干式厌氧发酵处理厨余垃圾的工况分析

2022-06-02刘晓兰上海安若必科环保科技有限公司

节能与环保 2022年5期

文_刘晓兰上海安若必科环保科技有限公司

据统计，2020年我国厨余垃圾占比为38.05%，产量高达1.4×108t。厨余垃圾中含有较多的病原菌，容易腐烂发臭并滋生蝇虫，含水率高，长期堆积容易产生渗滤液污染土壤和地下水。此外厨余垃圾富含大量碳源及易生物降解的组分，属于优质的厌氧发酵基质，产甲烷潜力极高。

“十四五”规划提出，2025年底城市生活垃圾资源化利用率应达到60%左右。基于厨余垃圾易发酵产气、含水率高、产量大等特性，焚烧、填埋、好氧堆肥等传统处理方式存在诸多弊端。厌氧消化技术具有较好的经济环境效益，是一种有效的厨余垃圾资源化处理工艺。

在城市生活垃圾分类政策的推进下，北京、上海、杭州、宁波、福州、重庆、合肥等多个大中型城市相继选用干式厌氧产沼技术，实现厨余垃圾的资源化、无害化处理，但目前国内处理设施缺口仍旧较大。如何采用科学、有效的资源化处理方式成为当前厨余垃圾处理处置的研究热点。

1 项目概况及实验方法

1.1 项目概况

本厨余垃圾处理项目位于安徽省合肥市，整体设计采用厨余垃圾“预处理+干式厌氧+湿式厌氧+沼气净化与利用+沼渣干化+污水处理”的处理工艺。其中，干式厌氧发酵系统采用德国STRABAG干式厌氧技术，设计2条生产线，单线处理能力为110t/d，年处理量80300t。厌氧发酵罐单罐有效容积为2400m3，运行温度采用中温。

1.2 厌氧系统工艺流程

干式厌氧发酵系统主要包括进料单元、厌氧发酵单元和出料/脱水单元。

预处理后的厨余垃圾通过进料缓存装置及后续设备，分配给厌氧罐前的专用进料装置，进入干式厌氧发酵罐。

罐内采用多轴机械搅拌，物料在平推流作用下从进料端逐步移动至出料端，在搅拌作用下气体尽快释放，加快了产气速率，也避免了发酵罐物料结块和沉积，产生的沼气进入沼气系统。

厌氧罐出料通过真空系统实现，出料进入干式厌氧脱水单元。干式厌氧脱水包含螺杆压榨脱水机、振动筛、离心机，并配置加药装置；一级、二级脱水的沼渣输送至出渣间后续外运处理，三级脱水后的沼渣则进入沼渣干化系统进行干化；发酵出料经三级脱水后的滤液泵入污水处理系统，处理达标后排放。工艺流程示意图如图1。

图1 厌氧系统工艺流程图

1.3 实验分析方法

本文主要选用从厌氧系统开始进厨余物料至工程稳定运行期间连续3个月（2021年8月初至10月底，不包含进料前的生物接种阶段）的日常监测数据进行分析，以确保数据的代表性及可靠性。

实验监测指标包括进料垃圾组分、总固体含量（TS）和挥发性固体含量（VS）、沼气产率、甲烷含量、pH值、挥发性脂肪酸（VFA）、碱度（ALK）等。其中，进料组分采用四分法和重量法；TS和VS采用重量法；沼气产量和甲烷含量采用沼气分析仪测定；pH值采用便携式pH计测定；VFA和ALK采用蒸馏—滴定法。

2 厌氧发酵运行工况研究

2.1 厨余垃圾进料组分研究

厨余垃圾进料是影响厌氧微生物生长的决定性因素。由于厨余垃圾组分受环境条件、地域、居民结构等因素影响，因此本文对3个月的进料组分多次采样检测取平均值，结果如表1所示。

表1 厨余垃圾进料组分

根据表1数据可得，进场厨余垃圾经预处理后，含固率高达32%左右，有机物粒径≤50mm的组分约占82%，适宜采用干式厌氧发酵技术进行处理。

2.2 罐内物料浓度及有机质含量的变化研究

厌氧发酵罐的罐内物料浓度和有机质含量反映了厌氧发酵系统处理厨余垃圾的减量情况和有机质的去除效果。

由图2可知，在厨余垃圾进料提量期（2021年8月）罐内TS呈缓慢下降的趋势，后期趋于稳定；进料提量期的VS/TS约为38%，后期略有升高。总体来说，罐内物料TS含量和VS/TS含量波动不大，分别维持在19.6%、40.9%左右。厨余垃圾经厌氧发酵后减量化效果明显，TS减量效果达38%左右；VS也得到了有效降解，降解率为63%～67%。

图2 罐内物料浓度及有机质含量的变化

由于厨余垃圾收运量的波动，干式厌氧发酵系统每天进罐量60～80t。在厨余垃圾进入厌氧罐之前，罐内已完成生物接种，厌氧发酵微生物具有良好的生物活性。厨余垃圾的进料量是一个稳步提升的过程，在进料提量期，厨余垃圾在罐内发生水解，TS略有降低；随着每日新鲜厨余垃圾的补给，罐内TS消耗的同时又引入了新的固相物料，保持了厌氧系统的固相平衡，因此TS和VS/TS含量整体较为平稳。刘杰等人研究发现，在连续进料、出料的厨余垃圾厌氧发酵工程运行过程中，厌氧罐内物料TS和VS的含量保持平稳，这一趋势与本项目研究结果一致。

2.3 沼气产率与甲烷含量的变化研究

发酵底物的组分及投加量、搅拌方式、运行温度等都会影响厌氧系统的沼气产量。沼气中甲烷浓度主要受产甲烷菌活性和发酵底物浓度的影响。

单位厨余垃圾进料的产气率与沼气中CH4含量的变化如图3所示。在投加厨余垃圾后，厌氧系统的沼气产率＞110Nm3/t，最高可达200.6Nm3/t；沼气中CH4含量在厌氧发酵罐启动初期（2021年7月）迅速上升，15天内从0%升高至55%后开始小幅度增长，随后CH4含量在55%～65%范围内平稳波动。厌氧发酵罐的启动初期，即生物接种阶段，CH4含量随着大量接种物的引入迅速增加，浓度达到60%左右并维持稳定数日后，开始向系统中投加厨余垃圾。厨余垃圾进料量根据系统运行情况缓步提升至一定值（取决于前端预处理来料量）后，转为稳定进料。垃圾投加量的小幅度波动、系统进料有机负荷较低、进料垃圾组分存在少许差异等多方面原因，造成单位进罐厨余垃圾产气率在111.2～200.6Nm3/t之间波动。同时，厌氧系统的稳定运行保证了沼气中CH4含量的稳定。

图3 产气率与CH4含量的变化

2.4 厌氧系统酸碱平衡研究

厌氧发酵是一个复杂的微生物代谢过程，若系统缓冲能力过低, 碱度不足以中和产生的有机酸会造成有机酸的积累，以至系统失稳。因此需密切关注发酵过程中的的酸碱动态变化趋势，维持厌氧系统的酸碱平衡。

王艳明等在某厨余垃圾干式厌氧项目实施过程中观察到，pH为7.8～8.4、ALK为12～14g/L、VFA为4g/L左右，厌氧系统稳定运行时，干式厌氧的启动过程较为稳定、快速。

图4为项目运行期间的罐内物料的pH值、VFA和ALK的监测结果。可以看出，运行过程中发酵罐内物料pH始终稳定在在7.6～8.4之间；随着厨余垃圾进料量的缓步提升，罐内物料的VFA值逐渐降低，由4.1g/L下降至2.1g/L，ALK值则逐渐升高，由8.6g/L上升至13.5g/L；当进入进料稳定期后，VFA值和ALK值均趋于平稳。

图4 发酵过程中的酸碱动态变化

厌氧系统酸碱平衡控制较好，运行稳定。罐内物料pH值在厌氧发酵适宜范围内。VFAs的积累量取决于其生成速率和消耗速率，在进料前期，产酸菌代谢活跃，罐内VFA起始值较高；随着垃圾量的不断供给，产甲烷速率上升，VFA被产甲烷菌大量消耗，积累量呈现快速下降的趋势；当进料量稳定后，VFA的生成速率和消耗速率持平，VFA值趋于稳定。工程运行前期，ALK/VFA值＞2；进料稳定后，ALK/VFA约为7，系统保持酸碱平衡。

2.5 脱水效果研究

选取运行期内12组数据对螺杆压榨机、振动筛、离心机的脱水效果进行分析。

脱水固渣、滤液的含固率如图5所示。由图5可得：螺杆压榨机、振动筛和离心机的脱水固渣含固率分别约为45%～55%、18%～30%和20%～30%，脱水滤液的含固率分别为14%～16%、2%～10%和0.2%～2%。这说明本项目设计的三级固液分离系统的脱水性能温度，效果较好，高含固出料经过脱水后能有效削减沼液SS，有利于后续生化系统的运行。