

3. 植物毒性

物料植物毒性主要考量施用于土壤后對植物的影響,因此原始廚余垃圾不進行植物毒性實驗。一級沼渣、二級沼渣、堆肥的種子發芽實驗結果如圖2所示。

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注:陳子璇于2021-03-12在天津拍攝。

圖2 種子發芽實驗結果示意

可見,一級沼渣和二級沼渣皆有較大的植物毒性,GI基本為0。文獻中沼渣GI研究結果一般為55%~75%。這主要是因為文獻中GI測量的浸提液采用鮮質量比1∶10配制,而本研究根據CJJ52—2014要求,GI測量的浸提液按干基固液比1∶10制取,使得浸提液濃度較其他研究高,從而GI降低。這與宋彩紅等采用干基比研究沼渣的GI結果相似(26.8%)。

另外廚余垃圾采用干法厭氧消化,因其濃度高,降解時間理論上應長于濕法厭氧消化,但由于目前干法厭氧裝置基本依托于進口,投資遠高于濕法厭氧,為節省投資,目前干法厭氧停留時間反而較濕法厭氧短,導致出料進一步不穩定,植物毒性高。

經過20d好氧堆肥,GI顯著提高至91.1%±6.3%,滿足GB/T33891—2017中綠地林地用有機基質GI≥65%和NY/T525—2021有機肥料中GI≥70%的要求。

4. 溶解性物質特征

一級沼渣、二級沼渣、堆肥中pH、NH4+-N、NO3--N、COD、BOD含量見表2。

表2 溶解性物質特性

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(1)pH

一級沼渣、二級沼渣、堆肥按干基比1∶10獲得浸提液的pH。由表2可知,一級沼渣、二級沼渣和堆肥溶解性物質的pH均在8.0~8.5,經過堆肥,溶解性物質的pH沒有顯著變化,堆肥產品符合GB/T33891—2017中綠地林地用有機基質pH(4.0~9.5)和NY/T525—2021中pH(5.5~8.5)的要求。

(2)NH4+-N和NO3--N

由表2可知,二級沼渣溶解性NH4+-N含量最高,為一級沼渣的2.3倍;二級沼渣溶解性NO3--N含量與一級沼渣相近,約為一級沼渣的1.2倍,因此二級沼渣總氮含量較一級沼渣高,可能具有更高的營養元素含量,更具有機肥料應用前景。

一級沼渣經過好氧堆肥,約0.6%的NH4+-N好氧轉化為NO3--N,使NO3--N增加近1倍,大部分NH4+-N經揮發損失,轉化和揮發使基質的溶解性NH4+-N急劇減少,較堆肥之初減少了89.6%。為減少堆肥過程氮素損失,可考慮添加鳥糞石等調理劑,實現固氮效果,提高堆肥產品品質。

(3)COD和BOD

由表2可知,一級沼渣和二級沼渣溶解性COD相近,皆在4000~5000mg/L,二級沼渣比一級沼渣COD略高約10%。一級沼渣、二級沼渣溶解性有機物可生化性高,一級沼渣BOD/COD為0.42,二級沼渣BOD/COD為0.69,如果直接施用于土壤中,會產生高可生化性滲濾液,存在污染土壤和地下水的風險。

一級沼渣好氧堆肥后,溶解性COD和BOD分別顯著降低35%和82%,可生化性明顯下降為0.12,從側面反映了堆肥產物腐熟度提高,土壤施用安全性增強。

03結論

目前我國廚余垃圾厭氧消化殘余物常采用脫水+堆肥+篩分工藝處理,產品基本滿足有機肥料和綠化用有機基質要求。一級沼渣經20d好氧堆肥,可增強生物穩定性,AT4降至20左右;增加腐熟程度,溶解性有機物BOD/COD降至0.12;降低植物毒性,GI提高至85%以上。

但需注意,一級沼渣堆肥后必須篩分處理,否則雜物含量將嚴重超標。二級沼渣雜物含量低,氮含量高,比一級沼渣更適合堆肥后施用于土壤,但堆肥過程需要添加秸稈等作為調理劑。


本文首發于《環境衛生工程》,更新后刊登于《CE碳科技》。

作者:中城環境 鄭葦、康建邨、馬換梅、高波、李波、陳子璇


編輯:李丹

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