濕熱水解技術(shù)協(xié)同處理廚余垃圾與果蔬垃圾的工程應(yīng)用

劉 歡, 陳 朝

（北京潔綠環(huán)境科技股份有限公司，北京 102299）

0 引言

廚余垃圾是由居民小區(qū)分類出來的有機(jī)垃圾，在生活垃圾中占比為40% ～60%[1-2]。 因其具有含水率高、有機(jī)物含量高、易腐敗、熱值低、營養(yǎng)豐富、有害成分少等特點(diǎn)[3-4]。 故經(jīng)過處理后可轉(zhuǎn)化成很好的資源，而且源源不斷，但若不經(jīng)處理，將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生極大的危害[5-6]。 厭氧消化處理因具有將有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化成沼氣，且運(yùn)行成本低等特點(diǎn)，成為廚余垃圾處理的首選工藝[7-8]。 但我國廚余垃圾由于分類不徹底及成分復(fù)雜，需先進(jìn)行預(yù)處理以滿足厭氧消化進(jìn)料的要求。在預(yù)處理工藝中，如何增加漿液中的有機(jī)質(zhì)溶入量，追求沼氣產(chǎn)量最大化，并達(dá)到殘?jiān)可?，運(yùn)行工藝穩(wěn)定，是當(dāng)前廚余處理的一大難題。

廚余濕熱水解處理是在密閉環(huán)境下，將廚余垃圾通過高溫高壓加熱，消除有毒有害物質(zhì)，降低油脂含量，提高其可溶解性有機(jī)質(zhì)含量和可生物降解性與產(chǎn)氣率[9]。 趙越等[10]研究表明，濕熱水解預(yù)處理可有效提高餐廚廢棄物液相的生物可利用性，進(jìn)而提高厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效率。 楊煜強(qiáng)[11]研究發(fā)現(xiàn)，熱水解可釋放廚余垃圾中被束縛的水分并改善其脫水預(yù)處理性能。 王攀等[12]研究發(fā)現(xiàn)濕熱處理后餐廚垃圾的理化性質(zhì)有明顯變化，日產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)氣量及TS和VS 的去除率明顯升高。王宇卓等[13]研究發(fā)現(xiàn)濕熱法處理廚余垃圾，可顯著降低其中油脂和鹽分含量。劉伊等[9]研究表明，濕熱水解預(yù)處理技術(shù)可消除廚余垃圾中大部分有毒有害物質(zhì)，降低其油脂含量，提高大分子有機(jī)質(zhì)溶解性。

為更好地應(yīng)用高溫濕熱水解工藝處理廚余垃圾，以某廚余垃圾和果蔬垃圾濕熱水解處理項(xiàng)目為例，對(duì)濕熱水解處理技術(shù)的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和處理效果進(jìn)行總結(jié)，以期為今后的項(xiàng)目設(shè)計(jì)和運(yùn)營提供相關(guān)借鑒。

1 濕熱水解工藝

廚余垃圾的濕熱水解處理工藝包括濕熱水解系統(tǒng)、立式壓榨系統(tǒng)、厭氧消化系統(tǒng)、沼氣利用系統(tǒng)、沼液處理系統(tǒng)及除臭系統(tǒng)。 廚余垃圾經(jīng)稱重后卸入原料倉內(nèi)，由抓斗輸送至濕熱水解罐。沼氣鍋爐產(chǎn)生的高溫、高壓飽和蒸汽通入濕熱水解罐內(nèi)，濕垃圾經(jīng)過濕熱水解反應(yīng)，將垃圾中的可生物降解有機(jī)物溶解入液相。經(jīng)立式壓榨，分離形成高濃度的有機(jī)漿液與固相殘?jiān)?，有機(jī)漿液進(jìn)入?yún)捬跸到y(tǒng)產(chǎn)生的沼氣經(jīng)凈化后供沼氣鍋爐燃燒利用。 厭氧沼渣和沼液脫水進(jìn)入沼液處理系統(tǒng)處理達(dá)標(biāo)后排入污水管網(wǎng)。 固相殘?jiān)?脫水沼渣及沼液處理系統(tǒng)中脫水污泥外運(yùn)至生活垃圾焚燒廠，協(xié)同焚燒處置。各系統(tǒng)的臭氣收集后送至除臭系統(tǒng)處理達(dá)標(biāo)排放。

2 廚余、果蔬垃圾濕熱水解處理系統(tǒng)

某地廚余垃圾、 果蔬垃圾濕熱水解處理系統(tǒng)的工藝流程，見圖1。

圖1 某地廚余垃圾、果蔬垃圾濕熱水解處理項(xiàng)目工藝流程

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理濕垃圾量為150 t/d（廚余垃圾量和果蔬垃圾量分別為100 和50 t/d）。 廚余垃圾主要為城市小區(qū)居民分類后的濕垃圾，果蔬垃圾主要來自農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。對(duì)濕垃圾來料進(jìn)行取樣檢測(cè)，濕垃圾各組分的平均占比，見表1。

表1 濕垃圾組分平均占比 %

2.1 濕熱水解+立式壓榨系統(tǒng)

濕熱水解系統(tǒng)由垃圾抓斗、 進(jìn)料斗及濕熱水解罐設(shè)備等組成。濕熱水解系統(tǒng)前端無破碎、篩分等設(shè)備，通過抓斗直接上料。 廚余垃圾在溫度為160 ～170 ℃、 壓力為0.5 ～0.7 MPa 條件下，保持30 ～40 min，即可發(fā)生熱水解反應(yīng)，摧毀動(dòng)植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使固形物、大分子發(fā)生水解，固液分離效果和生物降解性得到顯著改善，以便于厭氧資源化利用。

“熱水解+壓榨”系統(tǒng)示意見圖2。由圖2 可以看出，熱水解反應(yīng)采用立式罐體，無攪拌設(shè)備，利用底部導(dǎo)入高壓蒸汽，蒸汽自下而上，達(dá)到物料受熱均勻的效果，蒸汽使用量為廚余垃圾量的20%，每一個(gè)罐內(nèi)泄壓二次蒸汽供相鄰熱水解罐再次利用，物料在熱水解罐內(nèi)停留時(shí)間為2 ～3 h。

圖2 “熱水解+壓榨”系統(tǒng)示意

立式壓榨機(jī)作用是將熱水解后的廚余垃圾推入一個(gè)布滿網(wǎng)孔的腔室中，液壓油缸推動(dòng)活塞豎向運(yùn)動(dòng)，使垃圾中的有機(jī)漿料擠出網(wǎng)孔，大粒徑干物質(zhì)如木質(zhì)素、編織物、塑料袋、金屬等留在空腔內(nèi)，由腔室另一端排出，實(shí)現(xiàn)固液分離。壓榨設(shè)備內(nèi)無旋轉(zhuǎn)部件僅是物理壓縮過程，可適應(yīng)復(fù)雜性質(zhì)的物料固液分離，而不被塑料、織物、編織繩等軟性雜物纏繞。

受熱水解效果的影響，立式壓榨在壓力為5 ～10 MPa 條件下，固相物料含水率低于60%。 有機(jī)漿液（TS）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于10%，漿液中因含有部分小纖維、塑料碎片、碎玻璃、小石砂等物料，在進(jìn)厭氧前采用格柵預(yù)處理去除。

項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，“濕熱水解+立式壓榨”系統(tǒng)對(duì)廚余垃圾減量化大于75%，立式擠壓固相處理量約30 t/d 左右，占來料量的20%，固體殘?jiān)饕獮樗芰稀⒖椢铩⒛局竦瓤扇嘉锖筒糠譄o機(jī)物，低位熱值高，大于5 860 kJ/kg，可直接通過焚燒技術(shù)進(jìn)行能源利用。

2.2 厭氧消化系統(tǒng)

有機(jī)垃圾經(jīng)過熱水解與立式壓榨產(chǎn)生的有機(jī)物濃漿溫度在60 ℃以下，ω（TS）一般在10%～15%之間，故有機(jī)物濃度高，經(jīng)濕熱水解后，可生化性能好，厭氧消化產(chǎn)沼氣率高，停留時(shí)間更短。

在該濕熱水解處理項(xiàng)目中，采用高濃度濕式厭氧罐（有效容積為3 000 m3）。 厭氧罐的頂部設(shè)置沼氣儲(chǔ)柜，通過外循環(huán)泵與側(cè)攪拌對(duì)反應(yīng)器內(nèi)物料進(jìn)行攪拌，采用中溫厭氧發(fā)酵，通過外循環(huán)水換熱保證溫度恒定，反應(yīng)器內(nèi)溫度控制在（35±2）℃。 厭氧沼氣進(jìn)沼氣儲(chǔ)柜暫存，沼渣沼液進(jìn)沼液池，由疊螺脫水機(jī)脫水。

厭氧消化系統(tǒng)進(jìn)水量為140 ～150 m3/d，通過對(duì)厭氧進(jìn)水及沼渣沼液的脫水清液檢測(cè)，COD 去除率大于80%，原生垃圾產(chǎn)沼氣量為70 ～80 m3/t。 厭氧消化系統(tǒng)進(jìn)、出水情況，見表2。

表2 厭氧消化系統(tǒng)進(jìn)、出水指標(biāo)均值

2.3 沼氣凈化、利用系統(tǒng)

厭氧消化系統(tǒng)沼氣產(chǎn)量為11 000 ～12 000 m3/d，甲烷體積分?jǐn)?shù)大于60%，H2S 質(zhì)量濃度小于4 g/m3。沼氣凈化系統(tǒng)采用“濕法脫硫+干法脫硫”工藝，沼氣凈化系統(tǒng)流程示意見圖3。

圖3 沼氣凈化系統(tǒng)流程示意

由圖3 可以看出，該系統(tǒng)主要由濕法脫硫塔、富液泵、貧液泵、溶劑再生塔、硫磺溶劑泵、脫水板框、干法脫硫塔等組成。 沼氣在濕法脫硫塔中與絡(luò)合鐵催化劑溶液接觸，H2S 轉(zhuǎn)化成固體硫磺，隨絡(luò)合鐵催化劑溶液排出，在溶劑再生塔實(shí)現(xiàn)絡(luò)合鐵催化劑溶液再生，硫磺由板框脫水后儲(chǔ)存。當(dāng)濕法脫硫系統(tǒng)故障時(shí)，啟用干法脫硫塔，采用氧化鐵脫硫。

沼氣脫硫至H2S 質(zhì)量濃度小于20 mg/m3，約1/3的沼氣被用于鍋爐燃燒，產(chǎn)生的蒸汽供濕熱水解利用；剩余的沼氣用于發(fā)電，由廠區(qū)自用。

2.4 沼液處理系統(tǒng)

系統(tǒng)的污水來源主要為厭氧消化殘液脫水后的沼液和廠區(qū)生產(chǎn)污水，設(shè)計(jì)規(guī)模為150 m3/d，由于垃圾原料成分復(fù)雜，導(dǎo)致厭氧消化脫水后的沼液成分具有含油、含砂、SS 含量高、營養(yǎng)元素比例失調(diào)、季節(jié)性變化等特點(diǎn)。 污水預(yù)處理設(shè)計(jì)的“格柵+隔油池+氣浮機(jī)”處理工藝可去除其中較大粒徑懸浮顆粒物，降低了來水中SS 及油脂含量。 主工藝采用“MBR+NF”膜處理技術(shù)，濃液采用“高級(jí)氧化+混凝沉淀”工藝，出水水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值見表3。由表3 可以看出，經(jīng)過處理的污水水質(zhì)達(dá)到GB/T 31962—2015《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》4.2.1 A 級(jí)的規(guī)定。

表3 出水水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值

2.5 除臭系統(tǒng)

處理廚余垃圾和果蔬垃圾過程中產(chǎn)生的臭氣物質(zhì)主要由碳、氮、硫元素組成，主要成分為NH3、H2S，還有少量甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫及胺類、醛類、酮類、醚類、鹵代烴及脂肪族的、芳香族的、雜環(huán)的氮或硫化物等。 因系統(tǒng)各處理環(huán)節(jié)產(chǎn)生的臭氣濃度不同，分別在卸料大廳和熱水解設(shè)備車間設(shè)計(jì)較高的換風(fēng)頻率，在立式壓榨設(shè)備上設(shè)計(jì)除臭管道接口，以保持設(shè)備內(nèi)微負(fù)壓狀態(tài)。

除臭系統(tǒng)采用“化學(xué)洗滌+生物濾池”工藝，主要包括臭氣收集管道、酸洗塔、堿洗塔、生物濾池、除臭風(fēng)機(jī)和排放塔等，除臭系統(tǒng)流程示意見圖4。 由圖4可以看出，收集的各系統(tǒng)臭氣先入酸洗塔中以去除NH3等堿性廢氣，后經(jīng)堿洗塔去除H2S 等酸性氣體，在生物濾池中，由附著在生物填料上的微生物通過新陳代謝作用降解臭氣。 經(jīng)過處理后的臭氣達(dá)到GB 14554—1993《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的廠界二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及排氣筒高度高于15 m 排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 除臭系統(tǒng)流程示意

3 經(jīng)濟(jì)分析

該項(xiàng)目總占地面積為6 398.55 m2，總裝機(jī)功率為1 027 kW，工藝運(yùn)行人員共18 人。 “熱水解+壓榨”脫水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為16 h/d；厭氧系統(tǒng)、除臭系統(tǒng)、污水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為24 h/d。日耗水量約60 m3，日耗電量約8 980 kW·h，藥劑消耗：PAM 為75 kg/d，硫酸為30 kg/d，鹽酸為2.5 kg/d，氫氧化鈉為60 kg/d，碳酸鈉為3.5 kg/d，絡(luò)合鐵藥劑為4 L/d，消泡劑為2 kg/d 等。 不考慮維護(hù)、折舊及管理費(fèi)用，直接處理成本約160 元/t。

垃圾資源化產(chǎn)生的沼氣部分可用作鍋爐燃燒，產(chǎn)生的蒸汽供濕熱水解系統(tǒng)利用，剩余約6 000 ～7 000 m3/d 沼氣可發(fā)電自用。項(xiàng)目產(chǎn)生約30 t/d 的殘?jiān)?，因熱值高、含水率低、生物可降解度低，可依托就近的垃圾焚燒發(fā)電廠最終處置。

4 結(jié)論

采用濕熱水解技術(shù)協(xié)同處理廚余垃圾與果蔬垃圾可適應(yīng)多種復(fù)雜組分的垃圾原料，無需破碎、篩分，殘?jiān)a(chǎn)率低僅為原生垃圾的20%左右，且含水率小于等于60%，低位熱值大于5 860 kJ/kg，具有較好的能源利用價(jià)值。 且原垃圾厭氧產(chǎn)沼氣量高達(dá)70 ～80 m3/t，甲烷體積分?jǐn)?shù)高于60%，屬于潔凈的生物質(zhì)能源。 高溫、高壓熱水解反應(yīng)可消滅病原菌，是一種無害化、資源化的垃圾處理技術(shù)，推廣價(jià)值高。