垃圾分類對生物能源再利用的影響分析

聶劍文

(上海老港固廢綜合開發有限公司，上海 200060)

1 引言

我國餐廚垃圾產量巨大，幾乎為生活垃圾產量的一半，且餐廚垃圾成分復雜，有機質含量高，易降解、易腐敗，具有一定的污染空氣、土壤及水源的危害性[1～3]。2019年7月1日上海市全市推行垃圾強制分類，開始實施《上海市生活垃圾管理條例》。目前上海市餐廚垃圾產量大于9000 t/d，已超出“十三五”規劃的餐廚垃圾日處理能力7000 t/d。由于餐廚垃圾具有水分高、鹽分大等特點，新增的餐廚垃圾若直接運往生活垃圾焚燒廠或生活垃圾衛生填埋場實施處置，不僅會對焚燒廠和填埋場等終端處置設施造成嚴重的安全風險與環境隱患，亦違背了《上海市生活垃圾管理條例》規定的“全程分類、資源化利用”的要求。所以充分挖掘現有餐廚垃圾處理設施的處置潛力，統籌緩解餐廚垃圾的處置壓力，是可以嘗試的途徑[4～6]。本文以上海老港餐廚垃圾處理廠(上海生物能源再利用項目)為例，定量分析垃圾分類后餐廚垃圾組分性狀的變化及其對預處理工藝和主體厭氧工藝的的沖擊影響，為類似已建餐廚垃圾處理設施的提標擴能提供參考。

2 垃圾分類特征

隨著上海市垃圾分類工作的穩步推進，廚余垃圾物化特性不僅發生了較大的變化，且進入本項目的廚余垃圾無法區分居民區廚余垃圾與集貿市場廚余垃圾，廚余垃圾分類前后性質變化詳見表1。垃圾分類后廚余垃圾雜質含量大幅降低，含水率和含油率均顯著增加。

表1 分類前后廚余垃圾性質對比表

餐飲垃圾物化特性，自從垃圾分類監管力度加強后出現顯著變化，雜質含量大幅降低，餐飲垃圾分類前后性質變化詳見表2。

表2 分類前后餐飲垃圾性質對比表

考慮垃圾分類后物料特性的上述變化，針對餐廚垃圾含水率普遍增大、有機質含量顯著增加、雜質含量明顯減少的特點，經物料平衡重新核算，如餐飲垃圾、廚余垃圾預處理后的有機物全量進入后續厭氧系統，濕式厭氧系統共需設置7座濕式厭氧罐，干式厭氧系統共需設置3座干式厭氧罐，而厭氧系統規模的擴大會相應導致后端脫水系統、沼渣干化系統、沼氣預處理系統、沼氣利用系統規模的同步擴能。若上述系統均按實際產量進行擴大，全廠平面布置、單體布置均需進行調整，項目工期將大幅拖后。垃圾分類前后主體工藝配置詳見表3。

表3 分類前后主體工藝配置對比

為最大程度地減少餐廚垃圾后端處置設施的重大調整，以確保原主線系統的正常運行，本次僅對預處理系統進行優化調整，厭氧系統及后續系統設備配置受項目總投資限制，將通過在后續建設項目或技改項目中補缺完善。

3 垃圾處理流程

上海生物能源再利用項目建設規模為1000 t/d，其中餐飲垃圾400 t/d，廚余垃圾600 t/d，工程選址于上海市老港生態環保基地，占地約127畝，服務于上海市黃浦區、徐匯區、長寧區、楊浦區、虹口區、靜安區等中心城區；工程采用“預處理+協同厭氧消化產沼”主體工藝，包括以下幾大系統：餐飲垃圾預處理系統、廚余垃圾預處理系統、濕式厭氧及脫水系統、干式厭氧及脫水系統、沼氣凈化及存儲系統、沼氣鍋爐及換熱系統、沼氣發電系統、沼渣干化系統。為充分發揮基地設施及資源統籌的優勢，本工程的脫水沼渣送入基地焚燒廠焚燒處置，沼液送入廠址西側附近的老港滲濾液處理廠二期工程處置后達標外排。

3.1 餐飲垃圾預處理

餐飲垃圾預處理規模為400 t/d，包括接收輸送系統、分選制漿系統、除砂除輕飄物系統、油水分離系統。

餐飲垃圾預處理工藝流程描述如下：餐飲垃圾經運輸車輛運至廠內，過磅稱重后的物料由車輛運至綜合預處理車間卸料大廳，運輸車輛將餐飲垃圾卸入螺旋接收料斗中，餐飲垃圾中的游離水進入瀝水坑，固相物料通過無軸螺旋輸送機送至大物質分揀機，大物質分揀機將物料中60 mm以上雜物篩除外運處置，余下物料輸送至精分制漿機，將物料破碎分選，將物料中粒徑大于20 mm的雜物分離出系統，如瓶蓋、筷子小粒徑雜物及塑料、紙張等輕質雜物，雜物外運處置。20 mm以下的物料經精分制漿機制成8 mm以下漿料，泵送入除砂除輕飄物質系統。除砂除輕飄物系統將物料中的重物質如貝殼、玻璃、瓷片、砂石等以及細碎纖維等去除，除砂除輕飄物后的漿液進入中間儲池后泵送入油水分離系統。油水分離采用加熱離心提油工藝，即精分制漿出料先經臥離進料器，通過蒸汽直噴加熱至55～65 ℃后送入臥式離心機進行三相分離，分離出三種物料——水相、渣相、輕相(油水混合物料)；輕相經輸送泵送至立離進料器，通過蒸汽直噴加熱至80～90 ℃后，進入立式離心機進行立式分離提油；水相和渣相暫存于混漿池，泵送入濕式厭氧發酵系統；經分離出的粗油脂暫存至室外毛油儲罐，定期外運。

3.2 廚余垃圾預處理

廚余垃圾是指居民區經分類后產生的廚余果皮以及集貿市場分類后產生的廚余果皮。廚余垃圾預處理系統處理規模為600 t/d，其中包括400 t/d居民區廚余垃圾和200 t/d集貿市場廚余垃圾，處理系統主要包括接料粗破系統、廚余篩分系統和出渣系統。

根據調研，居民區廚余垃圾與集貿市場的廚余垃圾性質略有區別。兩種物料采用不同的預處理工藝，居民區廚余垃圾含水率按65%設計，預處理工藝采用“人工分揀→粗破碎機→磁選→篩分裝置→磁選→細破碎機”后進入干式厭氧系統；集貿市場廚余垃圾純度較居民區廚余垃圾高，含水率按75%設計，采用“人工分揀→粗破碎機→細破碎機→精分制漿機→除砂裝置”后進入濕式厭氧系統。

3.3 厭氧工藝概述

濕式厭氧系統采用中溫厭氧消化工藝，配置4座CSTR厭氧消化反應器，均采用機械攪拌，設計溫度35～38 ℃，進料含固率8%～18%，進料粒徑≤8 mm，進料有機質含量≥85%，容積負荷2～4 kgVS/(m3·d)，水力停留時間35 d，單罐有效容積4900 m3，單罐處理能力140 t/d。沼液脫水配備6臺離心脫水機，單機脫水能力8～13 m3/h。

干式厭氧系統采用高溫厭氧消化工藝，配置2座水平臥式鋼制厭氧反應器，采用縱向單軸機械攪拌，設計溫度55 ℃，進料含固率約25%～35%，進料粒徑≤50 mm，進料有機質含量≥65%，容積負荷6～10 kgVS/(m3·d)，水力停留時間18～21 d，單罐有效容積2250 m3，單罐處理能力約110 t/d。

4 垃圾處理項目運行情況

4.1 餐飲預處理系統運營情況

餐飲預處理系統自2019年10月24日開始進料，根據生產記錄，自11月份始，除來料不穩定等因素外，餐飲預處理系統基本處于滿負荷運營狀態(單線≥150 t/d)，每日餐飲垃圾處理量≥600 t/d，出渣率基本穩定在37%～38%之間，毛油出產率穩定在3%～4%之間，如圖1所示。

圖1 餐飲預處理系統生產運營情況

4.2 廚余預處理系統運營情況

廚余預處理系統自2019年12月10日開始進料，根據生產記錄，自12月16日始，除來料不穩定等因素外，廚余預處理系統基本處于滿負荷運營狀態(單線≥300 t/d)，每日廚余垃圾處理量≥500 t/d，系統運行穩定，如圖2所示。

圖2 廚余預處理系統生產運營情況

4.3 濕式厭氧系統運營情況

濕式厭氧系統自2019年10月27日開始進料，截至2020年1月14日，濕式厭氧系統累計消納餐飲/廚余垃圾的漿料13170 t，累計產生沼氣約83.8萬Nm3，不考慮系統運營前期沼氣排空等情況，漿料沼氣產生率平均為63.6 Nm3/t，如圖3所示。

圖3 濕式厭氧系統進料情況

5 結語

上海市實施垃圾分類以來，餐廚垃圾有機質含量顯著增加、雜質含量明顯減少，預處理產生的有機漿料產率大幅增長，針對垃圾分類后餐廚垃圾的成分變化，增設了擠壓脫水、固渣超越工藝環節，有利于干式和濕式厭氧協同處理能力的靈活調配。試生產效果顯示，增設上述工藝環節合理有效。針對垃圾分類后餐廚垃圾的高含有機質、高含水率的特性，采用厭氧消化處理工藝合理可行。本項目采取“濕式厭氧+干式厭氧協同處理”工藝具有運行穩定可靠、減少污水處理量、節約成本等顯著特點，且有示范意義。