污泥和餐廚垃圾協同處理工程厭氧消化系統的啟動調試

陳小華

(上海同濟普蘭德生物質能股份有限公司，上海 200092)

餐廚垃圾，是從事餐飲服務、集體供餐等活動的單位在生產經營過程中產生的食物殘余和廢棄食用油脂，其特點是含水率高、有機物含量豐富，易腐爛變質，散發惡臭，傳播細菌和病毒。2014年7月，鎮江市入選第四批餐廚垃圾資源化利用和無害化處理試點城市[1]。鎮江市餐廚垃圾采用與城市污水廠污泥協同處理工藝。城市污水處理廠污泥和餐廚垃圾協同處理，是利用一套設施處理兩種廢棄物，提高產氣效率，提升工程效益。

鎮江市餐廚垃圾及城市污水廠污泥協同處理項目2016年12月進入代運維階段，2017年12月代運維工作結束。厭氧消化系統性能滿足工藝要求，運行穩定，目前已經全部移交給業主運行維護。本項目作為國內首個采用城市污水廠污泥和餐廚協同處理的工程項目，其厭氧消化系統的啟動調試經驗可供類似工程參考。

1 項目簡介

1.1 設計規模

本項目建于鎮江市京口污水處理廠污泥處理工程預留用地，總用地面積約3×104m2，設計規模為：餐廚垃圾140 t/d，其中餐廚垃圾120 t/d(含水率以85%計)、廢棄油脂20 t/d；城市污水廠污泥為120 t/d(含水率以80%計)。

1.2 厭氧消化系統工藝設計參數

本項目建有4座厭氧罐，單座有效直徑為16 m，有效容積為2 700 m3。厭氧消化工藝采用中溫(38±2 ℃)高含固厭氧消化。設計停留時間約為20 d，有機物降解率>40%，沼氣產量約10 000 m3/d，容積產氣率約為0.9 m3/m3。厭氧罐產生的沼氣經除雜、脫水、增壓后儲存于2 000 m3的雙膜沼氣柜中。

1.3 工藝流程圖

本項目工藝流程如圖1所示。鎮江市主城區、丹陽市、揚中市和句容市等區域的餐廚垃圾經餐廚車制漿收集后送入廠區餐廚料倉，然后通過螺桿泵直接泵入厭氧罐。征潤州污水處理廠、京口污水處理廠和丹徒污水處理廠的污泥經脫水至含水率為80%左右進入污泥料倉，然后經污泥高溫熱水解系統處理后，再進入厭氧罐。產生的沼氣經收集、處理、提純后一部分用于沼氣鍋爐，多余的并入市政天然氣管網。厭氧消化液采用兩級脫水(螺旋機和直接壓濾式污泥深度脫水)，第一級和第二級分別將沼液的含水率降低到80%和60%左右。脫水污泥經太陽能干化后用于苗木種植。

圖1 鎮江市餐廚垃圾及城市污水廠污泥協同處理項目工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Zhenjiang Co-Digestion Project of Kitchen Waste and Sewage Sludge Disposal

1.4 項目調試和運行情況

本項目2016年4月完成厭氧罐的滿水試驗和氣密性測試，2016年5月完成單機調試和清水聯動，2016年6月開始厭氧罐的加溫、接種調試，2016年9月4個厭氧罐全部正常啟動。

由于餐廚垃圾難于收取，目前，本項目總處理量不到200 t/d。經厭氧消化后，城市污水處理廠污泥和餐廚垃圾中的大部分致病菌被殺死，有機物的降解率>50%，每天產生沼氣經提純后可產生幾千立方米的生物天然氣，厭氧消化液經脫水和干化后，沼渣的含水率降低到40%以下。采用協同處理后，可實現廢棄物的無害化、穩定化、減量化和資源化。因此，本項目的工藝路線具有較大的實際應用價值，值得推廣。

2 調試步驟和流程

2.1 調試步驟

厭氧消化系統調試可以分為以下幾類：單機調試、清水調試、熱水調試(包括厭氧罐加熱過程)、進泥調試(接種馴化產氣調試)和沼氣調試等。

2.2 調試流程

由于厭氧消化系統(包含厭氧罐、加溫系統、沼氣系統)設備眾多，各個單元的調試時間相互交錯，因此調試工作變得十分復雜。本項目調試流程如圖2所示。

圖2 厭氧消化系統調試流程圖Fig.2 Commissioning Test Flow Chart of Anaerobic Digestion System

3 厭氧消化系統啟動

3.1 加溫

對于大中型沼氣工程來說，厭氧罐的體積是幾千甚至上萬立方米，加溫和接種沒有嚴格的先后順序，可先加溫再接種，也可先接種再加溫，還可以同步加溫和接種。本項目1#厭氧罐采用先加溫后接種再進料，后面幾個厭氧罐采用同步接種和加溫。

加溫的能耗主要體現在兩個方面：一是將物料(啟動初期主要是水)加熱到工藝所需溫度；二是補償厭氧罐的散熱。在初期啟動時，本項目采用天然氣為蒸汽鍋爐供能給厭氧罐加溫。蒸汽直接通入污泥高溫熱水解系統加溫熱水，然后超越進入厭氧罐中。

為降低啟動過程中加溫的能耗，本項目安排在夏季溫度較高的時候啟動厭氧罐。厭氧罐在調試啟動過程中的能耗，主要是補償厭氧罐的散熱和物料的加溫。如厭氧罐采取有效的保溫措施，啟動過程中的能耗主要以物料的加溫為主。本項目厭氧罐采用160 mm厚的超細玻璃棉進行保溫，有良好的保溫效果。根據鎮江的氣候條件以及本項目的工藝控制溫度(38±2 ℃)，經估算，本項目夏季高溫時啟動比冬季低溫時啟動節省能耗約50%～70%。

加溫過程中一是要保證水源的供應，二是要保證蒸汽的供應。

3.2 接種

厭氧罐在啟動初期加入接種物可以加快厭氧罐的啟動。接種物可采用城市污水廠厭氧消化污泥、正常運行的沼氣工程的沼渣、池塘底泥、牛糞等(圖3)，也可直接利用城市污水廠污泥馴化擴大培養[2]。

本項目厭氧罐的啟動接種物采用一個牛糞沼氣工程的沼液和新鮮牛糞。厭氧罐啟動時，TS濃度不宜過高，本項目按5%計。接種量越大，啟動越快，本項目接種量按厭氧罐體積的10%～30%投加。接種物先啟動1#厭氧罐，然后利用1#厭氧罐的溢流物接種2#厭氧罐，最后用1#和2#厭氧罐的溢流物啟動3#和4#厭氧罐。

圖3 常見的接種物Fig.3 Common Inoculum

3.3 進料和攪拌

加溫和接種完成后，可逐步給厭氧罐進料。本項目啟動調試時進料安排如表1所示。

表1 單個厭氧罐進料安排表

高含固率厭氧消化時，污泥需經過高溫熱水解預處理，降低污泥的黏滯度，提高攪拌混合效果。污泥高溫熱水解可以破裂微生物細胞壁、溶出污泥有機質、降低污泥黏滯度、增強污泥流動性，從而提高后續厭氧消化的效率，實現徹底殺菌衛生化。在調試啟動初期，污泥高溫熱水解系統一般不啟動，污泥直接進入厭氧罐中。本項目厭氧罐采用2臺穿壁式攪拌機，其中一臺攪拌機帶導流筒，還配置一臺氣液混合泵輔助攪拌。攪拌采用間歇運行，自動控制模式，可根據需求靈活調整。

3.4 分析檢測

厭氧罐啟動調試過程中，需要定期檢測各項數據。主要檢測的數據有：產氣量、溫度、pH、揮發性有機酸(VFA)、堿度(ALK)等[3]。厭氧罐啟動調試過程中，如果進料控制不當，負荷過高，厭氧罐可能會出現“酸化”。特別是本項目采用污泥和餐廚垃圾協同處理，餐廚垃圾有機物含量高，極易“酸化”。厭氧罐啟動調試時主要的指標和參數如表2所示。當厭氧罐相關指標出現異常時，可適當降低進料甚至停止進料，避免“酸化”。

表2 厭氧罐啟動調試主要指標和參數表

厭氧罐啟動成功主要體現在以下幾個方面[3-5]：一是厭氧罐中料液的各項指標，如pH、VFA和ALK等幾項工藝運行參數在表2的允許范圍內；二是厭氧罐內料液溫度達到工藝控制溫度；三是厭氧罐進料后所產生的沼氣甲烷含量>50%。甲烷含量可采用氣體成分分析儀分析測試，在實際工程中，甲烷含量可采用取樣點火測定(圖4)。一般情況下，當甲烷含量超過50%時，取樣沼氣可直接點火。沼氣點火成功標志著厭氧罐啟動成功。

圖4 沼氣取樣點火Fig.4 Biogas Sampling Lgnition

4 沼氣置換

甲烷是沼氣的主要成分，其在空氣中的爆炸極限是5%～15%(體積比)[6]。在厭氧罐啟動調試過程中，隨著沼氣產量的不斷增加，存在著爆炸的危險。因此，在大中型沼氣工程中為確保調試過程的安全，需要進行沼氣置換。

4.1 厭氧罐集氣區

本項目厭氧罐帶有氣囊，集氣區在啟動初期含有大量的空氣。隨著沼氣的不斷產生，所產生的沼氣和集氣區空氣不斷混合，氣囊會逐步升高。采用氮氣置換操作困難，且需要的氮氣量較大；厭氧罐集氣區直接采用沼氣置換，即當氣囊上升到一定高度后，手動開啟緊急排放裝置放空氣囊的混合氣體。排放多次后，確保所產沼氣中甲烷含量>50%，沼氣即可輸送到后續處理單元。

4.2 沼氣管路和沼氣系統相關設備

本項目所產生的沼氣提純后一部分用于沼氣鍋爐，一部分進入天然氣管網，緊急情況下還可以送入沼氣火炬系統直接燃燒。沼氣管路、過濾器、凝水罐、沼氣提純系統等都含有大量的空氣，在調試沼氣提純、沼氣鍋爐和火炬系統時也存在著爆炸的危險。為確保調試過程的安全，沼氣管路和沼氣系統相關設備里面的空氣采用氮氣置換。本項目采用氮含量>99.9%的液氮進行置換。在置換過程中，控制注氮溫度、速度和壓力，盡量低位通入氮氣，高位排出氮氣。在沼氣管路和沼氣相關系統末端取樣檢測，當氧含量降低到2%以下時，氮氣置換合格[7]。

5 安全措施

在調試過程中，存在著沼氣爆炸、沼氣中毒、高處墜落、觸電和機械傷害等風險。針對這些風險，調試過程均應采取相應的措施。沼氣爆炸主要防范措施是合理劃分防爆區[3]，沼氣中毒主要是給調試過程中相關人員進行安全教育。

5.1 防爆區劃分

本項目厭氧罐有氣囊，厭氧罐和雙膜沼氣柜的爆炸危險區域等級和范圍劃分如圖5所示。

圖5 厭氧罐和雙膜沼氣柜的爆炸危險區域等級和范圍劃分Fig.5 Classification and Scoping of Explosion Hazardous Area for Anaerobic Digester and Bi-Membrane Gasholder

(1)厭氧罐外部罐壁上半部外4.5 m以內、雙膜沼氣柜外膜最大直徑外4.5 m以內，至罐或柜頂最高點以上7.5 m的范圍，設為2區；(2)厭氧罐氣囊與罐頂之間，雙膜沼氣柜內外膜之間設為1區。

5.2 H2S中毒

沼氣中一般含有少量的硫化氫(H2S)。H2S是一種強烈的神經毒物，對黏膜有一定的刺激作用，易引起角膜炎，與人體細胞色素氧化酶中的鐵作用，引起組織缺氧而造成呼吸困難，大量吸入會引起肺水腫。H2S中毒的表現隨著接觸的濃度、時間可分為：輕度中毒、中度中毒、重度中毒。當H2S濃度在100 mg/L時，刺激咽喉，引起咳嗽，3～10 min會損傷嗅覺神經和人的眼睛，有輕度頭疼、惡心癥狀，脈搏加快，接觸4 h以上可能導致死亡；當H2S濃度在1 000 mg/L時，立即失去知覺，造成死亡，或造成永久性腦損傷，智力損殘；當H2S濃度在2 000 mg/L時，吸上一口，將立即死亡，難于搶救。

6 結論

厭氧消化系統的啟動調試是一個系統工程，涉及到加溫、接種、進料、攪拌、分析測試、沼氣置換和安全措施等多個環節。鎮江市餐廚垃圾及城市污

水廠污泥協同處理項目作為國內首個采用污泥和餐廚協同處理并已成功運行的項目，在厭氧消化系統的調試過程中，編制了周密的調試方案，在各方的通力合作下，3個月左右將4個總有效容積為10 800 m3的厭氧罐順利啟動調試成功。大中型沼氣工程厭氧消化調試過程中，啟動過程中的能耗費用較高，本項目在夏季高溫時啟動，據測算比冬季低溫時啟動節省能耗約50%～70%。本項目的成功經驗，可為其他類似工程厭氧消化系統的啟動調試提供借鑒和參考。

[1]黃宏偉,許峰.鎮江市試點餐廚垃圾和污泥協同處理[J].環境衛生工程,2015,23(1):7-10.

[2]賀延齡.廢水厭氧生物處理[M].北京:中國輕工業出版社,1998.

[3]大中型沼氣工程技術規范:GB/T 51063—2014 [S].

[4]周楊,高超,毛士澤,等.污泥厭氧消化池的啟動運行經驗[J].中國給水排水,2007,23 (6):91-94.

[5]宋曉雅,楊向平,王東生.大型污泥厭氧消化系統的啟動與運行調控[J].給水排水,2011,37 (3):32-34.

[6]張全國.沼氣技術及其應用[M].北京:化學工業出版社,2004.

[7]邢小旗,呂瑾紅,賈兆公,等.燃氣管線置換即反置換的安全性及經濟性分析[J].煤氣與熱力,2002,22(4):352-353,356.