污泥和餐廚垃圾協(xié)同處理工程厭氧消化系統(tǒng)的啟動(dòng)調(diào)試

陳小華

(上海同濟(jì)普蘭德生物質(zhì)能股份有限公司，上海 200092)

餐廚垃圾，是從事餐飲服務(wù)、集體供餐等活動(dòng)的單位在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過程中產(chǎn)生的食物殘余和廢棄食用油脂，其特點(diǎn)是含水率高、有機(jī)物含量豐富，易腐爛變質(zhì)，散發(fā)惡臭，傳播細(xì)菌和病毒。2014年7月，鎮(zhèn)江市入選第四批餐廚垃圾資源化利用和無害化處理試點(diǎn)城市[1]。鎮(zhèn)江市餐廚垃圾采用與城市污水廠污泥協(xié)同處理工藝。城市污水處理廠污泥和餐廚垃圾協(xié)同處理，是利用一套設(shè)施處理兩種廢棄物，提高產(chǎn)氣效率，提升工程效益。

鎮(zhèn)江市餐廚垃圾及城市污水廠污泥協(xié)同處理項(xiàng)目2016年12月進(jìn)入代運(yùn)維階段，2017年12月代運(yùn)維工作結(jié)束。厭氧消化系統(tǒng)性能滿足工藝要求，運(yùn)行穩(wěn)定，目前已經(jīng)全部移交給業(yè)主運(yùn)行維護(hù)。本項(xiàng)目作為國(guó)內(nèi)首個(gè)采用城市污水廠污泥和餐廚協(xié)同處理的工程項(xiàng)目，其厭氧消化系統(tǒng)的啟動(dòng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)可供類似工程參考。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.1 設(shè)計(jì)規(guī)模

本項(xiàng)目建于鎮(zhèn)江市京口污水處理廠污泥處理工程預(yù)留用地，總用地面積約3×104m2，設(shè)計(jì)規(guī)模為：餐廚垃圾140 t/d，其中餐廚垃圾120 t/d(含水率以85%計(jì))、廢棄油脂20 t/d；城市污水廠污泥為120 t/d(含水率以80%計(jì))。

1.2 厭氧消化系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

本項(xiàng)目建有4座厭氧罐，單座有效直徑為16 m，有效容積為2 700 m3。厭氧消化工藝采用中溫(38±2 ℃)高含固厭氧消化。設(shè)計(jì)停留時(shí)間約為20 d，有機(jī)物降解率>40%，沼氣產(chǎn)量約10 000 m3/d，容積產(chǎn)氣率約為0.9 m3/m3。厭氧罐產(chǎn)生的沼氣經(jīng)除雜、脫水、增壓后儲(chǔ)存于2 000 m3的雙膜沼氣柜中。

1.3 工藝流程圖

本項(xiàng)目工藝流程如圖1所示。鎮(zhèn)江市主城區(qū)、丹陽市、揚(yáng)中市和句容市等區(qū)域的餐廚垃圾經(jīng)餐廚車制漿收集后送入廠區(qū)餐廚料倉，然后通過螺桿泵直接泵入?yún)捬豕?。征?rùn)州污水處理廠、京口污水處理廠和丹徒污水處理廠的污泥經(jīng)脫水至含水率為80%左右進(jìn)入污泥料倉，然后經(jīng)污泥高溫?zé)崴庀到y(tǒng)處理后，再進(jìn)入?yún)捬豕?。產(chǎn)生的沼氣經(jīng)收集、處理、提純后一部分用于沼氣鍋爐，多余的并入市政天然氣管網(wǎng)。厭氧消化液采用兩級(jí)脫水(螺旋機(jī)和直接壓濾式污泥深度脫水)，第一級(jí)和第二級(jí)分別將沼液的含水率降低到80%和60%左右。脫水污泥經(jīng)太陽能干化后用于苗木種植。

圖1 鎮(zhèn)江市餐廚垃圾及城市污水廠污泥協(xié)同處理項(xiàng)目工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Zhenjiang Co-Digestion Project of Kitchen Waste and Sewage Sludge Disposal

1.4 項(xiàng)目調(diào)試和運(yùn)行情況

本項(xiàng)目2016年4月完成厭氧罐的滿水試驗(yàn)和氣密性測(cè)試，2016年5月完成單機(jī)調(diào)試和清水聯(lián)動(dòng)，2016年6月開始厭氧罐的加溫、接種調(diào)試，2016年9月4個(gè)厭氧罐全部正常啟動(dòng)。

由于餐廚垃圾難于收取，目前，本項(xiàng)目總處理量不到200 t/d。經(jīng)厭氧消化后，城市污水處理廠污泥和餐廚垃圾中的大部分致病菌被殺死，有機(jī)物的降解率>50%，每天產(chǎn)生沼氣經(jīng)提純后可產(chǎn)生幾千立方米的生物天然氣，厭氧消化液經(jīng)脫水和干化后，沼渣的含水率降低到40%以下。采用協(xié)同處理后，可實(shí)現(xiàn)廢棄物的無害化、穩(wěn)定化、減量化和資源化。因此，本項(xiàng)目的工藝路線具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，值得推廣。

2 調(diào)試步驟和流程

2.1 調(diào)試步驟

厭氧消化系統(tǒng)調(diào)試可以分為以下幾類：?jiǎn)螜C(jī)調(diào)試、清水調(diào)試、熱水調(diào)試(包括厭氧罐加熱過程)、進(jìn)泥調(diào)試(接種馴化產(chǎn)氣調(diào)試)和沼氣調(diào)試等。

2.2 調(diào)試流程

由于厭氧消化系統(tǒng)(包含厭氧罐、加溫系統(tǒng)、沼氣系統(tǒng))設(shè)備眾多，各個(gè)單元的調(diào)試時(shí)間相互交錯(cuò)，因此調(diào)試工作變得十分復(fù)雜。本項(xiàng)目調(diào)試流程如圖2所示。

圖2 厭氧消化系統(tǒng)調(diào)試流程圖Fig.2 Commissioning Test Flow Chart of Anaerobic Digestion System

3 厭氧消化系統(tǒng)啟動(dòng)

3.1 加溫

對(duì)于大中型沼氣工程來說，厭氧罐的體積是幾千甚至上萬立方米，加溫和接種沒有嚴(yán)格的先后順序，可先加溫再接種，也可先接種再加溫，還可以同步加溫和接種。本項(xiàng)目1#厭氧罐采用先加溫后接種再進(jìn)料，后面幾個(gè)厭氧罐采用同步接種和加溫。

加溫的能耗主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是將物料(啟動(dòng)初期主要是水)加熱到工藝所需溫度；二是補(bǔ)償厭氧罐的散熱。在初期啟動(dòng)時(shí)，本項(xiàng)目采用天然氣為蒸汽鍋爐供能給厭氧罐加溫。蒸汽直接通入污泥高溫?zé)崴庀到y(tǒng)加溫?zé)崴?，然后超越進(jìn)入?yún)捬豕拗小?/p>

為降低啟動(dòng)過程中加溫的能耗，本項(xiàng)目安排在夏季溫度較高的時(shí)候啟動(dòng)厭氧罐。厭氧罐在調(diào)試啟動(dòng)過程中的能耗，主要是補(bǔ)償厭氧罐的散熱和物料的加溫。如厭氧罐采取有效的保溫措施，啟動(dòng)過程中的能耗主要以物料的加溫為主。本項(xiàng)目厭氧罐采用160 mm厚的超細(xì)玻璃棉進(jìn)行保溫，有良好的保溫效果。根據(jù)鎮(zhèn)江的氣候條件以及本項(xiàng)目的工藝控制溫度(38±2 ℃)，經(jīng)估算，本項(xiàng)目夏季高溫時(shí)啟動(dòng)比冬季低溫時(shí)啟動(dòng)節(jié)省能耗約50%～70%。

加溫過程中一是要保證水源的供應(yīng)，二是要保證蒸汽的供應(yīng)。

3.2 接種

厭氧罐在啟動(dòng)初期加入接種物可以加快厭氧罐的啟動(dòng)。接種物可采用城市污水廠厭氧消化污泥、正常運(yùn)行的沼氣工程的沼渣、池塘底泥、牛糞等(圖3)，也可直接利用城市污水廠污泥馴化擴(kuò)大培養(yǎng)[2]。

本項(xiàng)目厭氧罐的啟動(dòng)接種物采用一個(gè)牛糞沼氣工程的沼液和新鮮牛糞。厭氧罐啟動(dòng)時(shí)，TS濃度不宜過高，本項(xiàng)目按5%計(jì)。接種量越大，啟動(dòng)越快，本項(xiàng)目接種量按厭氧罐體積的10%～30%投加。接種物先啟動(dòng)1#厭氧罐，然后利用1#厭氧罐的溢流物接種2#厭氧罐，最后用1#和2#厭氧罐的溢流物啟動(dòng)3#和4#厭氧罐。

圖3 常見的接種物Fig.3 Common Inoculum

3.3 進(jìn)料和攪拌

加溫和接種完成后，可逐步給厭氧罐進(jìn)料。本項(xiàng)目啟動(dòng)調(diào)試時(shí)進(jìn)料安排如表1所示。

表1 單個(gè)厭氧罐進(jìn)料安排表

高含固率厭氧消化時(shí)，污泥需經(jīng)過高溫?zé)崴忸A(yù)處理，降低污泥的黏滯度，提高攪拌混合效果。污泥高溫?zé)崴饪梢云屏盐⑸锛?xì)胞壁、溶出污泥有機(jī)質(zhì)、降低污泥黏滯度、增強(qiáng)污泥流動(dòng)性，從而提高后續(xù)厭氧消化的效率，實(shí)現(xiàn)徹底殺菌衛(wèi)生化。在調(diào)試啟動(dòng)初期，污泥高溫?zé)崴庀到y(tǒng)一般不啟動(dòng)，污泥直接進(jìn)入?yún)捬豕拗?。本?xiàng)目厭氧罐采用2臺(tái)穿壁式攪拌機(jī)，其中一臺(tái)攪拌機(jī)帶導(dǎo)流筒，還配置一臺(tái)氣液混合泵輔助攪拌。攪拌采用間歇運(yùn)行，自動(dòng)控制模式，可根據(jù)需求靈活調(diào)整。

3.4 分析檢測(cè)

厭氧罐啟動(dòng)調(diào)試過程中，需要定期檢測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)。主要檢測(cè)的數(shù)據(jù)有：產(chǎn)氣量、溫度、pH、揮發(fā)性有機(jī)酸(VFA)、堿度(ALK)等[3]。厭氧罐啟動(dòng)調(diào)試過程中，如果進(jìn)料控制不當(dāng)，負(fù)荷過高，厭氧罐可能會(huì)出現(xiàn)“酸化”。特別是本項(xiàng)目采用污泥和餐廚垃圾協(xié)同處理，餐廚垃圾有機(jī)物含量高，極易“酸化”。厭氧罐啟動(dòng)調(diào)試時(shí)主要的指標(biāo)和參數(shù)如表2所示。當(dāng)厭氧罐相關(guān)指標(biāo)出現(xiàn)異常時(shí)，可適當(dāng)降低進(jìn)料甚至停止進(jìn)料，避免“酸化”。

表2 厭氧罐啟動(dòng)調(diào)試主要指標(biāo)和參數(shù)表

厭氧罐啟動(dòng)成功主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[3-5]：一是厭氧罐中料液的各項(xiàng)指標(biāo)，如pH、VFA和ALK等幾項(xiàng)工藝運(yùn)行參數(shù)在表2的允許范圍內(nèi)；二是厭氧罐內(nèi)料液溫度達(dá)到工藝控制溫度；三是厭氧罐進(jìn)料后所產(chǎn)生的沼氣甲烷含量>50%。甲烷含量可采用氣體成分分析儀分析測(cè)試，在實(shí)際工程中，甲烷含量可采用取樣點(diǎn)火測(cè)定(圖4)。一般情況下，當(dāng)甲烷含量超過50%時(shí)，取樣沼氣可直接點(diǎn)火。沼氣點(diǎn)火成功標(biāo)志著厭氧罐啟動(dòng)成功。

圖4 沼氣取樣點(diǎn)火Fig.4 Biogas Sampling Lgnition

4 沼氣置換

甲烷是沼氣的主要成分，其在空氣中的爆炸極限是5%～15%(體積比)[6]。在厭氧罐啟動(dòng)調(diào)試過程中，隨著沼氣產(chǎn)量的不斷增加，存在著爆炸的危險(xiǎn)。因此，在大中型沼氣工程中為確保調(diào)試過程的安全，需要進(jìn)行沼氣置換。

4.1 厭氧罐集氣區(qū)

本項(xiàng)目厭氧罐帶有氣囊，集氣區(qū)在啟動(dòng)初期含有大量的空氣。隨著沼氣的不斷產(chǎn)生，所產(chǎn)生的沼氣和集氣區(qū)空氣不斷混合，氣囊會(huì)逐步升高。采用氮?dú)庵脫Q操作困難，且需要的氮?dú)饬枯^大；厭氧罐集氣區(qū)直接采用沼氣置換，即當(dāng)氣囊上升到一定高度后，手動(dòng)開啟緊急排放裝置放空氣囊的混合氣體。排放多次后，確保所產(chǎn)沼氣中甲烷含量>50%，沼氣即可輸送到后續(xù)處理單元。

4.2 沼氣管路和沼氣系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備

本項(xiàng)目所產(chǎn)生的沼氣提純后一部分用于沼氣鍋爐，一部分進(jìn)入天然氣管網(wǎng)，緊急情況下還可以送入沼氣火炬系統(tǒng)直接燃燒。沼氣管路、過濾器、凝水罐、沼氣提純系統(tǒng)等都含有大量的空氣，在調(diào)試沼氣提純、沼氣鍋爐和火炬系統(tǒng)時(shí)也存在著爆炸的危險(xiǎn)。為確保調(diào)試過程的安全，沼氣管路和沼氣系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備里面的空氣采用氮?dú)庵脫Q。本項(xiàng)目采用氮含量>99.9%的液氮進(jìn)行置換。在置換過程中，控制注氮溫度、速度和壓力，盡量低位通入氮?dú)?，高位排出氮?dú)?。在沼氣管路和沼氣相關(guān)系統(tǒng)末端取樣檢測(cè)，當(dāng)氧含量降低到2%以下時(shí)，氮?dú)庵脫Q合格[7]。

5 安全措施

在調(diào)試過程中，存在著沼氣爆炸、沼氣中毒、高處墜落、觸電和機(jī)械傷害等風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)，調(diào)試過程均應(yīng)采取相應(yīng)的措施。沼氣爆炸主要防范措施是合理劃分防爆區(qū)[3]，沼氣中毒主要是給調(diào)試過程中相關(guān)人員進(jìn)行安全教育。

5.1 防爆區(qū)劃分

本項(xiàng)目厭氧罐有氣囊，厭氧罐和雙膜沼氣柜的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)和范圍劃分如圖5所示。

圖5 厭氧罐和雙膜沼氣柜的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)和范圍劃分Fig.5 Classification and Scoping of Explosion Hazardous Area for Anaerobic Digester and Bi-Membrane Gasholder

(1)厭氧罐外部罐壁上半部外4.5 m以內(nèi)、雙膜沼氣柜外膜最大直徑外4.5 m以內(nèi)，至罐或柜頂最高點(diǎn)以上7.5 m的范圍，設(shè)為2區(qū)；(2)厭氧罐氣囊與罐頂之間，雙膜沼氣柜內(nèi)外膜之間設(shè)為1區(qū)。

5.2 H2S中毒

沼氣中一般含有少量的硫化氫(H2S)。H2S是一種強(qiáng)烈的神經(jīng)毒物，對(duì)黏膜有一定的刺激作用，易引起角膜炎，與人體細(xì)胞色素氧化酶中的鐵作用，引起組織缺氧而造成呼吸困難，大量吸入會(huì)引起肺水腫。H2S中毒的表現(xiàn)隨著接觸的濃度、時(shí)間可分為：輕度中毒、中度中毒、重度中毒。當(dāng)H2S濃度在100 mg/L時(shí)，刺激咽喉，引起咳嗽，3～10 min會(huì)損傷嗅覺神經(jīng)和人的眼睛，有輕度頭疼、惡心癥狀，脈搏加快，接觸4 h以上可能導(dǎo)致死亡；當(dāng)H2S濃度在1 000 mg/L時(shí)，立即失去知覺，造成死亡，或造成永久性腦損傷，智力損殘；當(dāng)H2S濃度在2 000 mg/L時(shí)，吸上一口，將立即死亡，難于搶救。

6 結(jié)論

厭氧消化系統(tǒng)的啟動(dòng)調(diào)試是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及到加溫、接種、進(jìn)料、攪拌、分析測(cè)試、沼氣置換和安全措施等多個(gè)環(huán)節(jié)。鎮(zhèn)江市餐廚垃圾及城市污

水廠污泥協(xié)同處理項(xiàng)目作為國(guó)內(nèi)首個(gè)采用污泥和餐廚協(xié)同處理并已成功運(yùn)行的項(xiàng)目，在厭氧消化系統(tǒng)的調(diào)試過程中，編制了周密的調(diào)試方案，在各方的通力合作下，3個(gè)月左右將4個(gè)總有效容積為10 800 m3的厭氧罐順利啟動(dòng)調(diào)試成功。大中型沼氣工程厭氧消化調(diào)試過程中，啟動(dòng)過程中的能耗費(fèi)用較高，本項(xiàng)目在夏季高溫時(shí)啟動(dòng)，據(jù)測(cè)算比冬季低溫時(shí)啟動(dòng)節(jié)省能耗約50%～70%。本項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)，可為其他類似工程厭氧消化系統(tǒng)的啟動(dòng)調(diào)試提供借鑒和參考。

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