餐廚垃圾消化沼液處理工程案例分析

俞沈晶

（寧波中瑞環保科技有限公司，浙江 寧波 315200）

隨著人民生活水平的提高，餐廚垃圾的排放量日益增大，餐廚垃圾的污染問題日漸突出。目前，餐廚垃圾處理主要采用厭氧消化技術，隨之帶來厭氧消化沼液的處理問題[1-2]。餐廚垃圾厭氧消化沼液的特點：(1)污染物成分復雜多變；(2)有機污染物濃度高，COD 濃度可達10000～20000 mg/L 左右；(3)氨氮濃度高，一般在2000～3000 mg/L 左右；(4)重金屬離子與鹽分含量高，鹽分高達0.5%～1%；(5)油脂含量高，一般動植物油脂含量在500～1000 mg/L 之間[3-4]。由于消化沼液的濃度高且成分復雜，所選處理工藝必須具備能同時有效去除高COD、高氨氮和高油脂的能力。

浙江慈溪某有機固廢處理有限公司首先對餐廚垃圾進行預處理，經三相分離去除其中的油脂及渣，剩余的水相經濕式中溫CSTR 厭氧發酵工藝得到沼液，采用“曝氣-氣浮-兩級硝化反硝化-MBR 膜過濾-除磷沉淀”工藝處理沼液。隨著餐廚垃圾處理規模擴大，厭氧發酵后的沼液量也急劇增加，該公司原沼液廢水處理規模（200 m3/d）已無法滿足要求，故對其進行擴建，擴建后沼液廢水處理規模為150 t/d。

1 工程概況

1.1 進出水水質

沼液廢水處理系統進出水水質指標見表1 。處理后出水水質達到《綜合污染物排放標準》（GB 8978—1996）三級排放標準及《工業企業廢水氮、磷污染物間接排放限值》（DB 33/887—2013）相關氨氮、總磷水質指標后排放。

表1 進出水水質指標Tab.1 Quality indicators of influent and effluent

泥渣處理指標：污泥等固體廢物脫水至含水80%以下，委托有資質的第三方公司處理。

1.2 工藝流程

沼液處理工藝流程見圖1。沼液首先進入曝氣調節池，均衡水質水量，池內設曝氣攪拌系統，防止出現沉淀。調節池出水經泵提升依次經過一級和二級氣浮系統，投加聚合氯化鋁（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）藥劑形成絮凝體，以去除沼液中的大多數懸浮物和油脂，避免對后續生化池和膜系統造成不利影響。氣浮出水進入二級硝化反硝化（兩級A/O）反應系統，在一級反硝化和二級反硝化池中，大分子有機物分解為小分子易降解有機物，隨后在硝化池中通過高活性的好氧微生物作用，降解大部分有機物。氨氮一部分在硝化池中通過生物合成去除，大部分則在馴化產生的高效硝化菌的作用下轉變為硝酸鹽和亞硝酸鹽，并回流到反硝化池，在缺氧環境中被微生物還原成氮氣后排出，達到生物脫氮的目的。生化處理后的泥水混合物進入超濾系統，利用膜的截留過濾作用將泥、水完全分離，過濾后的清液去MBR 產水池，截留的高濃度泥水混合物回流至生化系統，提高生化系統的污泥濃度，增加生化處理效果。根據膜出水水質情況，通過添加PAC 及PAM進行沉淀除磷，出水滿足要求后達標排放。

圖1 沼液處理工藝流程Fig.1 Technological process of wastewater treatment

污泥脫水系統包括污泥濃縮池和離心脫水機，氣浮產生的浮渣、除磷沉渣、生化及MBR 處理系統產生的污泥排入污泥濃縮池，濃縮后的污泥通過污泥進料泵打入疊螺機進行脫水處理，污泥濃縮池產生的上清液和疊螺機產生的壓濾液一起排入調節池中，回到系統重新進行處理，壓濾后的泥餅外運委托第三方有資質單位進行焚燒處置。

1.3 工程主要構筑物及設計參數

主要構筑物及其設計參數見表2，主要設備及參數見表3。

表2 主要構筑物及其設計參數Tab.2 Main structures and its design parameters for the project

表3 主要設備及參數Tab.3 main equipment and parameters

2 工程調試及運行

2.1 污泥接種培養

該工程于2022年4月初開始調試，主要集中在二級A/O 池，污泥接種于一期硝化池內污泥含量為8 g/L 的生化廢水，累計投加生化廢水900 m3，使得曝氣池污泥濃度理論值達到4 g/L 左右，設計污泥負荷為0.13 kg BOD5/（kg MLSS·d)左右。馴化階段，開啟氣浮，補充進水從10 m3逐步增加到150 m3，并向生化池中加適當的碳源進行悶爆，每天排走剩余污泥。經過一個月達到滿負荷，通過光學顯微鏡觀察到大量的輪蟲、纖毛蟲、鐘蟲等微生物，說明活性污泥絮體已經形成，有較好活性。另外污泥濃度維持在7～8 g·L-1，COD 去除率維持在80%～90%左右，NH3-N 去除率維持在90%以上，TP 去除率維持在70%～80%左右，說明污泥馴化已經成熟，可以進行試運行。

2.2 系統試運行

沼液首先排入曝氣調節池進行曝氣預處理，用于均衡水質水量且改變其厭氧性狀，便于氣浮加藥泥渣更有效地分離，由于沼液未經過脫水預處理直接排入調節池，SS 相對較高，故設置了兩級氣浮，可以去除70%左右的SS、75%左右的COD。保證進入反硝化池的氣浮出水COD≤6000 mg/L、SS≤5000 mg/L，是確保后續生化反應有效進行的關鍵。氣浮出水溢流依次經過一級反硝化、一級硝化、二級反硝化及二級硝化，反硝化池內設置潛水攪拌機，硝化池內采用專用設備射流鼓風曝氣。通過高活性的好氧微生物作用，污水中的大部分有機污染物在硝化池內得到降解，同時氨氮在硝化微生物作用下氧化為硝態氮、亞硝態氮。硝態氮、亞硝態氮回流至反硝化池，在缺氧環境中還原成氮氣排出，達到生物脫氮的目的。微生物菌體通過高效超濾系統從出水中分離，確保懸浮物和大分子有機物完全截留在系統內，超濾膜采用浸沒式PVDF 材質簾式膜，超濾設計膜通量為8 L/(m2·h)。兩級A/O 生化系統各工藝段的水力停留時間為：一級反硝化池48 h，一級硝化池120 h，二級反硝化池48 h，二級硝化池72 h。污泥回流分別設二級硝化池至一級反硝化池的混合液回流系統和超濾膜池至一級反硝化池的污泥回流系統，回流比分別為400%和300%。超濾膜的膜絲每10～15 d 進行一次在線清洗，每2～3 個月采用次氯酸鈉和檸檬酸依次對3組膜中的1 組交替進行一次離線化學清洗，離線清洗時，另外兩組正常運行。

超濾膜出水通過添加PAC 進行除磷沉淀，并根據實際情況補充添加PAM 提高其沉淀速率，上清液納管達標排放。

2.3 結果與討論

2.3.1 工藝處理效果分析

膜出水中BOD5、SS、pH 均達標，故主要分析探討各階段COD、氨氮和TP 的變化情況。由于生化菌種主要取自現有一期的生化廢水，性狀較好，大大縮短了培育時間，但保險起見進水量按梯度從小到大逐步增加，各指標見圖2～圖4 中的前30 d 數據，COD、氨氮和TP 的去除率在調試期間和運行期間變化幅度不大。在為期200 天的試運行時間內，廢水總停留時間為17.49 d，COD 由15000 mg/L 左右降至500 mg/L 以下，去除率達97%，氨氮由2500 mg/L 左右降至35 mg/L 以下，去除率達98%，TP 由200 mg/L 左右降至8 mg/L以下，去除率達96%。其中，二級氣浮平均去除進水中56.53%的COD，33.2%的氨氮，72.5%的TP；MBR 系統平均去除39.19%的COD，65.17%的氨氮，21.09%的TP。通過這些數據可知，二級硝化反硝化對去除氨氮有效，而通過生化前的預處理降低COD、TP 以及SS 對后續的硝化反硝化反應也非常必要。整個實驗周期中，可明顯看出第90～150 天期間，進水濃度相對偏高，而后續的物化及生化效果有所降低，這是因為該期間正好為7～9月份，是一年中最熱的季節，進水來源（厭氧沼液）各有機物濃度提高，生化系統中水溫也偏高，冷卻系統無法有效降低水溫，生化池內水溫達到將近40 ℃。原先為了降成本，換熱管路進水取自生化回流泵，且出水進入一級反硝化池，后單獨設置冷卻進出水管路，出水進入一級硝化池，且將冷卻塔內水池與消防池聯通，以降低冷卻水的水溫。另外由于風機放置在池頂，曝氣氣體溫度很高，也是導致生化池溫度高的原因之一，將其放置在池下室內后溫度有所降低。

圖2 各階段COD 去除情況Fig.2 COD removal at each stage

圖3 各階段氨氮去除情況Fig.3 NH3-N removal at each stage

圖4 各階段總磷去除情況Fig.4 TP removal at each stage

另外，生化池水溫超過36 ℃期間，曝氣池泡沫極多，后通過及時排泥、增加噴淋裝置及投加消泡劑有所緩解。待到進入10月份，即第150 天后，炎熱季節過去，氣溫降低，生化系統又逐漸恢復正常。

2.3.2 投資及運行成本分析

（1）工程投資

整個廢水處理工程總投資635 萬元，建筑工程費用為220 萬元，設備購置費為270 萬元，安裝工程費為110 萬元，其他工程費用（含設計費、調試費等)為35 萬元。

（2）運行費用

廢水處理站的直接運行費用主要由電費、人工費、藥劑費和維修費用等構成。污水處理操作人員3 人，每人年工資及福利6 萬元；年運行試劑費（膜清洗藥劑次氯酸鈉、PAC、PAM、片堿、純堿）53.37 萬元；工程設備平均運行功率110 kW，電費0.8 元/kWh，則年電費為71.81 萬元（扣除節假日，一年按340 天算）；年設備維修費為3 萬元；MBR 膜簾每3年更換一次，損耗費為每年5.4萬元；自來水費為每年0.5 萬元。年總運行費用為152.08 萬元，噸水處理費用為29.82 元。工程實際運行費用見表4。

表4 工程實際運行費用Tab.4 Actual operating costs 單位：萬元

2.3.3 工程特點及存在的問題

（1）工程特點：①土建池體均為地上鋼砼結構，建設周期大大縮短。②氣浮、風機、冷卻塔、疊螺機等均安置在池頂，大大節約了工程用地。③處理能力強，負荷高，污泥濃度高，污泥齡長，膜生物反應器具有的高污泥濃度使其具有很強的抗沖擊負荷能力。MBR 反應器中膜絲中采用的中空纖維膜，過濾精度為0.02 μm，可以完全去除水中的懸浮污泥等。④膜生物反應器沒有污泥膨脹和污泥流失的問題，可以實現完全的自動控制，操作管理更簡便。

（2）存在問題及措施：①由于餐廚沼液廢水鹽分較高，管道及水泵葉輪很容易結晶結垢，造成系統的堵塞。目前采用備用部件進行交替更換清洗。②夏季生化池水溫偏高（≥38 ℃），使得硝化反應效果偏差，故冷卻系統采用消防池水進行大循環換熱降溫。③膜絲容易堵塞結垢，膜污染現象嚴重，尤其是在夏季，主要是水中動植物纖維絲較多且鹽分高，因此在膜池進水管路端口加裝了過濾網兜，柵隙1 mm，有效減少了纖維絲進入MBR 系統，減少膜堵塞，另外及時排出剩余污泥，防止膜池污泥堵塞膜簾，對于鹽分的結垢堵塞通過加大藥劑的在線清洗頻次進行減緩。

3 結論

采用二級氣浮+二級A/O+超濾+除磷沉淀工藝處理餐廚垃圾厭氧消化沼液，COD 去除率達97%，氨氮去除率達98%，TP 去除率達96%，其中二級氣浮工藝對COD 和TP 去除效率高、二級A/O 對氨氮去除效率高，而超濾膜對SS 去除效果好，避免了傳統二沉池沉降不干凈、占地大、效果差的弊端，且超濾膜可以強化COD 去除效果，并完全截留懸浮物，可以更好地提升生化污泥濃度，提高處理效率，最后的除磷沉淀可以保障出水達標。但對于處理餐廚沼液廢水，水中鹽分高導致的設備結垢、管路結垢仍舊是十分棘手的問題，膜的堵塞污染仍待找到更好的方式解決，另外，本工程中對出水總氮未作要求，后續還需考慮該指標的有效去除。