楊德坤, 白 力

(上?？岛悱h(huán)境股份有限公司研究院, 上海 201703)

隨著國民經(jīng)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(chǎn)量正以每年約10%的速度不斷增長[1]。餐廚垃圾是指家庭、學校、機關、公共食堂以及餐飲行業(yè)的食物廢料、餐飲剩余物、食品加工廢料及不可再食用的動植物油脂和各類油水混合物,是城市生活垃圾的一部分[2]。餐廚垃圾較之其他垃圾,具有水分、有機物、油脂及鹽分含量高,易腐爛,營養(yǎng)元素豐富等特點,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(zhì)量[3]。

目前餐廚垃圾處理方式有焚燒、填埋、好氧堆肥等[4-5]。由于餐廚垃圾含有豐富的有機質(zhì),厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼成為餐廚垃圾資源化利用最常用的技術[6-8],該技術在減少城市餐廚垃圾污染的同時,能夠生產(chǎn)出可再生能源,是處理餐廚垃圾的有效途徑[9]。

靜脈產(chǎn)業(yè)園是指以焚燒廠為主體,將餐廚廠、污泥廠、糞便廠等城市固廢處理設施建在同一園區(qū)內(nèi)的綜合單元,能實現(xiàn)物質(zhì)和能量的協(xié)同[10-11]。餐廚垃圾厭氧發(fā)酵處理過程中,產(chǎn)生的預處理固渣、沼渣和沼液等均需進一步處理[12]。獨立建廠需要采取必要措施將固渣以及沼液等進行終端處理,投資大。將餐廚垃圾處理廠與焚燒廠進行共建,餐廚垃圾產(chǎn)生的固渣可送至焚燒廠處理,沼液可送至滲濾液處理站處理;而餐廚廠需求的電力和蒸汽則由焚燒廠提供,實現(xiàn)物質(zhì)和能量的協(xié)同,節(jié)省運行成本,提升經(jīng)濟效益。

本文以廣西某靜脈產(chǎn)業(yè)園內(nèi)餐廚垃圾處理廠(以下簡稱“餐廚廠”)為例,結合3個月的運行數(shù)據(jù),分析存在的問題,并通過對餐廚廠與焚燒廠協(xié)同和餐廚廠獨立運營進行經(jīng)濟對比分析,提出合理性建議,為后續(xù)餐廚廠的建設運營提供相關參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

餐廚廠位于靜脈產(chǎn)業(yè)園內(nèi),與生活垃圾焚燒廠共建,服務范圍共有餐飲企業(yè)約3 700家,此外還有機關、企事業(yè)單位和學校食堂。其餐廚垃圾產(chǎn)生量約80 t/d,成分組成(濕基狀態(tài)含水率77.5%～81.5%)見表1。此前,該市無餐廚垃圾處理設施,餐廚垃圾主要去向為養(yǎng)豬戶用于養(yǎng)豬,部分未經(jīng)處理傾倒入下水道或是混入生活垃圾中,給當?shù)丨h(huán)境帶來污染。該餐廚廠的建設有效地解決了該地區(qū)餐廚垃圾無法合規(guī)處理的問題,實現(xiàn)了餐廚垃圾資源化和無害化處理。

表1 餐廚垃圾成分組成 單位:%

1.2 工藝簡介

1.2.1 設計規(guī)模

設計餐廚廠規(guī)模為100 t/d,預留二期100 t/d位置。

1.2.2 處理工藝

采用“預處理+油脂提取+厭氧發(fā)酵+沼氣凈化利用”的總體工藝對餐廚垃圾進行資源化利用及無害化處理。處理工藝流程如圖1所示。

經(jīng)地磅稱重計量后的餐廚垃圾收運車駛進處理廠卸料大廳,將餐廚垃圾倒入接料裝置系統(tǒng)中。物料通過底部帶濾水功能的無軸螺旋輸送機輸送至生物質(zhì)分離器,濾出的游離液體存儲至收集水箱,由輸送泵輸送至后續(xù)工藝系統(tǒng)處理。餐廚垃圾經(jīng)過生物質(zhì)分離器處理后,其中易分選的大部分塑料、紙類等輕物質(zhì)被分離出,餐廚垃圾也被破碎至粒徑小于8 mm的有機漿料。將破碎后的有機漿料繼續(xù)經(jīng)泵送進入后續(xù)螺壓脫水機,脫水后產(chǎn)生的固渣送至焚燒廠焚燒處理,產(chǎn)生的有機漿液與濾液池中的濾液輸送至除砂系統(tǒng)有效去除貝殼、玻璃、瓷片、砂石等重物質(zhì)雜質(zhì)后用作油水分離系統(tǒng)的原料。

除砂后的漿液經(jīng)蒸汽加熱后由提升泵提升至油水分離系統(tǒng)進行油、固、液的分離,分離出的固渣運至焚燒廠焚燒處理,油脂回收外售,漿液存入漿液池由輸送泵輸送至厭氧系統(tǒng)返料箱;進入返料箱中的物料與厭氧系統(tǒng)厭氧罐回流的沼液混合并由蒸汽升溫至53～55 ℃后,通過泵輸送至厭氧罐進行厭氧發(fā)酵;厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過干法脫硫預處理后供本廠沼氣鍋爐使用,為厭氧系統(tǒng)和油水分離系統(tǒng)提供蒸汽,同時預留焚燒廠蒸汽接口,后期由焚燒廠提供蒸汽,富余部分沼氣通過內(nèi)燃式火炬燃燒,并預留沼氣發(fā)電管道接口;厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣輸送至沼渣緩存罐,通過泵輸送至離心脫水機脫水處理,脫水后沼渣部分返回厭氧罐以保持罐內(nèi)微生物濃度,其余送至焚燒廠焚燒處理,沼液泵送至焚燒廠滲濾液處理站處理。

1.2.3 系統(tǒng)運行控制

餐廚垃圾處理系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器(PLC)控制,餐廚垃圾預處理系統(tǒng)(包括除臭系統(tǒng)的控制)、厭氧發(fā)酵系統(tǒng)和沼氣凈化及儲存系統(tǒng)(包括沼氣鍋爐系統(tǒng)和沼氣火炬的控制)各設置1套PLC系統(tǒng),每套系統(tǒng)設置1座PLC控制站,集中置于中央控制室并設置操作員站。

各工作區(qū)域儀表自控系統(tǒng)由PLC來完成工藝生產(chǎn)過程自動化控制,控制系統(tǒng)能實現(xiàn)手動、自動和遠控功能,均有檢測報警、故障顯示等功能。

2 工藝運行分析

2.1 收運量分析

該餐廚廠于2019年建成,收運和簽約量隨月份變化情況如圖2所示。由圖2可知,用時5個月簽約量達到70 t/d,收運量也保持在65 t/d上下,餐廚垃圾收運/簽約比增加至90%以上。這說明餐廚垃圾收運體系逐漸完善。

圖2 收運和簽約量隨月份變化情況

2.2 基本運行數(shù)據(jù)分析

餐廚垃圾經(jīng)預處理系統(tǒng)處理后進入?yún)捬跸到y(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)沼。該餐廚廠3個月的基本運行數(shù)據(jù)如表2所示。廢水量是指餐廚垃圾經(jīng)過“預處理+厭氧”處理后最終需要送往水處理設施處理的水量。餐廚垃圾可分為廢渣、餐廚廢水、粗油脂3部分,餐廚垃圾在卸料過程中,需要消耗沖洗水沖洗運輸車輛、卸料平臺地面以及部分設備,而沖洗水不計入餐廚垃圾處理量但是會隨餐廚廢水一并進入?yún)捬醭貐捬跆幚砗笞罱K送往水處理設施處理,廢水量實際上等于“沖洗水量+餐廚廢水量”,因此“粗油脂+廢渣量+廢水量”要大于餐廚處理量。由表2可知,餐廚垃圾日均處理量為60.46 t,平均產(chǎn)油率約2.37%,廢渣和廢水量產(chǎn)率分別為19.64%,81.80%。

表2 基本運行數(shù)據(jù)

2.3 厭氧系統(tǒng)分析

2.3.1 沼氣產(chǎn)量及成分分析

厭氧產(chǎn)沼過程能夠?qū)⒉蛷N垃圾中的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣進而被利用[13-14]。該餐廚廠日產(chǎn)沼氣量及噸垃圾產(chǎn)沼氣量隨運行天數(shù)變化情況如圖3所示。由圖3可知,厭氧平均產(chǎn)沼氣量為3 459 m3/d,產(chǎn)沼氣量波動幅度較大。波動范圍2 000～5 000 m3/d,這是因為日產(chǎn)沼氣量受進料系統(tǒng)的影響。餐廚垃圾每天收運量不固定,因此日產(chǎn)沼氣量波動幅度較大。另外,平均噸垃圾產(chǎn)沼氣量為57.21 m3,與文獻[15]的研究基本一致。

圖3 日產(chǎn)沼氣量及噸垃圾產(chǎn)沼氣量隨運行天數(shù)變化情況

化學需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)去除率隨運行天數(shù)變化情況如圖4所示。由圖4可知,COD的平均去除率為87.22%。噸垃圾產(chǎn)沼氣量是由餐廚垃圾質(zhì)量和厭氧運行質(zhì)量決定,說明盡管該地區(qū)垃圾品質(zhì)不太穩(wěn)定,但厭氧消化系統(tǒng)運行較為良好,COD去除率高。

圖4 COD去除率隨運行天數(shù)變化情況

沼氣成分指標測量數(shù)據(jù)如表3所示。由表3可知,CH4含量穩(wěn)定在65%左右,與文獻[16]的研究結果一致;沼氣中CH4含量的變化主要是由餐廚垃圾原料組分種類及不同組分比例變化引起的[17]。這說明該地區(qū)餐廚垃圾有機組分較為穩(wěn)定。

表3 沼氣成分指標測量數(shù)據(jù)

2.3.2 厭氧系統(tǒng)運行穩(wěn)定性分析

2.3.2.1 溫度及pH值分析

產(chǎn)甲烷菌對溫度和pH值的變化敏感。其生長的最佳pH值范圍為6.5～7.8[18];本文中系統(tǒng)采用高溫厭氧發(fā)酵,最佳生長溫度為53～55 ℃[19]。保持厭氧罐內(nèi)適宜的溫度和pH值能夠保證厭氧消化過程穩(wěn)定運行,從而達到較高的產(chǎn)氣率。溫度及pH值隨運行天數(shù)變化情況如圖5所示。厭氧罐內(nèi)溫度、pH值均保持在穩(wěn)定水平,分別為54 ℃和7.8,從而為產(chǎn)甲烷菌的生長狀態(tài)提供了良好條件,保證了厭氧消化過程的穩(wěn)定運行。

圖5 溫度及pH值隨運行天數(shù)變化情況

2.3.2.2 氨氮含量分析

氨氮含量能夠在一定程度上反映出厭氧系統(tǒng)運行狀態(tài)。研究表明,氨氮濃度超過2 500 mg/L時,產(chǎn)甲烷菌的活性受到了一定程度的抑制,發(fā)生氨氮抑制效應,不但影響厭氧產(chǎn)甲烷速率,也影響累計產(chǎn)甲烷量[20-21]。本文中系統(tǒng)進出料氨氮含量隨運行天數(shù)變化情況如圖6所示。由圖6可知,進料氨氮含量基本維持在500 mg/L左右,這是因為在餐廚漿液中,氮主要存在于蛋白質(zhì)等大分子中,因此進料漿液中檢測出的氨氮含量較低;而經(jīng)過厭氧發(fā)酵反應后,漿液中的蛋白質(zhì)等含氮的大分子物質(zhì)降解生成小分子氨氮,沼液中出料氨氮含量升高至2 000 mg/L左右且基本維持不變,系統(tǒng)運行較為穩(wěn)定。

圖6 進出料氨氮含量隨運行天數(shù)變化情況

2.4 沼氣提純利用系統(tǒng)分析

沼氣提純利用系統(tǒng)主要由沼氣氣柜、脫硫塔、冷干風機、沼氣鍋爐和內(nèi)燃式火炬組成。沼氣脫硫系統(tǒng)工藝流程如圖7所示。本文中系統(tǒng)沼氣經(jīng)過脫硫處理后,H2S含量從脫硫前的0.210 8‰降低至0.027 3‰,脫硫率達87.05%,符合鍋爐燃燒要求。產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過脫硫和干化后,進入沼氣鍋爐焚燒產(chǎn)生蒸汽,提供給厭氧系統(tǒng)以及油水分離系統(tǒng)。由于產(chǎn)氣量多于預期,目前厭氧系統(tǒng)產(chǎn)生的沼氣除了鍋爐焚燒供熱外,尚不能全部利用。后期計劃將餐廚生活垃圾廠和焚燒廠滲濾液站沼氣合并后進入焚燒爐焚燒處理,餐廚廠所需蒸汽由焚燒廠提供,以提升能源利用率。

圖7 沼氣脫硫系統(tǒng)工藝流程

3 與焚燒廠協(xié)同處理經(jīng)濟性分析

目前,該靜脈產(chǎn)業(yè)園已全部建成投運,餐廚廠產(chǎn)生的分選殘渣、固渣和沼渣送至焚燒廠焚燒處理,沼液泵送至焚燒廠滲濾液處理站處理達標后回用,所需的蒸汽暫時由沼氣鍋爐提供,后期將由焚燒廠提供。

根據(jù)該餐廚廠3個月的運行數(shù)據(jù),對餐廚廠獨立運營、餐廚廠與焚燒廠協(xié)同處理兩種情況進行了經(jīng)濟性分析,數(shù)據(jù)如表4所示。通過表4中的數(shù)據(jù)測算,餐廚廠與焚燒廠協(xié)同處理運行成本為5 202.70元/d(蒸汽按照夏冬季平均使用量計算)、餐廚廠沼氣入焚燒爐發(fā)電收入為1 556.51元/d(按照沼氣單價0.45元/m3,噸垃圾產(chǎn)沼氣量57.21 m3計算),餐廚廠獨立運營成本為6 244.34元/d。因此,與餐廚廠獨立運營相比,與焚燒廠協(xié)同處理日節(jié)省費用2 598.15元,折合噸垃圾節(jié)省費用42.97元,年累計節(jié)省94.83萬元。這說明,餐廚廠與焚燒廠以靜脈產(chǎn)業(yè)園的形式協(xié)同共建能夠有效節(jié)省成本,提高經(jīng)濟效益,同時避免了沼渣、沼液因在運輸過程中跑冒滴漏造成的二次污染,具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

表4 兩種運營方式經(jīng)濟性分析數(shù)據(jù)

4 結 論

(1)餐廚廠與焚燒廠以靜脈產(chǎn)業(yè)園的形式協(xié)同共建能夠有效節(jié)省運營成本,提高經(jīng)濟收益,減輕政府的補貼負擔,減少二次污染,具有較好的生態(tài)、社會、經(jīng)濟效益。

(2)該餐廚廠收運/簽約比可達90%,油脂回收率達到2.37%。厭氧系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行,COD去除率能穩(wěn)定達到87.22%,日累計產(chǎn)沼氣量達3 459 m3,平均噸垃圾產(chǎn)沼氣量和CH4含量分別為57.21 m3和65%。這表明厭氧系統(tǒng)對餐廚垃圾厭氧處理的良好適用性。

(3)餐廚廠與焚燒廠協(xié)同處理日運行成本為5 202.70元、餐廚廠沼氣入焚燒爐日發(fā)電收入為1 556.51元,與餐廚廠獨立運營日成本6 244.34元相比,噸垃圾節(jié)省費用42.97元,年累計節(jié)省94.83萬元。