关于有机废弃物厌氧消化处理系统精细化运行管理及资源深度利用的探索

2022-05-30张卓岳凤

城市管理与科技 2022年2期

张卓岳凤

随着全国生活垃圾分类工作的推进，尤其是在大型一线城市中，采用生物方法处理城市餐厨垃圾等有机废弃物已成为主流。而在有机垃圾生化处理设施中，采用厌氧消化工艺的占绝大多数。这种工艺有一系列的重要优势，比如，适应性强，能够处理成分复杂的各类餐厨垃圾等有机废弃物;节能降耗，运行成本低;能够产生沼气清洁能源等。

在本文中，笔者结合广州福山生物质综合处理厂的运行实践，对有机垃圾厌氧消化处理设施进行系统介绍，通过其进料性状、反应温度、微生物菌群控制、终产物沼液和沼渣处置等运行精细管理情况，进一步深挖厌氧消化处理设施的功能扩展和资源化利用方式。

一、广州福山生物质综合处理厂厌氧消化处理系統运行状况

（一）厌氧消化系统

广州福山生物质综合处理厂的厌氧消化系统主体包括7套并联运行的全混式厌氧消化反应罐（总反应容积6.3万立方米）和4套有机垃圾水解酸化罐。系统前后端分别配套有机垃圾的预处理系统、沼液脱水设施和沼气综合利用设施。

整体厌氧消化系统针对餐厨、厨余垃圾、城市粪污和动物固废四类有机质垃圾进行生化处理。每日进入系统内的有机质垃圾浆料超过1600吨（经预处理后），四类有机质垃圾浆料的组成比例随实际垃圾进厂量存在明显波动。

（二）总体运行状况

自投运以来，该处理厂已经稳定运行超过两年，各项指标及处理效果均保持优越状态。主要表现为（以下均为日均值）：有机质分解率90%以上，罐内物料的VFA500mg/L以下、碱度12000mg/L以上，微生物菌种的有机质比例长期稳定在约45%水平，厌氧消化后沼液COD3000mg/L以下。数据表明，联合厌氧消化系统运行稳定、有机垃圾被高效分解，产生更多的资源产品沼气、更少的二次废弃物沼渣，以及更低浓度的废水，从而降低后续污水处理成本和难度。

广州福山生物质综合处理厂厌氧系统2021年运行状况见图1、图2。

二、厌氧消化系统日常运行的精细化管理

（一）进料浆料的性状控制

要实现厌氧消化系统的稳定高效运行，进料控制是基础条件，主要控制参数包括进料TS、有机质含量、温度、油脂含量等。

1.进料TS与有机质浓度控制。虽然理论上来讲，进料TS浓度越高越好，其能产生更长的停留时间和更少的沼液产生量。但是实际运行中，需要综合平衡物料输送和厌氧消化系统内搅拌强度的可行性。根据实际运行经验，对于进入厌氧系统的浆料TS浓度一般控制在10%～12%。

通过对各类垃圾进行预处理，尤其是对餐饮、厨余垃圾进行分选除杂、制浆、除砂、提油等一系列预处理，去除其中的金属、塑料、砂砾等无机质杂物，实现浆料TS中的有机质占比（VS/TSS）达到90%以上，减少无机杂物进入系统造成沉积。

2.温度控制。稳定的反应温度是获得良好厌氧消化效果的必要条件。本项目采用中温厌氧消化，厌氧系统需保持35℃～38℃的反应温度，通常进料温度高于反应温度并维持厌氧消化系统的环境温度。

综合考虑各项热损失并结合实际运行经验，进入厌氧消化系统的浆料温度需控制在45℃～50℃。日常运行也需每日检测厌氧系统温度，并根据实际情况对进料温度进行调整。一旦出现反应温度剧烈波动，即需立即启动换热系统进行温度调节。

3.油脂含量。油脂对厌氧微生物活动存在不利影响。油脂在厌氧反应器中降解很慢，需要相当长的停留时间，并会包裹厌氧污泥上浮，从而引起污泥流失。并且，油脂分解产生的长链脂肪酸的毒性较强，会显著抑制产甲烷菌的活性，还会与Ca2+结合产生脂肪酸钙沉淀。总之，油脂过多会抑制产气，造成VFA（挥发性脂肪酸）升高，甚至有系统酸化的风险。因此，需对餐厨垃圾浆料进行充分的提油预处理，将浆料油脂含量控制在0.5%以下。

（二）厌氧消化系统日常运行主要控制参数及方法

厌氧消化系统日常运行控制参数主要包括：VFA、pH值、碱度、温度、污泥浓度及污泥中有机物比例。具体控制要求及方法如下：

1.VFA与碱度。VFA与碱度是两项直观反映厌氧运行状态的指标。VFA高、碱度低，表明厌氧中甲烷菌活力不够、产气进行不佳，同时，VFA的积累会抑制甲烷菌活性，进而造成恶性循环，系统有酸化的风险。国内同类设施的运行管理规范中，要求厌氧消化系统沼液中VFA/碱度小于0.25。系统沼液中，VFA/碱度值越低，整个厌氧系统越稳定，有机质分解率和产气效果越佳，越能耐受负荷冲击。另外，VFA越低，外排沼液的COD浓度也越低，极大减轻后端污水处理压力。

广州福山生物质综合处理厂的厌氧系统控制要求为VFA≤2000mg/L，实际运行则远低于该值，VFA基本在500mg/L以下，而碱度则高于12000 mg/L，做到了VFA/碱度为0.05（详见图1、图2），故而厌氧系统运行非常稳定。

2.pH值。一般厌氧反应需控制pH值在6.8～7.8，超出该范围对厌氧产酸和产气反应不利。对于运行良好的系统，其VFA低、碱度充足，pH值一般在7.2以上。广州福山生物质综合处理厂厌氧系统的pH值基本稳定在7.5±0.1。处理生活垃圾时，进料pH值较为温和，一般不需额外调节。

3.温度。如前文所述，本项目的厌氧系统需保持35℃～38℃的反应温度，过高和过低均不利于厌氧消化反应。系统的厌氧罐高度达到20米以上，容积大，因此在罐内上、中、下不同高度安装温度传感器，对罐内多点位温度进行在线实时监测，以便温度偏离时及时发现并采取相应措施，及时调整。可采取的措施包括调整进料温度和进料负荷等。

4.污泥浓度与污泥有机质含量。污泥浓度是保证厌氧处理效果的“核心”。要根据进料COD浓度和厌氧停留时间，确保容积负荷在合理范围。为保证更好的厌氧处理效果，需保持厌氧污泥浓度在一定水平，但同时有机质浓度高则表明有机质未充分被分解产气。本项目运行控制沼液TS达到2.8%～4%，VS/TS达到50%左右。

5.異常分析与处置。厌氧系统是个反应多样性的综合系统，各项指标相互影响。如指标出现较大偏差，需要逐一排查和分析可能造成偏差的原因，针对原因采取针对性的调整措施，以便尽快恢复系统的正常稳定运行。

如系统出现酸化趋势，则除满足温度、pH值等基本条件之外，还需控制进料量，降低厌氧系统的COD容积负荷，使系统酸化得以减轻。系统运行趋于正常后，厌氧系统的负荷也需稳步提升，观察和检测各项指标数据，根据情况做合理调节。

三、剩余沼渣制有机肥经验与沼液制液态肥的可行性探索

有机垃圾通过厌氧消化系统处理后，一般将产生85%比例以上的沼液污水和5%～8%的剩余沼渣（均以进料垃圾总量计）。此两部分物料如不进行资源化利用，将反过来带来高昂的污水与废渣处理成本。

（一）沼渣制有机肥的相关政策与技术要求

根据广州福山生物质综合处理厂的实际经验，沼渣可以销售给有机肥厂家作为制有机肥原料，从而实现资源化利用。

1.沼渣制有机肥有关政策支持。一是根据《一般固体废物分类与代码》（GB/T 39198-2020）分类，有机废弃物厌氧消化处理产生的沼渣属于一般固体废物。二是根据《有机肥料》（NY/T 525-2021）中附录B《评估性原料安全性评价要求》，沼渣/液符合安全性评价后可以作为有机肥料生产原料。其中安全性评价指标主要为重金属含量等，需提供生产工艺说明、检测报告等佐证材料。

2.沼渣制有机肥相关环保手续办理。沼渣产生单位可以委托有相应资质的单位进行沼渣堆肥利用，双方签订合同，产生单位需建立沼渣产生、转移处置的全过程管理台账，并获得接收单位对每车沼渣的签收单，以形成闭环管理。如跨省转移利用的，根据《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》第二十二条的规定，沼渣产生单位报移出地的省人民政府生态环境主管部门备案即可。

此外，制肥单位为更利于制肥及成本管控，对沼渣含水率要求较低，且制肥单位一般远离市区，沼渣需长距离运输。因此，为降低成本、满足制肥和运输要求，一般需将沼渣含水率控制在60%～65%，运输车做好密闭。

3.广州福山生物质综合处理厂沼渣综合利用情况。广州福山生物质综合处理厂厌氧沼渣主要有两种处置去向，一种是作为有机肥料生产原料外运利用，另一种是作为废渣送焚烧发电厂焚烧处置。目前多以外运利用为主。以2021年3月数据为例，沼渣外运利用占比达到93.69%。

（二）沼液制作液态肥的可行性探讨

尤其在西欧国家，有机废弃物厌氧消化处理后的沼液只要满足盐度和重金属控制目标，即可作为液态有机肥（或基础肥）直接回田。这样不仅节约大量处理成本，还实现了资源化利用效益。

国内对于厌氧沼液的综合利用，目前还处于探索阶段。笔者认为，除了进行相关技术研究之外，首先要解决的是政策问题。目前，对于有机废弃物厌氧消化沼液回田作肥的相关环保政策与肥料标准，国内还处于缺失状态。在有的地区，沼液回田甚至可能会被认定为“污水乱排”。因此，整个行业内沼液综合利用进展缓慢。

笔者建议，国家环保和农业部门应该联合制订沼液回田作肥的相关政策与管理办法，以期产生良好的经济和社会效益。

四、厌氧消化设施功能扩展的相关建议

运行良好的有机废弃物厌氧消化设施具备很强的“兼容性”，即可联合处理餐饮垃圾、厨余垃圾、城市粪污、食品垃圾、城市污泥等各类有机废弃物。这种兼容性能一举两得。一方面，扩展设施功能，可以产生良好的社会和经济效益。另一方面，各类物料的存在，能提升整个厌氧消化微生物系统的多样性，促进生物反应系统更为稳定。

以广州福山生物质综合处理项目为例，目前除处理四类有机废物外，每天还协同处理城市污水厂的污泥约50吨。运行实效表明，新增污泥处理后，参与反应的微生物明显增多。以每毫升沼液中微生物菌落数计（cfu/mL），活菌数量增加约15%，达到108～109cfu/mL。经过16SrRNA基因检测，厌氧微生物丰度和多样性也明显增多。

五、结语

有机废弃物采用厌氧消化处理工艺进行无害化处理后，产生沼气、肥料等资源性产品，在垃圾处理的同时，产生良好的经济、社会及环保效益。今后，生活垃圾处理单位需要持续深入结合实际，研究开发和推广应用更优的处理技术工艺、更高效的设施设备，并持续提升设施运行精细化管理水平，积极开拓资源化利用渠道，实现有机废弃物充分的无害化和资源化处理。