餐廚垃圾消化沼液處理工程案例分析

俞沈晶

（寧波中瑞環(huán)?？萍加邢薰?，浙江 寧波 315200）

隨著人民生活水平的提高，餐廚垃圾的排放量日益增大，餐廚垃圾的污染問(wèn)題日漸突出。目前，餐廚垃圾處理主要采用厭氧消化技術(shù)，隨之帶來(lái)厭氧消化沼液的處理問(wèn)題[1-2]。餐廚垃圾厭氧消化沼液的特點(diǎn)：(1)污染物成分復(fù)雜多變；(2)有機(jī)污染物濃度高，COD 濃度可達(dá)10000～20000 mg/L 左右；(3)氨氮濃度高，一般在2000～3000 mg/L 左右；(4)重金屬離子與鹽分含量高，鹽分高達(dá)0.5%～1%；(5)油脂含量高，一般動(dòng)植物油脂含量在500～1000 mg/L 之間[3-4]。由于消化沼液的濃度高且成分復(fù)雜，所選處理工藝必須具備能同時(shí)有效去除高COD、高氨氮和高油脂的能力。

浙江慈溪某有機(jī)固廢處理有限公司首先對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)三相分離去除其中的油脂及渣，剩余的水相經(jīng)濕式中溫CSTR 厭氧發(fā)酵工藝得到沼液，采用“曝氣-氣浮-兩級(jí)硝化反硝化-MBR 膜過(guò)濾-除磷沉淀”工藝處理沼液。隨著餐廚垃圾處理規(guī)模擴(kuò)大，厭氧發(fā)酵后的沼液量也急劇增加，該公司原沼液廢水處理規(guī)模（200 m3/d）已無(wú)法滿足要求，故對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)建，擴(kuò)建后沼液廢水處理規(guī)模為150 t/d。

1 工程概況

1.1 進(jìn)出水水質(zhì)

沼液廢水處理系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)見表1 。處理后出水水質(zhì)達(dá)到《綜合污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)及《工業(yè)企業(yè)廢水氮、磷污染物間接排放限值》（DB 33/887—2013）相關(guān)氨氮、總磷水質(zhì)指標(biāo)后排放。

表1 進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Quality indicators of influent and effluent

泥渣處理指標(biāo)：污泥等固體廢物脫水至含水80%以下，委托有資質(zhì)的第三方公司處理。

1.2 工藝流程

沼液處理工藝流程見圖1。沼液首先進(jìn)入曝氣調(diào)節(jié)池，均衡水質(zhì)水量，池內(nèi)設(shè)曝氣攪拌系統(tǒng)，防止出現(xiàn)沉淀。調(diào)節(jié)池出水經(jīng)泵提升依次經(jīng)過(guò)一級(jí)和二級(jí)氣浮系統(tǒng)，投加聚合氯化鋁（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）藥劑形成絮凝體，以去除沼液中的大多數(shù)懸浮物和油脂，避免對(duì)后續(xù)生化池和膜系統(tǒng)造成不利影響。氣浮出水進(jìn)入二級(jí)硝化反硝化（兩級(jí)A/O）反應(yīng)系統(tǒng)，在一級(jí)反硝化和二級(jí)反硝化池中，大分子有機(jī)物分解為小分子易降解有機(jī)物，隨后在硝化池中通過(guò)高活性的好氧微生物作用，降解大部分有機(jī)物。氨氮一部分在硝化池中通過(guò)生物合成去除，大部分則在馴化產(chǎn)生的高效硝化菌的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛猁}和亞硝酸鹽，并回流到反硝化池，在缺氧環(huán)境中被微生物還原成氮?dú)夂笈懦?，達(dá)到生物脫氮的目的。生化處理后的泥水混合物進(jìn)入超濾系統(tǒng)，利用膜的截留過(guò)濾作用將泥、水完全分離，過(guò)濾后的清液去MBR 產(chǎn)水池，截留的高濃度泥水混合物回流至生化系統(tǒng)，提高生化系統(tǒng)的污泥濃度，增加生化處理效果。根據(jù)膜出水水質(zhì)情況，通過(guò)添加PAC 及PAM進(jìn)行沉淀除磷，出水滿足要求后達(dá)標(biāo)排放。

圖1 沼液處理工藝流程Fig.1 Technological process of wastewater treatment

污泥脫水系統(tǒng)包括污泥濃縮池和離心脫水機(jī)，氣浮產(chǎn)生的浮渣、除磷沉渣、生化及MBR 處理系統(tǒng)產(chǎn)生的污泥排入污泥濃縮池，濃縮后的污泥通過(guò)污泥進(jìn)料泵打入疊螺機(jī)進(jìn)行脫水處理，污泥濃縮池產(chǎn)生的上清液和疊螺機(jī)產(chǎn)生的壓濾液一起排入調(diào)節(jié)池中，回到系統(tǒng)重新進(jìn)行處理，壓濾后的泥餅外運(yùn)委托第三方有資質(zhì)單位進(jìn)行焚燒處置。

1.3 工程主要構(gòu)筑物及設(shè)計(jì)參數(shù)

主要構(gòu)筑物及其設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，主要設(shè)備及參數(shù)見表3。

表2 主要構(gòu)筑物及其設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Main structures and its design parameters for the project

表3 主要設(shè)備及參數(shù)Tab.3 main equipment and parameters

2 工程調(diào)試及運(yùn)行

2.1 污泥接種培養(yǎng)

該工程于2022年4月初開始調(diào)試，主要集中在二級(jí)A/O 池，污泥接種于一期硝化池內(nèi)污泥含量為8 g/L 的生化廢水，累計(jì)投加生化廢水900 m3，使得曝氣池污泥濃度理論值達(dá)到4 g/L 左右，設(shè)計(jì)污泥負(fù)荷為0.13 kg BOD5/（kg MLSS·d)左右。馴化階段，開啟氣浮，補(bǔ)充進(jìn)水從10 m3逐步增加到150 m3，并向生化池中加適當(dāng)?shù)奶荚催M(jìn)行悶爆，每天排走剩余污泥。經(jīng)過(guò)一個(gè)月達(dá)到滿負(fù)荷，通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察到大量的輪蟲、纖毛蟲、鐘蟲等微生物，說(shuō)明活性污泥絮體已經(jīng)形成，有較好活性。另外污泥濃度維持在7～8 g·L-1，COD 去除率維持在80%～90%左右，NH3-N 去除率維持在90%以上，TP 去除率維持在70%～80%左右，說(shuō)明污泥馴化已經(jīng)成熟，可以進(jìn)行試運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)試運(yùn)行

沼液首先排入曝氣調(diào)節(jié)池進(jìn)行曝氣預(yù)處理，用于均衡水質(zhì)水量且改變其厭氧性狀，便于氣浮加藥泥渣更有效地分離，由于沼液未經(jīng)過(guò)脫水預(yù)處理直接排入調(diào)節(jié)池，SS 相對(duì)較高，故設(shè)置了兩級(jí)氣浮，可以去除70%左右的SS、75%左右的COD。保證進(jìn)入反硝化池的氣浮出水COD≤6000 mg/L、SS≤5000 mg/L，是確保后續(xù)生化反應(yīng)有效進(jìn)行的關(guān)鍵。氣浮出水溢流依次經(jīng)過(guò)一級(jí)反硝化、一級(jí)硝化、二級(jí)反硝化及二級(jí)硝化，反硝化池內(nèi)設(shè)置潛水?dāng)嚢铏C(jī)，硝化池內(nèi)采用專用設(shè)備射流鼓風(fēng)曝氣。通過(guò)高活性的好氧微生物作用，污水中的大部分有機(jī)污染物在硝化池內(nèi)得到降解，同時(shí)氨氮在硝化微生物作用下氧化為硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮。硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮回流至反硝化池，在缺氧環(huán)境中還原成氮?dú)馀懦?，達(dá)到生物脫氮的目的。微生物菌體通過(guò)高效超濾系統(tǒng)從出水中分離，確保懸浮物和大分子有機(jī)物完全截留在系統(tǒng)內(nèi)，超濾膜采用浸沒(méi)式PVDF 材質(zhì)簾式膜，超濾設(shè)計(jì)膜通量為8 L/(m2·h)。兩級(jí)A/O 生化系統(tǒng)各工藝段的水力停留時(shí)間為：一級(jí)反硝化池48 h，一級(jí)硝化池120 h，二級(jí)反硝化池48 h，二級(jí)硝化池72 h。污泥回流分別設(shè)二級(jí)硝化池至一級(jí)反硝化池的混合液回流系統(tǒng)和超濾膜池至一級(jí)反硝化池的污泥回流系統(tǒng)，回流比分別為400%和300%。超濾膜的膜絲每10～15 d 進(jìn)行一次在線清洗，每2～3 個(gè)月采用次氯酸鈉和檸檬酸依次對(duì)3組膜中的1 組交替進(jìn)行一次離線化學(xué)清洗，離線清洗時(shí)，另外兩組正常運(yùn)行。

超濾膜出水通過(guò)添加PAC 進(jìn)行除磷沉淀，并根據(jù)實(shí)際情況補(bǔ)充添加PAM 提高其沉淀速率，上清液納管達(dá)標(biāo)排放。

2.3 結(jié)果與討論

2.3.1 工藝處理效果分析

膜出水中BOD5、SS、pH 均達(dá)標(biāo)，故主要分析探討各階段COD、氨氮和TP 的變化情況。由于生化菌種主要取自現(xiàn)有一期的生化廢水，性狀較好，大大縮短了培育時(shí)間，但保險(xiǎn)起見進(jìn)水量按梯度從小到大逐步增加，各指標(biāo)見圖2～圖4 中的前30 d 數(shù)據(jù)，COD、氨氮和TP 的去除率在調(diào)試期間和運(yùn)行期間變化幅度不大。在為期200 天的試運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，廢水總停留時(shí)間為17.49 d，COD 由15000 mg/L 左右降至500 mg/L 以下，去除率達(dá)97%，氨氮由2500 mg/L 左右降至35 mg/L 以下，去除率達(dá)98%，TP 由200 mg/L 左右降至8 mg/L以下，去除率達(dá)96%。其中，二級(jí)氣浮平均去除進(jìn)水中56.53%的COD，33.2%的氨氮，72.5%的TP；MBR 系統(tǒng)平均去除39.19%的COD，65.17%的氨氮，21.09%的TP。通過(guò)這些數(shù)據(jù)可知，二級(jí)硝化反硝化對(duì)去除氨氮有效，而通過(guò)生化前的預(yù)處理降低COD、TP 以及SS 對(duì)后續(xù)的硝化反硝化反應(yīng)也非常必要。整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期中，可明顯看出第90～150 天期間，進(jìn)水濃度相對(duì)偏高，而后續(xù)的物化及生化效果有所降低，這是因?yàn)樵撈陂g正好為7～9月份，是一年中最熱的季節(jié)，進(jìn)水來(lái)源（厭氧沼液）各有機(jī)物濃度提高，生化系統(tǒng)中水溫也偏高，冷卻系統(tǒng)無(wú)法有效降低水溫，生化池內(nèi)水溫達(dá)到將近40 ℃。原先為了降成本，換熱管路進(jìn)水取自生化回流泵，且出水進(jìn)入一級(jí)反硝化池，后單獨(dú)設(shè)置冷卻進(jìn)出水管路，出水進(jìn)入一級(jí)硝化池，且將冷卻塔內(nèi)水池與消防池聯(lián)通，以降低冷卻水的水溫。另外由于風(fēng)機(jī)放置在池頂，曝氣氣體溫度很高，也是導(dǎo)致生化池溫度高的原因之一，將其放置在池下室內(nèi)后溫度有所降低。

圖2 各階段COD 去除情況Fig.2 COD removal at each stage

圖3 各階段氨氮去除情況Fig.3 NH3-N removal at each stage

圖4 各階段總磷去除情況Fig.4 TP removal at each stage

另外，生化池水溫超過(guò)36 ℃期間，曝氣池泡沫極多，后通過(guò)及時(shí)排泥、增加噴淋裝置及投加消泡劑有所緩解。待到進(jìn)入10月份，即第150 天后，炎熱季節(jié)過(guò)去，氣溫降低，生化系統(tǒng)又逐漸恢復(fù)正常。

2.3.2 投資及運(yùn)行成本分析

（1）工程投資

整個(gè)廢水處理工程總投資635 萬(wàn)元，建筑工程費(fèi)用為220 萬(wàn)元，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)為270 萬(wàn)元，安裝工程費(fèi)為110 萬(wàn)元，其他工程費(fèi)用（含設(shè)計(jì)費(fèi)、調(diào)試費(fèi)等)為35 萬(wàn)元。

（2）運(yùn)行費(fèi)用

廢水處理站的直接運(yùn)行費(fèi)用主要由電費(fèi)、人工費(fèi)、藥劑費(fèi)和維修費(fèi)用等構(gòu)成。污水處理操作人員3 人，每人年工資及福利6 萬(wàn)元；年運(yùn)行試劑費(fèi)（膜清洗藥劑次氯酸鈉、PAC、PAM、片堿、純堿）53.37 萬(wàn)元；工程設(shè)備平均運(yùn)行功率110 kW，電費(fèi)0.8 元/kWh，則年電費(fèi)為71.81 萬(wàn)元（扣除節(jié)假日，一年按340 天算）；年設(shè)備維修費(fèi)為3 萬(wàn)元；MBR 膜簾每3年更換一次，損耗費(fèi)為每年5.4萬(wàn)元；自來(lái)水費(fèi)為每年0.5 萬(wàn)元。年總運(yùn)行費(fèi)用為152.08 萬(wàn)元，噸水處理費(fèi)用為29.82 元。工程實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用見表4。

表4 工程實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用Tab.4 Actual operating costs 單位：萬(wàn)元

2.3.3 工程特點(diǎn)及存在的問(wèn)題

（1）工程特點(diǎn)：①土建池體均為地上鋼砼結(jié)構(gòu)，建設(shè)周期大大縮短。②氣浮、風(fēng)機(jī)、冷卻塔、疊螺機(jī)等均安置在池頂，大大節(jié)約了工程用地。③處理能力強(qiáng)，負(fù)荷高，污泥濃度高，污泥齡長(zhǎng)，膜生物反應(yīng)器具有的高污泥濃度使其具有很強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。MBR 反應(yīng)器中膜絲中采用的中空纖維膜，過(guò)濾精度為0.02 μm，可以完全去除水中的懸浮污泥等。④膜生物反應(yīng)器沒(méi)有污泥膨脹和污泥流失的問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)控制，操作管理更簡(jiǎn)便。

（2）存在問(wèn)題及措施：①由于餐廚沼液廢水鹽分較高，管道及水泵葉輪很容易結(jié)晶結(jié)垢，造成系統(tǒng)的堵塞。目前采用備用部件進(jìn)行交替更換清洗。②夏季生化池水溫偏高（≥38 ℃），使得硝化反應(yīng)效果偏差，故冷卻系統(tǒng)采用消防池水進(jìn)行大循環(huán)換熱降溫。③膜絲容易堵塞結(jié)垢，膜污染現(xiàn)象嚴(yán)重，尤其是在夏季，主要是水中動(dòng)植物纖維絲較多且鹽分高，因此在膜池進(jìn)水管路端口加裝了過(guò)濾網(wǎng)兜，柵隙1 mm，有效減少了纖維絲進(jìn)入MBR 系統(tǒng)，減少膜堵塞，另外及時(shí)排出剩余污泥，防止膜池污泥堵塞膜簾，對(duì)于鹽分的結(jié)垢堵塞通過(guò)加大藥劑的在線清洗頻次進(jìn)行減緩。

3 結(jié)論

采用二級(jí)氣浮+二級(jí)A/O+超濾+除磷沉淀工藝處理餐廚垃圾厭氧消化沼液，COD 去除率達(dá)97%，氨氮去除率達(dá)98%，TP 去除率達(dá)96%，其中二級(jí)氣浮工藝對(duì)COD 和TP 去除效率高、二級(jí)A/O 對(duì)氨氮去除效率高，而超濾膜對(duì)SS 去除效果好，避免了傳統(tǒng)二沉池沉降不干凈、占地大、效果差的弊端，且超濾膜可以強(qiáng)化COD 去除效果，并完全截留懸浮物，可以更好地提升生化污泥濃度，提高處理效率，最后的除磷沉淀可以保障出水達(dá)標(biāo)。但對(duì)于處理餐廚沼液廢水，水中鹽分高導(dǎo)致的設(shè)備結(jié)垢、管路結(jié)垢仍舊是十分棘手的問(wèn)題，膜的堵塞污染仍待找到更好的方式解決，另外，本工程中對(duì)出水總氮未作要求，后續(xù)還需考慮該指標(biāo)的有效去除。