廚余垃圾干式厭氧發(fā)酵及發(fā)酵剩余物脫水工藝探討

陳嚴(yán)華，廖德榮，曾 蒸，柴福良，況 前

（重慶市環(huán)衛(wèi)集團(tuán)有限公司，重慶 401120）

1 概況

2019 年12 月《生活垃圾分類標(biāo)志》（GB/T 19095—2019）中生活垃圾分為可回收物、有害垃圾、廚余垃圾、其他垃圾等四大類。其中廚余垃圾是指人日常生活中丟棄的剩菜剩飯，包含家庭廚余垃圾和農(nóng)副產(chǎn)品集貿(mào)市場(chǎng)產(chǎn)生的有機(jī)垃圾[1]，其成分和性質(zhì)隨地域、居民飲食習(xí)慣、季節(jié)的變化而變化，但總體上具有含水率高、有機(jī)質(zhì)占比高、易生化降解等特點(diǎn)。隨著居民生活水平的提高，廚余垃圾產(chǎn)生量也日益增大，廚余垃圾如不及時(shí)有效處理，則容易滋長(zhǎng)病原微生物、霉菌毒素等有害物質(zhì)。由于各類環(huán)境問題的突顯，人們對(duì)生存環(huán)境要求越來越高，環(huán)境保護(hù)的意識(shí)越來越強(qiáng)，城市垃圾的處理直接影響到城市的人居環(huán)境，近些年，城市垃圾或廢棄物的處理越來越受重視，而且分類越來越細(xì)化，尤其是針對(duì)城市垃圾中的有機(jī)部分的處理從處理處置政策上要求要實(shí)現(xiàn)資源化或能源化的利用。目前，城市有機(jī)垃圾主要分為餐飲垃圾、廚余垃圾，由于其來源和特性不同，因此在處理技術(shù)路線上也有差異。目前，廚余垃圾的處理方法主要有焚燒、填埋、好氧堆肥和厭氧消化等。廚余垃圾厭氧消化產(chǎn)沼氣技術(shù)代表了目前主流發(fā)展方向，相對(duì)傳統(tǒng)的好氧堆肥技術(shù)，厭氧消化主體反應(yīng)于密閉環(huán)境中進(jìn)行，環(huán)境影響相對(duì)較小，且其在國(guó)家政策的鼓勵(lì)、對(duì)周邊環(huán)境影響及其最終產(chǎn)品的利用上都具有較大優(yōu)勢(shì)，從生態(tài)可持續(xù)發(fā)展高度出發(fā)，還能提供清潔的可再生能源，從而實(shí)現(xiàn)垃圾的資源化處理和碳減排、碳中和，廚余垃圾處理工藝推薦采用厭氧消化技術(shù)。厭氧消化技術(shù)能夠把垃圾轉(zhuǎn)化為有用的資源，已經(jīng)成為解決城市環(huán)境、能源和低碳綠色問題的研究熱點(diǎn)。

厭氧消化技術(shù)可以廣泛地利用農(nóng)業(yè)有機(jī)垃圾，餐廚（廚余）垃圾和城市市政污泥等各種生物質(zhì)廢棄物。從資源利用方面，厭氧消化技術(shù)的產(chǎn)物即沼氣可以作為一種環(huán)保、清潔的可再生能源，沼氣作為生物質(zhì)能源用于生產(chǎn)和生活中，作為清潔能源的補(bǔ)充，符合國(guó)家循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)政策，發(fā)酵剩余物可作為有機(jī)肥料，用來緩解日益緊張的能源危機(jī)[2]。所以，厭氧消化技術(shù)處理城市有機(jī)固體廢棄物已經(jīng)受到國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的青睞[3]。此外，厭氧消化技術(shù)憑借其資源回收率高、能耗低、工藝成熟等優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的處理技術(shù)，特別是歐洲國(guó)家已經(jīng)應(yīng)用了近四十年，從處理有機(jī)廢棄物方面，厭氧消化技術(shù)是廚余垃圾等有機(jī)廢棄物“減量化、無害化、資源化”有效的方式之一。厭氧消化技術(shù)主要分為干式厭氧和濕式厭氧消化技術(shù)。

干式厭氧消化技術(shù)是指固體濃度TS 達(dá)到20%～30%[4]為原料，沒有或幾乎沒有自由流動(dòng)水的條件下進(jìn)行的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行厭氧產(chǎn)沼氣的一種工藝[5]，是一種優(yōu)異的有機(jī)固廢循環(huán)利用的方法。在歐洲，干式厭氧發(fā)酵工程數(shù)量比濕式厭氧發(fā)酵工程較多，其中干式厭氧發(fā)酵工藝約占54%，且逐步增多[6]，而干式厭氧發(fā)酵技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)[7]。程序[8]等對(duì)我國(guó)城市有機(jī)固體廢棄物、農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物和有機(jī)廢水的沼氣開發(fā)潛力進(jìn)行估算，沼氣產(chǎn)量巨大。

干式厭氧發(fā)酵技術(shù)主要工藝為進(jìn)料系統(tǒng)+干式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)+脫水系統(tǒng)。干式厭氧發(fā)酵剩余物經(jīng)脫水系統(tǒng)后的脫水濾液設(shè)計(jì)上一般進(jìn)入污水系統(tǒng)處理，但在實(shí)踐中運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)脫水系統(tǒng)處理后的脫水濾液具有高COD，懸浮物含量高以及絮凝劑用量大的問題，對(duì)后續(xù)的污水處理系統(tǒng)要求較高，經(jīng)濟(jì)性較差。本文簡(jiǎn)介了一種廚余垃圾干式厭氧發(fā)酵及發(fā)酵剩余物脫水系統(tǒng)工藝，能夠提高脫水效率和改善水質(zhì)，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)性較好。

2 廚余垃圾干式厭氧發(fā)酵技術(shù)相關(guān)概述

2.1 概念

根據(jù)投入原料或發(fā)酵罐內(nèi)固形物干燥質(zhì)量換算濃度（TS 濃度），厭氧發(fā)酵大致可以分為濕式（投入TS 濃度小于15%，發(fā)酵罐中TS 濃度小于8%）和干式（投入TS 濃度大于15%，發(fā)酵罐中TS 濃度大于10%）。干式厭氧發(fā)酵是適用于固形物濃度極高的有機(jī)物處理技術(shù)。干式厭氧發(fā)酵運(yùn)用中重要的是選擇有合適含水率的固體有機(jī)物作為原料，并且在運(yùn)行時(shí)需要將原料水分控制在一定范圍，合適TS 范圍一般在15%～45%。采用干式厭氧發(fā)酵制氣等多元化工藝來處理高含固率較高的廚余垃圾、市政污泥等城市有機(jī)固體廢棄物，將提高城市有機(jī)固廢垃圾的處理效率，同時(shí)提高沼氣總產(chǎn)量。

2.2 干式厭氧發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)

干式厭氧發(fā)酵工藝可以降低廚余垃圾預(yù)處理的要求，可以容忍一定數(shù)量的雜質(zhì)，可以接收多種類型的有機(jī)垃圾，處理范圍廣，不易造成工藝故障，比如沉淀、浮渣、堵料等，從而保證生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定。有機(jī)物處理過程中含固量高，有機(jī)質(zhì)降解率高，厭氧發(fā)酵罐體積減少50%以上，占地面積少，具有容積產(chǎn)氣率高、節(jié)約用水等優(yōu)點(diǎn)，從而提高廚余垃圾的資源化利用率。而且，高溫干式厭氧發(fā)酵工藝可以有效消殺沼渣中的蟲卵和病原體，提高了后端沼渣堆肥的衛(wèi)生化、無害化水平。

2.3 國(guó)內(nèi)干式厭氧案例

2.3.1 廈門某項(xiàng)目BRV 干式厭氧消化工藝

處理規(guī)模：500t 生活垃圾/日，其中干式厭氧系統(tǒng)進(jìn)料量為150t/d。工藝簡(jiǎn)述：原始生活垃圾進(jìn)入垃圾分揀線，經(jīng)過破袋和人工預(yù)分揀后進(jìn)行滾筒篩進(jìn)行篩分；篩上物再經(jīng)過彈跳、光電分選、磁選后將可回收物進(jìn)行回收，其余垃圾進(jìn)入焚燒系統(tǒng)進(jìn)行焚燒處理；篩下物經(jīng)人工分揀去除干擾物后，磁選、破碎、小于55mm 的物料然后進(jìn)入儲(chǔ)料設(shè)施進(jìn)行瀝水，然后經(jīng)過螺旋輸送機(jī)送至干式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)；消化殘余物經(jīng)過螺桿壓縮脫水機(jī)進(jìn)行初步脫水，脫水后的沼渣進(jìn)行好氧發(fā)酵利用、污水外排；產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行發(fā)電。設(shè)計(jì)沼氣產(chǎn)量：16500m3/d，即688m3/h。消化溫度：55℃。設(shè)計(jì)容積負(fù)荷：6.63kgTS/（m3有效容積·d）。設(shè)計(jì)停留時(shí)間：25d。工藝流程如圖1所示。

圖1 廈門某項(xiàng)目干式厭氧消化工藝流程

2.3.2 北京某項(xiàng)目valorga 干式厭氧消化工藝

處理規(guī)模：680t 生活垃圾/d。工藝簡(jiǎn)述：生活垃圾經(jīng)分選預(yù)處理后，有機(jī)垃圾進(jìn)入干式厭氧發(fā)酵罐，厭氧消化產(chǎn)生的沼氣供生物氣發(fā)電機(jī)發(fā)電，并利用余熱產(chǎn)生蒸汽供消化物料加熱使用，發(fā)電產(chǎn)生的電能并網(wǎng)。消化殘余物經(jīng)脫水后送轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)。設(shè)計(jì)沼氣產(chǎn)量：70535m3/d，即2939m3/h。消化溫度：55℃。設(shè)計(jì)容積負(fù)荷：5.5kgVTS/（m3有效容積·d）。設(shè)計(jì)停留時(shí)間：≥20d。

2.3.3 杭州某項(xiàng)目DRANCO 干式厭氧消化工藝

處理規(guī)模：200t 廚余垃圾/日。工藝簡(jiǎn)述：廚余垃圾經(jīng)受料斗接料+板式給料機(jī)輸送+人工手選+磁選+生物質(zhì)分離器+塑料及紙張打包外賣的全量化預(yù)處理后，有機(jī)質(zhì)輸送至干式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣系統(tǒng)。沼氣濕法脫硫后，在滿足本廠用熱后的富余沼氣送至填埋場(chǎng)沼氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電。沼渣采用二級(jí)旋流除砂+板框脫水工藝脫水后填埋。脫水后的污水經(jīng)過混凝沉淀后通過管道輸送至填埋場(chǎng)調(diào)蓄池。設(shè)計(jì)沼氣產(chǎn)量：16000m3/d，即667m3/h。消化溫度：53℃。設(shè)計(jì)容積負(fù)荷：4.3kgTS/（m3有效容積·d）。設(shè)計(jì)停留時(shí)間：26d。設(shè)計(jì)回流比：8:1（濕基比）。

3 脫水系統(tǒng)工藝

廚余垃圾干式厭氧剩余發(fā)酵物脫水工藝包括依次連接的擠壓脫水裝置、壓濾脫水裝置、除砂裝置和離心脫水裝置，擠壓脫水裝置的進(jìn)料口與干式厭氧消化罐出料口的泵連接，泵輸送進(jìn)入擠壓脫水裝置，擠壓脫水裝置的液相進(jìn)入壓濾脫水裝置，壓濾脫水裝置的液相進(jìn)入離心脫水裝置，在擠壓脫水裝置、壓濾脫水裝置和除砂系統(tǒng)的固相用螺旋統(tǒng)一接收后外運(yùn)填埋或焚燒處置，離心脫水裝置的固相進(jìn)行堆肥處理，離心脫水裝置的脫水濾液進(jìn)入污水處理系統(tǒng)。工藝流程圖如圖2 所示。

圖2 脫水系統(tǒng)工藝流程

（1）廚余垃圾干式厭氧剩余發(fā)酵物脫水工藝在進(jìn)入壓濾脫水裝置前增加了絮凝裝置，能夠?qū)⒓?xì)小的顆粒物絮團(tuán)后在進(jìn)入壓濾脫水裝置，能夠較大程度的使得進(jìn)入離心脫水裝置的含固率降低，提高去除效率。同時(shí)，經(jīng)過絮團(tuán)并壓濾脫水后的物料含固率和粘度將進(jìn)一步降低，提高除砂系統(tǒng)的處理效率。

（2）廚余垃圾干式厭氧剩余發(fā)酵物脫水工藝在壓濾脫水裝置和離心脫水裝置新增了除砂系統(tǒng)，除砂系統(tǒng)為兩級(jí)旋流除砂裝置，經(jīng)過壓濾脫水裝置的物料通過泵輸送至一級(jí)旋流除砂器和二級(jí)旋流除砂器，固相進(jìn)入砂水分離器通過螺旋外運(yùn)，液相通過泵送進(jìn)入離心脫水裝置。旋流除砂裝置能夠進(jìn)一步的去除沼液中的浮渣，以減輕后續(xù)離心脫水裝置的壓力，提高離心脫水效率，保證離心脫水裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）廚余垃圾干式厭氧剩余發(fā)酵物脫水工藝在經(jīng)過兩級(jí)旋流除砂裝置后新增加了助凝和絮凝裝置，對(duì)助凝和絮凝配比有一定要求，助凝裝置包括緩沖罐，在該緩沖罐上部設(shè)有進(jìn)液管，下部設(shè)有出液管，出液管通過隔膜泵送至離心脫水裝置進(jìn)料管道。絮凝劑加注裝置包括攪拌裝置、螺桿泵和靜態(tài)混合器，粉末狀絮凝劑和自來水通過靜態(tài)混合器均勻混合后泵輸送至離心脫水裝置管道，助凝劑、絮凝劑和經(jīng)過除砂系統(tǒng)的物料共同進(jìn)入離心脫水裝置進(jìn)行固液分離，助凝劑和絮凝劑進(jìn)入管道位置需要充分考慮，保障三種物質(zhì)混合均勻和絮團(tuán)完成，離心脫水裝置還配置了增壓給水裝置，當(dāng)停機(jī)時(shí)候用自來水進(jìn)行沖洗。增加的助凝和絮凝裝置進(jìn)一步提高了沼液中懸浮物的聚集沉淀，從而提高離心脫水裝置的固液分離效率，使得處理后的沼液中懸浮物含量較低，降低對(duì)污水處理系統(tǒng)的要求。

4 結(jié)語

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)廚余垃圾干式厭氧發(fā)酵至沼氣工藝運(yùn)行的實(shí)際情況，對(duì)干式厭氧發(fā)酵制氣的工藝系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，對(duì)現(xiàn)有干式厭氧發(fā)酵剩余物的脫水系統(tǒng)工藝提出了優(yōu)化方案建議，主要是起到了降低外排脫水濾液的懸浮物濃度，減少了絮凝劑和自來水的用量，對(duì)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行能夠起到一定的效果，但是該脫水系統(tǒng)工藝流程較長(zhǎng)，后期需進(jìn)一步研究脫水系統(tǒng)工藝，簡(jiǎn)化工藝流程，減少設(shè)備投資。