摘要：為提高生活垃圾資源化利用率，對生活垃圾厭氧消化產(chǎn)沼氣的工藝優(yōu)化與能源利用進行研究。以貴州省貴陽市餐廚垃圾為研究對象，首先介紹了餐廚垃圾的組成及特性；然后闡述了濕式厭氧消化技術(shù)的工藝流程與系統(tǒng)優(yōu)化；最后說明了沼氣的高效利用方向。

關(guān)鍵詞：生活垃圾；厭氧消化；沼氣；工藝優(yōu)化；能源利用；餐廚垃圾

餐廚垃圾是生活垃圾中的重要組成部分，主要包括在餐飲消費與服務(wù)環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的邊角料、剩余飯菜、食物殘渣及動植物油脂的混合物等[1]。我國城市化步伐的加快和居民生活質(zhì)量的提升，使得餐飲行業(yè)蓬勃發(fā)展，但隨之而來的，還有食品浪費現(xiàn)象的愈發(fā)嚴重，這導致了餐廚垃圾數(shù)量激增，并逐漸演變?yōu)槌鞘协h(huán)境面臨的主要污染源之一[2]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國每年產(chǎn)生的餐廚垃圾量已接近1億噸。這類垃圾富含有機物質(zhì)，含水量高，易于生物降解，且易產(chǎn)生異味，對其采用合適的處理技術(shù)尤為重要[3]。

目前，餐廚垃圾的處理技術(shù)主要分為堆肥法、飼料化法、厭氧消化法3大類，其中厭氧消化技術(shù)在我國得到了最為廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)利用厭氧微生物在無氧環(huán)境下將餐廚垃圾中的食物殘渣轉(zhuǎn)化為甲烷、氫氣等小分子物質(zhì)，如此一來，不但達到了廢物處理的目的，而且轉(zhuǎn)化后的物質(zhì)還可作為能源進行燃燒或發(fā)電，實現(xiàn)了資源回收和能源再利用。本文將基于實際案例，深入探究餐廚垃圾處理的厭氧消化工藝，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究與實踐提供有價值的參考。

1 餐廚垃圾組成及特性分析

餐廚垃圾的類別很多，且在不同地區(qū)、不同季節(jié)，其成分也有很大差異。為了深入探究餐廚垃圾的具體成分，確保數(shù)據(jù)的準確性和全面性，需要采取一種長期且持續(xù)的跟蹤調(diào)查方法。本項目選取貴州省貴陽市的餐廚垃圾作為研究樣本，進行了全面細致的類別組成和化學成分分析，具體結(jié)果如表1、表2所示。

2 濕式厭氧消化技術(shù)概述與工藝流程

2.1 濕式厭氧消化技術(shù)概述

厭氧消化技術(shù)作為實現(xiàn)餐廚垃圾資源化的重要一環(huán)，其核心功能在于將餐廚垃圾中的有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃燒的氣體——沼氣，該技術(shù)在處理餐廚垃圾的過程中起著舉足輕重的作用[4]。根據(jù)發(fā)酵原料的固化程度，厭氧消化技術(shù)主要分為干式和濕式2種類型。我國餐廚垃圾普遍具有高水分和高油脂含量的特點，濕式厭氧技術(shù)在此類垃圾處理中顯示出更高的適應(yīng)性。

濕式厭氧消化技術(shù)有著多種不同的操作方法，主要包括全混法、接觸厭氧和兩相消化法等。同時，根據(jù)操作溫度的不同，濕式厭氧消化技術(shù)還可分為中溫、高溫及不加熱式厭氧消化。本項目采用的是中溫濕性厭氧消化技術(shù)，這一技術(shù)能在適中的溫度下有效處理餐廚垃圾，將其轉(zhuǎn)化為有價值的沼氣資源，從而推動餐廚垃圾的資源化利用。

2.2 濕式厭氧消化工藝流程

本項目采用的餐廚垃圾處理系統(tǒng)包括預處理系統(tǒng)、厭氧消化系統(tǒng)和沼氣利用系統(tǒng)，主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

預處理時，在接料進料后進行分選，將不同類別的垃圾分離出來；對可處理的部分進行破碎，細化其顆粒大小，隨后進行制漿，將破碎后的垃圾轉(zhuǎn)化為8mm以下粒徑的漿料；通過高效的接料裝置對漿料進行初步處理。

處理后，液態(tài)原料被輸送至混合槽內(nèi)，進行溫度和成分的精細調(diào)節(jié)，確?；旌系木鶆蛐裕换旌虾蟮脑贤ㄟ^提升泵被準確地輸送至厭氧發(fā)酵槽中，進行厭氧消化過程，將有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣；厭氧消化后產(chǎn)生的沼渣被送往專業(yè)的焚燒廠進行無害化處理，而沼液則被送往基地內(nèi)的滲瀝液廠進行深度處理，確保對環(huán)境的影響最小化。

厭氧消化過程中產(chǎn)生的沼氣通過沼氣鍋爐轉(zhuǎn)化為蒸汽，一部分用于工廠內(nèi)部供暖，保障生產(chǎn)環(huán)境的舒適度，另一部分則通過專門的發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)化為電能，為工廠提供穩(wěn)定的電力支持。同時，配備沼氣燃燒火炬，以應(yīng)對可能出現(xiàn)的沼氣過剩或需要緊急處理的情況。

整個處理流程高效、環(huán)保，不僅實現(xiàn)了餐廚垃圾的資源化利用，還為工廠提供了可持續(xù)的能源供應(yīng)。

3 濕式厭氧消化工藝預處理系統(tǒng)優(yōu)化

本項目預處理系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。將餐廚垃圾送入收料斗，收料斗內(nèi)設(shè)有可瀝水、初篩物料的雙螺旋供料機；隨后物料被運送至自動分揀系統(tǒng)，將大部分餐廚垃圾中的雜質(zhì)清除干凈；物料經(jīng)自動分選、打漿處理后即成漿，再經(jīng)加熱使其固液分離；把分離出來的材料送至油回收提純系統(tǒng)，實現(xiàn)98%以上的毛油回收純凈度；輸入精煉液體處理后，運出雜質(zhì)、廢渣進行處理。

預處理后的餐廚垃圾及物料性質(zhì)如表3所示。

4 濕式厭氧消化工藝厭氧消化系統(tǒng)優(yōu)化

本項目采用全混合厭氧反應(yīng)器（CSTR）中溫發(fā)酵工藝，厭氧消化系統(tǒng)工藝流程如圖3所示。

在厭氧消化系統(tǒng)中，CSTR展現(xiàn)出卓越的微生物生長環(huán)境，其微生物濃度顯著，能夠輕松應(yīng)對各種沖擊負荷。CSTR采用了一種創(chuàng)新的雙折邊咬合槽成型工藝，顯著縮短了施工周期，其罐體采用抗腐蝕的碳鋼防腐材料，確保了設(shè)備的長期穩(wěn)定運行[5]。為了優(yōu)化攪拌效果，CSTR配備了“雙漿葉”設(shè)計的高效節(jié)能攪拌機，這一設(shè)計有效解決了渣土積聚和結(jié)殼等問題，確保了物料在反應(yīng)器內(nèi)的均勻混合。CSTR還采用了獨特的專利技術(shù)水封設(shè)計，這一設(shè)計不僅保證了氣密性，還避免了傳統(tǒng)機械密封容易損壞和需要更換的困擾。同時，CSTR實現(xiàn)了低能耗運行，其體積設(shè)計小于5W·m-3，有效節(jié)約了空間和能源。另外，厭氧循環(huán)系統(tǒng)是CSTR的一大亮點，通過物料的循環(huán)利用，該系統(tǒng)能夠顯著提高微生物濃度，從而增強CSTR的容積負荷能力和抗沖擊負荷能力，該系統(tǒng)由出料裝置、微生物分離裝置、微生物富集裝置和回流裝置等關(guān)鍵部件組成，形成了一個完整的循環(huán)體系。

本項目相關(guān)厭氧罐結(jié)構(gòu)如圖4所示，濕式厭氧消化工藝參數(shù)如表4所示。

5 沼氣能源的高效利用

5.1 沼氣利用系統(tǒng)介紹

沼氣利用系統(tǒng)的基本組成和功能如圖5所示，其可將沼氣轉(zhuǎn)化為熱能和電能。

5.2 沼氣能源利用的優(yōu)化策略

5.2.1 脫硫處理

硫化物的主要成分是硅化氫，通常情況下采用物理、化學、生物3種方法進行脫硫處理。物理吸附是一種操作簡單便捷的常用脫硫方法，其缺點是設(shè)備占地較大，需定期更換吸附耗材；化學方法是指通過化學反應(yīng)進行硫固化，其按照反應(yīng)物的物理狀態(tài)分成干、濕2種方式；生物方法是一種新穎的脫硫技術(shù)，指以硫化物為養(yǎng)料，培養(yǎng)適宜的菌種固定住硫。

5.2.2 氣柜穩(wěn)壓

為了維持厭氧消化罐內(nèi)沼氣壓力的穩(wěn)定性，并確保罐內(nèi)沼氣產(chǎn)生速率與發(fā)電機組對沼氣的消耗速率之間達到一個和諧的平衡，本項目特別引入了容積達1000m3的雙膜氣柜。該氣柜能在2.5kPa的工作壓力下穩(wěn)定運行，并具備20kPa的最大氣柜壓力承受能力。該氣柜材質(zhì)選用了一種防腐、防火、抗紫外線的環(huán)保膜，不但具有出色的耐用性，而且抗拉強度超過5000N/5cm，確保其在各種環(huán)境下的安全可靠性[6]。該氣柜配備了先進的顯示屏幕，能夠?qū)崟r顯示燃氣容積，讓操作人員隨時了解燃氣使用情況，同時還設(shè)置了報警停機信號，當氣柜內(nèi)沼氣壓力或容積出現(xiàn)異常時，能夠迅速發(fā)出警報并自動停機，進一步增強了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

5.2.3 壓力調(diào)節(jié)

發(fā)動機對進氣壓力和溫度的要求較高，不穩(wěn)定的壓力會對發(fā)動機的進氣系統(tǒng)造成影響，壓力過大或過小均有可能造成熄火的情況發(fā)生。因此，要滿足發(fā)動機的進氣需求，需要安裝相應(yīng)的壓力平衡裝置。通過盡量減少厭氧沼氣的出口壓力，達到在保證電機功率降低的同時又能滿足發(fā)電機要求的效果，并且節(jié)省運行成本，既保證安全性又提高經(jīng)濟性。本項目要求發(fā)電機組進口壓力在10～35kPa之間，通過對發(fā)電量的監(jiān)測和利用PLC控制變頻器對風機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，來保證發(fā)電機組的運行需要始終得到滿足。

5.2.4 過濾除塵

過濾除塵指在一定范圍內(nèi)，通過過濾方式來限制顆粒的產(chǎn)生。為使顆粒符合系統(tǒng)要求，通常需要采用多種精度過濾器進行過濾處理，對于氣體中的微粒，還需進行分級處理。這一做法既能減少精密濾鏡的費用，又能改善系統(tǒng)操作的穩(wěn)定性。本項目在系統(tǒng)入口設(shè)置了初步去除液態(tài)水的除濕濾清器，將大顆粒雜質(zhì)進行過濾和清除，從而對后續(xù)設(shè)備起到保護作用；同時將高精度過濾器用于系統(tǒng)出口，以有效去除微小雜質(zhì)，從而滿足發(fā)電機組對進風質(zhì)量的要求。

5.2.5 火炬聯(lián)調(diào)焚燒

為提升環(huán)境效益，本項目在發(fā)動機組維護期間，針對過剩沼氣，特別引入了封閉式沼氣火炬系統(tǒng)進行焚燒處理。處理沼氣時遵循3個原則，一是確保發(fā)電機組的正常運作所需沼氣；二是將多余沼氣引導至火炬進行焚燒；三是將處理后的氣體安全釋放至大氣中。火炬系統(tǒng)對于符合清潔發(fā)展機制項目需求的重要參數(shù)，如沼氣流量、壓力、溫度、甲烷濃度、煙氣溫度等，均能在線同步監(jiān)控并記錄在案。同時，火炬系統(tǒng)配備分頻羅茨風機來提供所需空氣，并與沼氣處理系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)動控制，可在最大化發(fā)電效益的同時保障項目的整體經(jīng)濟效益。

6 結(jié)束語

目前，餐廚垃圾處理正朝著規(guī)模化、集約化、產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展，在相關(guān)政策的推動和處理技術(shù)的改進下，形成了垃圾處理與資源化利用的產(chǎn)業(yè)鏈。在技術(shù)選擇方面，需要綜合考慮垃圾的物理、化學特性及產(chǎn)量等；而在技術(shù)應(yīng)用當中，需要從全局角度去把控各個工藝系統(tǒng)之間的和諧統(tǒng)一，從而將技術(shù)的優(yōu)點充分發(fā)揮出來。展望未來，應(yīng)敢于接納和利用新技術(shù)，并積極推動新技術(shù)的發(fā)展，從而在充分挖掘餐廚垃圾資源寶藏的同時，真正實現(xiàn)綠色循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

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作者簡介

聶多文（1981—），男，漢族，貴州貴陽人，工程師，大學本科，主要從事生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-05-11