城市有機(jī)廢棄物厭氧消化處理的節(jié)水減排分析

摘要：厭氧消化處理工藝因其經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)成為城市有機(jī)廢棄物無害化和資源化處理的優(yōu)勢技術(shù)，被廣泛應(yīng)用。厭氧消化處理工藝產(chǎn)生的二次廢棄物處理是影響運(yùn)行成本的主要因素之一，減少二次廢水的產(chǎn)生和排放可進(jìn)一步降低厭氧消化處理工藝的運(yùn)行成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。以廣州市某生物質(zhì)綜合處理廠為例，探討城市有機(jī)廢棄物厭氧消化處理過程的節(jié)水減排措施，從而合理控制產(chǎn)水率。

關(guān)鍵詞：城市有機(jī)廢棄物；厭氧消化；節(jié)水減排；餐廚垃圾

中圖分類號：X799.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）06-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.06.064

Analysis of Water Conservation and Emission Reduction in Anaerobic Digestion Treatment of Urban Organic Waste

YUE Feng

（Guangzhou Langkun Environment Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510555， China）

Abstract： The anaerobic digestion treatment process has become an advantageous technology for the harmless and resourceful treatment of urban organic waste due to its economic and efficient characteristics， and is widely used. The treatment of secondary waste generated by anaerobic digestion process is one of the main influencing factors on its operating cost， and reducing the generation and discharge of secondary wastewater can further reduce the operating cost of anaerobic digestion process and improve economic benefits. Taking a biomass comprehensive treatment plant in Guangzhou city as an example， the water-saving and emission reduction measures are explored for anaerobic digestion treatment of urban organic waste， in order to reasonably control the water production rate.

Keywords： urban organic waste; anaerobic digestion; water conservation and emission reduction; kitchen waste

隨著我國城市化的快速推進(jìn)和生活垃圾分類的持續(xù)開展，以餐廚垃圾為代表的城市有機(jī)廢棄物清運(yùn)量逐年增加，城市有機(jī)廢棄物減量化、無害化與資源化處理需求日益增長。城市有機(jī)廢棄物具有有機(jī)質(zhì)含量高、易生化的特點(diǎn)，厭氧消化處理工藝可將廢棄物中可生物降解的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能源沼氣并進(jìn)一步資源化利用，實(shí)現(xiàn)碳減排，助力碳達(dá)峰碳中和。厭氧消化處理工藝因其產(chǎn)能規(guī)模大、資源化利用程度高、經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)成為城市有機(jī)廢棄物無害化和資源化處理的優(yōu)勢技術(shù)[1]，被廣泛應(yīng)用。厭氧消化處理工藝產(chǎn)生的固體、液體等二次廢棄物需要進(jìn)一步處理處置，篩余物、沼渣等固體廢物可以委托進(jìn)行焚燒處置，相對簡單，而沼液廢水產(chǎn)生量大，處理難度較大，穩(wěn)定達(dá)標(biāo)成為廢水厭氧消化處理項(xiàng)目穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵任務(wù)，廢水處理成本成為項(xiàng)目運(yùn)營的主要成本構(gòu)成之一。優(yōu)化運(yùn)行工藝管理，降低和控制厭氧處理工藝的廢水產(chǎn)生量，具有較高的研究價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

1 項(xiàng)目概況

某生物質(zhì)綜合處理廠位于廣州市黃埔區(qū)生活垃圾終端處理園區(qū)，項(xiàng)目采用建設(shè)-經(jīng)營-轉(zhuǎn)讓（Build-Operate-Transfer，BOT）模式建設(shè)運(yùn)營，采用“分類預(yù)處理+聯(lián)合厭氧消化+資源化利用”的組合工藝。設(shè)計(jì)餐飲垃圾處理量為400 t/d，廚余垃圾處理量為600 t/d，糞污處理量為1 000 t/d，動物固廢處理量為40 t/d，合計(jì)處理規(guī)模為2 040 t/d。項(xiàng)目于2019年7月投產(chǎn)試運(yùn)行，至今連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行逾4年。截至2023年12月底，累計(jì)處理各類城市有機(jī)廢棄物280萬t，包括餐廚垃圾192萬t、城市糞污85萬t、動物固廢3萬t。2023年，項(xiàng)目日均處理量達(dá)到2 040 t/d，實(shí)現(xiàn)滿產(chǎn)運(yùn)行。

項(xiàng)目采用厭氧消化處理工藝對餐廚垃圾、糞污等廢棄物經(jīng)預(yù)處理后產(chǎn)生的漿料進(jìn)行處理和資源化綜合利用，生產(chǎn)沼氣、電力、生物柴油等資源化產(chǎn)品進(jìn)行自用和銷售。厭氧消化系統(tǒng)排出的沼液進(jìn)行壓濾脫水處理，濾液即為高濃度污水，直接排入園區(qū)配套污水處理廠高濃度污水處理系統(tǒng)，處理達(dá)標(biāo)后供園區(qū)回用。根據(jù)BOT協(xié)議，項(xiàng)目高濃廢污水免費(fèi)排水量上限為1 644 t/d，對應(yīng)的垃圾處理量為2 040 t/d，則單噸垃圾產(chǎn)水率需要控制在0.81以內(nèi)，排水量超出的部分需要付費(fèi)處理，單噸高濃度污水處理成本高達(dá)95元/t。因此，做好產(chǎn)水比的控制對項(xiàng)目穩(wěn)定達(dá)產(chǎn)運(yùn)行至關(guān)重要，一是保障廢水排放量在污水處理廠設(shè)計(jì)處理能力之內(nèi)，二是盡量避免廢水出現(xiàn)超量排放而需要支付額外處理成本的情況，保障運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)效益。項(xiàng)目在實(shí)際運(yùn)行中積極進(jìn)行節(jié)水減排試驗(yàn)，得到可供參考的實(shí)用經(jīng)驗(yàn)。

2 節(jié)水減排措施設(shè)計(jì)

從物料接收、預(yù)處理至厭氧沼渣脫水的物料平衡和水平衡分析，高濃度污水來源主要分為物料含水及工藝用水。厭氧消化處理前的水分主要來源于物料含水、各類沖洗廢水、加熱蒸汽和漿料調(diào)配用水，厭氧消化處理后的水分主要來源于沼渣壓濾投加的絮凝劑以及隔膜壓濾設(shè)備用水等?？刂飘a(chǎn)水比的途徑主要有兩種：一是做好源頭控制，即做好進(jìn)場垃圾質(zhì)量管控，確保垃圾含水率在正常水平，杜絕惡意加水等行為；二是從生產(chǎn)運(yùn)行管理方面實(shí)現(xiàn)節(jié)水減排，主要為優(yōu)化工藝參數(shù)、改進(jìn)設(shè)備，尋找用水替代方案，減少廠外自來水或中水的使用、增加廢水的回用等，從而實(shí)現(xiàn)用水和排水的減量。下面結(jié)合節(jié)水減排工作思路，提出節(jié)水減排措施。

2.1 進(jìn)場垃圾含水率管控

根據(jù)項(xiàng)目數(shù)據(jù)，廣州市餐廚垃圾含水率一般在75%～80%，糞污含水率多在94%～98%，以上垃圾含水率高，管控尤為重要。運(yùn)營發(fā)現(xiàn)，為了提高收運(yùn)收入，個別收運(yùn)單位對餐廚垃圾加水充量，收運(yùn)非糞污物料（工業(yè)廢水）充當(dāng)糞污，造成垃圾物料含水率偏高，對項(xiàng)目產(chǎn)水比的控制造成壓力。為了管控進(jìn)場垃圾含水率，餐廚車間、糞污車間在垃圾收運(yùn)車輛卸料時(shí)對垃圾質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)，根據(jù)正常的餐廚垃圾與糞污的形態(tài)、質(zhì)量、含水率等參數(shù)，采用人工觀察和檢測分析雙重手段，對垃圾質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，對可疑物料進(jìn)行拍照取證和取樣檢測，對確定存在加水充量、冒充糞污的物料直接拒絕接收，并將收運(yùn)車輛和收運(yùn)人員信息及其違規(guī)情況反饋至有關(guān)主管部門實(shí)施懲處，如停用收運(yùn)車輛集成電路卡、禁止入園，從而有效杜絕違規(guī)行為的出現(xiàn)。

2.2 餐廚漿料含水率控制

項(xiàng)目餐廚垃圾經(jīng)過分選、破碎、除雜和制漿等預(yù)處理后形成餐廚漿料，漿料總固體（Total Solid，TS）濃度是其中的關(guān)鍵工藝控制參數(shù)。餐廚垃圾TS含量保持在20%～25%，經(jīng)分選除雜后仍有較高的TS含量，而制漿機(jī)出料經(jīng)管道輸送至后續(xù)除砂、加熱和離心提油工段，最后經(jīng)管道輸送至厭氧消化系統(tǒng)。因此，為滿足工藝過程的管道輸送要求，利用制漿機(jī)對漿料加水調(diào)配。若TS濃度控制偏低，則意味著調(diào)漿用水量大，相應(yīng)增加末端高濃度污水排放量，并增加漿料加熱提油的蒸汽成本，漿料含水率高還會降低提油效率，影響經(jīng)濟(jì)效益。綜合考慮，在滿足管道輸送要求的情況下，盡量控制餐廚漿料TS在較高的濃度，基本控制漿料TS濃度在12%～14%，減少漿料含水量。項(xiàng)目每個班次均對各產(chǎn)線制漿機(jī)出口的漿料、提油后的漿料進(jìn)行取樣，檢測TS濃度，以便做好多個環(huán)節(jié)的加水調(diào)漿，避免加水過多。

2.3 采用蒸汽間接加熱，減少蒸汽水帶入

為保證厭氧處理系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，提高經(jīng)濟(jì)效益，項(xiàng)目餐廚漿料需要加熱至75～80 ℃進(jìn)行離心提油，受限于建設(shè)場地，漿料采用蒸汽直接加熱，造成蒸汽水帶入漿料中并最終成為高濃度污水。為降低漿料的蒸汽帶水量和節(jié)約用能，采用列管換熱器間接加熱的方式對漿料進(jìn)行預(yù)加熱，熱媒采用2臺功率3 MW+4臺功率1 MW的沼氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的缸套冷卻水，水溫約為90 ℃，將漿料溫度由40 ℃升溫至約60 ℃，從而減少漿料加熱耗用的蒸汽量，避免蒸汽水的帶入，節(jié)能減排，通過增加換熱器預(yù)加熱可實(shí)現(xiàn)蒸汽水帶入減量30%。未來，如條件允許，將直接加熱改為間接加熱，則可解決蒸汽水的帶入問題。項(xiàng)目還建有廢棄食用油脂預(yù)處理車間、生物柴油制備車間和動物固廢無害化處理車間，廢棄食用油脂預(yù)處理、生物柴油制備和動物固廢高溫滅菌脫水涉及的蒸汽加熱過程全部采用間接加熱形式，杜絕蒸汽水的帶入，可減少蒸汽帶入水約70 t/d；生物柴油蒸汽冷凝水進(jìn)行再生回用，節(jié)約鍋爐用水；動物固廢及地溝油車間的蒸汽冷凝水收集后作為餐廚車間提油三相離心機(jī)的清洗用水，節(jié)約清洗用水。

2.4 采用高壓水槍進(jìn)行車輛、地面衛(wèi)生沖洗

項(xiàng)目各車間卸料大廳負(fù)責(zé)各類垃圾的接收卸料，卸料完成后需要對收運(yùn)車輛進(jìn)行外表面沖洗，對卸料大廳地面及時(shí)進(jìn)行衛(wèi)生沖洗，其他作業(yè)區(qū)域亦是如此，以免物料堆積造成臭氣散發(fā)、蠅蟲滋生、設(shè)備及管線腐蝕等，從而保持良好的作業(yè)環(huán)境。傳統(tǒng)的衛(wèi)生沖洗采用軟水管，因水管壓力低、沖洗力度不足，沖洗時(shí)間長，用水量大，造成大量清洗廢水進(jìn)入漿料，最終成為高濃度污水，增加產(chǎn)水比。廠內(nèi)各車間配置多臺高壓水槍，其操作簡便，機(jī)動性強(qiáng)，沖洗壓力高，用于車輛、地面和設(shè)備外表面的衛(wèi)生沖洗，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)水80%以上，從而直接減少清洗廢水的產(chǎn)生。

2.5 高濃度污水直接回用至生產(chǎn)，減少新鮮水的使用

項(xiàng)目厭氧消化系統(tǒng)采用“水解酸化+全混式中溫厭氧”工藝，設(shè)有4座水解酸化罐、7座厭氧罐，日常運(yùn)行管理對進(jìn)厭氧罐的漿料質(zhì)量嚴(yán)格監(jiān)測，做好厭氧系統(tǒng)的溫度、pH、TS的監(jiān)測和調(diào)控，做好水解和厭氧消化系統(tǒng)的攪拌、除砂工作，從而保障厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，有機(jī)質(zhì)充分發(fā)酵產(chǎn)氣。厭氧消化排出的沼液經(jīng)調(diào)理和絮凝后進(jìn)入高壓隔膜壓濾系統(tǒng)進(jìn)行脫水，濾液即為高濃度污水，厭氧消化系統(tǒng)的高效處理使得項(xiàng)目高濃度污水的水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)較優(yōu)，為高濃度污水的廠內(nèi)回用創(chuàng)造有利條件。經(jīng)過研究和實(shí)踐，項(xiàng)目將廠內(nèi)的高濃度污水直接回用于生產(chǎn)過程，替代來自廠外的自來水和中水，從根本上減少新鮮水的帶入，減少廢水的產(chǎn)生和排放，廢水減量成效突出，用水成本降低。高濃度污水回用方式主要有3種。

2.5.1 回用至預(yù)處理車間調(diào)制漿料

餐廚垃圾、糞污預(yù)處理車間漿料濃度偏高時(shí)，要額外加水調(diào)漿，直至能夠采用管道輸送。研究發(fā)現(xiàn)，餐廚垃圾與市政污泥聯(lián)合厭氧消化可彌補(bǔ)兩種物質(zhì)單獨(dú)厭氧消化的不足，提高厭氧設(shè)施利用率、有機(jī)質(zhì)去除率和厭氧消化的產(chǎn)氣效率[2-3]。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，項(xiàng)目厭氧消化系統(tǒng)協(xié)同處置含水率80%的市政污水處理廠脫水污泥，可以提升厭氧消化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及處理效率，脫水污泥日均處置量在20～40 t/d，日處理最高峰可達(dá)100 t/d。脫水污泥需要先在糞污車間污泥調(diào)節(jié)池內(nèi)加入至少5倍體積的水稀釋，調(diào)配成可以管道輸送的漿料，再送入?yún)捬跸到y(tǒng)。為了減少高濃度污水量，項(xiàng)目設(shè)置將高濃度污水回用至餐廚車間、糞污車間調(diào)配漿料的管線，餐廚垃圾、糞污和污泥調(diào)漿不使用中水或自來水，而是直接采用沼渣脫水車間產(chǎn)生的高濃度污水，其水質(zhì)水量均能滿足調(diào)漿需求，且回用車間設(shè)備、管道均選用耐腐蝕的不銹鋼或者硬聚氯乙烯等材質(zhì)，在硬件上適用于高濃度污水的回用。高濃度污水回用至車間調(diào)漿，可直接避免自來水或中水的使用，減少廢水產(chǎn)生量，節(jié)水減排效益顯著。2023年7—12月，項(xiàng)目高濃度污水回用至車間調(diào)漿的用量如表1所示，日均回用量達(dá)到159 t/d。

2.5.2 回用至沼渣脫水系統(tǒng)作為壓榨水箱補(bǔ)水

項(xiàng)目采用高壓隔膜板框壓濾機(jī)對調(diào)理絮凝后的沼液進(jìn)行脫水，其中高壓隔膜板框壓濾機(jī)二次壓榨采用水為介質(zhì)，濾室充滿濾餅后，自動關(guān)閉進(jìn)料閥，向壓榨室內(nèi)通入壓榨水（壓力最高達(dá)到2.5 MPa），從而實(shí)現(xiàn)濾餅的二次壓榨，進(jìn)一步減少沼渣水分。實(shí)際運(yùn)營發(fā)現(xiàn)，濾板使用一段時(shí)間后會出現(xiàn)破損，造成壓榨水進(jìn)入濾室并以濾液形式排出，成為高濃度污水，使得壓榨水需要及時(shí)補(bǔ)充（采用廠外自來水或中水），而壓榨水補(bǔ)充量即為增加的高濃度污水量。項(xiàng)目配備5臺壓濾機(jī)，每臺壓濾機(jī)配置110～120塊濾板，濾板數(shù)量大，破損不易發(fā)現(xiàn)，更換成本高（單塊濾板采購成本0.5萬元），檢查更換時(shí)間長，停機(jī)檢修頻繁則影響產(chǎn)能，故實(shí)際不具備經(jīng)常檢修的條件，造成每日壓榨補(bǔ)水少則十幾噸多則上百噸，相應(yīng)增加高濃度污水量。為此，項(xiàng)目于2022年8月進(jìn)行技術(shù)改造，壓榨補(bǔ)水改為直接使用高濃度污水，取消自來水或中水的使用，從而解決濾板破損造成的高濃度污水增量問題。

2.5.3 回用至糞污車間作為粗格柵和細(xì)格柵的沖洗用水

項(xiàng)目糞污預(yù)處理車間對糞污先后采用粗格柵、細(xì)格柵進(jìn)行過濾除雜，格柵上的雜物采用定時(shí)噴淋沖洗去除，使用中水作為噴淋水源。項(xiàng)目評估后，將高濃度污水增加一級過濾，去除殘留的總懸浮固體，然后用于糞污車間的粗格柵、細(xì)格柵噴淋沖洗，替代中水，從而減少高濃度廢水約15 t/d。

2.6 沼渣絮凝調(diào)理的節(jié)水措施

厭氧沼液脫水前需要投加調(diào)理劑和絮凝劑，調(diào)理劑和絮凝劑所帶水分直接進(jìn)入沼液中，相應(yīng)增加高濃度污水產(chǎn)生量。項(xiàng)目原采用“30%三氯化鐵溶液+聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）”進(jìn)行沼液的絮凝調(diào)理，每日三氯化鐵溶液使用量約為30 t，其中的水分進(jìn)入沼液造成高濃度污水增量超過20 t/d。

為了減少沼液絮凝調(diào)理環(huán)節(jié)的水分帶入，項(xiàng)目于2023年9—10月采用不同藥劑進(jìn)行沼液絮凝脫水試驗(yàn)并取得成果。目前，項(xiàng)目采用“有機(jī)調(diào)理劑+30%三氯化鐵溶液+PAM”進(jìn)行沼液絮凝調(diào)理，實(shí)現(xiàn)三氯化鐵用量減少70%、至10 t/d以內(nèi)，而有機(jī)調(diào)理劑為液體，每天用量僅為幾百千克，與PAM共同配制，不增加用水量，故改進(jìn)調(diào)理藥劑后減少絮凝調(diào)理過程的水分帶入約14 t/d，降低高濃度污水氯離子濃度，更有利于污水的回用及處理。項(xiàng)目沼液調(diào)理方案變更前為30%三氯化鐵溶液+PAM，變更后為有機(jī)調(diào)理劑+30%三氯化鐵溶液+PAM。沼液調(diào)理方案變更前后，三氯化鐵用量數(shù)據(jù)對比如表2、表3所示。

3 節(jié)水減排效果

通過在生產(chǎn)運(yùn)營中落實(shí)精細(xì)的節(jié)水減排措施，項(xiàng)目在用水減量、排水減量方面取得實(shí)效。運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，2021—2023年，項(xiàng)目合計(jì)處理各類垃圾2 075 039 t，排入污水處理廠的高濃度污水總量為1 669 333 t，單噸垃圾平均產(chǎn)水比為0.804 5，有效控制在0.81以內(nèi)。

4 結(jié)論

項(xiàng)目采用厭氧消化處理工藝處理城市有機(jī)廢棄物，通過投產(chǎn)以來的生產(chǎn)實(shí)踐，摸索出若干切實(shí)可行的節(jié)水減排措施，有效控制垃圾處理的產(chǎn)水比，減少外部水的使用和廢水排放量，避免廢水額外付費(fèi)處理，并降低項(xiàng)目用水與用能成本，具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的雙重效益，具備參考價(jià)值。企業(yè)要結(jié)合工藝設(shè)備條件及運(yùn)行管理現(xiàn)狀，制定節(jié)水減排目標(biāo)及方案，以工藝改進(jìn)、設(shè)備提升、用水替代和廢水回用增加為主要切入點(diǎn)，進(jìn)行節(jié)水減排實(shí)踐，提升節(jié)水減排效果。

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作者簡介：岳鳳（1990—），女，山東東平人，碩士，工程師。研究方向：工業(yè)廢水和廢氣處理、城市有機(jī)廢棄物處理與綜合利用。