混合有机废弃物资源化处理方案设计——以安徽农业大学为例<br/>

混合有机废弃物资源化处理方案设计——以安徽农业大学为例

2014-11-20鲍恩财刘伟伟

黄山学院学报 2014年5期

马欢，鲍恩财，刘伟伟

0 引言

目前，我国城市生活垃圾年产量高达1.5 亿t，其中餐厨垃圾约占一半[1]。同时，我国是世界上农业废弃物产出量最大的国家，每年大约产出40 多亿t[2,3]。大量餐厨和农业废弃物的产生不但造成了严重的资源浪费，更给生态环境及食品安全带来重大隐患。厌氧发酵技术是有机废弃物无害化、资源化处理的良好途径之一。李荣平等[4]研究表明餐厨废弃物具有良好的厌氧消化性能；吴小武等[5]发现大部分农业废弃物的碳氮比约为25:1，通过一定的预处理可不需要另加氮源就可以进行正常的沼气发酵；同时，孟颖[6]、吕琛[7]、李轶[8]、许智[9]等研究也表明餐厨废弃物与果蔬垃圾、畜禽粪污、农作物秸秆等多元混合物进行联合厌氧消化，协同作用较明显。

基于以上的分析，本研究以安徽农业大学为例，通过以厌氧发酵技术为核心的沼气工程等方案设计，将校内各学生食堂产生的餐厨废弃物及农业园温室生产有机废弃物等混合原料转化为清洁可再生能源及高品质有机肥原料，同时建立以沼气工程为纽带的循环农业基本模式，营造生态、环保的校园环境。

1 混合有机废弃物原料特性

1.1 餐厨废弃物原料特性

经前期实地调研，安徽农业大学各学生食堂每天产生餐厨废弃物约2t。经测定，其中含有菜叶19.246%，骨5.050%，肉5.746%，米饭7.666%，汤液62.292%，总固体（TS）含量18-20%。其主要化学成分为淀粉、纤维素类、动植物脂肪类等有机物质，营养成分丰富，易腐败，易生物降解，是良好的厌氧发酵原料。

1.2 农业园有机废弃物特性

安徽农业大学农业园内废弃物主要有为温室生产有机垃圾，包括蔬菜尾菜，少量农作物秸秆、藤蔓等。经实地调研，每天可产生各类有机废弃物约1t，TS 含量15-18%。

2 资源化处理工艺设计

2.1 工艺流程图设计

按照无害化、资源化处理的原则，本处理方案采用以厌氧发酵技术为核心的工艺流程：餐厨废弃物和农业有机废弃物经收集进场后，首先经过筛网、人工分选等去除塑料、方便筷、大骨头、树枝等较大及难降解固形物，再将易生物降解组分进行粉碎浆化，之后送入水解酸化池进行预处理（该过程可适当添加水解酶[10]以促进其水解酸化，水解酸化池中配备机械搅拌设备进行匀浆搅拌），经过5 天[11]左右水解酸化后，再将料液每天分批次定量泵入CSTR 厌氧反应器中进行25-30d 的充分发酵。工程所产沼气经过除水、脱硫工艺进入贮气柜存储，并用于农业园热能中心燃气热水锅炉，热水主要满足沼气工程自身加热、保温，富余部分用于农业园区内温室供热。所产沼液沼渣进入暂存池沉淀存储，沼液回流至水解酸化工艺调节发酵料液浓度，同时起到菌种回流的作用，剩余沼液及沼渣用作农业园种植生产有机肥料。本方案的工艺流程可用图1 表示。

2.2 CSTR 反应器设计

根据餐厨废弃物和农业有机废弃物混合原料的厌氧消化特点，本处理方案的核心工程设计采用CSTR 厌氧反应器，该反应器可以处理高悬浮固体含量的原料，消化器内物料均匀分布，可避免物料分层状态，增加物料和微生物的接触，是厌氧消化领域应用最为广泛的反应器之一。

参考CJJ184-2012《餐厨垃圾处理技术规范》及NY/T1222-2006《规模化畜禽养殖场沼气工程设计规范》，设计发酵料液TS 浓度为8-10%，水力滞留时间（HRT）为25-30d；CSTR 厌氧反应器的总容积参照下式确定：

V=T·Q/0.8

式中，V 为厌氧反应的容积（m3）；Q 为设计日处理量（m3）；T 为设计水力滞留时间（d）；0.8 是有效容积与总容积的比值系数。

本处理方案日处理餐厨废弃物及农业园有机废弃物共3t，按照原料TS 浓度分别为18-20%及15-18%，以及进料TS 浓度8-10%的要求，则每天进料量（Q）约6t；为保证处理工程稳定运行，HRT（T）取30d，则CSTR 反应器的总体积为225m3。

2.3 处理工程主要设计指标

根据高校学生食堂特点，去除寒暑假3 个月时间。本处理工程主要设计指标如下：厌氧工程发酵温度（中温）为30-35℃；池容产气率0.8-1.0L/（L·d）；沼气产量4.8 万m3/年；年处理混合有机废弃物800t；沼液、沼渣有机肥原料年产量400t。

3 产物及应用分析

经过沼气工程厌氧处理，原本污染环境、危害食品安全的混合有机废弃物在产生清洁可再生能源沼气的同时，转变为高效有机肥原料。

3.1 沼气

沼气中甲烷（CH4）含量一般为55%以上，热值约20,000-22,000KJ/m3，是一种优质的清洁燃料。本处理方案中，沼气主要设计用作农业园热能中心热水锅炉使用。按照沼气中CH4含量60%、热值为21,820KJ/m3，相当于0.74kg 标准煤。为维持225m3的CSTR 反应器中温运行，设计每天需100m3的沼气燃烧供热，则每年共需约2.7 万m3，除满足沼气工程自身加热、保温外，每年仍剩余2.1 万m3沼气可用于农业园温室大棚冬季增温保温。目前，农业园内3000m3PC 板智控温室、2000m3玻璃智控温室增温保温主要采用煤炭为燃料，每年需40t。根据以上分析，该处理工程每年剩余沼气折合标准煤约15.5t，可替代近39%的温室采暖用煤，节能减排效益明显。

3.2 沼液、沼渣

图1 工艺流程图

沼液沼渣中含有丰富的氮、磷、钾以及各种微量元素，还含有多种生物活性物质，是一种优质的有机肥原料。利用沼渣沼液作为农作物的基肥和追肥，减少化肥用量，减低生产成本，提高作物产量和品质，实现“低碳种植”和绿色食品的生产。本处理工程设计沼液、沼渣主要用作农业园内温室生产有机肥，按照每亩每年10t 的施用量，则400t 沼液、沼渣可供40 亩土地施用。安徽农业大学农业园占地100多亩，种植土地约80 亩；则本处理工程所产沼液、沼渣有机肥原料可被完全消纳，不会产生二次污染。