廚余垃圾干式厭氧發酵及發酵剩余物脫水工藝探討

陳嚴華，廖德榮，曾 蒸，柴福良，況 前

（重慶市環衛集團有限公司，重慶 401120）

1 概況

2019 年12 月《生活垃圾分類標志》（GB/T 19095—2019）中生活垃圾分為可回收物、有害垃圾、廚余垃圾、其他垃圾等四大類。其中廚余垃圾是指人日常生活中丟棄的剩菜剩飯，包含家庭廚余垃圾和農副產品集貿市場產生的有機垃圾[1]，其成分和性質隨地域、居民飲食習慣、季節的變化而變化，但總體上具有含水率高、有機質占比高、易生化降解等特點。隨著居民生活水平的提高，廚余垃圾產生量也日益增大，廚余垃圾如不及時有效處理，則容易滋長病原微生物、霉菌毒素等有害物質。由于各類環境問題的突顯，人們對生存環境要求越來越高，環境保護的意識越來越強，城市垃圾的處理直接影響到城市的人居環境，近些年，城市垃圾或廢棄物的處理越來越受重視，而且分類越來越細化，尤其是針對城市垃圾中的有機部分的處理從處理處置政策上要求要實現資源化或能源化的利用。目前，城市有機垃圾主要分為餐飲垃圾、廚余垃圾，由于其來源和特性不同，因此在處理技術路線上也有差異。目前，廚余垃圾的處理方法主要有焚燒、填埋、好氧堆肥和厭氧消化等。廚余垃圾厭氧消化產沼氣技術代表了目前主流發展方向，相對傳統的好氧堆肥技術，厭氧消化主體反應于密閉環境中進行，環境影響相對較小，且其在國家政策的鼓勵、對周邊環境影響及其最終產品的利用上都具有較大優勢，從生態可持續發展高度出發，還能提供清潔的可再生能源，從而實現垃圾的資源化處理和碳減排、碳中和，廚余垃圾處理工藝推薦采用厭氧消化技術。厭氧消化技術能夠把垃圾轉化為有用的資源，已經成為解決城市環境、能源和低碳綠色問題的研究熱點。

厭氧消化技術可以廣泛地利用農業有機垃圾，餐廚（廚余）垃圾和城市市政污泥等各種生物質廢棄物。從資源利用方面，厭氧消化技術的產物即沼氣可以作為一種環保、清潔的可再生能源，沼氣作為生物質能源用于生產和生活中，作為清潔能源的補充，符合國家循環經濟產業政策，發酵剩余物可作為有機肥料，用來緩解日益緊張的能源危機[2]。所以，厭氧消化技術處理城市有機固體廢棄物已經受到國外發達國家的青睞[3]。此外，厭氧消化技術憑借其資源回收率高、能耗低、工藝成熟等優勢成為當前應用最廣泛的處理技術，特別是歐洲國家已經應用了近四十年，從處理有機廢棄物方面，厭氧消化技術是廚余垃圾等有機廢棄物“減量化、無害化、資源化”有效的方式之一。厭氧消化技術主要分為干式厭氧和濕式厭氧消化技術。

干式厭氧消化技術是指固體濃度TS 達到20%～30%[4]為原料，沒有或幾乎沒有自由流動水的條件下進行的有機質進行厭氧產沼氣的一種工藝[5]，是一種優異的有機固廢循環利用的方法。在歐洲，干式厭氧發酵工程數量比濕式厭氧發酵工程較多，其中干式厭氧發酵工藝約占54%，且逐步增多[6]，而干式厭氧發酵技術在國內應用時間不長[7]。程序[8]等對我國城市有機固體廢棄物、農業有機廢棄物和有機廢水的沼氣開發潛力進行估算，沼氣產量巨大。

干式厭氧發酵技術主要工藝為進料系統+干式厭氧發酵系統+脫水系統。干式厭氧發酵剩余物經脫水系統后的脫水濾液設計上一般進入污水系統處理，但在實踐中運行中發現，經脫水系統處理后的脫水濾液具有高COD，懸浮物含量高以及絮凝劑用量大的問題，對后續的污水處理系統要求較高，經濟性較差。本文簡介了一種廚余垃圾干式厭氧發酵及發酵剩余物脫水系統工藝，能夠提高脫水效率和改善水質，系統運行更加穩定，經濟性較好。

2 廚余垃圾干式厭氧發酵技術相關概述

2.1 概念

根據投入原料或發酵罐內固形物干燥質量換算濃度（TS 濃度），厭氧發酵大致可以分為濕式（投入TS 濃度小于15%，發酵罐中TS 濃度小于8%）和干式（投入TS 濃度大于15%，發酵罐中TS 濃度大于10%）。干式厭氧發酵是適用于固形物濃度極高的有機物處理技術。干式厭氧發酵運用中重要的是選擇有合適含水率的固體有機物作為原料，并且在運行時需要將原料水分控制在一定范圍，合適TS 范圍一般在15%～45%。采用干式厭氧發酵制氣等多元化工藝來處理高含固率較高的廚余垃圾、市政污泥等城市有機固體廢棄物，將提高城市有機固廢垃圾的處理效率，同時提高沼氣總產量。

2.2 干式厭氧發酵的優點

干式厭氧發酵工藝可以降低廚余垃圾預處理的要求，可以容忍一定數量的雜質，可以接收多種類型的有機垃圾，處理范圍廣，不易造成工藝故障，比如沉淀、浮渣、堵料等，從而保證生產的連續穩定。有機物處理過程中含固量高，有機質降解率高，厭氧發酵罐體積減少50%以上，占地面積少，具有容積產氣率高、節約用水等優點，從而提高廚余垃圾的資源化利用率。而且，高溫干式厭氧發酵工藝可以有效消殺沼渣中的蟲卵和病原體，提高了后端沼渣堆肥的衛生化、無害化水平。

2.3 國內干式厭氧案例

2.3.1 廈門某項目BRV 干式厭氧消化工藝

處理規模：500t 生活垃圾/日，其中干式厭氧系統進料量為150t/d。工藝簡述：原始生活垃圾進入垃圾分揀線，經過破袋和人工預分揀后進行滾筒篩進行篩分；篩上物再經過彈跳、光電分選、磁選后將可回收物進行回收，其余垃圾進入焚燒系統進行焚燒處理；篩下物經人工分揀去除干擾物后，磁選、破碎、小于55mm 的物料然后進入儲料設施進行瀝水，然后經過螺旋輸送機送至干式厭氧發酵系統；消化殘余物經過螺桿壓縮脫水機進行初步脫水，脫水后的沼渣進行好氧發酵利用、污水外排；產生的沼氣進行發電。設計沼氣產量：16500m3/d，即688m3/h。消化溫度：55℃。設計容積負荷：6.63kgTS/（m3有效容積·d）。設計停留時間：25d。工藝流程如圖1所示。

圖1 廈門某項目干式厭氧消化工藝流程

2.3.2 北京某項目valorga 干式厭氧消化工藝

處理規模：680t 生活垃圾/d。工藝簡述：生活垃圾經分選預處理后，有機垃圾進入干式厭氧發酵罐，厭氧消化產生的沼氣供生物氣發電機發電，并利用余熱產生蒸汽供消化物料加熱使用，發電產生的電能并網。消化殘余物經脫水后送轉運區。設計沼氣產量：70535m3/d，即2939m3/h。消化溫度：55℃。設計容積負荷：5.5kgVTS/（m3有效容積·d）。設計停留時間：≥20d。

2.3.3 杭州某項目DRANCO 干式厭氧消化工藝

處理規模：200t 廚余垃圾/日。工藝簡述：廚余垃圾經受料斗接料+板式給料機輸送+人工手選+磁選+生物質分離器+塑料及紙張打包外賣的全量化預處理后，有機質輸送至干式厭氧發酵產沼氣系統。沼氣濕法脫硫后，在滿足本廠用熱后的富余沼氣送至填埋場沼氣發電機組發電。沼渣采用二級旋流除砂+板框脫水工藝脫水后填埋。脫水后的污水經過混凝沉淀后通過管道輸送至填埋場調蓄池。設計沼氣產量：16000m3/d，即667m3/h。消化溫度：53℃。設計容積負荷：4.3kgTS/（m3有效容積·d）。設計停留時間：26d。設計回流比：8:1（濕基比）。

3 脫水系統工藝

廚余垃圾干式厭氧剩余發酵物脫水工藝包括依次連接的擠壓脫水裝置、壓濾脫水裝置、除砂裝置和離心脫水裝置，擠壓脫水裝置的進料口與干式厭氧消化罐出料口的泵連接，泵輸送進入擠壓脫水裝置，擠壓脫水裝置的液相進入壓濾脫水裝置，壓濾脫水裝置的液相進入離心脫水裝置，在擠壓脫水裝置、壓濾脫水裝置和除砂系統的固相用螺旋統一接收后外運填埋或焚燒處置，離心脫水裝置的固相進行堆肥處理，離心脫水裝置的脫水濾液進入污水處理系統。工藝流程圖如圖2 所示。

圖2 脫水系統工藝流程

（1）廚余垃圾干式厭氧剩余發酵物脫水工藝在進入壓濾脫水裝置前增加了絮凝裝置，能夠將細小的顆粒物絮團后在進入壓濾脫水裝置，能夠較大程度的使得進入離心脫水裝置的含固率降低，提高去除效率。同時，經過絮團并壓濾脫水后的物料含固率和粘度將進一步降低，提高除砂系統的處理效率。

（2）廚余垃圾干式厭氧剩余發酵物脫水工藝在壓濾脫水裝置和離心脫水裝置新增了除砂系統，除砂系統為兩級旋流除砂裝置，經過壓濾脫水裝置的物料通過泵輸送至一級旋流除砂器和二級旋流除砂器，固相進入砂水分離器通過螺旋外運，液相通過泵送進入離心脫水裝置。旋流除砂裝置能夠進一步的去除沼液中的浮渣，以減輕后續離心脫水裝置的壓力，提高離心脫水效率，保證離心脫水裝置的穩定運行。

（3）廚余垃圾干式厭氧剩余發酵物脫水工藝在經過兩級旋流除砂裝置后新增加了助凝和絮凝裝置，對助凝和絮凝配比有一定要求，助凝裝置包括緩沖罐，在該緩沖罐上部設有進液管，下部設有出液管，出液管通過隔膜泵送至離心脫水裝置進料管道。絮凝劑加注裝置包括攪拌裝置、螺桿泵和靜態混合器，粉末狀絮凝劑和自來水通過靜態混合器均勻混合后泵輸送至離心脫水裝置管道，助凝劑、絮凝劑和經過除砂系統的物料共同進入離心脫水裝置進行固液分離，助凝劑和絮凝劑進入管道位置需要充分考慮，保障三種物質混合均勻和絮團完成，離心脫水裝置還配置了增壓給水裝置，當停機時候用自來水進行沖洗。增加的助凝和絮凝裝置進一步提高了沼液中懸浮物的聚集沉淀，從而提高離心脫水裝置的固液分離效率，使得處理后的沼液中懸浮物含量較低，降低對污水處理系統的要求。

4 結語

根據目前國內廚余垃圾干式厭氧發酵至沼氣工藝運行的實際情況，對干式厭氧發酵制氣的工藝系統進行了介紹，對現有干式厭氧發酵剩余物的脫水系統工藝提出了優化方案建議，主要是起到了降低外排脫水濾液的懸浮物濃度，減少了絮凝劑和自來水的用量，對設備穩定運行能夠起到一定的效果，但是該脫水系統工藝流程較長，后期需進一步研究脫水系統工藝，簡化工藝流程，減少設備投資。