果蔬垃圾厭氧產(chǎn)沼技術的工程應用

饒玲華，邵 敏，張 帆

（上海環(huán)境工程設計研究院有限公司生態(tài)環(huán)境設計所，上海 200072）

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種植業(yè)管理司統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2015年僅蘭州市的蔬菜種植面積就達到約6.7萬hm，總產(chǎn)量為295萬t。如果加上省內(nèi)的定西、武威、永昌、張掖，青海省格爾木市，寧夏回族自治區(qū)固原縣，總種植面積超過10萬hm。蔬菜從田頭到最終購買階段因收獲、分揀、儲藏、運輸和銷售所形成的棄收、失水、腐爛等蔬菜產(chǎn)品特有的損失被稱為自損。蘭州當?shù)卣{(diào)研數(shù)據(jù)表明，蔬菜自損率約為35.3%。蔬菜自損率主要受采收處理不及時、儲運設施不完善、冷鏈物流不健全等影響，導致采收、預處理、加工、儲藏、流通、銷售等環(huán)節(jié)損耗較大。根據(jù)蘭州市年產(chǎn)295萬t蔬菜量計算，每年果蔬垃圾產(chǎn)生量高達104萬t。果蔬加工中會產(chǎn)生很多副產(chǎn)物，果蔬產(chǎn)量也就決定了加工副產(chǎn)物的數(shù)量。果蔬垃圾中有機質含量超過95%，果蔬垃圾易腐爛，在運輸過程中還會對大氣、水體和土壤產(chǎn)生污染。果蔬垃圾的有效處置問題日益突出，已成為困擾蘭州市政府的老大難。

對含水率高、易降解的果蔬垃圾而言，其符合一般厭氧處理的固體含量要求（10%左右）。果蔬垃圾厭氧消化后可得到高質量的有機肥料和土壤改良劑。綜上所述，厭氧消化處理是果蔬垃圾處理的理想途徑，可實現(xiàn)其無害化、減量化和資源化。因此，本文采用預處理+厭氧消化+沼氣利用的工藝路線，實現(xiàn)果蔬垃圾資源化利用，為類似果蔬垃圾處置項目的設計奠定基礎。

1 項目概況

蘭州高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)（簡稱蘭州高新區(qū)）果蔬廢棄物資源化利用BOT項目的占地面積約為49 267 m。設計處理能力為果蔬垃圾2 000 t/d。該項目采用預處理+厭氧消化+沼氣利用的工藝路線。果蔬垃圾組分分析結果如表1所示。

表1 果蔬垃圾理化性質

2 總體設計

本項目分為預處理、厭氧消化、沼渣脫水、污水處理、沼氣凈化利用、輔助配套等5個部分，總平面布置如圖1所示。預處理區(qū)包括預處理車間、水解罐、固液分離間。厭氧消化區(qū)包括內(nèi)循環(huán)厭氧（IC）罐、半干式厭氧罐及氣柜、濕式厭氧進料罐、濕式厭氧罐。厭氧消化區(qū)位于預處理區(qū)和污水處理區(qū)之間。沼渣脫水區(qū)居中布置。污水處理區(qū)包括調(diào)節(jié)池、兩級厭氧好氧（AO）池、膜生物反應器（MBR）池和出水池等。沼氣凈化利用區(qū)包括沼氣凈化、應急火炬、鍋爐和發(fā)電機等。輔助配套區(qū)包括綜合樓、綠化區(qū)、地磅房等。

圖1 總平面布置

根據(jù)蘭州市常年的主導風向，輔助配套區(qū)布置在廠區(qū)南側，位于主導風向的上風向，確保辦公人員的工作環(huán)境良好，同時爭取最優(yōu)的采光面。預處理車間布置在廠區(qū)東北側，靠近廠區(qū)出入口，便于物流的運輸。厭氧消化區(qū)及污水處理區(qū)位于預處理區(qū)西側。沼氣凈化利用區(qū)位于廠區(qū)西側，實現(xiàn)易燃易爆裝置的集中布置，滿足其與輔助配套區(qū)的安全距離要求。

3 各子系統(tǒng)設計

3.1 預處理系統(tǒng)

果蔬垃圾經(jīng)地磅稱質量后進入卸料大廳，將果蔬垃圾卸至步進式料倉。料倉中的果蔬垃圾經(jīng)皮帶機提升進入破碎機。破碎機將果蔬垃圾破碎至20 mm左右，然后泵送至除雜除砂酸化單元。該單元通過格柵去除浮渣，自然沉降除砂，酸化處理后將物料泵送至脫水單元。脫水單元包括螺旋擠壓機和離心機兩道工序，螺旋擠壓產(chǎn)生的物料進入半干式厭氧罐厭氧處理，螺旋擠壓后的液相進入離心機進一步脫水，固相進入濕式厭氧系統(tǒng)，液相進入污水處理系統(tǒng)。

預處理系統(tǒng)的處理能力為2 000 t/d，每天工作時間為20 h。為了滿足高峰期物料的沖擊負荷，預處理系統(tǒng)設有4條預處理線，每條線的處理能力為50 t/h，可滿足高峰期6 h處理60%的處理量需求?？紤]到設備檢修以及超高峰時段等情況，本項目設置了一個容積為4 000 m的垃圾儲坑，用于滿足1 d的緩沖能力。

3.2 厭氧系統(tǒng)

預處理后的果蔬垃圾物料經(jīng)螺旋送進半干式厭氧罐，半干式厭氧罐設有換熱系統(tǒng)，以保證罐內(nèi)的有機物料維持在42 ℃左右的溫度。該厭氧反應器采用特制的攪拌槳葉保證物料在反應器內(nèi)充分混勻，停留時間為20 d，厭氧反應后的沼液泵送至沼渣脫水系統(tǒng)。

預處理后的果蔬垃圾漿液、水解罐的部分回流液以及污水系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余污泥經(jīng)泵送至濕式厭氧調(diào)節(jié)罐，充分混勻后泵送至濕式厭氧罐內(nèi)。濕式厭氧罐采用罐外換熱的方式，保證罐內(nèi)有機物料維持在38 ℃左右。濕式厭氧罐采用沼氣攪拌的方式，確保罐內(nèi)混合均勻，停留時間約為20 d，厭氧反應后的沼液泵送至沼渣脫水系統(tǒng)。厭氧系統(tǒng)工藝設計參數(shù)如表2所示。

表2 厭氧系統(tǒng)工藝設計參數(shù)

3.3 沼渣脫水系統(tǒng)

厭氧發(fā)酵漿液經(jīng)過暫存池進入一級螺旋擠壓脫水單元，脫水過程中，擠出含固率20%的沼渣，剩余沼液自流至濾液池，泵入二級疊螺機脫水單元，疊螺機產(chǎn)生的含固率20%沼渣外送，產(chǎn)生的沼液則進入污水暫存池，然后泵入污水處理系統(tǒng)。

一級脫水單元采用2臺螺旋擠壓機，單臺處理能力為15 m/h。二級脫水單元采用2臺疊螺脫水機，配套聚丙烯酰胺/聚合氯化鋁（PAM/PAC）投加裝置，單臺處理能力為20 m/h。

3.4 污水處理系統(tǒng)

污水處理系統(tǒng)處理本項目厭氧沼液、水解罐廢水以及廠區(qū)雜排水等。污水處理系統(tǒng)采用預處理+兩級AO+MBR工藝，出水執(zhí)行《蘭州高新區(qū)定遠鎮(zhèn)污水處理廠接管水質標準》和《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）三級標準。污水處理系統(tǒng)的設計進出水水質如表3所示。主要指標有化學需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD）、總氮（TN）、氨氮（NH-N）、懸浮物（SS）、總磷（TP）、色度和pH。

表3 污水處理系統(tǒng)設計進出水指標

廠區(qū)廢水首先經(jīng)過格柵，然后進入調(diào)節(jié)池，而后泵送至厭氧反應器，應急情況下可泵送至應急池。厭氧反應后的污泥進入污泥池沉淀后進入脫水機脫水處理，脫除的污泥泵送至濕式厭氧罐處理，上清液則回流至調(diào)節(jié)池。厭氧處理后的污水經(jīng)泵提升至兩級AO池，兩級AO池的出水進入MBR池。MBR池出水氨氮、SS等均能達到排放要求，為防止污泥流失，設置混凝沉淀池，沉淀污泥與厭氧污泥等合并后進行疊螺脫水處理，脫水污泥外運處置。

本項目污水處理系統(tǒng)的設計規(guī)模為1 800 m/d，厭氧系統(tǒng)按照900 m/d設計，設置1座IC罐，停留時間1.65 d。MBR池分為2列，總膜面積大于7 155 m。設計一套污泥處理系統(tǒng)，處理能力為900 m/d，產(chǎn)生的污泥含水率小于80%。

3.5 沼氣凈化利用系統(tǒng)

沼氣凈化利用系統(tǒng)主要由氣柜、化學脫硫罐、增壓風機和沼氣利用設施等組成。厭氧系統(tǒng)產(chǎn)生的沼氣先存儲在半干式厭氧罐頂部的氣柜中，然后進入化學脫硫罐內(nèi)脫除硫化氫，脫硫后的沼氣經(jīng)過濾器、冷干機等去除沼氣中的水分。最后，沼氣經(jīng)過增壓泵提升壓力，滿足發(fā)電機、鍋爐及火炬對沼氣壓力的要求。

本項目沼氣產(chǎn)量約為35 000 m/d，綜合考慮沼氣高峰系數(shù)（1.5），設計1座雙膜氣柜，有效容積為5 000 m。項目設置2臺鍋爐、1臺沼氣發(fā)電機及1套1 500 m/h的應急火炬系統(tǒng)（暗火）。鍋爐采用燃油燃氣兩用鍋爐，鍋爐技術參數(shù)為2.1 MW，供回水溫度為70 ℃/50 ℃。經(jīng)核算，本項目配置1套輸出功率1.5 MW的沼氣發(fā)電機，后期根據(jù)實際情況增加裝機規(guī)模。

3.6 除臭系統(tǒng)

料倉、預處理車間、固液分離車間、水解罐、污水處理系統(tǒng)等的臭氣通過負壓收集至除臭系統(tǒng)處理。臭氣的成分有硫化氫、氨以及少量的有機氣體等。為減少臭氣對環(huán)境的影響，本項目采用“酸洗+堿洗+氧化”的組合工藝進行臭氣處理，廠界惡臭污染物滿足《惡臭污染物排放標準》（GB 14554—1993）二級排放標準后由排氣筒在15 m高空排放。

除臭系統(tǒng)的總氣量為120 000 m/h。本項目用地緊張，因此，本項目的除臭裝置設置在預處理車間、固液分離車間的屋頂。

4 沼渣與沼液的特性

沼渣和沼液富含氮磷鉀、腐殖酸、氨基酸、微生物和蛋白質等，可作為優(yōu)良的有機肥。沼渣及沼液營養(yǎng)成分與化肥營養(yǎng)成分含量對比如表4所示。檢測數(shù)據(jù)表明，1 t沼渣可替代24 kg尿素、45.7 kg普鈣和20 kg氯化鉀；1 t沼液可替代2.2 kg尿素、1.3 kg普鈣和2 kg氯化鉀，其富含有機質和腐殖酸。研究發(fā)現(xiàn)，沼渣在蔬菜生產(chǎn)中可配制營養(yǎng)土、基肥或者追肥，應用廣泛。

表4 沼渣及沼液營養(yǎng)成分與化肥營養(yǎng)成分含量對比

5 項目投資及經(jīng)濟分析

本項目工程總投資為29 500.15萬元，其中建筑工程費用為10 325.45萬元，設備購置及安裝費用為12 350.52萬元，其他費用為6 824.18萬元。其他費用中，預備費用為1 552.87萬元，鋪底流動資金為200萬元。運營成本為1 670萬元/年。本項目稅前財務內(nèi)部收益率為7.04%，稅后財務內(nèi)部收益率為6.2%。

由此可知，本項目的投資較高，收益率低。沼渣和沼液具有良好的肥料屬性，若深加工為產(chǎn)品出售，則可大大提高本項目的收益能力，成為新的利潤增長點。

6 結語

蘭州高新區(qū)果蔬廢棄物資源化利用BOT項目采用預處理+厭氧消化+沼氣利用的工藝路線。3個月的試運行表明，該工藝運行穩(wěn)定，處理效果好。本工藝適用于大中型規(guī)模果蔬垃圾的處理，對類似果蔬垃圾處置項目的設計有較好的借鑒意義。在類似項目的設計中，如用地緊張，可采用將除臭系統(tǒng)設計在廠房房頂?shù)牟贾眯问?，這樣有利于除臭風管的布置，降低投資。同時，可將管理用房、高低壓配電室與預處理間集中布置，有效降低投資，方便管理。

果蔬垃圾沼渣和沼液具有良好的肥料特性，其中1 t沼渣可替代24 kg尿素、45.7 kg普鈣和20 kg氯化鉀；1 t沼液可替代2.2 kg尿素、1.3 kg普鈣和2 kg氯化鉀，其富含有機質和腐殖酸。果蔬垃圾處置項目的沼渣沼液如按常規(guī)方式處理，則投資高，收益率低。若有效開拓沼渣沼液的資源利用工藝，則可大大節(jié)約項目投資與運營成本，這是未來發(fā)展的趨勢。