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        關(guān)于有機(jī)廢棄物厭氧消化處理系統(tǒng)精細(xì)化運(yùn)行管理及資源深度利用的探索

        2022-05-30 10:48:04張卓岳鳳
        城市管理與科技 2022年2期
        關(guān)鍵詞:沼渣堿度沼液

        張卓 岳鳳

        隨著全國生活垃圾分類工作的推進(jìn),尤其是在大型一線城市中,采用生物方法處理城市餐廚垃圾等有機(jī)廢棄物已成為主流。而在有機(jī)垃圾生化處理設(shè)施中,采用厭氧消化工藝的占絕大多數(shù)。這種工藝有一系列的重要優(yōu)勢,比如,適應(yīng)性強(qiáng),能夠處理成分復(fù)雜的各類餐廚垃圾等有機(jī)廢棄物;節(jié)能降耗,運(yùn)行成本低;能夠產(chǎn)生沼氣清潔能源等。

        在本文中,筆者結(jié)合廣州福山生物質(zhì)綜合處理廠的運(yùn)行實(shí)踐,對(duì)有機(jī)垃圾厭氧消化處理設(shè)施進(jìn)行系統(tǒng)介紹,通過其進(jìn)料性狀、反應(yīng)溫度、微生物菌群控制、終產(chǎn)物沼液和沼渣處置等運(yùn)行精細(xì)管理情況,進(jìn)一步深挖厭氧消化處理設(shè)施的功能擴(kuò)展和資源化利用方式。

        一、廣州福山生物質(zhì)綜合處理廠厭氧消化處理系統(tǒng)運(yùn)行狀況

        (一)厭氧消化系統(tǒng)

        廣州福山生物質(zhì)綜合處理廠的厭氧消化系統(tǒng)主體包括7套并聯(lián)運(yùn)行的全混式厭氧消化反應(yīng)罐(總反應(yīng)容積6.3萬立方米)和4套有機(jī)垃圾水解酸化罐。系統(tǒng)前后端分別配套有機(jī)垃圾的預(yù)處理系統(tǒng)、沼液脫水設(shè)施和沼氣綜合利用設(shè)施。

        整體厭氧消化系統(tǒng)針對(duì)餐廚、廚余垃圾、城市糞污和動(dòng)物固廢四類有機(jī)質(zhì)垃圾進(jìn)行生化處理。每日進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)的有機(jī)質(zhì)垃圾漿料超過1600噸(經(jīng)預(yù)處理后),四類有機(jī)質(zhì)垃圾漿料的組成比例隨實(shí)際垃圾進(jìn)廠量存在明顯波動(dòng)。

        (二)總體運(yùn)行狀況

        自投運(yùn)以來,該處理廠已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行超過兩年,各項(xiàng)指標(biāo)及處理效果均保持優(yōu)越狀態(tài)。主要表現(xiàn)為(以下均為日均值):有機(jī)質(zhì)分解率90%以上,罐內(nèi)物料的VFA500mg/L以下、堿度12000mg/L以上,微生物菌種的有機(jī)質(zhì)比例長期穩(wěn)定在約45%水平,厭氧消化后沼液COD3000mg/L以下。數(shù)據(jù)表明,聯(lián)合厭氧消化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、有機(jī)垃圾被高效分解,產(chǎn)生更多的資源產(chǎn)品沼氣、更少的二次廢棄物沼渣,以及更低濃度的廢水,從而降低后續(xù)污水處理成本和難度。

        廣州福山生物質(zhì)綜合處理廠厭氧系統(tǒng)2021年運(yùn)行狀況見圖1、圖2。

        二、厭氧消化系統(tǒng)日常運(yùn)行的精細(xì)化管理

        (一)進(jìn)料漿料的性狀控制

        要實(shí)現(xiàn)厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行,進(jìn)料控制是基礎(chǔ)條件,主要控制參數(shù)包括進(jìn)料TS、有機(jī)質(zhì)含量、溫度、油脂含量等。

        1.進(jìn)料TS與有機(jī)質(zhì)濃度控制。雖然理論上來講,進(jìn)料TS濃度越高越好,其能產(chǎn)生更長的停留時(shí)間和更少的沼液產(chǎn)生量。但是實(shí)際運(yùn)行中,需要綜合平衡物料輸送和厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)攪拌強(qiáng)度的可行性。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),對(duì)于進(jìn)入?yún)捬跸到y(tǒng)的漿料TS濃度一般控制在10%~12%。

        通過對(duì)各類垃圾進(jìn)行預(yù)處理,尤其是對(duì)餐飲、廚余垃圾進(jìn)行分選除雜、制漿、除砂、提油等一系列預(yù)處理,去除其中的金屬、塑料、砂礫等無機(jī)質(zhì)雜物,實(shí)現(xiàn)漿料TS中的有機(jī)質(zhì)占比(VS/TSS)達(dá)到90%以上,減少無機(jī)雜物進(jìn)入系統(tǒng)造成沉積。

        2.溫度控制。穩(wěn)定的反應(yīng)溫度是獲得良好厭氧消化效果的必要條件。本項(xiàng)目采用中溫厭氧消化,厭氧系統(tǒng)需保持35℃~38℃的反應(yīng)溫度,通常進(jìn)料溫度高于反應(yīng)溫度并維持厭氧消化系統(tǒng)的環(huán)境溫度。

        綜合考慮各項(xiàng)熱損失并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),進(jìn)入?yún)捬跸到y(tǒng)的漿料溫度需控制在45℃~50℃。日常運(yùn)行也需每日檢測厭氧系統(tǒng)溫度,并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)進(jìn)料溫度進(jìn)行調(diào)整。一旦出現(xiàn)反應(yīng)溫度劇烈波動(dòng),即需立即啟動(dòng)換熱系統(tǒng)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

        3.油脂含量。油脂對(duì)厭氧微生物活動(dòng)存在不利影響。油脂在厭氧反應(yīng)器中降解很慢,需要相當(dāng)長的停留時(shí)間,并會(huì)包裹厭氧污泥上浮,從而引起污泥流失。并且,油脂分解產(chǎn)生的長鏈脂肪酸的毒性較強(qiáng),會(huì)顯著抑制產(chǎn)甲烷菌的活性,還會(huì)與Ca2+結(jié)合產(chǎn)生脂肪酸鈣沉淀。總之,油脂過多會(huì)抑制產(chǎn)氣,造成VFA(揮發(fā)性脂肪酸)升高,甚至有系統(tǒng)酸化的風(fēng)險(xiǎn)。因此,需對(duì)餐廚垃圾漿料進(jìn)行充分的提油預(yù)處理,將漿料油脂含量控制在0.5%以下。

        (二)厭氧消化系統(tǒng)日常運(yùn)行主要控制參數(shù)及方法

        厭氧消化系統(tǒng)日常運(yùn)行控制參數(shù)主要包括:VFA、pH值、堿度、溫度、污泥濃度及污泥中有機(jī)物比例。具體控制要求及方法如下:

        1.VFA與堿度。VFA與堿度是兩項(xiàng)直觀反映厭氧運(yùn)行狀態(tài)的指標(biāo)。VFA高、堿度低,表明厭氧中甲烷菌活力不夠、產(chǎn)氣進(jìn)行不佳,同時(shí),VFA的積累會(huì)抑制甲烷菌活性,進(jìn)而造成惡性循環(huán),系統(tǒng)有酸化的風(fēng)險(xiǎn)。國內(nèi)同類設(shè)施的運(yùn)行管理規(guī)范中,要求厭氧消化系統(tǒng)沼液中VFA/堿度小于0.25。系統(tǒng)沼液中,VFA/堿度值越低,整個(gè)厭氧系統(tǒng)越穩(wěn)定,有機(jī)質(zhì)分解率和產(chǎn)氣效果越佳,越能耐受負(fù)荷沖擊。另外,VFA越低,外排沼液的COD濃度也越低,極大減輕后端污水處理壓力。

        廣州福山生物質(zhì)綜合處理廠的厭氧系統(tǒng)控制要求為VFA≤2000mg/L,實(shí)際運(yùn)行則遠(yuǎn)低于該值,VFA基本在500mg/L以下,而堿度則高于12000 mg/L,做到了VFA/堿度為0.05(詳見圖1、圖2),故而厭氧系統(tǒng)運(yùn)行非常穩(wěn)定。

        2.pH值。一般厭氧反應(yīng)需控制pH值在6.8~7.8,超出該范圍對(duì)厭氧產(chǎn)酸和產(chǎn)氣反應(yīng)不利。對(duì)于運(yùn)行良好的系統(tǒng),其VFA低、堿度充足,pH值一般在7.2以上。廣州福山生物質(zhì)綜合處理廠厭氧系統(tǒng)的pH值基本穩(wěn)定在7.5±0.1。處理生活垃圾時(shí),進(jìn)料pH值較為溫和,一般不需額外調(diào)節(jié)。

        3.溫度。如前文所述,本項(xiàng)目的厭氧系統(tǒng)需保持35℃~38℃的反應(yīng)溫度,過高和過低均不利于厭氧消化反應(yīng)。系統(tǒng)的厭氧罐高度達(dá)到20米以上,容積大,因此在罐內(nèi)上、中、下不同高度安裝溫度傳感器,對(duì)罐內(nèi)多點(diǎn)位溫度進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測,以便溫度偏離時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)措施,及時(shí)調(diào)整??刹扇〉拇胧┌ㄕ{(diào)整進(jìn)料溫度和進(jìn)料負(fù)荷等。

        4.污泥濃度與污泥有機(jī)質(zhì)含量。污泥濃度是保證厭氧處理效果的“核心”。要根據(jù)進(jìn)料COD濃度和厭氧停留時(shí)間,確保容積負(fù)荷在合理范圍。為保證更好的厭氧處理效果,需保持厭氧污泥濃度在一定水平,但同時(shí)有機(jī)質(zhì)濃度高則表明有機(jī)質(zhì)未充分被分解產(chǎn)氣。本項(xiàng)目運(yùn)行控制沼液TS達(dá)到2.8%~4%,VS/TS達(dá)到50%左右。

        5.異常分析與處置。厭氧系統(tǒng)是個(gè)反應(yīng)多樣性的綜合系統(tǒng),各項(xiàng)指標(biāo)相互影響。如指標(biāo)出現(xiàn)較大偏差,需要逐一排查和分析可能造成偏差的原因,針對(duì)原因采取針對(duì)性的調(diào)整措施,以便盡快恢復(fù)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

        如系統(tǒng)出現(xiàn)酸化趨勢,則除滿足溫度、pH值等基本條件之外,還需控制進(jìn)料量,降低厭氧系統(tǒng)的COD容積負(fù)荷,使系統(tǒng)酸化得以減輕。系統(tǒng)運(yùn)行趨于正常后,厭氧系統(tǒng)的負(fù)荷也需穩(wěn)步提升,觀察和檢測各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù),根據(jù)情況做合理調(diào)節(jié)。

        三、剩余沼渣制有機(jī)肥經(jīng)驗(yàn)與沼液制液態(tài)肥的可行性探索

        有機(jī)垃圾通過厭氧消化系統(tǒng)處理后,一般將產(chǎn)生85%比例以上的沼液污水和5%~8%的剩余沼渣(均以進(jìn)料垃圾總量計(jì))。此兩部分物料如不進(jìn)行資源化利用,將反過來帶來高昂的污水與廢渣處理成本。

        (一)沼渣制有機(jī)肥的相關(guān)政策與技術(shù)要求

        根據(jù)廣州福山生物質(zhì)綜合處理廠的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),沼渣可以銷售給有機(jī)肥廠家作為制有機(jī)肥原料,從而實(shí)現(xiàn)資源化利用。

        1.沼渣制有機(jī)肥有關(guān)政策支持。一是根據(jù)《一般固體廢物分類與代碼》(GB/T 39198-2020)分類,有機(jī)廢棄物厭氧消化處理產(chǎn)生的沼渣屬于一般固體廢物。二是根據(jù)《有機(jī)肥料》(NY/T 525-2021)中附錄B《評(píng)估性原料安全性評(píng)價(jià)要求》,沼渣/液符合安全性評(píng)價(jià)后可以作為有機(jī)肥料生產(chǎn)原料。其中安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為重金屬含量等,需提供生產(chǎn)工藝說明、檢測報(bào)告等佐證材料。

        2.沼渣制有機(jī)肥相關(guān)環(huán)保手續(xù)辦理。沼渣產(chǎn)生單位可以委托有相應(yīng)資質(zhì)的單位進(jìn)行沼渣堆肥利用,雙方簽訂合同,產(chǎn)生單位需建立沼渣產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移處置的全過程管理臺(tái)賬,并獲得接收單位對(duì)每車沼渣的簽收單,以形成閉環(huán)管理。如跨省轉(zhuǎn)移利用的,根據(jù)《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》第二十二條的規(guī)定,沼渣產(chǎn)生單位報(bào)移出地的省人民政府生態(tài)環(huán)境主管部門備案即可。

        此外,制肥單位為更利于制肥及成本管控,對(duì)沼渣含水率要求較低,且制肥單位一般遠(yuǎn)離市區(qū),沼渣需長距離運(yùn)輸。因此,為降低成本、滿足制肥和運(yùn)輸要求,一般需將沼渣含水率控制在60%~65%,運(yùn)輸車做好密閉。

        3.廣州福山生物質(zhì)綜合處理廠沼渣綜合利用情況。廣州福山生物質(zhì)綜合處理廠厭氧沼渣主要有兩種處置去向,一種是作為有機(jī)肥料生產(chǎn)原料外運(yùn)利用,另一種是作為廢渣送焚燒發(fā)電廠焚燒處置。目前多以外運(yùn)利用為主。以2021年3月數(shù)據(jù)為例,沼渣外運(yùn)利用占比達(dá)到93.69%。

        (二)沼液制作液態(tài)肥的可行性探討

        尤其在西歐國家,有機(jī)廢棄物厭氧消化處理后的沼液只要滿足鹽度和重金屬控制目標(biāo),即可作為液態(tài)有機(jī)肥(或基礎(chǔ)肥)直接回田。這樣不僅節(jié)約大量處理成本,還實(shí)現(xiàn)了資源化利用效益。

        國內(nèi)對(duì)于厭氧沼液的綜合利用,目前還處于探索階段。筆者認(rèn)為,除了進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究之外,首先要解決的是政策問題。目前,對(duì)于有機(jī)廢棄物厭氧消化沼液回田作肥的相關(guān)環(huán)保政策與肥料標(biāo)準(zhǔn),國內(nèi)還處于缺失狀態(tài)。在有的地區(qū),沼液回田甚至可能會(huì)被認(rèn)定為“污水亂排”。因此,整個(gè)行業(yè)內(nèi)沼液綜合利用進(jìn)展緩慢。

        筆者建議,國家環(huán)保和農(nóng)業(yè)部門應(yīng)該聯(lián)合制訂沼液回田作肥的相關(guān)政策與管理辦法,以期產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

        四、厭氧消化設(shè)施功能擴(kuò)展的相關(guān)建議

        運(yùn)行良好的有機(jī)廢棄物厭氧消化設(shè)施具備很強(qiáng)的“兼容性”,即可聯(lián)合處理餐飲垃圾、廚余垃圾、城市糞污、食品垃圾、城市污泥等各類有機(jī)廢棄物。這種兼容性能一舉兩得。一方面,擴(kuò)展設(shè)施功能,可以產(chǎn)生良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。另一方面,各類物料的存在,能提升整個(gè)厭氧消化微生物系統(tǒng)的多樣性,促進(jìn)生物反應(yīng)系統(tǒng)更為穩(wěn)定。

        以廣州福山生物質(zhì)綜合處理項(xiàng)目為例,目前除處理四類有機(jī)廢物外,每天還協(xié)同處理城市污水廠的污泥約50噸。運(yùn)行實(shí)效表明,新增污泥處理后,參與反應(yīng)的微生物明顯增多。以每毫升沼液中微生物菌落數(shù)計(jì)(cfu/mL),活菌數(shù)量增加約15%,達(dá)到108~109cfu/mL。經(jīng)過16SrRNA基因檢測,厭氧微生物豐度和多樣性也明顯增多。

        五、結(jié)語

        有機(jī)廢棄物采用厭氧消化處理工藝進(jìn)行無害化處理后,產(chǎn)生沼氣、肥料等資源性產(chǎn)品,在垃圾處理的同時(shí),產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)保效益。今后,生活垃圾處理單位需要持續(xù)深入結(jié)合實(shí)際,研究開發(fā)和推廣應(yīng)用更優(yōu)的處理技術(shù)工藝、更高效的設(shè)施設(shè)備,并持續(xù)提升設(shè)施運(yùn)行精細(xì)化管理水平,積極開拓資源化利用渠道,實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物充分的無害化和資源化處理。

        作者簡介:

        張卓(1983—),湖南益陽人,深圳市朗坤環(huán)境集團(tuán)股份有限公司廣州生態(tài)環(huán)境園項(xiàng)目總經(jīng)理、環(huán)保工程師,研究方向:有機(jī)廢棄物協(xié)同無害化處理和深度資源化利用;

        岳鳳(1990—),女,山東東平人,深圳市朗坤環(huán)境集團(tuán)股份有限公司廣州生態(tài)環(huán)境園項(xiàng)目總經(jīng)理助理、環(huán)保工程師,研究方向:有機(jī)廢棄物資源化處理與廢水處理。

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