分类湿垃圾协同全量厌氧消化工程设计

摘要 ：《上海市生活垃圾管理条例》实施后，湿垃圾终端处理面临巨大挑战。上海市某湿垃圾资源化处理工程项目湿垃圾处理量为 500t/d （其中餐饮垃圾 150t/d 、厨余垃圾 350t/d ）、废弃食用油脂为 30t/d ，总体工艺路线采用垃圾协同预处理 + 联合湿式厌氧消化 + 沼气综合利用 + 污水协同处理组合工艺。餐饮、厨余垃圾预处理后的物料协同水解酸化形成中低温液相，厨余垃圾沥水、餐饮垃圾废水和废弃油脂协同提油后形成高温液相，两股浆液协同进行厌氧产沼发电，油脂外售。污水处理系统处理规模为 1200m ³ /d ，采用两级 AO+ 外置式超滤 +NF+RO 组合工艺，通过餐饮垃圾废水、湿垃圾离心沼液、焚烧厂渗滤液和渗滤液厌氧沼液的合理调配，系统进水碳氮比不低于 9.9∶1 ，无需外加碳源。项目总投资约 8.73 亿元，约合 164.7 万元 /t 。湿垃圾预处理和污水处理均高效协同，运行稳定，出水达标排放。

上海市于 2019 年 7 月开始实施《上海市生活垃圾管理条例》，要求对生活垃圾进行强制分类处理。该条例中，将垃圾主要分为干垃圾、湿垃圾、可回收垃圾和有害垃圾 ，其他垃圾量减少，湿垃圾、可回收垃圾量增加是垃圾分类的目标和趋势 。湿垃圾主要包括餐饮垃圾和厨余垃圾，实施强制垃圾分类后，厨余垃圾组分变化较大，含杂率明显降至 4%~7% ，含水率显著增至 80%~90% ，与餐饮垃圾性状相似。预处理 + 厌氧消化 + 沼气利用是成功应用于餐饮垃圾处理的主流工艺 ，其同样适用于分类较好的城市湿垃圾处理。

污水处理单元是湿垃圾处理工艺的重要组成部分。餐厨垃圾废液预处理可使溶解性碳源反硝化潜能有所提升 ，另外，厌氧沼液等废水进入生化处理单元前需要去除 SS 等预处理 。本项目对湿垃圾沼液进行预处理，出水与焚烧厂渗滤液及沼液协同处理，并利用餐饮垃圾除油废水为碳源，合理调配，实现了湿垃圾污水处理系统的稳定运行。

随着我国垃圾分类工作的深入开展，包括上海在内的湿垃圾面临终端合理处理的挑战 ，城市餐饮厨余协同处理的需求会越来越大，本工程实例旨在为湿垃圾协同处理提供参考。

     

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项目概况

     

上海市某湿垃圾资源化处理工程项目的用地面积为 57 483.2m    ²    ，总体工艺路线采用垃圾协同预处理 +  联合湿式厌氧消化  +  沼气综合利用  +  污水协同处理组合工艺。预处理及厌氧消化处理系统的主要处理对象为湿垃圾及废弃食用油脂，设计湿垃圾处理量为  500t/d  （其中餐饮垃圾  150t/d  、厨余垃圾  350t/d  ）、废弃食用油脂为  30t/d  。  

 

餐饮垃圾、厨余垃圾和废弃油脂的基本性质如表 1  所示。  

表 1   餐饮垃圾、厨余垃圾、废弃油脂的理化性质

     

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工艺设计

     

2.1         建设目标与边界条件    

该项目建成投运后，与周边生活垃圾焚烧发电等项目充分开展协同管理与资源共享，与大园区系统中的能量流、物质流与信息流充分融合，实现蒸汽共享、沼气共用、废水与废渣共治、管理与信息数据共享的全过程清洁生产。    

 

①  餐饮厨余残渣和沼渣：进入隔壁焚烧厂焚烧处置；  ②  沼气处理：沼气经过净化后通入内燃机发电机组燃烧进行热电联产，产生的热能用于厂区工艺系统，产生的电能自用，余电上网；  ③  油脂处理：提取的粗油脂送至上海市指定的废弃油脂深加工企业生产生物柴油或工业产品，进行资源化利用；  ④  污水处理：湿垃圾处理厂厌氧出水经过离心处理后与焚烧厂渗滤液、部分除油后的餐饮浆液协同进入配套的污水处理系统，排放标准执行上海市《污水综合排放标准》（  DB 31/199—2018  ）表  2  中的三级标准和《生活垃圾填埋场污染控制标准》（  GB 16889—2008  ）表  3  中的排放浓度限值；  ⑤  臭气处理：臭气经管路收集，集中处理后排放。    

 

2.2         湿垃圾协同处理工艺流程及优势    

餐饮和厨余分类湿垃圾协同处理，总体工艺分为餐饮厨余垃圾预处理系统、废弃食用油脂处理系统、厌氧消化和脱水系统、沼气净化和利用系统、污水调配和处理系统及配套辅助系统，见图 1  。  

图 1   总体工艺流程

基于湿垃圾的特点，考虑到周边焚烧厂的处理设施，实现湿垃圾液、固相的分离，且分离后的两相均可以进行资源化利用是本项目的重点和难点。    

 

上海厨余垃圾虽然含有园林垃圾、食品加工废物，但易腐类有机物占比、含水率等指标与餐饮垃圾相差不大，也含有一定的油脂。两类湿垃圾和废弃油脂单独处理，会造成整体工艺流程复杂、占地面积大、总投资和运行成本高等问题。采用协同处理，则可充分利用各种废弃物的特点进行优势互补。    

 

本项目通过协同预处理工艺将湿垃圾中的有机质和油分提取出来，同时去除湿垃圾中的惰性干扰物。预处理后的有机浆液进入厌氧消化系统产生沼气，获得清洁能源；剩余的固渣含水率大大降低，垃圾量有效减少，热值显著提高，可以直接送至焚烧厂。固渣和污水处理系统的剩余污泥进入周边焚烧厂协同处理，同时可利用焚烧厂多余的蒸汽，使综合投资和运营成本降低。    

 

厌氧沼液碳氮比很低，需要部分高碳氮比浆液和焚烧厂渗滤液来平衡，无需再外购碳源，污水处理系统可以平稳运行。混合污水进入污水处理系统，达标处理后排放。    

 

2.3         总平面布置         

总平面布置见图 2  。全厂总平面布置分为湿垃圾预处理区、提油区、厌氧消化区、沼气净化利用区和污水调配及处理区。两类湿垃圾协同处理，相关功能区高效协作。  

 

图 2   总平面布置

 

湿垃圾预处理区与关联单元合并布置，集中除臭，可降低投资和运行成本。厌氧消化区与预处理车间相邻布置，便于物料输送。沼气净化利用区包括沼气净化设备、气柜、应急火炬和发电机房。提油区包括湿垃圾提油及废弃食用油脂提油两部分，储油罐与沼气净化利用区相邻布置，便于安全管理。  

 
 

     

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主要子系统设计

     

3.1         湿垃圾预处理系统         

生物水解反应器作为系统的核心设备，其工艺原理是在反应器内控制厌氧回流、搅拌强度和温度等条件，经过 2~3d  水力、机械和生物水解的作用，使垃圾中的易降解有机质充分水解成小分子有机物进入液相，是厌氧消化的基础保障。餐饮固渣进入生物水解反应器协同处理，携带的有机质进一步水解利用，增加沼气产量。同时，经水解后的餐饮固渣也更容易进行固液分离，提高最终固渣的热值。    

 

预处理工艺流程如图 3  所示。餐饮垃圾与厨余垃圾的预处理车间紧邻布置。餐饮垃圾称质量后倒入料斗，沥水后的固相进入自动分选机制浆分选。浆料经过加热后固液分离，固相与混合渣进入生物水解反应器进一步处理，而液相与餐饮沥水和厨余沥水经除渣除砂后协同加热进行三相提油。部分提油后浆液经过精细去除  SS  和有机氮后进入污水调配系统补充碳源。  

 

图 3   湿垃圾预处理系统工艺流程    

 

厨余垃圾被卸入带料斗板式给料机内，经链板和皮带输送至粗分选机、磁选和分工分选，分出的杂物及餐饮杂物一起外运焚烧，金属进行资源化利用，厨余分选后物料和餐饮固渣等进入生物水解反应器。反应完成后，通过固液分离作用实现有机浆液和高热值固渣分离。固渣外运焚烧，浆液除渣除砂后与餐饮浆液混合进行厌氧消化产沼。

本项目餐饮、厨余各 2 条生产线，设计生物水解反应器 3 座，每座反应器的有效容积为 450 m ³ ，工作时间为 24h/d 。其余设计参数见表 2 。

 

表 2   预处理系统设计参数

 

3.2         废弃食用油脂处理系统设计    

废弃食用油脂在接收料斗内通过筛网进行粗过滤，过滤后的混合物自流进入旋转筛分机进行杂物筛选。除杂后的液相泵送进入浆液加热罐加热到 75~80℃  后再进行提油，最终得到纯度  ≥97%  的毛油。提油后混合液体与湿垃圾浆液一起进入厌氧系统产沼。    

 

该系统共 2  条工艺线，单线处理能力  ≥15t/d  。  2  台筛分机对应  8  台  10 m ³  的浆料加热罐，同时配置  3  台处理能力为  8 m ³ /h  的三相提油机。    

 

3.3         厌氧消化及脱水系统设计    

相较于高固相全混式的厌氧反应器，上流式污泥床 -  过滤器（  UBF  ）具有厌氧沼渣产量少、  COD  降解率高、容积负荷高、停留时间短和占地面积小等优势，且特别适用于高浓度有机废水处理。    

 

由于生物水解需要厌氧回水，厨余浆液经稀释后 COD  较低，设计两类浆液协同处理可有效解决餐饮浆液  COD  过高引起的厌氧易酸化问题。另外，  25~30℃  的厨余预处理浆液、  70℃  的餐饮浆液和冲洗废水混合后，进水温度为  40~42℃  ，协同进入厌氧反应器，可省去厨余浆液升温和餐厨浆液降温的过程，节省投资，缩短工艺流程。    

 

厌氧罐设计进水量为 903.5t/d  ，进料  TS  为  8.17%  ，进料  COD  为  85000mg/L  。厌氧消化及脱水系统工艺流程和设计参数分别见图  4  和表  3  。  

 

图 4   厌氧消化及脱水系统工艺流程    

表 3   厌氧消化和脱水系统工艺设计参数

 

3.4         沼气净化和利用系统设计    

沼气净化及利用系统工艺流程见图 5  。厌氧消化产生的沼气先进行湿法脱硫，脱硫后的沼气进行精细过滤，接着进入气液分离单元，在水  -  沼气换热器中进行降温，产生大量的冷凝水排出。净化后的沼气于气柜暂存，而后增压进行发电利用。  

 

图 5   沼气净化和利用系统工艺流程    

 

脱硫系统设计处理量为 1500 m ³ /h ，进、出气中硫化氢浓度分别为 16687 、 152mg/ m ³ 。沼气过滤及气液分离设计处理量为 1500 m ³ /h 。干式气柜共 2 台，单台容积 3000 m ³ 。沼气发电机共 4 台，单台功率 1560kW ，设计进气滤后压力为 8~13kPa 。

3.5   污水调配及处理系统设计    

餐饮三相提油后的浆液经专用技术可以去除 SS 和大部分影响污水处理总氮控制的有机氮和氨氮，碳源碳氮比为 106∶1 ；焚烧厂新鲜渗滤液预处理后浆液碳氮比为 24∶1 ；而湿垃圾厌氧处理后的离心沼液和焚烧厂渗滤液沼液碳氮比分别仅为 2∶1 和 5∶1 ，碳氮比失衡。餐饮三相提油出水为优质碳源，结合部分焚烧厂渗滤液原液等，设计协同进入污水生化系统，可调节碳氮比为 9.9∶1 ，节省大量碳源费用。

污水处理系统采用两级 A/O+ 外置式超滤 +NF+RO 组合工艺达标纳管排放。各类水基本指标见表 4 ，其中前 4 项的水量分别约为 50 、 520 、 150 、 320m ³ 。污水调配和处理工艺流程见图 6 。

 

表 4   污水调配和处理系统相关指标

 

图 6   污水调配和处理系统工艺流程

 

由图 6  可知，  4  种来水在污水调配系统内混合，经均衡池后泵送进入污水处理系统，处理工艺无需额外碳源。根据出水指标情况调控部分纳滤出水与反渗透出水混合达标排放；纳滤浓液和反渗透浓液经过纳滤减量化装置和高压反渗透装置进一步浓缩，浓缩液部分回流至厌氧消化系统循环处理，大部分输送至焚烧厂石灰制浆单元；剩余污泥离心脱水后外运焚烧。    

 

污水调配和处理系统设计规模为 1200  m  ³ /d  ，超滤段设计规模为  1100m    ³   /d  ，并考虑  15%  的超负荷处理能力。污泥设计负荷为  0.146kgCOD/  （  kgMLSS·d  ），设计反硝化速率为  0.128 kgNO    ₃ ^-   -N/  （  kgMLSS·d  ），设计硝化速率为  7mgNH    ₄ ⁺   -N/  （  gMLSS·h  ）。二级反硝化池池容共计  5790 m ³  ，停留时间为  4.83d  ；二级硝化池池容共计  10895 m ³  ，停留时间为  9.08d  ；纳滤浓液池和反渗透浓液池分别为  280  和  356 m ³  。超滤集成设备  4  套，合计处理量  1100    m    ³     /d  ；纳滤集成设备  2  套，合计处理量  1100    m    ³     /d  ；纳滤减量化设备  1  套，合计处理量  190    m    ³     /d  ；反渗透集成设备  4  套，合计处理量  500    m    ³     /d  ；高压反渗透设备  1  套，合计处理量  320    m    ³     /d  。  

 

3.6         主要建 ( 构 ) 筑物设计参数    

主要建（构）筑物均为钢筋混凝土结构形式，其设计参数见表 5  。    

 

表 5   主要建 ( 构 ) 筑物设计参数

 

     

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项目投资及运行效果

     

该湿垃圾处理项目投资规模约 8.73  亿元，建设成本为  164.7  万元  /t  ，直接运行成本为  324.4  元  /t  。    

 

由近 2  年运营数据可知，餐饮厨余预处理系统的杂物去除率为  96.7%  ，餐饮油脂提取率为  93.6%  ，餐饮厨余最终混合渣含水率为  60.8%  ，厨余垃圾粗分选大尺寸杂物的进料占比为  2.1%  （设计值为  10.9%  ）。    

 

该项目厨余垃圾处理单元设计完成时上海尚未全面开展垃圾分类工作，项目建成后垃圾性状发生了很大改变，有机物含量大幅增加、杂物量显著降低，由于厌氧系统和污水处理系统在设计时已考虑足够余量以应对冲击负荷，降低了项目运营风险。厌氧混合进水 COD  约为  152000mg/L  （设计值为  85000mg/L  ），  TS  为  10.9%  ，  COD  降解率为  84.3%  ，  COD  容积负荷为  6.2kg/  （  m ³ ·d  ），水力停留时间为  24.7d  （设计值为  16.0d  ），平均产气量为  66.2 m ³ /t  （设计值为  60.4 m ³ /t  ），垃圾发电量为  131.8 kW·h/t  （其中约  65%  自用），脱水沼渣含水率为  64.8%  。    

 

总排气口臭气平均浓度为 480  ，低于上海地标要求。污水处理系统无需外购碳源，最终外排水  COD  为  140.6mg/L  ，  TN  为  38.5mg/L  ，  NH    ₄ ⁺   -N  为  2.8mg/L  。  

 

     

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结论与建议

     

针对上海分类较好的厨余垃圾，沥水含油率均值为 1.8%  ，应加强厨余沥水收集与餐饮协同提油。粗分选时可以选择小型设备，同时应尽量缩短工艺链，降低运营风险和成本。    

 

生物水解反应器的优势在于无论分类好坏都能使易降解有机物充分水解，协同处理餐饮固渣和预处理后的厨余垃圾，提高有机物利用率，但针对分类好的垃圾应大幅降低厌氧回流量（均值降低 58.8%  ）。另外，湿垃圾预处理和厌氧段协同可以降低投资成本，同时降低人工、能耗等运营成本。    

 

餐饮三相提油出水经过膜处理等措施可作优质碳源，同时结合部分焚烧厂渗滤液原液等，可调节污水系统进水碳氮比为 9.9∶1  ，无需外购碳源。