混合有機廢棄物資源化處理方案設(shè)計——以安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)為例

馬 歡，鮑恩財，劉偉偉

0 引 言

目前，我國城市生活垃圾年產(chǎn)量高達1.5 億t，其中餐廚垃圾約占一半[1]。同時，我國是世界上農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量最大的國家，每年大約產(chǎn)出40 多億t[2,3]。大量餐廚和農(nóng)業(yè)廢棄物的產(chǎn)生不但造成了嚴重的資源浪費，更給生態(tài)環(huán)境及食品安全帶來重大隱患。厭氧發(fā)酵技術(shù)是有機廢棄物無害化、資源化處理的良好途徑之一。李榮平等[4]研究表明餐廚廢棄物具有良好的厭氧消化性能；吳小武等[5]發(fā)現(xiàn)大部分農(nóng)業(yè)廢棄物的碳氮比約為25:1，通過一定的預(yù)處理可不需要另加氮源就可以進行正常的沼氣發(fā)酵；同時，孟穎[6]、呂琛[7]、李軼[8]、許智[9]等研究也表明餐廚廢棄物與果蔬垃圾、畜禽糞污、農(nóng)作物秸稈等多元混合物進行聯(lián)合厭氧消化，協(xié)同作用較明顯。

基于以上的分析，本研究以安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)為例，通過以厭氧發(fā)酵技術(shù)為核心的沼氣工程等方案設(shè)計，將校內(nèi)各學(xué)生食堂產(chǎn)生的餐廚廢棄物及農(nóng)業(yè)園溫室生產(chǎn)有機廢棄物等混合原料轉(zhuǎn)化為清潔可再生能源及高品質(zhì)有機肥原料，同時建立以沼氣工程為紐帶的循環(huán)農(nóng)業(yè)基本模式，營造生態(tài)、環(huán)保的校園環(huán)境。

1 混合有機廢棄物原料特性

1.1 餐廚廢棄物原料特性

經(jīng)前期實地調(diào)研，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)各學(xué)生食堂每天產(chǎn)生餐廚廢棄物約2t。經(jīng)測定，其中含有菜葉19.246%，骨5.050%，肉5.746%，米飯7.666%，湯液62.292%，總固體（TS）含量18-20%。其主要化學(xué)成分為淀粉、纖維素類、動植物脂肪類等有機物質(zhì)，營養(yǎng)成分豐富，易腐敗，易生物降解，是良好的厭氧發(fā)酵原料。

1.2 農(nóng)業(yè)園有機廢棄物特性

安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)園內(nèi)廢棄物主要有為溫室生產(chǎn)有機垃圾，包括蔬菜尾菜，少量農(nóng)作物秸稈、藤蔓等。經(jīng)實地調(diào)研，每天可產(chǎn)生各類有機廢棄物約1t，TS 含量15-18%。

2 資源化處理工藝設(shè)計

2.1 工藝流程圖設(shè)計

按照無害化、資源化處理的原則，本處理方案采用以厭氧發(fā)酵技術(shù)為核心的工藝流程：餐廚廢棄物和農(nóng)業(yè)有機廢棄物經(jīng)收集進場后，首先經(jīng)過篩網(wǎng)、人工分選等去除塑料、方便筷、大骨頭、樹枝等較大及難降解固形物，再將易生物降解組分進行粉碎漿化，之后送入水解酸化池進行預(yù)處理 （該過程可適當添加水解酶[10]以促進其水解酸化，水解酸化池中配備機械攪拌設(shè)備進行勻漿攪拌），經(jīng)過5 天[11]左右水解酸化后，再將料液每天分批次定量泵入CSTR 厭氧反應(yīng)器中進行25-30d 的充分發(fā)酵。工程所產(chǎn)沼氣經(jīng)過除水、脫硫工藝進入貯氣柜存儲，并用于農(nóng)業(yè)園熱能中心燃氣熱水鍋爐，熱水主要滿足沼氣工程自身加熱、保溫，富余部分用于農(nóng)業(yè)園區(qū)內(nèi)溫室供熱。所產(chǎn)沼液沼渣進入暫存池沉淀存儲，沼液回流至水解酸化工藝調(diào)節(jié)發(fā)酵料液濃度，同時起到菌種回流的作用，剩余沼液及沼渣用作農(nóng)業(yè)園種植生產(chǎn)有機肥料。本方案的工藝流程可用圖1 表示。

2.2 CSTR 反應(yīng)器設(shè)計

根據(jù)餐廚廢棄物和農(nóng)業(yè)有機廢棄物混合原料的厭氧消化特點，本處理方案的核心工程設(shè)計采用CSTR 厭氧反應(yīng)器，該反應(yīng)器可以處理高懸浮固體含量的原料，消化器內(nèi)物料均勻分布，可避免物料分層狀態(tài)，增加物料和微生物的接觸，是厭氧消化領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的反應(yīng)器之一。

參考CJJ184-2012《餐廚垃圾處理技術(shù)規(guī)范》及NY/T1222-2006《規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場沼氣工程設(shè)計規(guī)范》，設(shè)計發(fā)酵料液TS 濃度為8-10%，水力滯留時間（HRT）為25-30d；CSTR 厭氧反應(yīng)器的總?cè)莘e參照下式確定：

V=T·Q/0.8

式中，V 為厭氧反應(yīng)的容積（m3）；Q 為設(shè)計日處理量（m3）；T 為設(shè)計水力滯留時間（d）；0.8 是有效容積與總?cè)莘e的比值系數(shù)。

本處理方案日處理餐廚廢棄物及農(nóng)業(yè)園有機廢棄物共3t，按照原料TS 濃度分別為18-20%及15-18%，以及進料TS 濃度8-10%的要求，則每天進料量（Q）約6t；為保證處理工程穩(wěn)定運行，HRT（T）取30d，則CSTR 反應(yīng)器的總體積為225m3。

2.3 處理工程主要設(shè)計指標

根據(jù)高校學(xué)生食堂特點，去除寒暑假3 個月時間。本處理工程主要設(shè)計指標如下：厭氧工程發(fā)酵溫度（中溫）為30-35℃；池容產(chǎn)氣率0.8-1.0L/（L·d）；沼氣產(chǎn)量4.8 萬m3/年；年處理混合有機廢棄物800t；沼液、沼渣有機肥原料年產(chǎn)量400t。

3 產(chǎn)物及應(yīng)用分析

經(jīng)過沼氣工程厭氧處理，原本污染環(huán)境、危害食品安全的混合有機廢棄物在產(chǎn)生清潔可再生能源沼氣的同時，轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝в袡C肥原料。

3.1 沼氣

沼氣中甲烷（CH4）含量一般為55%以上，熱值約20,000-22,000KJ/m3，是一種優(yōu)質(zhì)的清潔燃料。本處理方案中，沼氣主要設(shè)計用作農(nóng)業(yè)園熱能中心熱水鍋爐使用。按照沼氣中CH4含量60%、熱值為21,820KJ/m3，相當于0.74kg 標準煤。為維持225m3的CSTR 反應(yīng)器中溫運行，設(shè)計每天需100m3的沼氣燃燒供熱，則每年共需約2.7 萬m3，除滿足沼氣工程自身加熱、保溫外，每年仍剩余2.1 萬m3沼氣可用于農(nóng)業(yè)園溫室大棚冬季增溫保溫。目前，農(nóng)業(yè)園內(nèi)3000m3PC 板智控溫室、2000m3玻璃智控溫室增溫保溫主要采用煤炭為燃料，每年需40t。根據(jù)以上分析，該處理工程每年剩余沼氣折合標準煤約15.5t，可替代近39%的溫室采暖用煤，節(jié)能減排效益明顯。

3.2 沼液、沼渣

圖1 工藝流程圖

沼液沼渣中含有豐富的氮、磷、鉀以及各種微量元素，還含有多種生物活性物質(zhì)，是一種優(yōu)質(zhì)的有機肥原料。利用沼渣沼液作為農(nóng)作物的基肥和追肥，減少化肥用量，減低生產(chǎn)成本，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，實現(xiàn)“低碳種植”和綠色食品的生產(chǎn)。本處理工程設(shè)計沼液、沼渣主要用作農(nóng)業(yè)園內(nèi)溫室生產(chǎn)有機肥，按照每畝每年10t 的施用量，則400t 沼液、沼渣可供40 畝土地施用。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)園占地100多畝，種植土地約80 畝；則本處理工程所產(chǎn)沼液、沼渣有機肥原料可被完全消納，不會產(chǎn)生二次污染。

4 結(jié) 論

1.本方案針對安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)生食堂餐廚廢棄物、農(nóng)業(yè)園區(qū)溫室生產(chǎn)有機廢棄物等混合原料，設(shè)計采用以厭氧發(fā)酵技術(shù)為核心的沼氣工程，實現(xiàn)其無害化處理與資源化利用。

2.本方案沼氣工程設(shè)計采用225m3全混式厭氧反應(yīng)器（CSTR），可實現(xiàn)年處理混合有機廢棄物800t，年產(chǎn)沼氣4.8 萬m3，沼渣、沼液有機肥原料400t。

3.本方案設(shè)計所產(chǎn)沼氣除滿足厭氧工程自身加熱、保溫需求外，可折合標準煤約15.5t，可替代近39%的農(nóng)業(yè)園溫室采暖用煤。

4.本方案設(shè)計所產(chǎn)沼液沼渣用作農(nóng)業(yè)園溫室生產(chǎn)有機肥料，可實現(xiàn)完全消納，無二次污染。

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