某市政污水與餐廚垃圾協(xié)同處理工程設(shè)計

趙興興

(上海市政工程設(shè)計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

目前，我國市政污水處理行業(yè)已較為成熟，截至2020年1月，全國共有超過10 000座污水處理廠，處理能力超過22 000萬m3/d，出水標準多為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A或一級B標準。近年來，隨著水環(huán)境治理工作的大力開展，各地陸續(xù)頒布地方污水排放新標準，部分市政污水處理廠出水標準已提升至接近地表Ⅳ類水標準，占比約為7%。一方面，為達到較高的排放標準，市政污水處理工藝日趨復雜，電耗不斷提高，其能源消耗的影響降低了水污染治理產(chǎn)生的環(huán)境效益；另一方面，市政污水處理后較高品質(zhì)的尾水資源化回收利用程度較低，造成了大量的資源浪費。

目前，我國餐廚垃圾處理正處于快速發(fā)展階段，預(yù)估全國已投運的餐廚垃圾處置項目已達到3萬t/d，但與理論產(chǎn)生量(約9萬t/d)相比，仍有較大缺口。由于餐廚垃圾有機質(zhì)含量高，將其資源化利用是處理的必然選擇，餐廚垃圾資源化處理主要有3種模式：厭氧發(fā)酵、好氧堆肥、飼料化。據(jù)統(tǒng)計，“預(yù)處理+厭氧發(fā)酵”技術(shù)為國內(nèi)餐廚垃圾處置的主流技術(shù)；微生物好氧發(fā)酵技術(shù)、好氧堆肥技術(shù)、飼料化等因占地面積大、資源化產(chǎn)品銷路問題、同源性污染問題等而較少被采用。受制于國人的飲食習慣，國內(nèi)餐廚垃圾鹽分高、含油量大，可能會對厭氧微生物有一定抑制作用，影響系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，降低資源回收效率。而厭氧消化后的剩余沼液污染物濃度高、處理難度大，成為影響餐廚處理項目獲得環(huán)保審批的重要因素之一。

隨著市政用地越發(fā)緊張，處理單元的高度集約化布置已成趨勢，有必要打破污水系統(tǒng)和環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的部門壁壘，探索市政污水處理、餐廚垃圾處理等環(huán)保行業(yè)新建設(shè)思路。

目前，國內(nèi)已有將諸如餐廚垃圾、市政污泥、市政污水等有機廢棄物處理單元建設(shè)在一起的案例，如鎮(zhèn)江餐廚廢棄物處理工程建設(shè)在京口污水處理廠內(nèi)[1]；蘇州工業(yè)園區(qū)將餐廚垃圾處理、市政污水處理、市政污泥干化摻燒處理，并集中建設(shè)在園區(qū)靜脈產(chǎn)業(yè)園內(nèi)[2]。但上述工程的建設(shè)并未提前統(tǒng)一布局，不同處理單元建設(shè)屬于不同工程，基本為獨立建設(shè)，其中市政污水處理出水標準均為一級A標準，總體上有機廢棄物協(xié)同處理、高品質(zhì)資源回收利用的布局并未完全形成。

1 項目背景

蘇州市某污水處理廠是一座市政污水處理廠，現(xiàn)狀處理規(guī)模為2萬m3/d。本次工程在現(xiàn)狀2萬m3/d出水達到一級A標準基礎(chǔ)上改擴建達到4萬m3/d，尾水排放全面達到蘇州特別排放限值(相當于地表Ⅳ類水標準，TN除外)。餐廚垃圾處理單元考慮利用污水處理廠預(yù)留地建設(shè)，處理對象為餐館、飯店、單位食堂等產(chǎn)生的餐飲垃圾，處理規(guī)模為200 t/d。本工程為國內(nèi)首個集高標準市政污水處理與餐廚垃圾處理于一體的有機廢棄物處理項目，項目已于2020年開工建設(shè)。通過市政污水處理單元與餐廚垃圾處理單元合建，旨在將兩者處理后產(chǎn)生的優(yōu)質(zhì)資源充分回收利用，減少污染物排放的同時節(jié)省用地，降低處理成本。

2 工藝流程

2.1 市政污水處理單元

本次工程市政污水處理單元設(shè)計進出水水質(zhì)如表1所示。

圖1 市政污水處理工藝流程Fig.1 Treatment Process of Municipal Wastewater

由于進水TN較高，為了提高脫氮的效果，生化池采用多級多段AO工藝，深度處理采用混凝反應(yīng)沉淀池以強化化學除磷作用，確保出水TP達標，末端采用砂濾池深度去除水中SS。消毒工藝采用次氯酸鈉消毒，消毒后尾水可作為再生水回收利用。工藝流程如圖1所示。

2.2 餐廚垃圾處理單元

由于本工程占地面積小，距離居民區(qū)較近，廠界敏感性高，主體工藝采用工藝可靠、環(huán)境風險小的厭氧消化工藝。且由于餐廚垃圾中有機質(zhì)成分較高，消化的沼渣經(jīng)脫水至含水率為80%左右，送至附近污泥干化廠干化后再送至電廠協(xié)同焚燒處理。厭氧消化產(chǎn)生的沼氣可作為能源回收利用，沼液經(jīng)預(yù)處理后進入市政污水處理單元進一步處理排放。總體工藝流程如圖2所示。

餐廚垃圾處理單元子系統(tǒng)眾多，包括餐廚垃圾預(yù)處理系統(tǒng)、厭氧消化系統(tǒng)、沼氣處理及回收利用系統(tǒng)、沼渣脫水系統(tǒng)、沼液預(yù)處理系統(tǒng)。

圖2 餐廚處理工藝流程Fig.2 Treatment Process of Food Waste

3 總平面布置

餐廚垃圾處理單元和污水處理單元利用廠區(qū)東側(cè)預(yù)留用地，并拆除現(xiàn)狀部分建構(gòu)筑物，總用地面積僅為24 500 m2。由于用地較小，所有建構(gòu)筑物盡量合建(圖3)。

餐廚垃圾預(yù)處理車間：按照工藝流程的順序，保證預(yù)處理工藝流程和物料輸送暢通，并具有良好的通風和采光條件。

厭氧消化區(qū)[3]：主要包括厭氧消化系統(tǒng)、沼氣貯柜、沼氣處理系統(tǒng)、余氣燃燒塔等。厭氧消化區(qū)涉及防火防爆問題，需遠離其他構(gòu)(建)筑物布置。

鍋爐房：根據(jù)規(guī)范要求，鍋爐房為獨立建筑物，用于沼氣回收利用。

污水處理區(qū)：沼渣脫水產(chǎn)生的上清沼液經(jīng)預(yù)處理基本達到納管標準，接著送入市政污水處理單元。沼液預(yù)處理水池與市政污水處理系統(tǒng)合建。

輔助用房：除臭系統(tǒng)、沼液預(yù)處理設(shè)備、沼渣脫水系統(tǒng)集中布置在輔助車間內(nèi)。

4 設(shè)計特點

4.1 餐廚垃圾和市政污泥協(xié)同厭氧消化

餐廚垃圾中有機質(zhì)含量高，具有很好的厭氧消化產(chǎn)甲烷潛能，但餐廚垃圾中鹽分較高，單獨厭氧消化過程中容易發(fā)生酸抑制和氨氮抑制現(xiàn)象，造成消化過程進行緩慢，甚至導致啟動運行失敗。市政污水處理產(chǎn)生的污泥有機質(zhì)含量較低，單獨厭氧消化普遍存在C/N偏低、產(chǎn)氣率低的問題，但市政污泥中含有豐富的微生物種群和較高的堿度，有利于提高厭氧消化系統(tǒng)的處理效率和運行穩(wěn)定性。兩者混合厭氧消化能夠稀釋鹽分濃度[4]，促進物料的營養(yǎng)平衡，提高消化池的容積利用效率，獲得更高的單位體積進料產(chǎn)氣量。

圖3 廠區(qū)總平面布置Fig.3 General Layout of the Plant

本工程餐廚漿料量約為16 788 kg DS/d，揮發(fā)性固體含量為90%，含水率為90.3%；市政污水處理產(chǎn)生剩余污泥量約為7 118 kg DS/d，揮發(fā)性固體含量為50%，含水率為99.2%。市政污泥經(jīng)濃縮至含水率為90%后，與餐廚漿料混合進入消化池[5]。

本工程采用中溫厭氧消化工藝，消化溫度為33～35 ℃。根據(jù)處理規(guī)模，考慮工藝安全性，配置2座CSTR厭氧消化罐。揮發(fā)性固體容積負荷為1.2 kg VSS/(m3·d)，消化時間約為50 d，投配率為2%，消化罐總?cè)莘e為15 960 m3。

4.2 沼氣回收利用

餐廚垃圾揮發(fā)性固體消化去除率約為80%，市政污泥揮發(fā)性固體消化去除率約為40%，沼氣產(chǎn)率取0.8 m3/(kg VS)，厭氧消化可產(chǎn)生沼氣量約為10 808 Nm3(參考熱值為21 520 kJ/Nm3)，餐廚垃圾處理單元每天用電量約為10 437.00 kW·h，沼氣發(fā)電量按照2.10 kW/Nm3考慮，消耗沼氣量為4 970 Nm3。經(jīng)理論計算，200 t餐廚垃圾除雜后剩余約175 t，從20 ℃加熱至75 ℃需4.3×106kJ的能量(換熱效率按照95%考慮)，須消耗約1 970.76 Nm3的沼氣。

因此，沼氣在供給餐廚垃圾處理加熱和發(fā)電能源后，理論上每天仍有3 867.24 Nm3剩余，而本工程4萬m3/d市政污水處理每天用電量約為17 959.50 kW·h，剩余沼氣可產(chǎn)生8 121.20 kW·h電量，滿足市政污水處理約45.2%的用電需求，沼氣回收利用可大大節(jié)省全廠電耗。

通過沼氣資源回收利用，可節(jié)約電耗為677.4萬kW·h/a，相當于節(jié)約標煤2 167.60 t[火電煤耗按320 g/(kW·h)計]，總體降低碳排放約1 842.5 t/a，相當于減少溫室效應(yīng)二氧化碳6 753.42 t/a，減排有害氣體二氧化硫203.2 t/a、氮氧化合物101.60 t/a。

4.3 沼液與市政污水混合高標準排放

餐廚垃圾和市政污泥厭氧消化后剩余沼液污染物濃度高，處理難度大。本次工程沼液預(yù)處理采用“氣浮池+MBR生化系統(tǒng)+納濾系統(tǒng)”。由于納濾濃縮液中CODCr質(zhì)量濃度可達到4 000～6 000 mg/L，且大部分為難生物降解有機物，本次工程中納濾濃縮液采用“混凝沉淀預(yù)處理+中溫Fenton催化氧化”組合工藝，該組合工藝在處理垃圾膜濾濃縮液時取得較好效果[6]。納濾出水與處理后的濃縮液混合，達到納管標準后再進入市政污水處理單元，根據(jù)現(xiàn)階段市政污水量，最不利工況為2萬m3/d的市政污水與250 m3/d的沼液混合，混合后的水質(zhì)情況如表2所示。

沼液經(jīng)預(yù)處理后剩余成分基本屬于較難降解物質(zhì)，但水質(zhì)已達到較高排放標準，與市政污水混合后對進水水質(zhì)影響較小，因此，最終尾水排放要達到蘇州特別排放限值要求無須再設(shè)置其他針對性處理工藝。

市政污水處理單元設(shè)生化池，1座2組，采用多級多段AO形式，總停留時間為21.0 h，其中預(yù)缺氧段和厭氧段停留時間為1.5 h，缺氧段停留時間為5.5 h，好氧段停留時間為10.0 h，后缺氧段停留時間為3.5 h，脫氣段停留時間為0.5 h。設(shè)計污泥質(zhì)量濃度為4 g/L，污泥負荷為0.051 kg BOD5/(kg MLSS·d)，總污泥齡為21.8 d。設(shè)平流式二沉池，1座4組，表面負荷為0.87 m3/(m2·h)，固體負荷為139.7 kg SS/(m2·d)。設(shè)混凝沉淀池，1座2組，內(nèi)設(shè)機械混合區(qū)、機械絮凝區(qū)和斜管沉淀區(qū)，沉淀區(qū)表面負荷為14.5 m3/(m2·h)。設(shè)砂濾池，1座4組，采用V型濾池，高峰濾速為8.58 m/h。

表2 市政污水與沼液混合水質(zhì)Tab.2 Mixed Water Quality of Municipal Wastewater and Biogas Slurry

沼液預(yù)處理后與市政污水混合，經(jīng)過市政污水強化處理，實現(xiàn)了高標準排放。

4.4 高品質(zhì)尾水回用

餐廚垃圾處理過程中需要用到大量再生水，主要用于餐廚垃圾漿料降溫至中溫厭氧消化合適溫度、沼液預(yù)處理過程中冷卻沼液，總用水量約為10 000 m3/d。本工程市政污水處理后的尾水除TN外，其他水質(zhì)指標達到Ⅳ類水標準，是優(yōu)質(zhì)的再生水源，用于餐廚垃圾處理可節(jié)省相關(guān)用水費用。

4.5 工程運行情況

工程于2021年底基本完成調(diào)試，已進入試運行階段。目前，市政污水處理單元處理量為8 000～10 000 m3/d，單組或一半處理單元運行，經(jīng)全流程處理后出水達到蘇州特別排放限值(表3)。

表3 市政污水處理單元實際進出水水質(zhì)Tab.3 Actual Quality of Influent and Effluent of Biogas Slurry Treatment Unit

目前，平均運行電耗約為4 260.00 kW·h/d，混凝劑聚合氯化鋁(PAC)(8%商品溶液)平均用量約為0.85 m3/d，絮凝劑陰離子聚丙烯酰胺(PAM)粉末平均投加量約為6 kg/d。由于進水中BOD5較低，須適量補充碳源確保出水TN達標，醋酸鈉(20%商品溶液)平均投加量約為0.81 m3/d。市政污水總平均處理量約為2.7萬m3/d，產(chǎn)生污泥量約為33.8 m3/d(90%含水率)

餐廚垃圾處理單元平均日處理量約為120 t/d，經(jīng)除雜處理后進入?yún)捬跸瘑卧钠骄鶟{料量約為75.2 m3/d，含水率約為87%。餐廚漿料與市政污泥進入?yún)捬跸笃骄a(chǎn)氣量約為5 700 m3/d，低于設(shè)計值，主要是餐廚垃圾進料中雜質(zhì)較多，導致進入?yún)捬跸臐{料量低于預(yù)期。厭氧消化后平均剩余沼液量約為96.8 m3/d，含固率約為2.78%。脫水產(chǎn)生的平均沼渣量約為13.1 t/d(80%含水率)。沼液處理單元平均處理量約為90.9 t/d，經(jīng)全流程處理后進出水水質(zhì)如表4所示。

表4 沼液處理單元實際進出水水質(zhì)Tab.4 Actual Quality of Influent and Effluent of Municipal Wastewater Treatment Unit

經(jīng)氣浮處理后，沼液中的CODCr質(zhì)量濃度降低至2 000 mg/L以下，對于沼液處理生化系統(tǒng)碳源嚴重不足的問題，TN主要依靠外加葡萄糖解決，葡萄糖粉末投加量約為1.51 t/d。餐廚垃圾處理單元總體平均電耗約為7 456.30 kW·h/d。市政污泥濃縮及沼渣脫水階段PAM投加量約為19.6 kg/d。

根據(jù)目前沼氣產(chǎn)量，每天平均約1 100 m3的沼氣用于產(chǎn)生蒸汽，剩余約4 600 m3的沼氣中，約80%用于發(fā)電，每天發(fā)電量約為7 728.00 kW·h，用于補貼生產(chǎn)電耗。

4.6 經(jīng)濟性分析

與分開單獨建設(shè)相比，市政污水處理與餐廚垃圾處理單元合建具有節(jié)約工程投資和成本的優(yōu)勢，具體對比如表5所示。

表5 市政污水處理單元和餐廚垃圾處理單元建設(shè)經(jīng)濟性對比Tab.5 Economic Comparison of Construction between Municipal Wastewater and Food Waste Treatment Units

5 結(jié)論

將諸如市政污水、餐廚垃圾等有機廢棄物處理單元合建可有效提高土地利用率，節(jié)省工程總投資，降低運行成本，對于資源的回收利用可大大減少碳排放，在雙碳背景下對環(huán)保行業(yè)起到了良好的示范作用，可作為有機廢棄物處理工程推薦建設(shè)模式。

(1)將市政污泥與餐廚垃圾混合厭氧消化調(diào)節(jié)發(fā)酵底物中的鹽度和有機營養(yǎng)成分，維持系統(tǒng)微生物種群較高活性，有利于系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

(2)餐廚垃圾處理產(chǎn)生的沼氣經(jīng)發(fā)電回用可大大減少全廠運行電耗，具有更好的經(jīng)濟效益，有效減少碳排放。

(3)厭氧消化產(chǎn)生的沼液在預(yù)處理后可依托市政污水處理廠處理至較高標準，減少廢水排放對環(huán)境的影響。

(4)市政污水處理后尾水回用于餐廚垃圾處理，節(jié)省用水費用。

(5)兩者合建后，供配電、安防、交通等公輔單元共用，節(jié)省了相關(guān)費用。

現(xiàn)階段垃圾分類工作已在全國多個城市開展，將市政污水、餐廚垃圾等有機廢棄物處理單元合建建議結(jié)合垃圾分類實施情況論證，提高兩者合建的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。