尾菜資源化利用技術研究與工程實踐

楊學志

（上海環境工程設計研究院有限公司，上海 200085）

1 引言

蔬菜產量隨著人民生活水平的提升而不斷提高，人們對蔬菜品質有了更高的追求，導致蔬菜從采收到最終消費階段會產生大量的不具有直接商業價值的蔬菜廢棄物（以下簡稱“尾菜”）［1］。相關數據顯示，從2011 年到2021 年，我國蔬菜種植面積和蔬菜總產量呈現逐年遞增的狀態，其中，2021 年我國蔬菜種植面積和蔬菜總產量分別為21 485.5 khm2、77 548.78 萬t［2］。據統計，在生產流通環節產生的尾菜約占蔬菜總產量的36.3%［3］，據此估算，2021 年我國尾菜產生量約2.82 億t。然而通過直接還田、堆肥、青貯飼料、能源化處理等［4-6］方式進行處理的尾菜量不足50%［7-8］，仍有大量尾菜被隨意丟棄，對環境造成污染。

厭氧發酵可產生一定的沼氣，發酵后沼渣和沼液的利用可以減少化肥的使用［9-10］，同時對我國的環境保護及農業可持續發展具有重要意義。尾菜中不僅含有大量有機質，而且具有豐富的氮、磷、鉀等營養元素［11］，但因尾菜尤其是葉菜類含固率僅為5%～10%，處理成本偏高限制了其資源化利用。因此，本文結合已建設的2 個大型尾菜建設項目，探討尾菜以厭氧發酵為主要技術的資源化利用方式中工程運行過程中的一些經驗，旨在為尾菜的高效處置利用工程建設和技術改造提供參考。

2 項目概況

嵩明尾菜處理項目設計處理尾菜1 200 t/d，產生沼氣20 000 m3/d［3］，沼渣脫水到含水率75%后送至堆肥廠進行堆肥處理，該項目于2017 年9 月正式投產。

蘭州尾菜項目設計處理尾菜2 000 t/d，產生沼氣33 000 m3/d［12］，沼渣脫水后外運堆肥廠進行堆肥處理，項目運行期集中于每年5—11 月，該項目于2021 年5 月進入帶負荷調試生產期。

3 工藝設計及運行中存在的問題

3.1 預處理工藝設計

嵩明尾菜主要為葉菜類，技術改造前預處理工藝流程如圖1 所示。采用“料斗＋磁選＋粗破碎＋擠壓”為主的預處理工藝，其中料倉為15 m3，結構形式與餐廚垃圾料倉類似，進料采用小鏟車往料斗間歇式送料，控制料斗中料量，粗破碎機采用雙軸破碎機，破碎后80%尾菜粒徑小于60 mm，由螺旋送入壓榨機進行擠壓，擠壓干渣進入干式厭氧，液相去除SS后進入內循環（IC）厭氧反應器和污水處理系統。

圖1 嵩明技改前尾菜預處理工藝

蘭州尾菜項目主要成分為娃娃菜、芹菜、花菜梗、萵筍頭等，但比例受年份的影響波動較大，其預處理工藝如圖2 所示。采用“步進式料倉＋磁選＋粗破碎＋水解＋細破碎＋兩級固液分離系統”為主的預處理系統，步進式料倉容積為120 m3，粗破碎后尾菜粒徑60 mm，經過水解除雜后在管道破碎機的作用下把物料破碎為粒徑20 mm，進入兩級固液分離系統進行脫水，一級脫水后干渣進入半干式厭氧，二級脫水固渣和部分液相混合后含固率控制到15%以內進入濕式厭氧發酵，其余液相進入厭氧反應器和污水處理系統。

圖2 蘭州尾菜預處理工藝

3.2 厭氧工藝設計

嵩明尾菜項目厭氧采用4 座容積為3 300 m3方形混凝土池體，每個池體設計2 個臥式攪拌器，采用推流式攪拌，設計停留時間30 d，設計溫度35 ℃，出水經過螺旋擠壓和疊螺脫水后，進入后續污水處理系統。

蘭州尾菜項目采用1 座8 000 m3混凝土罐，配有4 根臥式攪拌軸，單罐設計經預處理后20%固渣250～300 t/d；1 座8 000 m3濕式厭氧發酵罐，攪拌方式為“泵循環＋沼氣攪拌”的方式，進料含固率為15%物料365 t/d，半干式和濕式厭氧出料經過螺旋擠壓與疊螺脫水后進入后續污水處理系統。

3.3 污水處理系統

嵩明尾菜和蘭州尾菜均采用“調節池＋格柵＋兩級A/O＋內置MBR＋化學沉淀”處理后達到污水綜合排放標準后外排。

3.4 沼氣凈化系統

嵩明尾菜項目厭氧產生沼氣中甲烷含量在45%～55%之間，硫化氫含量小于3 035 mg/m3；采用干化脫硫，脫硫后沼氣一部分用于熱水鍋爐給厭氧保溫，一部分設計用于提純，受政策及沼氣產量影響，后改為沼氣發電自用。

蘭州尾菜項目厭氧產生沼氣甲烷含量在50%～70%，硫化氫含量高于4 560 mg/m3，采用“原位脫硫＋干法脫硫”技術，其中經原位脫硫后沼氣中硫化氫含量低于304 mg/m3，經干法脫硫后沼氣中硫化氫低于125 mg/m3；脫硫后沼氣一部分用于熱水鍋爐給厭氧保溫，剩余發電自用。

3.5 運行中存在的問題

3.5.1 嵩明尾菜項目

嵩明尾菜項目運行已超過5 年，暴露出不少問題，其問題主要集中在預處理階段，相關問題歸納如下：

（1）料倉容積有限，垃圾車直接卸料容易造成卸料倉“架橋”，尾菜需要斜在卸料平臺上由鏟車往料倉送料，平臺容易積液導致環境較差，且人工和機械費用較高。

（2）雙軸粗破碎容易發生“架橋”現象，且大塊物料卡堵時不易發現，導致破碎機持續受料，雙軸破碎機受料倉滿溢，清理時間較長。

（3）破碎后擠壓效果較差，擠壓后固渣含固率僅在8%～12%，低于干式厭氧進料設計要求。

（4）物料中含有較多的包裝袋、膠帶、包裝繩等雜物，僅靠人工去除率和效率較低，且大量雜物最終隨著物料進入干式厭氧。

（5）干式厭氧未達到設計含固率20%～25%，但因雜物和尾菜纖維相互板結在一起，最終成團，容易纏繞攪拌軸，使攪拌軸無法運行，最終導致罐體完全堵塞及罐體嚴重酸化，后期系統崩潰，無沼氣產生。

（6）厭氧罐出料酸化及雜質導致后續固液分離裝置加藥分離效果不佳，液相中SS 偏高，影響污水系統和膜系統的運行，污水處理量未達到設計值。

3.5.2 蘭州尾菜項目

（1）雙軸破碎后尾菜經水解罐內液體混合后進入背混泵打入水解罐，管道容易堵塞。

（2）進入水解罐的尾菜中輕質葉菜容易漂浮于水解罐表面，罐體表面容易累積大量浮渣。

（3）不易水解的萵筍皮容易沉積在水解罐中下部，堵塞出料管和泵。

（4）背混泵轉子、水解罐立式攪拌機上容易纏繞塑料繩及未水解的纖維，造成攪拌軸負荷過重，最終因電流過大而頻繁停機。

3.6 技改及解決措施

結合2 個項目運行中出現的問題進行綜合分析，發現預處理的好壞對后續系統的運行有較大的影響。針對上述問題，嵩明項目采用如下技改措施：

（1）在雙軸破碎后新增制漿篩分機和雜物擠壓機，通過制漿篩分機的作用，使經過雙軸破碎的粒徑為60 mm 物料進入制漿篩分機，通過制漿篩分機錘片及篩網的過濾作用，破碎后的物料通過液壓泵進入水解池。

（2）未經破碎的雜物最終通過制漿篩分機尾部排出進入擠壓機，在擠壓機的作用下將雜物中夾帶的水分進一步擠出，擠出濾液進入水解罐，雜物外運處置。

（3）將1 座3 300 m3的干式厭氧發酵池改為水解池，攪拌軸和攪拌形式未改變，新增出料口回流到進料口端泵1 臺，以增加水解池的均勻性，后續流程不變。

蘭州項目采用如下技改措施：

（1）雙軸破碎機上方新增攝像頭，中控運行人員可以及時觀察破碎機運行狀態，若出現“架橋”，可通過中控人員及時采取措施進行處理，處理時間由原來的每次3～4 h 到少于0.5 h。

（2）每次上班和下班及時清理背混泵進料倉中雜物，可以保證背混泵的正常運行。

（3）在每座水解罐上新設2 臺破殼攪拌機，破殼攪拌的傾斜角度可調整，通過破殼攪拌機的作用，可以避免水解罐表面尾菜堆積形成的浮渣，同時有利于水解罐中產生的氣體排出。

4 工程實踐結果和建議

4.1 工程實踐結果

2 個項目運行過程中出現的問題和有效技改及穩定的部分設施的運行經驗表明：

（1）采用大容積步進式料倉相對料斗更適合作為尾菜的受料設施，可以解決平臺環境差、濾液漫流及人工和機械配合進料的問題，同時解決了效率較低的問題。

（2）采用“磁選＋粗破碎＋制漿篩分＋雜物螺旋擠壓”的方式可以有效地將尾菜制成粒徑小于20 mm的物料，同時對尾菜中的雜物進行去除，雜物去除率大于80%。

（3）制漿篩分機結構形式和篩網孔徑選擇對制漿篩分的效果及處理量有較大影響，通過前期試驗推薦采用動刀和定刀組合形式的制漿篩分機，且篩網與定刀和動刀所在的中心軸呈反向轉動，篩網孔徑推薦使用30～60 mm 圓形或者橢圓形篩孔，單臺制漿篩分機最大處理能力可達40 t/h 以上。

（4）水解罐配置破殼攪拌機能有效解決水解罐表面浮渣問題，且經過2 d 左右時間水解，尾菜中部分自由水和有機質得以溶出，水解液COD 可達25 000～35 000 mg/L 之間，通過螺旋擠壓后的干渣含固率可以達到20%～25%。

（5）受季節影響，在尾菜量不足時，半干式和干式厭氧亦可按照濕式厭氧模式運行，即水解后物料可在不脫水分離情況下全量進入半干式厭氧運行，嵩明尾菜產氣量由原來最高的6.8 m3/t 提升到15 m3/t，且可長期穩定運行。蘭州尾菜調試期間尾菜產氣量在16～25 m3/t，均值約20 m3/t，其主要原因可能是蘭州尾菜采用立式攪拌，罐內物料與微生物接觸更為充分，而嵩明尾菜以干式攪拌軸作為攪拌動力，其攪拌速率和設計形式及罐內物料濃度對尾菜的水解有較大影響；蘭州尾菜調試期間處于半負荷狀態，導致物料在罐內停留時間較長，加大了物料的降解率。

（6）半干式和濕式厭氧采用原位脫硫技術后，沼氣出口中硫化氫可以控制在304 mg/m3以下，大幅度節省了后續脫硫系統的占地面積和費用。

（7）污水處理采用“調節池＋格柵＋兩級A/O＋MBR＋化學混凝沉淀”工藝，污水可以滿足GB 8978—1996《污水綜合排放標準》中三級標準，排入污水處理廠進行處理。

4.2 建議

（1）結合2 個項目運行情況，針對葉菜類尾菜及萵筍、花菜梗等根莖類尾菜，建議預處理采用“步進式料倉＋磁選＋雙軸破碎＋制漿篩分＋水解＋螺旋擠壓＋固液分離”工藝，單條預處理可以按照最大40 t/h進行設計。

（2）針對預處理螺旋擠壓后的干渣，由于纖維和半纖維成分較多、較為蓬松，建議優先選擇和其他物料混合堆肥［13］，可以最大程度實現資源化；受占地面積或者其他條件限制時，建議采用半干式厭氧進行發酵，干式和濕式厭氧次之，其主要原因是纖維素的降解率慢且產沼氣效率低。

（3）水解擠壓后進行固液分離的固相優先采用半干式厭氧，因其具有較高的容積負荷和較小占地面積，固液分離后濾液SS 一般小于1 500 mg/L，可采用IC 反應器，即水解物料固液分離后推薦采用“半干式＋IC”組合厭氧，其投資和運行成本會相對較低。

（4）厭氧發酵系統均可配套原位脫硫系統，通過原位脫硫技術減少后續脫硫成本和減輕對沼氣管道及設備的腐蝕。

（5）采用“兩級A/O＋MBR＋化學沉淀”工藝可以確保沼液達到三級排放標準，在沼液無法得到全部利用的情況下，其工藝具有可行性。目前采用該工藝運行，沼液直接處理費用占整個系統直接運行成本的50%以上，占比較高，如何提高沼液利用率及降低沼液處理成本對項目收益具有較大影響。