某市政污水與餐廚垃圾協(xié)同處理工程設(shè)計(jì)

趙興興

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200092)

目前，我國市政污水處理行業(yè)已較為成熟，截至2020年1月，全國共有超過10 000座污水處理廠，處理能力超過22 000萬m3/d，出水標(biāo)準(zhǔn)多為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A或一級B標(biāo)準(zhǔn)。近年來，隨著水環(huán)境治理工作的大力開展，各地陸續(xù)頒布地方污水排放新標(biāo)準(zhǔn)，部分市政污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)已提升至接近地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，占比約為7%。一方面，為達(dá)到較高的排放標(biāo)準(zhǔn)，市政污水處理工藝日趨復(fù)雜，電耗不斷提高，其能源消耗的影響降低了水污染治理產(chǎn)生的環(huán)境效益；另一方面，市政污水處理后較高品質(zhì)的尾水資源化回收利用程度較低，造成了大量的資源浪費(fèi)。

目前，我國餐廚垃圾處理正處于快速發(fā)展階段，預(yù)估全國已投運(yùn)的餐廚垃圾處置項(xiàng)目已達(dá)到3萬t/d，但與理論產(chǎn)生量(約9萬t/d)相比，仍有較大缺口。由于餐廚垃圾有機(jī)質(zhì)含量高，將其資源化利用是處理的必然選擇，餐廚垃圾資源化處理主要有3種模式：厭氧發(fā)酵、好氧堆肥、飼料化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，“預(yù)處理+厭氧發(fā)酵”技術(shù)為國內(nèi)餐廚垃圾處置的主流技術(shù)；微生物好氧發(fā)酵技術(shù)、好氧堆肥技術(shù)、飼料化等因占地面積大、資源化產(chǎn)品銷路問題、同源性污染問題等而較少被采用。受制于國人的飲食習(xí)慣，國內(nèi)餐廚垃圾鹽分高、含油量大，可能會對厭氧微生物有一定抑制作用，影響系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，降低資源回收效率。而厭氧消化后的剩余沼液污染物濃度高、處理難度大，成為影響餐廚處理項(xiàng)目獲得環(huán)保審批的重要因素之一。

隨著市政用地越發(fā)緊張，處理單元的高度集約化布置已成趨勢，有必要打破污水系統(tǒng)和環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的部門壁壘，探索市政污水處理、餐廚垃圾處理等環(huán)保行業(yè)新建設(shè)思路。

目前，國內(nèi)已有將諸如餐廚垃圾、市政污泥、市政污水等有機(jī)廢棄物處理單元建設(shè)在一起的案例，如鎮(zhèn)江餐廚廢棄物處理工程建設(shè)在京口污水處理廠內(nèi)[1]；蘇州工業(yè)園區(qū)將餐廚垃圾處理、市政污水處理、市政污泥干化摻燒處理，并集中建設(shè)在園區(qū)靜脈產(chǎn)業(yè)園內(nèi)[2]。但上述工程的建設(shè)并未提前統(tǒng)一布局，不同處理單元建設(shè)屬于不同工程，基本為獨(dú)立建設(shè)，其中市政污水處理出水標(biāo)準(zhǔn)均為一級A標(biāo)準(zhǔn)，總體上有機(jī)廢棄物協(xié)同處理、高品質(zhì)資源回收利用的布局并未完全形成。

1 項(xiàng)目背景

蘇州市某污水處理廠是一座市政污水處理廠，現(xiàn)狀處理規(guī)模為2萬m3/d。本次工程在現(xiàn)狀2萬m3/d出水達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上改擴(kuò)建達(dá)到4萬m3/d，尾水排放全面達(dá)到蘇州特別排放限值(相當(dāng)于地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，TN除外)。餐廚垃圾處理單元考慮利用污水處理廠預(yù)留地建設(shè)，處理對象為餐館、飯店、單位食堂等產(chǎn)生的餐飲垃圾，處理規(guī)模為200 t/d。本工程為國內(nèi)首個(gè)集高標(biāo)準(zhǔn)市政污水處理與餐廚垃圾處理于一體的有機(jī)廢棄物處理項(xiàng)目，項(xiàng)目已于2020年開工建設(shè)。通過市政污水處理單元與餐廚垃圾處理單元合建，旨在將兩者處理后產(chǎn)生的優(yōu)質(zhì)資源充分回收利用，減少污染物排放的同時(shí)節(jié)省用地，降低處理成本。

2 工藝流程

2.1 市政污水處理單元

本次工程市政污水處理單元設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示。

圖1 市政污水處理工藝流程Fig.1 Treatment Process of Municipal Wastewater

由于進(jìn)水TN較高，為了提高脫氮的效果，生化池采用多級多段AO工藝，深度處理采用混凝反應(yīng)沉淀池以強(qiáng)化化學(xué)除磷作用，確保出水TP達(dá)標(biāo)，末端采用砂濾池深度去除水中SS。消毒工藝采用次氯酸鈉消毒，消毒后尾水可作為再生水回收利用。工藝流程如圖1所示。

2.2 餐廚垃圾處理單元

由于本工程占地面積小，距離居民區(qū)較近，廠界敏感性高，主體工藝采用工藝可靠、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)小的厭氧消化工藝。且由于餐廚垃圾中有機(jī)質(zhì)成分較高，消化的沼渣經(jīng)脫水至含水率為80%左右，送至附近污泥干化廠干化后再送至電廠協(xié)同焚燒處理。厭氧消化產(chǎn)生的沼氣可作為能源回收利用，沼液經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)入市政污水處理單元進(jìn)一步處理排放。總體工藝流程如圖2所示。

餐廚垃圾處理單元子系統(tǒng)眾多，包括餐廚垃圾預(yù)處理系統(tǒng)、厭氧消化系統(tǒng)、沼氣處理及回收利用系統(tǒng)、沼渣脫水系統(tǒng)、沼液預(yù)處理系統(tǒng)。

圖2 餐廚處理工藝流程Fig.2 Treatment Process of Food Waste

3 總平面布置

餐廚垃圾處理單元和污水處理單元利用廠區(qū)東側(cè)預(yù)留用地，并拆除現(xiàn)狀部分建構(gòu)筑物，總用地面積僅為24 500 m2。由于用地較小，所有建構(gòu)筑物盡量合建(圖3)。

餐廚垃圾預(yù)處理車間：按照工藝流程的順序，保證預(yù)處理工藝流程和物料輸送暢通，并具有良好的通風(fēng)和采光條件。

厭氧消化區(qū)[3]：主要包括厭氧消化系統(tǒng)、沼氣貯柜、沼氣處理系統(tǒng)、余氣燃燒塔等。厭氧消化區(qū)涉及防火防爆問題，需遠(yuǎn)離其他構(gòu)(建)筑物布置。

鍋爐房：根據(jù)規(guī)范要求，鍋爐房為獨(dú)立建筑物，用于沼氣回收利用。

污水處理區(qū)：沼渣脫水產(chǎn)生的上清沼液經(jīng)預(yù)處理基本達(dá)到納管標(biāo)準(zhǔn)，接著送入市政污水處理單元。沼液預(yù)處理水池與市政污水處理系統(tǒng)合建。

輔助用房：除臭系統(tǒng)、沼液預(yù)處理設(shè)備、沼渣脫水系統(tǒng)集中布置在輔助車間內(nèi)。

4 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

4.1 餐廚垃圾和市政污泥協(xié)同厭氧消化

餐廚垃圾中有機(jī)質(zhì)含量高，具有很好的厭氧消化產(chǎn)甲烷潛能，但餐廚垃圾中鹽分較高，單獨(dú)厭氧消化過程中容易發(fā)生酸抑制和氨氮抑制現(xiàn)象，造成消化過程進(jìn)行緩慢，甚至導(dǎo)致啟動運(yùn)行失敗。市政污水處理產(chǎn)生的污泥有機(jī)質(zhì)含量較低，單獨(dú)厭氧消化普遍存在C/N偏低、產(chǎn)氣率低的問題，但市政污泥中含有豐富的微生物種群和較高的堿度，有利于提高厭氧消化系統(tǒng)的處理效率和運(yùn)行穩(wěn)定性。兩者混合厭氧消化能夠稀釋鹽分濃度[4]，促進(jìn)物料的營養(yǎng)平衡，提高消化池的容積利用效率，獲得更高的單位體積進(jìn)料產(chǎn)氣量。

圖3 廠區(qū)總平面布置Fig.3 General Layout of the Plant

本工程餐廚漿料量約為16 788 kg DS/d，揮發(fā)性固體含量為90%，含水率為90.3%；市政污水處理產(chǎn)生剩余污泥量約為7 118 kg DS/d，揮發(fā)性固體含量為50%，含水率為99.2%。市政污泥經(jīng)濃縮至含水率為90%后，與餐廚漿料混合進(jìn)入消化池[5]。

本工程采用中溫厭氧消化工藝，消化溫度為33～35 ℃。根據(jù)處理規(guī)模，考慮工藝安全性，配置2座CSTR厭氧消化罐。揮發(fā)性固體容積負(fù)荷為1.2 kg VSS/(m3·d)，消化時(shí)間約為50 d，投配率為2%，消化罐總?cè)莘e為15 960 m3。

4.2 沼氣回收利用

餐廚垃圾揮發(fā)性固體消化去除率約為80%，市政污泥揮發(fā)性固體消化去除率約為40%，沼氣產(chǎn)率取0.8 m3/(kg VS)，厭氧消化可產(chǎn)生沼氣量約為10 808 Nm3(參考熱值為21 520 kJ/Nm3)，餐廚垃圾處理單元每天用電量約為10 437.00 kW·h，沼氣發(fā)電量按照2.10 kW/Nm3考慮，消耗沼氣量為4 970 Nm3。經(jīng)理論計(jì)算，200 t餐廚垃圾除雜后剩余約175 t，從20 ℃加熱至75 ℃需4.3×106kJ的能量(換熱效率按照95%考慮)，須消耗約1 970.76 Nm3的沼氣。

因此，沼氣在供給餐廚垃圾處理加熱和發(fā)電能源后，理論上每天仍有3 867.24 Nm3剩余，而本工程4萬m3/d市政污水處理每天用電量約為17 959.50 kW·h，剩余沼氣可產(chǎn)生8 121.20 kW·h電量，滿足市政污水處理約45.2%的用電需求，沼氣回收利用可大大節(jié)省全廠電耗。

通過沼氣資源回收利用，可節(jié)約電耗為677.4萬kW·h/a，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)煤2 167.60 t[火電煤耗按320 g/(kW·h)計(jì)]，總體降低碳排放約1 842.5 t/a，相當(dāng)于減少溫室效應(yīng)二氧化碳6 753.42 t/a，減排有害氣體二氧化硫203.2 t/a、氮氧化合物101.60 t/a。

4.3 沼液與市政污水混合高標(biāo)準(zhǔn)排放

餐廚垃圾和市政污泥厭氧消化后剩余沼液污染物濃度高，處理難度大。本次工程沼液預(yù)處理采用“氣浮池+MBR生化系統(tǒng)+納濾系統(tǒng)”。由于納濾濃縮液中CODCr質(zhì)量濃度可達(dá)到4 000～6 000 mg/L，且大部分為難生物降解有機(jī)物，本次工程中納濾濃縮液采用“混凝沉淀預(yù)處理+中溫Fenton催化氧化”組合工藝，該組合工藝在處理垃圾膜濾濃縮液時(shí)取得較好效果[6]。納濾出水與處理后的濃縮液混合，達(dá)到納管標(biāo)準(zhǔn)后再進(jìn)入市政污水處理單元，根據(jù)現(xiàn)階段市政污水量，最不利工況為2萬m3/d的市政污水與250 m3/d的沼液混合，混合后的水質(zhì)情況如表2所示。

沼液經(jīng)預(yù)處理后剩余成分基本屬于較難降解物質(zhì)，但水質(zhì)已達(dá)到較高排放標(biāo)準(zhǔn)，與市政污水混合后對進(jìn)水水質(zhì)影響較小，因此，最終尾水排放要達(dá)到蘇州特別排放限值要求無須再設(shè)置其他針對性處理工藝。

市政污水處理單元設(shè)生化池，1座2組，采用多級多段AO形式，總停留時(shí)間為21.0 h，其中預(yù)缺氧段和厭氧段停留時(shí)間為1.5 h，缺氧段停留時(shí)間為5.5 h，好氧段停留時(shí)間為10.0 h，后缺氧段停留時(shí)間為3.5 h，脫氣段停留時(shí)間為0.5 h。設(shè)計(jì)污泥質(zhì)量濃度為4 g/L，污泥負(fù)荷為0.051 kg BOD5/(kg MLSS·d)，總污泥齡為21.8 d。設(shè)平流式二沉池，1座4組，表面負(fù)荷為0.87 m3/(m2·h)，固體負(fù)荷為139.7 kg SS/(m2·d)。設(shè)混凝沉淀池，1座2組，內(nèi)設(shè)機(jī)械混合區(qū)、機(jī)械絮凝區(qū)和斜管沉淀區(qū)，沉淀區(qū)表面負(fù)荷為14.5 m3/(m2·h)。設(shè)砂濾池，1座4組，采用V型濾池，高峰濾速為8.58 m/h。

表2 市政污水與沼液混合水質(zhì)Tab.2 Mixed Water Quality of Municipal Wastewater and Biogas Slurry

沼液預(yù)處理后與市政污水混合，經(jīng)過市政污水強(qiáng)化處理，實(shí)現(xiàn)了高標(biāo)準(zhǔn)排放。

4.4 高品質(zhì)尾水回用

餐廚垃圾處理過程中需要用到大量再生水，主要用于餐廚垃圾漿料降溫至中溫厭氧消化合適溫度、沼液預(yù)處理過程中冷卻沼液，總用水量約為10 000 m3/d。本工程市政污水處理后的尾水除TN外，其他水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，是優(yōu)質(zhì)的再生水源，用于餐廚垃圾處理可節(jié)省相關(guān)用水費(fèi)用。

4.5 工程運(yùn)行情況

工程于2021年底基本完成調(diào)試，已進(jìn)入試運(yùn)行階段。目前，市政污水處理單元處理量為8 000～10 000 m3/d，單組或一半處理單元運(yùn)行，經(jīng)全流程處理后出水達(dá)到蘇州特別排放限值(表3)。

表3 市政污水處理單元實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)Tab.3 Actual Quality of Influent and Effluent of Biogas Slurry Treatment Unit

目前，平均運(yùn)行電耗約為4 260.00 kW·h/d，混凝劑聚合氯化鋁(PAC)(8%商品溶液)平均用量約為0.85 m3/d，絮凝劑陰離子聚丙烯酰胺(PAM)粉末平均投加量約為6 kg/d。由于進(jìn)水中BOD5較低，須適量補(bǔ)充碳源確保出水TN達(dá)標(biāo)，醋酸鈉(20%商品溶液)平均投加量約為0.81 m3/d。市政污水總平均處理量約為2.7萬m3/d，產(chǎn)生污泥量約為33.8 m3/d(90%含水率)

餐廚垃圾處理單元平均日處理量約為120 t/d，經(jīng)除雜處理后進(jìn)入?yún)捬跸瘑卧钠骄鶟{料量約為75.2 m3/d，含水率約為87%。餐廚漿料與市政污泥進(jìn)入?yún)捬跸笃骄a(chǎn)氣量約為5 700 m3/d，低于設(shè)計(jì)值，主要是餐廚垃圾進(jìn)料中雜質(zhì)較多，導(dǎo)致進(jìn)入?yún)捬跸臐{料量低于預(yù)期。厭氧消化后平均剩余沼液量約為96.8 m3/d，含固率約為2.78%。脫水產(chǎn)生的平均沼渣量約為13.1 t/d(80%含水率)。沼液處理單元平均處理量約為90.9 t/d，經(jīng)全流程處理后進(jìn)出水水質(zhì)如表4所示。

表4 沼液處理單元實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)Tab.4 Actual Quality of Influent and Effluent of Municipal Wastewater Treatment Unit

經(jīng)氣浮處理后，沼液中的CODCr質(zhì)量濃度降低至2 000 mg/L以下，對于沼液處理生化系統(tǒng)碳源嚴(yán)重不足的問題，TN主要依靠外加葡萄糖解決，葡萄糖粉末投加量約為1.51 t/d。餐廚垃圾處理單元總體平均電耗約為7 456.30 kW·h/d。市政污泥濃縮及沼渣脫水階段PAM投加量約為19.6 kg/d。

根據(jù)目前沼氣產(chǎn)量，每天平均約1 100 m3的沼氣用于產(chǎn)生蒸汽，剩余約4 600 m3的沼氣中，約80%用于發(fā)電，每天發(fā)電量約為7 728.00 kW·h，用于補(bǔ)貼生產(chǎn)電耗。

4.6 經(jīng)濟(jì)性分析

與分開單獨(dú)建設(shè)相比，市政污水處理與餐廚垃圾處理單元合建具有節(jié)約工程投資和成本的優(yōu)勢，具體對比如表5所示。

表5 市政污水處理單元和餐廚垃圾處理單元建設(shè)經(jīng)濟(jì)性對比Tab.5 Economic Comparison of Construction between Municipal Wastewater and Food Waste Treatment Units

5 結(jié)論

將諸如市政污水、餐廚垃圾等有機(jī)廢棄物處理單元合建可有效提高土地利用率，節(jié)省工程總投資，降低運(yùn)行成本，對于資源的回收利用可大大減少碳排放，在雙碳背景下對環(huán)保行業(yè)起到了良好的示范作用，可作為有機(jī)廢棄物處理工程推薦建設(shè)模式。

(1)將市政污泥與餐廚垃圾混合厭氧消化調(diào)節(jié)發(fā)酵底物中的鹽度和有機(jī)營養(yǎng)成分，維持系統(tǒng)微生物種群較高活性，有利于系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

(2)餐廚垃圾處理產(chǎn)生的沼氣經(jīng)發(fā)電回用可大大減少全廠運(yùn)行電耗，具有更好的經(jīng)濟(jì)效益，有效減少碳排放。

(3)厭氧消化產(chǎn)生的沼液在預(yù)處理后可依托市政污水處理廠處理至較高標(biāo)準(zhǔn)，減少廢水排放對環(huán)境的影響。

(4)市政污水處理后尾水回用于餐廚垃圾處理，節(jié)省用水費(fèi)用。

(5)兩者合建后，供配電、安防、交通等公輔單元共用，節(jié)省了相關(guān)費(fèi)用。

現(xiàn)階段垃圾分類工作已在全國多個(gè)城市開展，將市政污水、餐廚垃圾等有機(jī)廢棄物處理單元合建建議結(jié)合垃圾分類實(shí)施情況論證，提高兩者合建的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。