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)、污水管道設計、化糞池設計及維護開展了調(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。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用會使化糞池的設計容積增加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90%，新西蘭、澳大利亞和日本家庭安裝率也分別達到了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準，80%的新建住房將廚余垃圾處理器作為一個戶內(nèi)的標準配件。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荷，避免環(huán)境二次污染，但是在我國飲食習慣和排放制度下，廚余垃圾破碎后的排放水質(zhì)是否達標、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)、污水管道設計、化糞池設計及維護的調(diào)查研究基礎上，初步探討了廚余垃圾處理器的應用對公共排水系統(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，隨機抽取6戶居民于6月進行為期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行化驗。同樣地，對7個小區(qū)的排水樣本進行逐一收集（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。

02 結果與分析

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、細胞失活，當TDS>5000mg/L時，會導致活性污泥系統(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，我國對污水排放標準有明確規(guī)定，對是否設置化糞池之類的污水前端處理設施并未作要求。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，以適應不斷完善的城市污水管網(wǎng)和污水處理設施；其他地區(qū)仍然設置化糞池，生活污水經(jīng)化糞池預處理后再排入城鎮(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)標準》（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、油脂反應沉積、室外合流稀釋的共同作用。結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）進行權重法估算，結果見表1。可知，破碎廚余垃圾排入生活污水中，各項指標濃度增量可觀，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)超標的可能性。

編輯：趙凡

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?；S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（見圖2），范圍在0.014～0.037m/s之間，均低于《室外排水設計標準》（GB 50014—2021）中最小設計流速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為設計人數(shù)，人；為使用衛(wèi)生器具人數(shù)占總人數(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入化糞池，a取0.7L/（人?d）；根據(jù)《建筑給水排水設計標準》（GB 50015—2019）及相關研究，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計容積分別為51.68、62.48m3，增幅為20.9%。

目前，《建筑給水排水設計標準》（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，導致化糞池出水水質(zhì)惡化。破碎廚余垃圾的排入，將進一步加劇這一現(xiàn)象。當化糞池達到最大清掏周期時，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 結論

結合試驗研究和調(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質(zhì)含量高、碳氮比高，有利于污水處理廠的碳源補充；②當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)超標的風險；③當使用化糞池預處理時，需要將化糞池的設計容積增大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)普遍存在結構性和功能性缺陷，合流制溢流、分流制錯接混接現(xiàn)象普遍，破碎廚余垃圾進入管網(wǎng)，輸送過程中存在滲漏、溢流、錯誤排放的風險；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，進一步惡化水質(zhì)，甚至造成污水溢流的風險。

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

編輯：趙凡