象山县餐厨厨余粪便协同处理工程建设方案研究

2019-10-18金文涛安晓霞

环境与发展 2019年8期

关键词：粪便

金文涛安晓霞

摘要：本文详细探究了“餐厨、厨余垃圾预处理+加热提油+湿式厌氧发酵+干式厌氧发酵+粪便处理+沼渣脱水+沼气净化利用”的工艺路线协同处理餐厨、厨余垃圾及粪便的工程建设方案。得出此法可有效解决有机垃圾处理难度大、含水率高、油脂及大量有机质进入填埋场填埋导致的资源浪费等问题，能有效实现有机垃圾减量化、无害化、资源化，具有良好的推广潜能。

关键词：餐厨垃圾;厨余垃圾;粪便;协同处理模式

中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）08-0-04

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.08.062

Research on co-processing model and project construction scheme of food residue，kitchen waste and faeces in Xiangshan County

Jin Wentao，An Xiaoxia

（Hangzhou Environmental Group Co. Ltd.，Hangzhou Zhejiang 310022，China）

Abstract： The article analyzed the technical solutions for the co-processing of food residue， kitchen waste and faeces. The project adopted the process line of “the pretreatment of food residue and kitchen waste + heating extraction of oil + wet anaerobic digestion + dry anaerobic digestion + fecal treatment + biogas slag dehydration + biogas purification”. This method could effectively solve the problems such as the difficulty in the treatment of organic waste， the high oil content and the waste of resources caused by a large amount of organic waste in the landfill site. Besides， this project could successfully realized the reduction， harmless and resource treatment of organic waste， which had the potential to be popularized.

Key words： Food residue;Kitchen waste;Faeces;Co-processing model

2017年3月18日國家发展改革委、住房城乡建设部《生活垃圾分类制度实施方案》要求各级政府加快建立分类投放、分类收集、分类运输、分类处理的垃圾处理系统，到2020年底，在实施生活垃圾强制分类的城市，生活垃圾回收利用率达到35%以上，因此各城市加快加强生活垃圾分类处理设施建设迫在眉睫。

近年来随着社会经济的迅猛发展，餐厨垃圾呈急速上升趋势，象山县环卫处已经开始收集县主城区的大中型餐馆、学校、机关单位食堂的餐厨垃圾，每天收集餐厨垃圾约40t，采用高温发酵制肥的工艺，每天约生产出1t肥料，但是因为受到征地面积的限制，不能再扩大规模，所以不能满足象山县生活垃圾分类处理工作的要求。象山县主城区粪便主要是通过化粪池，进入污水处理系统，由环卫处净化中心进行收集处理，处理规模为80t/d，同样因为受到征地面积的限制，不能再扩大规模，所以也急需再选择一块场地进行扩容建设。厨余垃圾为居民生活中厨房内产生的垃圾，目前象山县的生活垃圾还未彻底进行分类收集，厨余垃圾和其他生活垃圾均采用卫生填埋的方式进行处理。考虑我国固体废弃物处理现状[1] [2][3]，并结合象山县垃圾处理实际，本司对餐厨、厨余、粪便处理等环保产业的资源进行整合以及项目预规划，提出针对性协同处理[4]方案具有重要的现实意义。

1 餐厨、厨余、粪便性质组成分析

1.1 餐厨垃圾理化性质

餐厨垃圾[5]是指除居民日常生活以外产生的有机垃圾和废弃食用油脂。其中，有机垃圾是指食物加工残余和食品加工废料;废弃食用油脂是指不可再食用的动植物油脂和各类油水混合物。通过实验检测，象山县餐厨垃圾理化性质如表1所示。

表1 餐厨垃圾理化性质表

参数容重

kg/L 总固体含量

（干基）% 粘度

mPa.s 含油率

（粗脂肪含量）% 可挥发性有机质含量

（干基）% C/N

含量 0.878 19.34 2.84 9.88 91.65 26.8

1.2 厨余垃圾理化性质

厨余垃圾[6]主要指城乡居民家庭产生的“湿垃圾”，即居民自家产生的食物残余和食品加工废料等，厨余垃圾为生活垃圾的有机部分。通过实验检测，象山县厨余垃圾理化性质如表2所示。

表2 厨余垃圾理化性质表

参数食物残渣% 纸类% 塑料% 织物% 玻璃% 金属% 草木% 其他% 含水率%

含量 73.6 3.3 14.3 3 3 0.15 0.37 2.38 68.94

1.3 粪便理化性质

象山县粪便收集范围为全县县域内环卫公厕、化粪池，通过实验检测，象山县粪便有机物理化性质如表3所示。

表3 粪便物理化性质表

参数含水率% 固形物% 大块杂质%

含量 90.85 8.15 1

2 餐厨厨余粪便协同处理技术方案分析

2.1 处理现状及规划

象山县尚无规模化餐厨、厨余垃圾处理设施，结合杭州市全国第一个规模化的厨余垃圾处理项目[7]，采用“前分选+厌氧产沼+沼气净化利用”技术工艺，将有机质分离送入厌氧罐发酵，产生的沼气经净化处理变成电能及杭州市第一个规模化的餐厨垃圾处理项目[8][9]，采用“预处理+加热提油+厌氧发酵+沼气净化利用”工艺，将餐厨垃圾提取转化为沼气和生物柴油原材料。象山县计划在生活垃圾生态化循环产业园区内建设规模化的垃圾分类处置末端设施。项目处理对象为象山县厨余垃圾、餐厨垃圾和城市粪便，分两期建设，一期处理规模为餐厨垃圾50t/d，厨余垃圾100 t/d，粪便垃圾120 t/d;二期最终处理规模为餐厨垃圾100 t/d，厨余垃圾400 t/d，粪便垃圾200 t/d。处理工艺采用“餐厨、厨余垃圾预处理+加热提油+湿式厌氧发酵+干式厌氧发酵+粪便处理+沼渣脱水+沼气净化利用”工艺，具体工艺流程及物料平衡见图1所示。

2.2 总体技术路线

餐厨垃圾预处理去除无机物，有机物破碎成8～10mm粒径，与去除完无机物的粪便污水一起进行湿式厌氧消化;厨余垃圾经预处理后去除无机物后，进入干式厌氧发酵罐进行厌氧消化;有机废物厌氧消化后产生的沼气在本厂内进行脱水、脱硫，然后送入园区的沼气发电厂内发电;预处理分离出的废渣和厌氧发酵的残渣送入园区内生活垃圾填埋场进行最终处置;本厂产生的污水送入园区内的污水处理厂处理达标后外排。

根据总体工艺流程，本项目主要由以下几个系统组成：

（1）餐厨、厨余垃圾预处理单元：预处理及厌氧发酵是本项目的核心工艺段，服务范围内的餐厨、厨余垃圾经收集后送至综合处理车间预处理，分离油脂、残渣后，达到厌氧发酵的进料要求。（2）湿式厌氧发酵单元：经预处理后餐厨垃圾浆液和厨余垃圾沥水、粪液在均质池混合后进入厌氧发酵罐厌氧发酵，有效利用有机质进行产沼气，回收资源。（3）干式厌氧发酵单元：经预处理后厨余垃圾及餐饮垃圾固相有机质在返回系统加热后进入厌氧发酵罐厌氧发酵，有效利用有机质进行产沼气，回收资源。（4）沼渣脱水单元：对厌氧后的沼渣进行脱水。（5）粪便处理单元：对进厂的粪便进行固液分离、絮凝脱水，粪渣运到填埋场处理，上清液进入湿式厌氧发酵单元处理。（6）沼气净化增压单元：沼气净化后达到沼气发电机使用要求，园区内沼气发电厂的蒸汽供厂内预处理加热及厌氧发酵保温。在总体技术線路的选择上，首先能满足不同特性垃圾的处理需求，分别针对性采取不同的预处理和厌氧工艺，其次也能对沼渣、沼液、沼气等产物统筹设置处理或资源化利用设施，充分发挥协同处理的优势，节约工程投资和占地。

3 工艺设计描述

3.1 餐厨垃圾预处理及湿式厌氧系统工艺设计

3.1.1 餐厨垃圾接收系统

餐厨垃圾接收系统[10]设置在餐厨垃圾卸料厅内，实现餐饮垃圾接收及沥水功能。餐厨垃圾经称重后驶向卸料大厅，根据监控室和现场调度指示，倒车驶向指定卸料位。餐厨垃圾收集车进入指定卸料位后，首先打开车辆底部阀门，将餐厨垃圾中的易分离水通过放水沟泄水至料斗底部的沥水集液箱内。然后打开尾部卸料门，将餐厨垃圾卸至接收料斗，作业完成后，采用卸料厅内的高压水枪及时冲洗车辆卸料仓内部，避免遗留遗撒。餐厨垃圾接收系统由1座容积50m3的接收料斗、沥水收集箱及若干输送机械组成。

3.1.2 自动分选系统

餐厨垃圾自动分选系统由自动分选机、浆料加热装置和固液分离机以及相配套的物料输送机械组成。接收料斗中经过沥水的餐厨垃圾经由输送螺旋输送入自动分选机，自动分选机的主要功能是对餐厨垃圾中的塑料、纺织物及硬质不易破碎的无机物如金属等进行分离，同时通过特殊设计的转锤对餐厨垃圾中的食物残渣进行制浆处理产生的有机粗浆料从下部多孔板排出，自动分选产生的无机物的主要成分为塑料，视其品质好坏，可以进行回收利用或填埋。自动分选机产生的有机粗浆料通过专用的浆料柱塞泵输送至浆料加热装置，浆料加热装置的主要作用有二：首先是对有机粗浆料进行加热（加热至65℃）以利于后续油脂回收工艺最大化的回收餐饮垃圾中的油脂;第二是在高温和一定机械搅拌作用下使粗浆料中的有机食物残渣尽可能的水解进入后续固液分离中的液相，同时减少固液分离过程中产生的固相物产生量。经过加热的有机粗浆料采用固液分离机进行固液分离。固液分离机功能为经过浆料加热后将浆料的挤压脱水，有效将浆料中含油浆液分离出来，控制进入固相水力除渣装置的物料量。

3.1.3 油脂回收及提纯系统

本系统的主要设备功能是将浆液中的油脂、固相残渣以及有机浆液分离，对粗油脂进行提纯，使毛油纯度达到98%以上。经过加热后的有机料液温度为65℃，通过泵输送至三相提油机[11]，在该温度下，三相提油机能很好地实现固渣、料液及油分的分离。经过加热的料液采用三相提油机进行提油，产生含水率小于15%的油水混合液，含水率在80%左右的固渣以及剩余的有机料液。由于固渣中的有机质含量较高，因此固渣输送入固相水力除渣系统进行有机质回收;有机料液则输送至厌氧消化系统。为提高油脂提纯的质量，设计对三相提油产生的油水混合液进行二次加热，在三相粗油加热罐内加热至80℃后采用立式提油机进行提纯，提纯产生纯度为98%的毛油，输送至毛油储罐暂存。立式提油产生的有机废水也进入后续厌氧消化系统。

3.1.4 固相水力除砂系统

固相水力除渣系统主要功能为固液分离后残渣及三相提油后残渣进一步处理，充分回收固相中有机质。由于固液分离产生的固相和油脂回收产生的固相中仍然含有40%～50%的有机质，为充分回收生物质能源，需要对上述固相进行深度处理以实现有机质和无机物的分离。设计采用固相水力除渣机对固相进行深度处理，水力除渣用水为厌氧出水。固液混合物在强力的水力和机械搅拌作用下，将固相中的绝大部分有机物溶进水中，再通过粗渣分离机将无机物分离出并进行压榨，固渣中可用于厌氧发酵产沼的有机质含量不高于4.5%，含水率不高于60%，可进行填埋处置。而经过粗渣分离的有机料液则经过旋流除砂处理后，输送至后续厌氧消化系统进行处理。

3.1.5 湿式厌氧消化系统

本项目拟采用CSTR厌氧发酵工艺，CSTR厌氧发酵工艺为完全混合厌氧发酵工艺，其工艺原理如下：经过除渣的有机料液排入均质池经由厌氧进料泵提升入厌氧发酵反应器，中温CSTR厌氧发酵罐的停留时间高达25d，经过CSTR厌氧反应器充分发酵后产生的沼液通过重力自流进入沼渣储池，通过沉淀回收其中的厌氧微生物，一部分回流至预处理系统的水力除渣单元，另一部分通过泵提升至厂内的废水收集池。

3.2 厨余垃圾预处理及干式厌氧工艺设计

3.2.1 厨余垃圾接料、分选、制浆系统

专用的厨余垃圾收运车辆进厂后，首先通过电子汽车衡称重并记录，然后直接驶入综合处理车间，在指定位置将厨余垃圾卸入接料斗，厨余垃圾经过破袋、手选、磁选、滚筒分选等工段将厨余垃圾中大部分的大件、轻质物料、金属及硬质物料选出。经初步分选后的厨余垃圾进入破碎制浆系统，首先进入进料机，进料机的顶部安装破碎机，经破碎机破碎到40mm左右，进入破碎制浆器分离杂物，进一步破碎、粉碎等措施后将料液制成浆液，并保证浆料颗粒直径在15mm以下。

3.2.2 干式厌氧发酵系统

进入本工段之前，餐厨垃圾固相、厨余垃圾已进行了分选、制浆，大部分的杂质已被去除。本工段包含厨余垃圾的匀质、接种、厌氧消化等工艺，其中匀质、接种在返混箱内实现，由于厨余垃圾中的纤维素较多，且也包含一部分油脂，为了使厨余垃圾无害化和资源化处理更彻底，本项目采用高温干式厌氧工艺。厌氧罐内没有搅拌设备或气体喷嘴，靠物料自身重力下降，热量消耗少，热量主要用于新鲜物料的加热，罐体本身热量消耗少，结构简单免维护，消化罐的锥形设计，避免了传统发酵罐上层浮渣、下层沉淀的现象，处理后不用除砂系统。反应器内无机械传送部件，方便检修，提高系统的稳定性，厌氧罐有效容积2600m3。

3.3 糞便处理系统工艺设计

3.3.1 固液分离系统

粪便运输车进入卸粪间后与专用快速密闭对接装置和固液分离设备相连接，快速卸粪，避免卸载粪便过程中粪液遗撒、泄露及臭气对空气的污染。接粪管内设有冲洗装置[12]，卸粪后可将对接口内部进行清洗，避免粪便固化和遗撒。接口材质为AISI304不锈钢，耐腐蚀能力强。粪便进入的固液分离设备[13]由大块物分拣、水下无支撑双转鼓螺旋细格栅（粪便分离器）、输砂螺杆、排渣/砂螺杆、压榨脱水和臭气集中收集排放管等组成，集成在一个密封箱体内。其功能是去除粪便中的大块沉淀物和直径大于20mm的漂浮悬浮物以及90%以上的直径大于0.5 mm的砂。经固液分离后的液体进入粪便沉砂、调节池，调节池出水排入絮凝脱水段。由于粪便具有静态分层的特性，即表面结痂，池底沉淀固化，中间悬浮，这些都将导致调节池内物料性质恶化，严重影响后续工艺的运行及对设备造成损伤。所以在调节池中设置搅拌装置[14]，可有效解决粪液表面结痂和池底沉淀的问题。

3.3.2 絮凝脱水系统

固液分离后的液体经粪便调节池进入絮凝脱水设备[15]，絮凝脱水后的液体悬浮物含量将大幅下降，不会对管道造成堵塞和淤积，CODcr也有大幅下降。脱水机采用螺压式浓缩脱水装置，为低转速、全封闭、可连续运行的浓缩脱水一体化的脱水机。整机在工作状态时全密闭。设备所有和介质（粪便）的接触件均采用不锈钢（AISI304）材质并经酸洗钝化处理，使用寿命长。脱水机单台处理能力8～12m3/h，主机装机功率仅3.04 kW，能耗低，节约投资和占地面积，节约运行费用。脱水机有稳压装置，保证当脱水机进料浓度发生变化时，脱水泥饼的含固率20%～30%。脱水机的滤网内、外侧均有专用清洗装置。在脱水运行中，由内、外侧的专用清洗装置配合运行实现对滤网的全面清洗。可在不影响脱水机出泥的运行状态中对滤网进行间歇式全方位360°高效自清洗。脱水机备有单独的、完整的滤网自动冲洗系统，其中包括安装在脱水机上的冲洗装置、输水管及阀门等。在冲洗时不影响设备的运行和脱水效果。

3.3.3 沼渣脱水系统

由于厌氧消化产生的沼渣含水率较高，需进行脱水后才能外运填埋处理，并且脱水沼渣含水率要求较低，为60%以下，传统的脱水设备如带式脱水机、离心脱水机均达不到此要求，只有板框式脱水机的压榨才能让沼渣脱水后含水率降到60%以下。

3.4 沼气净化系统工艺设计

厌氧反应产生的沼气首先经初级过滤器去除50μm以上的杂质，之后进入湿法脱硫系统，脱除以硫化氢为主的硫化物，原料气中硫化氢含量降至200ppm以下，脱除的硫化氢转化为单质硫排出系统。湿法脱硫后的沼气经汽水分离器去除液滴后进入沼气-水换热器，将沼气降温，使沼气中的水蒸气冷凝出来，脱水后的沼气进入干法脱硫系统进一步脱硫，原料气中硫化氢含量降至150ppm以下，之后进入沼气柜存放。气柜中的沼气经罗茨风机加压，使沼气压力满足发电机组对燃气压力的要求，最后经精密过滤器去除3μm以上的杂质，使沼气中的粉尘粒径及含量达到发电机组对粉尘的要求。当沼气利用设备检修，或沼气量超出其处理能力时，多余的气体经火炬燃烧后安全排放。

4 成本分析

该项目计划占地面积约48.5亩，全厂装机容量为1771.39 kW。日耗电量约 10136 kW·h，耗水量约60 m3，药剂消耗量为PAM 0.04 kg，脱硫剂0.18 kg。全年计划工作日为365d，预处理系统为二班制，沼渣脱水系统为3班工作制，厌氧系统、粪便处理系统、沼气净化系统、变配电、控制室均为3班工作制，每班工作时间为8小时。餐厨垃圾、厨余垃圾、粪便处置厂劳动定员50人。仅考虑人工、电、水、药剂成本，平均垃圾处理成本约162.96元/t。

5 结论及建议

（1）该工程采用“餐厨、厨余垃圾预处理+加热提油+湿式厌氧发酵+干式厌氧发酵+粪便处理+沼渣脱水+沼气净化利用”的工艺路线协同处理餐厨、厨余垃圾及粪便，对有机废物进行厌氧发酵产生沼气进行发电，沼气年产生量为511万m3（一期），年减排二氧化碳约为6.5万t，节能效果明显。（2）经项目一期规模设计平衡性测算，该工艺减量化率可达70%以上，年提取毛油365t，年回收金属36.5t，年外运填埋量2.2万t，年外排污水9.8万t（含冲洗水、除臭水，厌氧沼液等）。（3）经项目一期规模测算，预处理分离出来的固渣、厌氧消化产生的脱水沼渣及粪渣的综合含水率会降到60%以下，原生垃圾产气量约51.85 m3/t，甲烷含量为60%以上。（4）该工程可有效解决有机垃圾处理难度大、含水率高、油脂及大量有机质进入填埋场填埋导致的资源浪费等问题，能有效实现有机垃圾减量化，还能回收生物质能，实现有机废物的再生利用，充分体现环境效益、节能减排和经济效益的三赢效应，是有机废物资源化处理、生物质能源开发和节能减排的低碳发展综合性示范工程，具有较高的推广价值。

参考文献

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