夏芳芳， 譚 婧， 周 洋， 陳智遠， 楊 玉

(杭州能源環(huán)境工程有限公司， 浙江 杭州 310020)

隨著國民經濟的增長和餐飲行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，我國餐廚垃圾的產量正以每年約10%的速度不斷增長[1]。2015年，全國城市生活垃圾的清運量為1.91億噸[2]，按餐廚垃圾占城市生活垃圾平均比重50%計算[3-4]，我國2015年產生餐廚垃圾總量為9570萬噸。目前，我國餐廚垃圾的收集、運輸和處理面臨一系列問題和考驗，如果處理不當將會嚴重影響市容市貌、居民身體健康及環(huán)境質量[5]。

目前，國內部分餐廚垃圾被買賣用于提煉“潲水油”和喂豬，甚至部分企業(yè)將廢棄油水未經處理直接排入地下管網(wǎng)，造成嚴重的污染[6]。由于國內餐廚垃圾分類尚不到位，餐廚垃圾主要是與生活垃圾混合處理，處理方法有厭氧消化、堆肥、填埋、焚燒等[4, 7]。餐廚垃圾的水分含量一般高于80%，導致填埋和焚燒方法處理餐廚垃圾成本高且易造成二次污染[3, 7]；堆肥法則因用地面積大，處理周期長，堆肥過程易產生污水、惡臭及其它二次污染等原因限制了其應用[8]；而厭氧消化技術可成功實現(xiàn)餐廚垃圾的減量化、無害化、資源化處理，減少城市餐廚垃圾污染的同時，生產出可再生能源，是處理餐廚垃圾的有效途徑，在國外已有廣泛應用[9]。

2016年1月20日，由杭州市環(huán)境集團投資、杭州能源環(huán)境工程有限公司參與建設的杭州市餐廚垃圾處理一期項目正式啟動運行，項目采用CSTR中溫厭氧消化技術，日處理餐廚垃圾200 t·d-1，日產沼氣13500 m3·d-1。本文即對該項目進行介紹并監(jiān)測分析了100 d的穩(wěn)定運行數(shù)據(jù)(2016年11月5日～2017年2月12日)，以期對其它城市餐廚垃圾資源化處理提供一定的參考。

1 工藝流程

1.1 概述

項目位于杭州市天子嶺靜脈小鎮(zhèn)內，采用江蘇維爾利環(huán)?？萍脊煞萦邢薰镜牟蛷N垃圾預處理技術和杭州能源環(huán)境工程有限公司的厭氧消化制沼技術，設計“預處理+厭氧消化+沼氣凈化發(fā)電+沼渣脫水處置”工藝路線，日處理餐廚垃圾200 t，平均日產沼氣13,500 m3，沼氣脫硫凈化后用于熱電聯(lián)產。項目工藝流程如圖1所示。

圖1 項目工藝流程框圖

運輸至項目場地的餐廚垃圾首先經物料接收料斗進入預處理系統(tǒng)，預處理后的物料漿液泵入CSTR厭氧消化系統(tǒng)，進行中溫厭氧消化，所產沼氣經生物脫硫凈化后用于熱電聯(lián)產，電能并網(wǎng)，余熱用作系統(tǒng)增溫，發(fā)酵液經固液分離后，廢液進入污水處理站，固渣外運填埋。圖2為該餐廚垃圾處理項目相關照片。

圖2 杭州天子嶺餐廚垃圾處理項目照片

1.2 預處理

項目原料來自杭州市餐飲企業(yè)所產生的餐廚垃圾，其原料性質如表1所示。

表1 餐廚垃圾原料性質

針對本項目餐廚垃圾的特點，采用江蘇維爾利環(huán)保科技股份有限公司自主研發(fā)的餐廚垃圾預處理系統(tǒng)，其工藝流程如圖3所示。

圖3 預處理系統(tǒng)工藝流程圖

餐廚垃圾首先進入接收料斗，料斗底部設置雙螺旋給料機，可對物料進行瀝水和初步分選，之后物料輸送至自動分選系統(tǒng)，除去餐廚垃圾中的大部分雜質，經過自動分選打漿作用后，物料呈漿料狀，對分選后漿料加熱增溫后進行固液分離，之后進入油脂回收提純系統(tǒng)，回收毛油純度可達到98%以上，提油后液體進入?yún)捬跸到y(tǒng)，雜質及廢渣外運處理。

預處理系統(tǒng)對餐廚垃圾的處理效果及預處理后的物料性質見表2。

表2 預處理效果及預處理后物料性質

注;a為百日平均值;b為揮發(fā)性固體含量(volatile solids，VS); c為化學需氧量(chemical oxygen demand，COD)。

1.3 厭氧消化

1.3.1 工藝及關鍵技術設備

項目采用CSTR(Continuous Stirred Tank Reactor)中溫發(fā)酵工藝，其流程如圖4所示。

圖4 厭氧消化系統(tǒng)工藝流程圖

該工藝流程中，CSTR厭氧反應器，反應器內微生物濃度高，耐沖擊負荷能力強；采用雙折邊咬合罐成型技術，施工周期短；罐體采用碳鋼防腐，耐腐蝕[10]。高效節(jié)能攪拌機采用“雙漿葉”設計，有效避免浮渣和結殼；專利技術水封設計，保證氣密性，同時避免了機械密封易損壞、更換困難的缺點；低能耗運行，裝機容量小于5 W·m-3反應器容積[11]。厭氧循環(huán)系統(tǒng)，包含出料裝置、微生物分離裝置、微生物富集裝置和回流裝置，通過物料循環(huán)提高厭氧反應器內微生物的濃度，提高容積負荷和耐沖擊負荷的能力[12]。

該CSTR厭氧系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢： 1)水解酸化罐內單獨進行厭氧水解酸化反應，以提高餐廚垃圾中有機質降解率； 2)厭氧循環(huán)系統(tǒng)有效提高厭氧反應器內微生物濃度，提高厭氧消化濃度。圖5為該餐廚垃圾處理項目相關厭氧罐照片。

圖5 杭州天子嶺餐廚垃圾處理項目厭氧罐照片

厭氧消化工藝參數(shù)如表3所示。

表3 厭氧消化工藝參數(shù)表

注：a為百日平均值。

1.3.2 厭氧系統(tǒng)運行狀況

1.3.2.1 厭氧消化過程VS降解

由圖6可見，厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，其進料VS濃度范圍為76.6%～91.1%，平均值為85.0%±2.6%；出料VS濃度范圍為47.0%～56.9%，平均值為50.6%±1.9%，據(jù)此計算，厭氧消化過程對VS的平均降解率為40.4%，該值與陳祥的研究報道結果一致[9]，其厭氧消化餐廚垃圾的VS降解率分別為39.6%(TS發(fā)酵濃度25%)和40.0%(TS發(fā)酵濃度5%)。

圖6 厭氧消化過程對VS的降解

1.3.2.2 厭氧消化過程COD降解

由圖7可見，雖然厭氧系統(tǒng)進料COD波動較大(132125～237625 mg·L-1)，但厭氧消化系統(tǒng)運行期間對COD的去除效果相對較穩(wěn)定，平均出料COD濃度為21921±1771 mg·L-1，COD的平均降解率為86.9%±1.9%。

圖7 厭氧消化過程對COD的降解

1.3.2.3 沼氣產量及甲烷濃度

由圖8可見，運行期間沼氣產量有一定的波動，變化范圍為11945～14321 m3·d-1，這主要受進料情況的影響[13]。沼氣產量的平均值為13500±538 m3·d-1，平均沼氣產率882 m3·t-1VS，這與張存

圖8 厭氧消化所產沼氣量及沼氣組分

勝[14]對餐廚垃圾進行的厭氧消化批次試驗結果相近(沼氣產率為888 m3·t-1VS)，表明本項目具有較高的沼氣產率。

厭氧消化產生的沼氣中CH4濃度相對較穩(wěn)定，變化范圍為53.0%～74.0%，平均濃度為61.7%±3.9%，平均CH4產率為544 m3·t-1VS。沼氣CH4濃度的變化主要是由餐廚垃圾原料組分種類及不同組分的比例變化引起的[15]。

1.3.2.4 厭氧消化過程中pH值的變化

如圖9所示，CSTR厭氧罐平均進料pH值為3.9±0.3，平均出料pH值為7.8±0.5，出料pH值相對穩(wěn)定。產甲烷菌對pH值變化敏感，適宜生長的最佳pH值范圍為6.5～7.8[16]，厭氧罐內適宜的pH值保證厭氧消化過程有較高產氣率。

圖9 運行期間進出料pH值的變化

1.4 沼氣脫硫凈化和貯存

厭氧消化產生的沼氣(平均H2S含量2633.6±695.0 mg·m-3)通入高效生物脫硫系統(tǒng)進行脫硫凈化，依靠硫桿菌和絲硫菌屬在新陳代謝過程中吸收H2S并將其轉化為硫單質或硫酸。本工藝運行成本低(脫硫運行成本包含藥劑費和電費，為0.024元·Nm-3)，對H2S的去除效率高(平均脫硫效率93.0%±3.7%，見圖10)。經生物脫硫后，沼氣中H2S的濃度為175.3±85.2 mg·m-3，滿足后續(xù)熱電聯(lián)產沼氣發(fā)電機組對沼氣組分的要求(≤300 mg·m-3)。

圖10 生物脫硫系統(tǒng)對沼氣中H2S的去除

沼氣脫硫凈化后，暫存于1200 m3的雙膜球形干式貯氣柜中，之后用于熱電聯(lián)產單元。

2 項目產品和效益

2.1 產品

本項目的主要產品有沼氣和毛油，其中沼氣產量13500 m3·d-1，年產472.5萬m3·a-1；項目預處理系統(tǒng)油脂回收率為83.3%，項目每天可回收5 t毛油，可用于工業(yè)油脂原料或進一步加工生產生物柴油。厭氧發(fā)酵后殘余物經固液分離后，廢液與天子嶺填埋場滲濾液一起進入污水處理系統(tǒng)，固渣(含水率低于60%)直接在天子嶺垃圾填埋場填埋處理。

2.2 效益

本項目所產生的效益主要有環(huán)境效益、社會效益和經濟效益。環(huán)境效益方面，項目年處理餐廚垃圾7萬噸，碳減排5.4萬噸CO2當量·年-1，可有效避免溫室氣體排放；同時項目每天減少5 t“地溝油”的產生，每年可減少1750 t“地溝油”，同時有效減少“泔水豬”、“垃圾豬”的出現(xiàn)，保障餐桌安全，具有極高的社會效益；另外，目前毛油市場價格3200元·t-1，毛油產量5 t·d-1，日收益1.6萬元。

3 結論和建議

由杭州天子嶺餐廚垃圾厭氧消化沼氣項目可見，厭氧消化處理1 t餐廚垃圾可產生67.5 m3沼氣，回收25 kg毛油，減少城鎮(zhèn)餐廚垃圾污染的同時生產可再生能源，同時避免產生“地溝油”、“泔水豬”，保障餐桌安全，具有極高的環(huán)境效益和社會效益，是解決我國城鎮(zhèn)餐廚垃圾危機的一條綠色之路。

然而，由于我國餐廚垃圾尚未完全實現(xiàn)統(tǒng)一清運、且成分復雜，同時需要廢液、廢渣的后端處理，因此餐廚垃圾厭氧消化項目投資大，運行成本高，“自造血”能力有限。參考國外餐廚垃圾厭氧消化項目的運行經驗[17-18]，建議政府從以下幾方面進行支持，以保障項目運行的可持續(xù)性： 1)提高政府補貼：主要有原料補貼、生物柴油補貼、發(fā)電上網(wǎng)補貼等； 2)完善制度政策：落實餐廚垃圾處理特許經營權制度，規(guī)范餐廚垃圾處理市場；推廣“誰污染誰付費”制度；強制執(zhí)行餐廚垃圾分類。

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