餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼渣脫水性能研究

張建偉?吳麗穎

厭氧發(fā)酵是指有機物在厭氧條件下通過微生物自身的新陳代謝而被轉化為甲烷、二氧化碳和消化殘余物的處理技術。本研究所指的厭氧發(fā)酵沼渣是厭氧發(fā)酵后厭氧反應器內固液混合的出渣物，主要由水、少量未分解完全的原料、未分選完全的無機物和新產(chǎn)生的微生物菌體等組成。目前行業(yè)內主要采用脫水工藝對沼渣進行處理，隨著垃圾分類的深入推進，對沼渣含水率要求越來越高，改善沼渣脫水性能成為亟待解決的行業(yè)問題。

一、沼渣特性與脫水性能的關系

（一）沼渣中水分的存在形式

沼渣中含有大量的水分，這些水分在沼渣中以自由水、結合水兩種形式存在。自由水是指水分的化學性質不隨著周圍固體顆粒的存在而發(fā)生變化，即被包圍在沼渣顆粒之間的游離水分。由于這部分水不與沼渣顆粒直接結合，所以與沼渣的親和力較弱，可以通過機械方法較容易地從沼渣中分離出來。結合水是指吸附和結合在固體顆粒上的水分。根據(jù)水分與沼渣顆粒間作用力的不同，又將結合水分成三類：吸附水、間隙水和內部水。吸附水是指在表面張力的作用下，吸附于沼渣顆粒表面的水分，只有通過改變固體顆粒的物理性狀，降低表面張力，才能使吸附水從沼渣顆粒上分離；間隙水是指在毛細作用的影響下沼渣顆粒之間相結合的水，通過向沼渣施加外力，破壞毛細管表面張力或凝聚力可以去除；內部水是指沼渣中微生物細胞內的水分，需通過熱干燥或焚燒，使化學鍵斷裂才能釋放去除。

由此可見，結合水的含量是影響沼渣脫水性能的關鍵，結合水含量越多，沼渣則越難脫水。因此，沼渣脫水的關鍵在于結合水的去除。通過改變沼渣的性質，使結合水盡可能多地轉化為自由水，有助于后續(xù)的機械脫水，正確了解沼渣的水分分布是選擇合適的脫水處理工藝的基礎。

（二）沼渣含水率與體積之間的關系

沼渣含水率P與體積V之間存在一定的數(shù)量關系，可用式（1）表達：

式（1）中，V₁——含水率P₁時對應的沼渣體積，m³；

V₂——含水率P₂時對應的沼渣體積，m³；

C₁——含水率P₁時對應的沼渣含固率，%；

C₂——含水率P₂時對應的沼渣含固率，%；

W₁——含水率P₁時對應的沼渣重量，kg；

W₂——含水率P₂時對應的沼渣重量，kg；

P₁、P₂——不同的沼渣含水率，%。

（三）沼渣的絮體結構

微生物在整個濕式厭氧發(fā)酵過程中扮演著相當重要的角色，由于微生物的新陳代謝作用，沼渣中會形成許多胞外聚合物，這些胞外聚合物質量比約占沼渣中總有機物含量的50%～90%之間。胞外聚合物中含有大量的蛋白質和多糖、少量的DNA和核酸，這些組分滯留了大量的水分并以聚集體的形式填充形成了沼渣的結構，被認為是決定沼渣物化性質的關鍵物質。這些胞外聚合物使得沼渣絮體具有較強的親水性，與水的親和力極大，是造成沼渣固液分離非常困難的主要原因。

二、沼渣脫水的影響因素

沼渣的脫水性能是由沼渣的結構性質決定的，影響沼渣性質的因素包括胞外聚合物、表面電荷、陽離子、顆粒粒徑等，其中胞外聚合物是重要影響因素。

（一）沼渣的胞外聚合物

胞外聚合物帶有多種官能團且具有高度親水性，在沼渣中形成各種化學鍵，改變了沼渣顆粒粒徑、表面電荷、疏水性等性質，從而影響沼渣的脫水性能。胞外聚合物像膠囊一樣包圍在細菌的周圍且不斷向溶液中分泌粘性聚合物，由于胞外多糖包裹細胞壁，降低了細胞的有效臨界電勢而發(fā)生絮凝。但胞外聚合物本身會通過絮凝作用吸附大量水分，高度水合的胞外聚合物增加了沼渣的粘性，不利于沼渣脫水。

（二）沼渣表面電荷和陽離子

沼渣表面電荷與陽離子通過雙電層影響沼渣的沉降性，從而影響沼渣的脫水性能。沼渣顆粒發(fā)生沉降必須綜合考慮粒子間的相互吸引力和相互排斥力兩方面的總效應，沼渣顆粒之間的吸引力本質上和分子間范德華力相同，而顆粒間的排斥力源于沼渣表面的雙電層結構。沼渣固體表面擁有負電位離子，電位離子層通過靜電作用，把溶液中陽離子電荷吸引到固體周圍，以至于固液兩相分別帶有不同符號的電荷，在界面上形成雙電層結構。當沼渣顆粒間距離較大，其雙電層未重疊時，排斥力不發(fā)生作用；當沼渣顆粒間距離較小，以至于雙電層部分重疊時，則在重疊部分中離子的濃度比正常分布時大，這些過剩的離子所具有的滲透壓力將阻礙離子的靠近，因而產(chǎn)生排斥力作用，這就是造成沼渣很難自然沉降的原因。沼渣表面電位越負，脫水性能越差。

（三）沼渣顆粒粒徑

沼渣顆粒越小，顆粒的比表面積越大，沼渣的脫水性能越差。這是由于大比表面積懸浮顆粒體系具有很大的表面能，使得顆粒與沼渣中的水分相互作用程度會更高。這就會造成離心分離時，固體的回收率降低，沼渣含水率變大；過濾脫水時，脫水速率降低，機械脫水性能變差。

三、“三氯化鐵與PAM絮凝劑調理＋高壓隔膜板框壓濾” 沼渣脫水系統(tǒng)

“三氯化鐵與PAM絮凝劑調理＋高壓隔膜板框壓濾” 沼渣脫水系統(tǒng)設計中通過加入三氯化鐵對厭氧后沼渣進行調理，中和沼渣表面的電荷，破壞沼渣的穩(wěn)定性，再通過添加絮凝劑使得沼渣發(fā)生團聚沉降，最后經(jīng)過高壓隔膜板框壓濾機脫水后沼渣的含水率可降至65%左右。

厭氧發(fā)酵后沼渣進入調理罐中，往調理罐中加入鐵鹽攪拌混合，調理沼渣的脫水性能，使沼渣更容易脫水。經(jīng)鐵鹽調理后的沼渣轉移至中間池暫存。在高低壓進料泵入口端裝有管道混合器，PAM溶液由PAM投加泵打入管道混合器與沼渣充分混合，可增強脫水效果。調理好的沼渣再通過高低壓進料泵打入高壓隔膜壓濾機中進行固液分離（沼渣脫水）。隨后往壓濾機隔膜中打入壓榨水壓榨，使濾餅含水率進一步降低（圖１）。脫水完成后得到含水率約65%的脫水沼渣。

圖1 沼渣脫水工藝

參考污泥脫水的規(guī)定，一般認為污泥比阻（SRF）在（0.981～3.924）×1012 m/kg之間或毛細吸水時間（CST）值小于20s時，進行機械脫水是較為經(jīng)濟與適宜的。未調理的沼渣的SRF和CST一般均大于此值，故機械脫水前須進行適當調理。

（一）Fe³⁺無機鹽調理

三價陽離子有利于絮體形成團聚，因此加入此類無機鹽能提高沼渣脫水性能。相對來說，鋁鹽生成的礬花顆粒的離散性弱，狀如疏松的毛絨或浮云，但使用三氯化鐵混凝后的沼渣體積是使用鋁鹽型混凝劑時體積的1/3～2/3，礬花顆粒更密實，不會出現(xiàn)粘黏濾布的現(xiàn)象，更易于通過高壓隔膜板框壓濾機濾布進行脫水。原因是三氯化鐵的陽離子與沼渣顆粒的負電荷相互吸引并中和，使電荷減小，減少了粒子之間的排斥力，增加了顆粒間的吸附，減少了粒子和水分子的親和力；另外Fe3+會在沼渣顆粒絮體表面形成一層緊密堅硬的外殼，這層緊密的外殼不僅能在機械脫水過程中將壓力傳遞給絮體內部，還能有效防止絮體在高壓時解體，增加粒子凝聚力，從而改善沼渣脫水性能。

（二）高分子絮凝劑聚合電解質調理

高分子陽離子PAM的主要作用機理是去水化作用、電中和作用和吸附架橋作用。

去水化作用。在膠體表面形成水化膜，將親水膠體轉變?yōu)樵魉z體，這是調質的關鍵。膠體與高分子陽離子PAM兩組分之間發(fā)生活性反應或形成絡合物，產(chǎn)生不溶性產(chǎn)物，從而實現(xiàn)沼渣的絮凝。

電中和作用。沼渣懸浮液之所以能穩(wěn)定存在，很大程度上取決于粒子的帶電性，電荷之間的排斥力阻止它們互相靠近，若在沼渣中加入與膠體帶相反電荷的聚電解質，則可降低粒子ZETA電位（ζ電位），即會降低排斥能峰，減小擴散層厚度，使粒子相互吸引形成絮團。

吸附架橋。高分子絮凝劑把許多較小的膠體吸附起來，由于PAM多成鏈狀，當高分子PAM鏈的一端吸附某一膠粒后，另一端又吸附另一膠粒，形成“膠?！叻肿印z?！钡男跄w，通過相互結合的橋梁作用，形成更大的絮凝顆粒。

通過Fe3+無機鹽調理與高分子絮凝劑聚合電解質調理相互作用，改變沼渣的性質，使沼渣中的結合水盡可能地轉化為自由水，從而有助于提高后續(xù)高壓隔膜板框壓濾機的脫水效果，最終保證脫完水后得到含水率65%左右的脫水沼渣。需要指出的是，調理沼渣僅僅是通過改變沼渣顆粒的結構或者沉降性加快脫水速率，卻不改變最終脫水程度。

四、沼渣脫水系統(tǒng)工藝參數(shù)及運行

以采用“三氯化鐵與PAM絮凝劑調理+高壓隔膜板框壓濾”沼渣脫水系統(tǒng)的國內某生物質綜合處理廠為例，沼渣脫水系統(tǒng)采用高壓隔膜板框壓濾機對餐廚垃圾、糞污以及動物固廢等有機垃圾厭氧發(fā)酵后的沼渣進行脫水處理。沼渣脫水前將31%三氯化鐵溶液加入調理罐內，加藥量約為沼液量的2.1%，調理罐內置攪拌機對沼渣進行均質攪拌，對沼液進行充分調理；進入高壓隔膜板框壓濾機前，將配置成的0.15%～0.18%的PAM溶液通過管道混合加藥形式與液態(tài)沼渣充分反應絮凝，PAM固體加藥量約為沼液量的0.013%。該系統(tǒng)運行三年來，運行效果穩(wěn)定，脫水后沼渣的含水率在65%左右，排放沼液化學需氧量（COD）約4000mg/L左右（圖2）。

圖2 脫水后的沼渣

根據(jù)2022年度1—11月實際運行數(shù)據(jù)表明，進入?yún)捬跸到y(tǒng)的漿料總固體（TS）濃度一般控制在10%～12%，漿料TS中有機質占比（VS/TS，VS為揮發(fā)性固體）達到90%以上；經(jīng)過厭氧發(fā)酵后，出料沼渣TS約為 2.6%，VS/TS≈48%，總體有機質降解率約為86%（圖3）。由于顆粒中的有機物含量能夠顯著影響沼渣網(wǎng)絡強度和結合水含量，因此需要厭氧發(fā)酵將VS/TS降得盡可能低，對沼渣脫水性能的提高才會更有幫助。隨著厭氧發(fā)酵過程使得VS不斷被溶解或去除，導致結合水得到釋放，沼渣變得更為松散，流動性能加強，引起脫水能力的提升。

圖3 某生物質綜合處理廠厭氧發(fā)酵進出含固率變化及脫水關系圖

五、結論

通過以上研究表明：一是采用三氯化鐵無機鹽調理與高分子絮凝劑聚合電解質調理能夠改善沼渣的脫水性能；二是采用高壓隔膜板框壓濾機對適當調理后的沼渣進行脫水在工藝技術上是可行的；三是進行適當調理后采用高壓隔膜板框壓濾機進行沼渣脫水可以一次性將脫水后沼渣的含水率控制在65%左右，減量效果明顯。

隨著餐廚垃圾等有機垃圾處理技術不斷地更新及完善，尤其在碳達峰碳中和的大背景下，對于餐廚垃圾減量化、資源化的要求越來越高，采用三氯化鐵與高分子絮凝劑改善沼渣脫水性能，采用高壓隔膜板框壓濾機進行脫水，有效降低了沼渣的含水率，或將成為未來餐廚垃圾等有機垃圾厭氧發(fā)酵后沼渣脫水的主流技術。

（責任編輯：張秋辰）