干式厭氧發(fā)酵處理廚余垃圾的工況分析

文_劉曉蘭 上海安若必科環(huán)?？萍加邢薰?/p>

據(jù)統(tǒng)計，2020年我國廚余垃圾占比為38.05%，產(chǎn)量高達(dá)1.4×108t。廚余垃圾中含有較多的病原菌，容易腐爛發(fā)臭并滋生蠅蟲，含水率高，長期堆積容易產(chǎn)生滲濾液污染土壤和地下水。此外廚余垃圾富含大量碳源及易生物降解的組分，屬于優(yōu)質(zhì)的厭氧發(fā)酵基質(zhì)，產(chǎn)甲烷潛力極高。

“十四五”規(guī)劃提出，2025年底城市生活垃圾資源化利用率應(yīng)達(dá)到60%左右?；趶N余垃圾易發(fā)酵產(chǎn)氣、含水率高、產(chǎn)量大等特性，焚燒、填埋、好氧堆肥等傳統(tǒng)處理方式存在諸多弊端。厭氧消化技術(shù)具有較好的經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益，是一種有效的廚余垃圾資源化處理工藝。

在城市生活垃圾分類政策的推進(jìn)下，北京、上海、杭州、寧波、福州、重慶、合肥等多個大中型城市相繼選用干式厭氧產(chǎn)沼技術(shù)，實現(xiàn)廚余垃圾的資源化、無害化處理，但目前國內(nèi)處理設(shè)施缺口仍舊較大。如何采用科學(xué)、有效的資源化處理方式成為當(dāng)前廚余垃圾處理處置的研究熱點。

1 項目概況及實驗方法

1.1 項目概況

本廚余垃圾處理項目位于安徽省合肥市，整體設(shè)計采用廚余垃圾“預(yù)處理+干式厭氧+濕式厭氧+沼氣凈化與利用+沼渣干化+污水處理”的處理工藝。其中，干式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)采用德國STRABAG干式厭氧技術(shù)，設(shè)計2條生產(chǎn)線，單線處理能力為110t/d，年處理量80300t。厭氧發(fā)酵罐單罐有效容積為2400m3，運行溫度采用中溫。

1.2 厭氧系統(tǒng)工藝流程

干式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)主要包括進(jìn)料單元、厭氧發(fā)酵單元和出料/脫水單元。

預(yù)處理后的廚余垃圾通過進(jìn)料緩存裝置及后續(xù)設(shè)備，分配給厭氧罐前的專用進(jìn)料裝置，進(jìn)入干式厭氧發(fā)酵罐。

罐內(nèi)采用多軸機(jī)械攪拌，物料在平推流作用下從進(jìn)料端逐步移動至出料端，在攪拌作用下氣體盡快釋放，加快了產(chǎn)氣速率，也避免了發(fā)酵罐物料結(jié)塊和沉積，產(chǎn)生的沼氣進(jìn)入沼氣系統(tǒng)。

厭氧罐出料通過真空系統(tǒng)實現(xiàn)，出料進(jìn)入干式厭氧脫水單元。干式厭氧脫水包含螺桿壓榨脫水機(jī)、振動篩、離心機(jī)，并配置加藥裝置；一級、二級脫水的沼渣輸送至出渣間后續(xù)外運處理，三級脫水后的沼渣則進(jìn)入沼渣干化系統(tǒng)進(jìn)行干化；發(fā)酵出料經(jīng)三級脫水后的濾液泵入污水處理系統(tǒng)，處理達(dá)標(biāo)后排放。工藝流程示意圖如圖1。

圖1 厭氧系統(tǒng)工藝流程圖

1.3 實驗分析方法

本文主要選用從厭氧系統(tǒng)開始進(jìn)廚余物料至工程穩(wěn)定運行期間連續(xù)3個月（2021年8月初至10月底，不包含進(jìn)料前的生物接種階段）的日常監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以確保數(shù)據(jù)的代表性及可靠性。

實驗監(jiān)測指標(biāo)包括進(jìn)料垃圾組分、總固體含量（TS）和揮發(fā)性固體含量（VS）、沼氣產(chǎn)率、甲烷含量、pH值、揮發(fā)性脂肪酸（VFA）、堿度（ALK）等。其中，進(jìn)料組分采用四分法和重量法；TS和VS采用重量法；沼氣產(chǎn)量和甲烷含量采用沼氣分析儀測定；pH值采用便攜式pH計測定；VFA和ALK采用蒸餾—滴定法。

2 厭氧發(fā)酵運行工況研究

2.1 廚余垃圾進(jìn)料組分研究

廚余垃圾進(jìn)料是影響厭氧微生物生長的決定性因素。由于廚余垃圾組分受環(huán)境條件、地域、居民結(jié)構(gòu)等因素影響，因此本文對3個月的進(jìn)料組分多次采樣檢測取平均值，結(jié)果如表1所示。

表1 廚余垃圾進(jìn)料組分

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可得，進(jìn)場廚余垃圾經(jīng)預(yù)處理后，含固率高達(dá)32%左右，有機(jī)物粒徑≤50mm的組分約占82%，適宜采用干式厭氧發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行處理。

2.2 罐內(nèi)物料濃度及有機(jī)質(zhì)含量的變化研究

厭氧發(fā)酵罐的罐內(nèi)物料濃度和有機(jī)質(zhì)含量反映了厭氧發(fā)酵系統(tǒng)處理廚余垃圾的減量情況和有機(jī)質(zhì)的去除效果。

由圖2可知，在廚余垃圾進(jìn)料提量期（2021年8月）罐內(nèi)TS呈緩慢下降的趨勢，后期趨于穩(wěn)定；進(jìn)料提量期的VS/TS約為38%，后期略有升高?？傮w來說，罐內(nèi)物料TS含量和VS/TS含量波動不大，分別維持在19.6%、40.9%左右。廚余垃圾經(jīng)厭氧發(fā)酵后減量化效果明顯，TS減量效果達(dá)38%左右；VS也得到了有效降解，降解率為63%～67%。

圖2 罐內(nèi)物料濃度及有機(jī)質(zhì)含量的變化

由于廚余垃圾收運量的波動，干式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)每天進(jìn)罐量60～80t。在廚余垃圾進(jìn)入?yún)捬豕拗埃迌?nèi)已完成生物接種，厭氧發(fā)酵微生物具有良好的生物活性。廚余垃圾的進(jìn)料量是一個穩(wěn)步提升的過程，在進(jìn)料提量期，廚余垃圾在罐內(nèi)發(fā)生水解，TS略有降低；隨著每日新鮮廚余垃圾的補給，罐內(nèi)TS消耗的同時又引入了新的固相物料，保持了厭氧系統(tǒng)的固相平衡，因此TS和VS/TS含量整體較為平穩(wěn)。劉杰等人研究發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)進(jìn)料、出料的廚余垃圾厭氧發(fā)酵工程運行過程中，厭氧罐內(nèi)物料TS和VS的含量保持平穩(wěn)，這一趨勢與本項目研究結(jié)果一致。

2.3 沼氣產(chǎn)率與甲烷含量的變化研究

發(fā)酵底物的組分及投加量、攪拌方式、運行溫度等都會影響厭氧系統(tǒng)的沼氣產(chǎn)量。沼氣中甲烷濃度主要受產(chǎn)甲烷菌活性和發(fā)酵底物濃度的影響。

單位廚余垃圾進(jìn)料的產(chǎn)氣率與沼氣中CH4含量的變化如圖3所示。在投加廚余垃圾后，厭氧系統(tǒng)的沼氣產(chǎn)率＞110Nm3/t，最高可達(dá)200.6Nm3/t；沼氣中CH4含量在厭氧發(fā)酵罐啟動初期（2021年7月）迅速上升，15天內(nèi)從0%升高至55%后開始小幅度增長，隨后CH4含量在55%～65%范圍內(nèi)平穩(wěn)波動。厭氧發(fā)酵罐的啟動初期，即生物接種階段，CH4含量隨著大量接種物的引入迅速增加，濃度達(dá)到60%左右并維持穩(wěn)定數(shù)日后，開始向系統(tǒng)中投加廚余垃圾。廚余垃圾進(jìn)料量根據(jù)系統(tǒng)運行情況緩步提升至一定值（取決于前端預(yù)處理來料量）后，轉(zhuǎn)為穩(wěn)定進(jìn)料。垃圾投加量的小幅度波動、系統(tǒng)進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷較低、進(jìn)料垃圾組分存在少許差異等多方面原因，造成單位進(jìn)罐廚余垃圾產(chǎn)氣率在111.2～200.6Nm3/t之間波動。同時，厭氧系統(tǒng)的穩(wěn)定運行保證了沼氣中CH4含量的穩(wěn)定。

圖3 產(chǎn)氣率與CH4含量的變化

2.4 厭氧系統(tǒng)酸堿平衡研究

厭氧發(fā)酵是一個復(fù)雜的微生物代謝過程，若系統(tǒng)緩沖能力過低, 堿度不足以中和產(chǎn)生的有機(jī)酸會造成有機(jī)酸的積累，以至系統(tǒng)失穩(wěn)。因此需密切關(guān)注發(fā)酵過程中的的酸堿動態(tài)變化趨勢，維持厭氧系統(tǒng)的酸堿平衡。

王艷明等在某廚余垃圾干式厭氧項目實施過程中觀察到，pH為7.8～8.4、ALK為12～14g/L、VFA為4g/L左右，厭氧系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，干式厭氧的啟動過程較為穩(wěn)定、快速。

圖4為項目運行期間的罐內(nèi)物料的pH值、VFA和ALK的監(jiān)測結(jié)果?？梢钥闯?，運行過程中發(fā)酵罐內(nèi)物料pH始終穩(wěn)定在在7.6～8.4之間；隨著廚余垃圾進(jìn)料量的緩步提升，罐內(nèi)物料的VFA值逐漸降低，由4.1g/L下降至2.1g/L，ALK值則逐漸升高，由8.6g/L上升至13.5g/L；當(dāng)進(jìn)入進(jìn)料穩(wěn)定期后，VFA值和ALK值均趨于平穩(wěn)。

圖4 發(fā)酵過程中的酸堿動態(tài)變化

厭氧系統(tǒng)酸堿平衡控制較好，運行穩(wěn)定。罐內(nèi)物料pH值在厭氧發(fā)酵適宜范圍內(nèi)。VFAs的積累量取決于其生成速率和消耗速率，在進(jìn)料前期，產(chǎn)酸菌代謝活躍，罐內(nèi)VFA起始值較高；隨著垃圾量的不斷供給，產(chǎn)甲烷速率上升，VFA被產(chǎn)甲烷菌大量消耗，積累量呈現(xiàn)快速下降的趨勢；當(dāng)進(jìn)料量穩(wěn)定后，VFA的生成速率和消耗速率持平，VFA值趨于穩(wěn)定。工程運行前期，ALK/VFA值＞2；進(jìn)料穩(wěn)定后，ALK/VFA約為7，系統(tǒng)保持酸堿平衡。

2.5 脫水效果研究

選取運行期內(nèi)12組數(shù)據(jù)對螺桿壓榨機(jī)、振動篩、離心機(jī)的脫水效果進(jìn)行分析。

脫水固渣、濾液的含固率如圖5所示。由圖5可得：螺桿壓榨機(jī)、振動篩和離心機(jī)的脫水固渣含固率分別約為45%～55%、18%～30%和20%～30%，脫水濾液的含固率分別為14%～16%、2%～10%和0.2%～2%。這說明本項目設(shè)計的三級固液分離系統(tǒng)的脫水性能溫度，效果較好，高含固出料經(jīng)過脫水后能有效削減沼液SS，有利于后續(xù)生化系統(tǒng)的運行。

圖5 脫水固渣和濾液的含固率

3 結(jié)語

干式厭氧系統(tǒng)可接受高含固、高含雜進(jìn)料，系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，發(fā)酵罐內(nèi)TS、VS/TS分別為19.6%、40.9%左右，TS減量約38%，VS降解率達(dá)63%～67%。

系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，單位進(jìn)罐廚余垃圾產(chǎn)氣率為111.2～200.6Nm3/t，CH4含量維持在60%；廚余進(jìn)料量穩(wěn)定后，罐內(nèi)物料的pH值、VFA和ALK均維持穩(wěn)定，系統(tǒng)處于酸堿平衡狀態(tài)。

厭氧出料經(jīng)三級脫水后的固渣含固率為20%～30%，濾液含固率為0.2%～2%，脫水效果好。