果蔬垃圾厌氧产沼技术的工程应用

饶玲华，邵 敏，张 帆

（上海环境工程设计研究院有限公司生态环境设计所，上海 200072）

农业农村部种植业管理司统计数据表明，2015年仅兰州市的蔬菜种植面积就达到约6.7万hm，总产量为295万t。如果加上省内的定西、武威、永昌、张掖，青海省格尔木市，宁夏回族自治区固原县，总种植面积超过10万hm。蔬菜从田头到最终购买阶段因收获、分拣、储藏、运输和销售所形成的弃收、失水、腐烂等蔬菜产品特有的损失被称为自损。兰州当地调研数据表明，蔬菜自损率约为35.3%。蔬菜自损率主要受采收处理不及时、储运设施不完善、冷链物流不健全等影响，导致采收、预处理、加工、储藏、流通、销售等环节损耗较大。根据兰州市年产295万t蔬菜量计算，每年果蔬垃圾产生量高达104万t。果蔬加工中会产生很多副产物，果蔬产量也就决定了加工副产物的数量。果蔬垃圾中有机质含量超过95%，果蔬垃圾易腐烂，在运输过程中还会对大气、水体和土壤产生污染。果蔬垃圾的有效处置问题日益突出，已成为困扰兰州市政府的老大难。

对含水率高、易降解的果蔬垃圾而言，其符合一般厌氧处理的固体含量要求（10%左右）。果蔬垃圾厌氧消化后可得到高质量的有机肥料和土壤改良剂。综上所述，厌氧消化处理是果蔬垃圾处理的理想途径，可实现其无害化、减量化和资源化。因此，本文采用预处理+厌氧消化+沼气利用的工艺路线，实现果蔬垃圾资源化利用，为类似果蔬垃圾处置项目的设计奠定基础。

1 项目概况

兰州高新技术产业开发区（简称兰州高新区）果蔬废弃物资源化利用BOT项目的占地面积约为49 267 m。设计处理能力为果蔬垃圾2 000 t/d。该项目采用预处理+厌氧消化+沼气利用的工艺路线。果蔬垃圾组分分析结果如表1所示。

表1 果蔬垃圾理化性质

2 总体设计

本项目分为预处理、厌氧消化、沼渣脱水、污水处理、沼气净化利用、辅助配套等5个部分，总平面布置如图1所示。预处理区包括预处理车间、水解罐、固液分离间。厌氧消化区包括内循环厌氧（IC）罐、半干式厌氧罐及气柜、湿式厌氧进料罐、湿式厌氧罐。厌氧消化区位于预处理区和污水处理区之间。沼渣脱水区居中布置。污水处理区包括调节池、两级厌氧好氧（AO）池、膜生物反应器（MBR）池和出水池等。沼气净化利用区包括沼气净化、应急火炬、锅炉和发电机等。辅助配套区包括综合楼、绿化区、地磅房等。

图1 总平面布置

根据兰州市常年的主导风向，辅助配套区布置在厂区南侧，位于主导风向的上风向，确保办公人员的工作环境良好，同时争取最优的采光面。预处理车间布置在厂区东北侧，靠近厂区出入口，便于物流的运输。厌氧消化区及污水处理区位于预处理区西侧。沼气净化利用区位于厂区西侧，实现易燃易爆装置的集中布置，满足其与辅助配套区的安全距离要求。

3 各子系统设计

3.1 预处理系统

果蔬垃圾经地磅称质量后进入卸料大厅，将果蔬垃圾卸至步进式料仓。料仓中的果蔬垃圾经皮带机提升进入破碎机。破碎机将果蔬垃圾破碎至20 mm左右，然后泵送至除杂除砂酸化单元。该单元通过格栅去除浮渣，自然沉降除砂，酸化处理后将物料泵送至脱水单元。脱水单元包括螺旋挤压机和离心机两道工序，螺旋挤压产生的物料进入半干式厌氧罐厌氧处理，螺旋挤压后的液相进入离心机进一步脱水，固相进入湿式厌氧系统，液相进入污水处理系统。

预处理系统的处理能力为2 000 t/d，每天工作时间为20 h。为了满足高峰期物料的冲击负荷，预处理系统设有4条预处理线，每条线的处理能力为50 t/h，可满足高峰期6 h处理60%的处理量需求。考虑到设备检修以及超高峰时段等情况，本项目设置了一个容积为4 000 m的垃圾储坑，用于满足1 d的缓冲能力。

3.2 厌氧系统

预处理后的果蔬垃圾物料经螺旋送进半干式厌氧罐，半干式厌氧罐设有换热系统，以保证罐内的有机物料维持在42 ℃左右的温度。该厌氧反应器采用特制的搅拌桨叶保证物料在反应器内充分混匀，停留时间为20 d，厌氧反应后的沼液泵送至沼渣脱水系统。

预处理后的果蔬垃圾浆液、水解罐的部分回流液以及污水系统产生的剩余污泥经泵送至湿式厌氧调节罐，充分混匀后泵送至湿式厌氧罐内。湿式厌氧罐采用罐外换热的方式，保证罐内有机物料维持在38 ℃左右。湿式厌氧罐采用沼气搅拌的方式，确保罐内混合均匀，停留时间约为20 d，厌氧反应后的沼液泵送至沼渣脱水系统。厌氧系统工艺设计参数如表2所示。

表2 厌氧系统工艺设计参数

3.3 沼渣脱水系统

厌氧发酵浆液经过暂存池进入一级螺旋挤压脱水单元，脱水过程中，挤出含固率20%的沼渣，剩余沼液自流至滤液池，泵入二级叠螺机脱水单元，叠螺机产生的含固率20%沼渣外送，产生的沼液则进入污水暂存池，然后泵入污水处理系统。

一级脱水单元采用2台螺旋挤压机，单台处理能力为15 m/h。二级脱水单元采用2台叠螺脱水机，配套聚丙烯酰胺/聚合氯化铝（PAM/PAC）投加装置，单台处理能力为20 m/h。

3.4 污水处理系统

污水处理系统处理本项目厌氧沼液、水解罐废水以及厂区杂排水等。污水处理系统采用预处理+两级AO+MBR工艺，出水执行《兰州高新区定远镇污水处理厂接管水质标准》和《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）三级标准。污水处理系统的设计进出水水质如表3所示。主要指标有化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD）、总氮（TN）、氨氮（NH-N）、悬浮物（SS）、总磷（TP）、色度和pH。

表3 污水处理系统设计进出水指标

厂区废水首先经过格栅，然后进入调节池，而后泵送至厌氧反应器，应急情况下可泵送至应急池。厌氧反应后的污泥进入污泥池沉淀后进入脱水机脱水处理，脱除的污泥泵送至湿式厌氧罐处理，上清液则回流至调节池。厌氧处理后的污水经泵提升至两级AO池，两级AO池的出水进入MBR池。MBR池出水氨氮、SS等均能达到排放要求，为防止污泥流失，设置混凝沉淀池，沉淀污泥与厌氧污泥等合并后进行叠螺脱水处理，脱水污泥外运处置。

本项目污水处理系统的设计规模为1 800 m/d，厌氧系统按照900 m/d设计，设置1座IC罐，停留时间1.65 d。MBR池分为2列，总膜面积大于7 155 m。设计一套污泥处理系统，处理能力为900 m/d，产生的污泥含水率小于80%。

3.5 沼气净化利用系统

沼气净化利用系统主要由气柜、化学脱硫罐、增压风机和沼气利用设施等组成。厌氧系统产生的沼气先存储在半干式厌氧罐顶部的气柜中，然后进入化学脱硫罐内脱除硫化氢，脱硫后的沼气经过滤器、冷干机等去除沼气中的水分。最后，沼气经过增压泵提升压力，满足发电机、锅炉及火炬对沼气压力的要求。

本项目沼气产量约为35 000 m/d，综合考虑沼气高峰系数（1.5），设计1座双膜气柜，有效容积为5 000 m。项目设置2台锅炉、1台沼气发电机及1套1 500 m/h的应急火炬系统（暗火）。锅炉采用燃油燃气两用锅炉，锅炉技术参数为2.1 MW，供回水温度为70 ℃/50 ℃。经核算，本项目配置1套输出功率1.5 MW的沼气发电机，后期根据实际情况增加装机规模。

3.6 除臭系统

料仓、预处理车间、固液分离车间、水解罐、污水处理系统等的臭气通过负压收集至除臭系统处理。臭气的成分有硫化氢、氨以及少量的有机气体等。为减少臭气对环境的影响，本项目采用“酸洗+碱洗+氧化”的组合工艺进行臭气处理，厂界恶臭污染物满足《恶臭污染物排放标准》（GB 14554—1993）二级排放标准后由排气筒在15 m高空排放。

除臭系统的总气量为120 000 m/h。本项目用地紧张，因此，本项目的除臭装置设置在预处理车间、固液分离车间的屋顶。

4 沼渣与沼液的特性

沼渣和沼液富含氮磷钾、腐殖酸、氨基酸、微生物和蛋白质等，可作为优良的有机肥。沼渣及沼液营养成分与化肥营养成分含量对比如表4所示。检测数据表明，1 t沼渣可替代24 kg尿素、45.7 kg普钙和20 kg氯化钾；1 t沼液可替代2.2 kg尿素、1.3 kg普钙和2 kg氯化钾，其富含有机质和腐殖酸。研究发现，沼渣在蔬菜生产中可配制营养土、基肥或者追肥，应用广泛。

表4 沼渣及沼液营养成分与化肥营养成分含量对比

5 项目投资及经济分析

本项目工程总投资为29 500.15万元，其中建筑工程费用为10 325.45万元，设备购置及安装费用为12 350.52万元，其他费用为6 824.18万元。其他费用中，预备费用为1 552.87万元，铺底流动资金为200万元。运营成本为1 670万元/年。本项目税前财务内部收益率为7.04%，税后财务内部收益率为6.2%。

由此可知，本项目的投资较高，收益率低。沼渣和沼液具有良好的肥料属性，若深加工为产品出售，则可大大提高本项目的收益能力，成为新的利润增长点。

6 结语

兰州高新区果蔬废弃物资源化利用BOT项目采用预处理+厌氧消化+沼气利用的工艺路线。3个月的试运行表明，该工艺运行稳定，处理效果好。本工艺适用于大中型规模果蔬垃圾的处理，对类似果蔬垃圾处置项目的设计有较好的借鉴意义。在类似项目的设计中，如用地紧张，可采用将除臭系统设计在厂房房顶的布置形式，这样有利于除臭风管的布置，降低投资。同时，可将管理用房、高低压配电室与预处理间集中布置，有效降低投资，方便管理。

果蔬垃圾沼渣和沼液具有良好的肥料特性，其中1 t沼渣可替代24 kg尿素、45.7 kg普钙和20 kg氯化钾；1 t沼液可替代2.2 kg尿素、1.3 kg普钙和2 kg氯化钾，其富含有机质和腐殖酸。果蔬垃圾处置项目的沼渣沼液如按常规方式处理，则投资高，收益率低。若有效开拓沼渣沼液的资源利用工艺，则可大大节约项目投资与运营成本，这是未来发展的趋势。