餐厨垃圾厌氧发酵沼渣脱水性能研究

2023-09-27张建伟吴丽颖

城市管理与科技 2023年1期

张建伟?吴丽颖

厌氧发酵是指有机物在厌氧条件下通过微生物自身的新陈代谢而被转化为甲烷、二氧化碳和消化残余物的处理技术。本研究所指的厌氧发酵沼渣是厌氧发酵后厌氧反应器内固液混合的出渣物，主要由水、少量未分解完全的原料、未分选完全的无机物和新产生的微生物菌体等组成。目前行业内主要采用脱水工艺对沼渣进行处理，随着垃圾分类的深入推进，对沼渣含水率要求越来越高，改善沼渣脱水性能成为亟待解决的行业问题。

一、沼渣特性与脱水性能的关系

（一）沼渣中水分的存在形式

沼渣中含有大量的水分，这些水分在沼渣中以自由水、结合水两种形式存在。自由水是指水分的化学性质不随着周围固体颗粒的存在而发生变化，即被包围在沼渣颗粒之间的游离水分。由于这部分水不与沼渣颗粒直接结合，所以与沼渣的亲和力较弱，可以通过机械方法较容易地从沼渣中分离出来。结合水是指吸附和结合在固体颗粒上的水分。根据水分与沼渣颗粒间作用力的不同，又将结合水分成三类：吸附水、间隙水和内部水。吸附水是指在表面张力的作用下，吸附于沼渣颗粒表面的水分，只有通过改变固体颗粒的物理性状，降低表面张力，才能使吸附水从沼渣颗粒上分离；间隙水是指在毛细作用的影响下沼渣颗粒之间相结合的水，通过向沼渣施加外力，破坏毛细管表面张力或凝聚力可以去除；内部水是指沼渣中微生物细胞内的水分，需通过热干燥或焚烧，使化学键断裂才能释放去除。

由此可见，结合水的含量是影响沼渣脱水性能的关键，结合水含量越多，沼渣则越难脱水。因此，沼渣脱水的关键在于结合水的去除。通过改变沼渣的性质，使结合水尽可能多地转化为自由水，有助于后续的机械脱水，正确了解沼渣的水分分布是选择合适的脱水处理工艺的基础。

（二）沼渣含水率与体积之间的关系

沼渣含水率P与体积V之间存在一定的数量关系，可用式（1）表达：

式（1）中，V₁——含水率P₁时对应的沼渣体积，m³；

V₂——含水率P₂时对应的沼渣体积，m³；

C₁——含水率P₁时对应的沼渣含固率，%；

C₂——含水率P₂时对应的沼渣含固率，%；

W₁——含水率P₁时对应的沼渣重量，kg；

W₂——含水率P₂时对应的沼渣重量，kg；

P₁、P₂——不同的沼渣含水率，%。

（三）沼渣的絮體结构

微生物在整个湿式厌氧发酵过程中扮演着相当重要的角色，由于微生物的新陈代谢作用，沼渣中会形成许多胞外聚合物，这些胞外聚合物质量比约占沼渣中总有机物含量的50%～90%之间。胞外聚合物中含有大量的蛋白质和多糖、少量的DNA和核酸，这些组分滞留了大量的水分并以聚集体的形式填充形成了沼渣的结构，被认为是决定沼渣物化性质的关键物质。这些胞外聚合物使得沼渣絮体具有较强的亲水性，与水的亲和力极大，是造成沼渣固液分离非常困难的主要原因。

二、沼渣脱水的影响因素

沼渣的脱水性能是由沼渣的结构性质决定的，影响沼渣性质的因素包括胞外聚合物、表面电荷、阳离子、颗粒粒径等，其中胞外聚合物是重要影响因素。

（一）沼渣的胞外聚合物

胞外聚合物带有多种官能团且具有高度亲水性，在沼渣中形成各种化学键，改变了沼渣颗粒粒径、表面电荷、疏水性等性质，从而影响沼渣的脱水性能。胞外聚合物像胶囊一样包围在细菌的周围且不断向溶液中分泌粘性聚合物，由于胞外多糖包裹细胞壁，降低了细胞的有效临界电势而发生絮凝。但胞外聚合物本身会通过絮凝作用吸附大量水分，高度水合的胞外聚合物增加了沼渣的粘性，不利于沼渣脱水。

（二）沼渣表面电荷和阳离子

沼渣表面电荷与阳离子通过双电层影响沼渣的沉降性，从而影响沼渣的脱水性能。沼渣颗粒发生沉降必须综合考虑粒子间的相互吸引力和相互排斥力两方面的总效应，沼渣颗粒之间的吸引力本质上和分子间范德华力相同，而颗粒间的排斥力源于沼渣表面的双电层结构。沼渣固体表面拥有负电位离子，电位离子层通过静电作用，把溶液中阳离子电荷吸引到固体周围，以至于固液两相分别带有不同符号的电荷，在界面上形成双电层结构。当沼渣颗粒间距离较大，其双电层未重叠时，排斥力不发生作用；当沼渣颗粒间距离较小，以至于双电层部分重叠时，则在重叠部分中离子的浓度比正常分布时大，这些过剩的离子所具有的渗透压力将阻碍离子的靠近，因而产生排斥力作用，这就是造成沼渣很难自然沉降的原因。沼渣表面电位越负，脱水性能越差。

（三）沼渣颗粒粒径

沼渣颗粒越小，颗粒的比表面积越大，沼渣的脱水性能越差。这是由于大比表面积悬浮颗粒体系具有很大的表面能，使得颗粒与沼渣中的水分相互作用程度会更高。这就会造成离心分离时，固体的回收率降低，沼渣含水率变大；过滤脱水时，脱水速率降低，机械脱水性能变差。

三、“三氯化铁与PAM絮凝剂调理＋高压隔膜板框压滤” 沼渣脱水系统

“三氯化铁与PAM絮凝剂调理＋高压隔膜板框压滤” 沼渣脱水系统设计中通过加入三氯化铁对厌氧后沼渣进行调理，中和沼渣表面的电荷，破坏沼渣的稳定性，再通过添加絮凝剂使得沼渣发生团聚沉降，最后经过高压隔膜板框压滤机脱水后沼渣的含水率可降至65%左右。

厌氧发酵后沼渣进入调理罐中，往调理罐中加入铁盐搅拌混合，调理沼渣的脱水性能，使沼渣更容易脱水。经铁盐调理后的沼渣转移至中间池暂存。在高低压进料泵入口端装有管道混合器，PAM溶液由PAM投加泵打入管道混合器与沼渣充分混合，可增强脱水效果。调理好的沼渣再通过高低压进料泵打入高压隔膜压滤机中进行固液分离（沼渣脱水）。随后往压滤机隔膜中打入压榨水压榨，使滤饼含水率进一步降低（图１）。脱水完成后得到含水率约65%的脱水沼渣。

图1 沼渣脱水工艺

参考污泥脱水的规定，一般认为污泥比阻（SRF）在（0.981～3.924）×1012 m/kg之间或毛细吸水时间（CST）值小于20s时，进行机械脱水是较为经济与适宜的。未调理的沼渣的SRF和CST一般均大于此值，故机械脱水前须进行适当调理。

（一）Fe³⁺无机盐调理

三价阳离子有利于絮体形成团聚，因此加入此类无机盐能提高沼渣脱水性能。相对来说，铝盐生成的矾花颗粒的离散性弱，状如疏松的毛绒或浮云，但使用三氯化铁混凝后的沼渣体积是使用铝盐型混凝剂时体积的1/3～2/3，矾花颗粒更密实，不会出现粘黏滤布的现象，更易于通过高压隔膜板框压滤机滤布进行脱水。原因是三氯化铁的阳离子与沼渣颗粒的负电荷相互吸引并中和，使电荷减小，减少了粒子之间的排斥力，增加了颗粒间的吸附，减少了粒子和水分子的亲和力；另外Fe3+会在沼渣颗粒絮体表面形成一层紧密坚硬的外壳，这层紧密的外壳不仅能在机械脱水过程中将压力传递给絮体内部，还能有效防止絮体在高压时解体，增加粒子凝聚力，从而改善沼渣脱水性能。

（二）高分子絮凝剂聚合电解质调理

高分子阳离子PAM的主要作用机理是去水化作用、电中和作用和吸附架桥作用。

去水化作用。在胶体表面形成水化膜，将亲水胶体转变为憎水胶体，这是调质的关键。胶体与高分子阳离子PAM两组分之间发生活性反应或形成络合物，产生不溶性产物，从而实现沼渣的絮凝。

电中和作用。沼渣悬浮液之所以能稳定存在，很大程度上取决于粒子的带电性，电荷之间的排斥力阻止它们互相靠近，若在沼渣中加入与胶体带相反电荷的聚电解质，则可降低粒子ZETA电位（ζ电位），即会降低排斥能峰，减小扩散层厚度，使粒子相互吸引形成絮团。

吸附架桥。高分子絮凝剂把许多较小的胶体吸附起来，由于PAM多成链状，当高分子PAM链的一端吸附某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，形成“胶粒—高分子—胶粒”的絮凝体，通过相互结合的桥梁作用，形成更大的絮凝颗粒。

通过Fe3+无机盐调理与高分子絮凝剂聚合电解质调理相互作用，改变沼渣的性质，使沼渣中的结合水尽可能地转化为自由水，从而有助于提高后续高压隔膜板框压滤机的脱水效果，最终保证脱完水后得到含水率65%左右的脱水沼渣。需要指出的是，调理沼渣仅仅是通过改变沼渣颗粒的结构或者沉降性加快脱水速率，却不改变最终脱水程度。

四、沼渣脱水系统工艺参数及运行

以采用“三氯化铁与PAM絮凝剂调理+高压隔膜板框压滤”沼渣脱水系统的国内某生物质综合处理厂为例，沼渣脱水系统采用高压隔膜板框压滤机对餐厨垃圾、粪污以及动物固废等有机垃圾厌氧发酵后的沼渣进行脱水处理。沼渣脱水前将31%三氯化铁溶液加入调理罐内，加药量约为沼液量的2.1%，调理罐内置搅拌机对沼渣进行均质搅拌，对沼液进行充分调理；进入高压隔膜板框压滤机前，将配置成的0.15%～0.18%的PAM溶液通过管道混合加药形式与液态沼渣充分反应絮凝，PAM固体加药量约为沼液量的0.013%。该系统运行三年来，运行效果稳定，脱水后沼渣的含水率在65%左右，排放沼液化学需氧量（COD）约4000mg/L左右（图2）。

图2 脱水后的沼渣

根据2022年度1—11月實际运行数据表明，进入厌氧系统的浆料总固体（TS）浓度一般控制在10%～12%，浆料TS中有机质占比（VS/TS，VS为挥发性固体）达到90%以上；经过厌氧发酵后，出料沼渣TS约为 2.6%，VS/TS≈48%，总体有机质降解率约为86%（图3）。由于颗粒中的有机物含量能够显著影响沼渣网络强度和结合水含量，因此需要厌氧发酵将VS/TS降得尽可能低，对沼渣脱水性能的提高才会更有帮助。随着厌氧发酵过程使得VS不断被溶解或去除，导致结合水得到释放，沼渣变得更为松散，流动性能加强，引起脱水能力的提升。