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來源：中國給水排水

摘要：為探究破碎廚余垃圾對公共排水系統(tǒng)的影響，對我國廚余垃圾排水水質(zhì)、污水管道設(shè)計、化糞池設(shè)計及維護(hù)開展了調(diào)查研究。廚余垃圾的COD∶TN∶TP=174.2∶5.7∶1，具備緩解污水處理廠碳源緊張的基礎(chǔ)。破碎廚余垃圾排放至下水道后，管道末端污水的COD、TN和TP濃度分別為413.0、64.55和8.13mg/L，化糞池出口污水的COD、TN和TP濃度分別為300.4、54.53和4.33mg/L。破碎后的廚余垃圾顆粒直徑在1.5～6.4mm之間，在管道內(nèi)的起動臨界流速為0.014～0.037m/s，遠(yuǎn)小于0.6m/s，故因廚余垃圾處理器造成下水道堵塞的可能性較小。廚余垃圾處理器的應(yīng)用會使化糞池的設(shè)計容積增加20.9%，同時可使清掏周期最大縮短68d。

廚余垃圾具有含水率高、含鹽量高、有機(jī)質(zhì)含量高、熱值低、生物降解性能好等特性。雖然處理生活垃圾的方式很多，但是廚余垃圾的這些特性導(dǎo)致常規(guī)的衛(wèi)生填埋、焚燒或堆肥等垃圾處理方式會出現(xiàn)新的環(huán)境問題。因此，實施垃圾分類，將廚余垃圾從生活垃圾中分離成為重要的解決措施。

廚余垃圾處理器（FWD）是一種從源頭分離廚余垃圾的常見方式，可以將廚余垃圾就地破碎成顆粒沖入下水道，這種處理方式在許多國家和地區(qū)已被推行使用。全球超過90個國家在使用廚余垃圾處理器，美國一些城市的安裝率高達(dá)90%，新西蘭、澳大利亞和日本家庭安裝率也分別達(dá)到了30%、20%和35%。廚余垃圾處理器甚至被列入美國國家綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)，80%的新建住房將廚余垃圾處理器作為一個戶內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)配件。國內(nèi)北京、上海、深圳、廈門等城市從2012年起也相繼發(fā)布了管理條例和法規(guī)，鼓勵使用或要求精裝修配套安裝廚余垃圾處理器。

將廚余垃圾從生活垃圾中分離并轉(zhuǎn)移到排水系統(tǒng)中，雖然可以降低垃圾清運難度和處理負(fù)荷，避免環(huán)境二次污染，但是在我國飲食習(xí)慣和排放制度下，廚余垃圾破碎后的排放水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)、廚余顆粒是否會造成排水管堵塞、是否會增加化糞池處理負(fù)荷等問題亟需研究。筆者在對我國廚余垃圾排水水質(zhì)、污水管道設(shè)計、化糞池設(shè)計及維護(hù)的調(diào)查研究基礎(chǔ)上，初步探討了廚余垃圾處理器的應(yīng)用對公共排水系統(tǒng)的影響。

01 材料與方法

本研究以廈門市住區(qū)作為調(diào)研對象，選擇精裝修配套安裝FWD的小區(qū)7個，小區(qū)采用的FWD為Bone-Hammer、In Sink Erator、JOINTWAY三家公司生產(chǎn)的工程定制款。在調(diào)研小區(qū)中，隨機(jī)抽取6戶居民于6月進(jìn)行為期1周的廚余垃圾收集試驗。收集的廚余垃圾根據(jù)破碎難度主要可分為4類：一類為殘羹剩飯、茶葉渣、咖啡渣、橘皮、蔬菜枝梗；二類為西瓜皮、玉米棒；三類為蝦殼、魚骨、蛋殼、花生殼、開心果殼、蘋果核；四類為雞骨、蟹殼、小排骨、羊蝎子。以每戶為單位，經(jīng)廚余垃圾處理器破碎后采集樣本進(jìn)行化驗。同樣地，對7個小區(qū)的排水樣本進(jìn)行逐一收集（采樣點見圖1），測定破碎廚余垃圾經(jīng)管道運輸后和經(jīng)化糞池處理后的各項指標(biāo)。

02 結(jié)果與分析

2.1 破碎廚余垃圾性質(zhì)

破碎廚余垃圾（含破碎用水）具有高鹽高油的特點。經(jīng)測試（采樣點1），TDS在5 520～19770mg/L之間，平均值為12269mg/L；動植物油在661～2140mg/L之間，平均值為1265mg/L。高鹽度廢水的離子強度大，可造成微生物質(zhì)壁分離、細(xì)胞失活，當(dāng)TDS>5000mg/L時，會導(dǎo)致活性污泥系統(tǒng)不可逆崩潰。美國環(huán)保署2004年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，美國每年有47%的下水道堵塞是由油脂引起的，油脂長期在管道中冷凝固化或形成堅硬、難溶的油脂沉積物（以金屬離子脂肪酸鹽為主的混合物），是導(dǎo)致管道過水能力下降的原因。

破碎廚余垃圾的碳氮比較高。破碎廚余垃圾的COD濃度在8 210～12000mg/L之間，平均值為10436.7mg/L；TN濃度在279～384mg/L之間，平均值為342.7mg/L；TP濃度在56.6～64.0mg/L之間，平均值為59.9mg/L。經(jīng)破碎處理后廚余垃圾的COD∶TN∶TP為174.2∶5.7∶1，與其他研究者得出的200∶4.5∶1、400.9∶4.7∶1有所不同，這可能是不同的飲食習(xí)慣造成的。

2.2 傳輸過程中的水質(zhì)影響

目前，我國對污水排放標(biāo)準(zhǔn)有明確規(guī)定，對是否設(shè)置化糞池之類的污水前端處理設(shè)施并未作要求。因此存在2種生活污水排放模式：市政管網(wǎng)及污水處理系統(tǒng)完善且采用分流制的城區(qū)已在逐步取消化糞池，生活污水直接排入城鎮(zhèn)下水道，以適應(yīng)不斷完善的城市污水管網(wǎng)和污水處理設(shè)施；其他地區(qū)仍然設(shè)置化糞池，生活污水經(jīng)化糞池預(yù)處理后再排入城鎮(zhèn)下水道。但居民生活污水排入城鎮(zhèn)下水道，都需要符合《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 31962—2015）的要求。

管道末端含有破碎廚余垃圾的生活污水各項指標(biāo)濃度顯著降低，碳氮比明顯減小。管道末端采樣點2的排水COD在309.0～517.0mg/L之間，平均值為413.0mg/L；TN濃度在58.30～70.80mg/L之間，平均值為64.55 mg/L；TP濃度在3.86～12.40mg/L之間，平均值為8.13 mg/L；TDS在1210～1380mg/L之間，平均值為1295mg/L；動植物油在0.22～5.72mg/L之間，平均值為2.97mg/L。管道末端含破碎廚余垃圾的生活污水的COD∶TN∶TP為50.8∶7.9∶1。這是因為污水管道是連接污水源頭與末端釋放的重要部分，在污水傳輸過程中，管道沉積物表面的微生物會降解污水中的污染物質(zhì)。管道內(nèi)環(huán)境與污水處理系統(tǒng)有很多相似之處，可作為小型生物反應(yīng)器，污水中存在的微生物、基質(zhì)以及電子受體在管道沉積物中均存在，與污水處理系統(tǒng)不同的只是管道沉積物中異養(yǎng)菌濃度較低、基質(zhì)濃度較高。此外，其他生活污水與廚余污水存在室外合流，因此破碎廚余垃圾污染物濃度的減小是微生物降解、油脂反應(yīng)沉積、室外合流稀釋的共同作用。結(jié)合前述破碎廚余垃圾的COD、TN、TP、TDS、動植物油含量，按廚余垃圾粉碎過程用水量9.31L/（人?d）和人均日用水量174.33L/（人?d）進(jìn)行權(quán)重法估算，結(jié)果見表1?？芍?，破碎廚余垃圾排入生活污水中，各項指標(biāo)濃度增量可觀，因此破碎廚余垃圾未經(jīng)處理直接排入下水道增加了排放水質(zhì)超標(biāo)的可能性。

化糞池出口含有破碎廚余垃圾的生活污水的碳氮比變化不大，但各污染物濃度仍有降低。化糞池出口采樣點4的排水COD在76.6～412.0mg/L之間，平均值為300.4mg/L；TN濃度在43.30～80.30mg/L之間，平均值為54.53mg/L；TP濃度在2.96～6.92mg/L之間，平均值為4.33mg/L；TDS在305～487mg/L之間，平均值為390.2mg/L；動植物油在0.06～6.25mg/L之間，平均值為3.68mg/L。含破碎廚余垃圾的化糞池排水COD∶TN∶TP為69.4∶12.6∶1。

從含破碎廚余垃圾的生活污水在排水系統(tǒng)中的水質(zhì)變化情況可以看出，除了直接排放至下水道之外，經(jīng)化糞池處理后的水質(zhì)可以滿足二級污水處理的要求。但是隨著含碳有機(jī)物的分解，管道末端和化糞池出水口的污水碳源濃度分別下降為413.0、300.4mg/L，不利于生化細(xì)菌的繁殖，脫氮除磷效果也隨之降低。

2.3 對污水管道的影響

從理論上看，廚余垃圾顆粒是否會在管道中沉積，取決于顆粒的臨界起動流速。臨界起動流速是顆粒起動時的水流平均速度。顆粒在管道中受到重力、水流拖拽力、水流上舉力的作用。經(jīng)市場調(diào)研，廚余垃圾處理器處理后的顆粒直徑在1.5～6.4mm之間，破碎廚余垃圾顆粒密度取1388.1kg/m3，可計算臨界起動流速。本研究根據(jù)Shields曲線圖，采用輔助線法計算。在計算范圍內(nèi)，基于顆粒臨界起動Shields數(shù)的計算值與基于雷諾數(shù)計算的驗證值基本吻合，臨界起動流速與廚余垃圾顆粒粒徑呈正相關(guān)（見圖2），范圍在0.014～0.037m/s之間，均低于《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014—2021）中最小設(shè)計流速0.6m/s的要求。由此可見，廚余垃圾顆粒不會在污水管道中淤積。

除最低流速外，破碎廚余垃圾是否會在污水輸送過程中堵塞管道，還取決于最小管徑和最小坡度。對比中美兩國的污水管道設(shè)計規(guī)范不難發(fā)現(xiàn)，我國對最小流速、最小管徑和最小坡度的要求均略高于美國（見表2）。而美國從20世紀(jì)40年代發(fā)明廚余垃圾處理器開始，就已經(jīng)逐步普及使用廚余垃圾處理器，長期的實踐中尚沒有因廚余垃圾沉積而堵塞管道的現(xiàn)象。

2.4 對化糞池的影響

破碎廚余垃圾對化糞池的潛在影響主要在于化糞池的設(shè)計容積和清掏周期。有研究表明，使用廚余垃圾處理器的用水量增量平均為9.31 L/（人?d），選擇設(shè)計人數(shù)為500人，可計算化糞池容積增量。

采用《03S702鋼筋混凝土化糞池》圖集設(shè)計方法計算，化糞池有效容積由污水容積W1和污泥容積W2組成，計算如下：

式中：N為設(shè)計人數(shù)，人；為使用衛(wèi)生器具人數(shù)占總?cè)藬?shù)的百分比；q為每人每天產(chǎn)生的污水量，L/（人?d）；t為污水在化糞池內(nèi)的停留時間，h；a為每人每天產(chǎn)生的污泥量，L/（人?d）；T為化糞池最小清掏周期，d；ζ為排入破碎廚余垃圾后污泥增加系數(shù)，ζ=1.43。

住宅的取70%，污水停留時間t一般為12h；每人每天產(chǎn)生的污水量與人均用水量相同，根據(jù)《2020中國統(tǒng)計年鑒》中的數(shù)據(jù)，q為174.33L/（人?d）；生活污水一般在室外合流后進(jìn)入化糞池，a取0.7L/（人?d）；根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50015—2019）及相關(guān)研究，污泥在冬季水溫為10℃時的發(fā)酵消解時間為120d，化糞池清掏周期不應(yīng)小于120d，因此化糞池最小清掏周期T取180d；根據(jù)前人的研究成果，破碎廚余垃圾排放至污水處理系統(tǒng)導(dǎo)致污泥增加約43%，因此破碎廚余垃圾排入化糞池的污泥增加系數(shù)ζ為1.43。據(jù)此可計算得出，破碎廚余垃圾排入化糞池前后的設(shè)計容積分別為51.68、62.48m3，增幅為20.9%。

目前，《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50015—2019）只規(guī)定了化糞池最小清掏周期，未規(guī)定最大清掏周期。許多住宅區(qū)為了減少管理費用，化糞池長期未清掏，造成污泥堆積，減少了化糞池的有效容積，加劇了污水短流，導(dǎo)致化糞池出水水質(zhì)惡化。破碎廚余垃圾的排入，將進(jìn)一步加劇這一現(xiàn)象。當(dāng)化糞池達(dá)到最大清掏周期時，有效容積近似等于污泥容積，即：Wmax=W，池中僅有上層浮渣流出，污水停留時間為0，由此可計算出化糞池的最大清掏周期。經(jīng)計算，破碎廚余垃圾排入化糞池前后的最大清掏周期分別為439、371d，縮短了68d。

03 結(jié)論

結(jié)合試驗研究和調(diào)研分析，破碎廚余垃圾對公共排水系統(tǒng)的影響有：①破碎后的廚余垃圾有機(jī)質(zhì)含量高、碳氮比高，有利于污水處理廠的碳源補充；②當(dāng)破碎廚余垃圾直接排放至下水道時，增加了管道末端排放水質(zhì)超標(biāo)的風(fēng)險；③當(dāng)使用化糞池預(yù)處理時，需要將化糞池的設(shè)計容積增大20.9%，將最大清掏周期縮短68d。

同時，實施廚余垃圾破碎直接排放還具有一定難度：①我國污水管網(wǎng)普遍存在結(jié)構(gòu)性和功能性缺陷，合流制溢流、分流制錯接混接現(xiàn)象普遍，破碎廚余垃圾進(jìn)入管網(wǎng)，輸送過程中存在滲漏、溢流、錯誤排放的風(fēng)險；②化糞池普遍存在管理不到位、長期不清掏的問題，破碎廚余垃圾排入化糞池，存在加劇污水短流，進(jìn)一步惡化水質(zhì)，甚至造成污水溢流的風(fēng)險。

因此，廚余垃圾破碎處理應(yīng)充分考慮其影響和實施難點，并做到：①采用耐化學(xué)和生物腐蝕的管網(wǎng)設(shè)計；②定期對管道進(jìn)行沖洗、檢修；③采用最大清掏周期和最小清掏周期對化糞池進(jìn)行管理。

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