高濃度餐廚垃圾壓榨液處理工程設(shè)計實例

張 軍 ，周 凱 ，李治陽 ，聶永山

（1.無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與環(huán)境工程學(xué)院 ，江蘇無錫 214153；2.無錫環(huán)境科學(xué)與工程研究中心，江蘇無錫 214153；3.北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京 100037）

江蘇某市積極推行垃圾分類處理，其中分類收集的餐廚垃圾作為有機(jī)垃圾進(jìn)行資源化處理，過程中會產(chǎn)生大量的餐廚垃圾壓榨液。餐廚垃圾成分復(fù)雜〔1-3〕，產(chǎn)生的壓榨液相比餐廚垃圾沼液而言，污染物濃度更高，處理難度更大。常規(guī)處理工藝以預(yù)處理+生化+膜法為主，而面對高濃度的水質(zhì)條件，膜法工藝在長期運(yùn)行中往往存在處理設(shè)備腐蝕、級間管路堵塞、膜污染嚴(yán)重、濃水需二次處理等問題。

本工藝項目在分析壓榨液水質(zhì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，合理選擇各單元處理工藝，并進(jìn)行了主體處理工藝的詳細(xì)設(shè)計，尤其是深度處理單元采用了臭氧催化氧化處理工藝，確保氨氮、總氮等指標(biāo)的達(dá)標(biāo)排放，以期為類似項目提供借鑒。

1 項目概況

餐廚垃圾處理量約為250 t/d，餐廚垃圾壓榨液處理量約為236 m3/d，壓榨液設(shè)計處理規(guī)模為240 m3/d。根據(jù)往期經(jīng)驗，餐廚垃圾壓榨液污染組分、濃度存在典型節(jié)假日沖擊，且受季節(jié)、氣候變化等因素的影響。根據(jù)前期監(jiān)測，餐廚垃圾壓榨液調(diào)節(jié)池水質(zhì)與設(shè)計出水水質(zhì)見表1，出水排放標(biāo)準(zhǔn)按《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 31962—2015）執(zhí)行。

表1 餐廚垃圾壓榨液進(jìn)水水質(zhì)與出水要求Table 1 Water quality of kitchen waste pressing liquid and requirements of designed effluent quality

2 處理難點(diǎn)與工藝預(yù)選

2.1 壓榨液處理難點(diǎn)分析

（1）組分復(fù)雜多變。餐廚垃圾壓榨液組分復(fù)雜多變，主因來自餐廚垃圾。餐廚垃圾包含廚余垃圾與食物垃圾，受食材種類、烹飪手法、飲食習(xí)慣等因素影響顯著，產(chǎn)生的壓榨液主要包括淀粉類、糖類、蛋白類、纖維素類、脂類和無機(jī)鹽等〔4〕。餐廚垃圾壓榨液中的有機(jī)物高達(dá)數(shù)百種，且包含部分芳烴類、酚類等難降解有機(jī)物，常規(guī)生化工藝難以取得較好的處理效果。

（2）污染物濃度較高。由表1可知，混合垃圾壓榨液整體有機(jī)污染物濃度高，氮、磷含量高。相比常規(guī)污水，垃圾壓榨液中的油脂與鹽分含量也高。高濃度油脂形成的油膜對后續(xù)生化處理中的傳質(zhì)效率會產(chǎn)生較大影響，從而大大降低生化處理的整體效率。而壓榨液中高濃度的氮必須依賴相對高效、穩(wěn)定的生化脫氮工藝，高濃度有機(jī)物、磷、色度等的去除也是壓榨液處理的一大難點(diǎn)。

（3）有機(jī)碎屑量多。餐廚垃圾在破碎后進(jìn)入壓榨設(shè)備進(jìn)行擠壓脫水，壓榨液中有機(jī)碎屑量多，易腐敗分解而釋放更多的溶解性有機(jī)物、氮、磷與油脂類污染物。且部分碎屑伴隨泡沫呈懸浮狀態(tài)，對油脂回收、污泥沉淀處理均會產(chǎn)生干擾，若不加以預(yù)先處理，將大大增加后續(xù)處理設(shè)備的工作負(fù)荷與處理難度。

2.2 工藝預(yù)選論證

餐廚垃圾壓榨液中有機(jī)污染物濃度高、氮磷濃度高、油脂含量大、固化物多，應(yīng)先進(jìn)行預(yù)處理去除浮渣與油脂，再進(jìn)行后續(xù)處理。常規(guī)離心分離法設(shè)備能耗大，維護(hù)成本高；膜法分離對于未經(jīng)處理的高濃度污水顯然不適用；根據(jù)以往經(jīng)驗，控制好氣浮工藝的氣泡粒徑，氣浮+混凝法的油水分離率可達(dá)到80%以上，因此在隔油沉渣后選用氣浮+混凝法進(jìn)行油水分離。對于壓榨液中高濃度有機(jī)物與難降解污染物，應(yīng)在厭氧水解后再進(jìn)行后續(xù)處理。脫氮處理中，厭氧氨氧化工藝處理效率高、耗能低，是具有可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ拿摰に嚕蝗欢鴧捬醢毖趸鷮儆诨茏责B(yǎng)菌，生長速率極低，且對底物類型、季節(jié)性溫度變化等敏感性較高，在工藝啟動與運(yùn)行中容易失穩(wěn)，且自身硝氮積累問題無法通過強(qiáng)化厭氧氨氧化工藝完全消除〔5-6〕，在實際應(yīng)用中多受限制，故不宜用作高氮濃度壓榨液的處理。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，同一條件下兩級A/O工藝的脫氮效果明顯優(yōu)于A2/O工藝；結(jié)合以往經(jīng)驗，兩級A/O+MBR工藝的有機(jī)物去除率可達(dá)95%，氨氮去除率可達(dá)99%。對于深度處理單元，類似項目通常采用NF+RO工藝，而經(jīng)NF+RO工藝處理后濃液量多，長期運(yùn)行時級間管道、設(shè)備易產(chǎn)生腐蝕、堵塞等問題〔7〕，且濃液仍需深度催化氧化、加藥、蒸發(fā)濃縮等二次處理或高成本委外處理；本項目廢液中鈣、氯化鈉等鹽分易在RO膜中形成鹽橋而生成濾餅層，大大降低膜處理單元的工作效率。Fenton法處理成本低，適用于處理難降解污染物，但對可能殘留的氮類污染物處理效率不高；臭氧催化氧化法接觸時間短、氧化效率更高。因此，深度處理單元設(shè)計采用臭氧催化氧化+混凝沉淀組合式工藝，以保障各指標(biāo)的達(dá)標(biāo)排放，并最大程度地降低綜合處理成本。

3 餐廚垃圾壓榨液處理工藝設(shè)計

3.1 整體工藝流程

壓榨液處理改造工藝采用預(yù)處理+兩級A/O+MBR+深度處理的組合式工藝，具體流程見圖1。

圖1 項目整體工藝流程Fig. 1 Overall process flow of the project

原水經(jīng)調(diào)節(jié)池、隔油沉渣池、混凝沉淀池、氣浮池處理后，由進(jìn)水池進(jìn)入垂直厭氧折流板反應(yīng)器（VABR），利用厭氧反應(yīng)池將大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)物，在去除部分有機(jī)物的同時，大大提高了壓榨廢液的可生化性，產(chǎn)生的沼氣收集后焚燒處理。VABR池出水進(jìn)入兩級A/O+MBR系統(tǒng)，在一級生物脫氮后增設(shè)二級反硝化池和好氧曝氣池，確保氨氮與總氮的去除效果。經(jīng)過兩級A/O+MBR處理后，出水再經(jīng)臭氧催化氧化+混凝沉淀處理，同時輔以活性炭過濾塔作為保安處理裝置，以確保各類指標(biāo)達(dá)標(biāo)排放。

3.2 各單元處理原理與主要作用

（1）預(yù)處理單元。考慮到壓榨液含渣量高、油脂量大，為避免碎屑物、氮、磷產(chǎn)生的泡沫與浮渣，以及油脂對后續(xù)處理工藝的不利影響，預(yù)處理單元先利用隔油沉渣池對污水進(jìn)行隔油沉渣處理，產(chǎn)生的沉渣先進(jìn)入污泥儲池，再進(jìn)行后續(xù)處理，對含油浮渣進(jìn)行提油回收；混凝沉淀+氣浮處理一方面可去除壓榨液中的SS，避免因SS累積而對后續(xù)厭氧處理反應(yīng)器造成的堵塞，另一方面可有效降低總磷、油脂等污染物濃度，尤其是對乳化油的分離，有效減輕對后續(xù)超濾膜的污染（超濾膜篩分孔徑遠(yuǎn)小于乳化油粒徑）。預(yù)處理單元最大程度地降低了后續(xù)處理單元的工作負(fù)荷，產(chǎn)生的化學(xué)污泥經(jīng)脫水后，上清液同其他單元污泥脫水產(chǎn)生的上清液一起回流至調(diào)節(jié)池再次處理。

（2）生化處理單元。厭氧處理工藝能進(jìn)行大分子有機(jī)物的開環(huán)、斷鏈，污染物負(fù)荷能力強(qiáng)且污泥產(chǎn)量低。VABR是在IC（內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器）、ABR（厭氧折流板反應(yīng)器）和UASB（升流式厭氧污泥床）基礎(chǔ)上的改良反應(yīng)器，UASB、EGSB（厭氧顆粒污泥膨脹床）等反應(yīng)器靠水流彎曲和旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不同離心力實現(xiàn)三相分離，而IC、VABR等反應(yīng)器利用沼氣氣泡氣提實現(xiàn)三相分離；VABR省略了UASB中構(gòu)造復(fù)雜的三相分離器，利用沼氣氣提管在體外實現(xiàn)三相分離，集氣可靠性高，安全性更高，且相比IC反應(yīng)器其結(jié)構(gòu)更為簡單、造價低〔8〕。此外，VABR不易堵塞或跑泥，且具有一定的抗沖擊負(fù)荷能力，運(yùn)維操控方便、處理成本低，故更適合用于本項目的第一段生化處理。為順利啟動VABR，應(yīng)嚴(yán)格控制分級進(jìn)水負(fù)荷，避免高負(fù)荷導(dǎo)致的反應(yīng)器系統(tǒng)酸化。第二段生化處理采用兩級A/O+MBR系統(tǒng)，實現(xiàn)對廢水中有機(jī)物、氨氮、總氮、溶解性油脂等主要污染物的去除。兩級A/O+MBR系統(tǒng)采用外置式超濾膜，避免了高濃度污泥對膜內(nèi)置時造成的污染，同時可以讓鹽分自由通行，避免鹽分累積形成鹽橋而造成的膜污染。二級好氧池出水進(jìn)入超濾膜，膜處理后的硝酸鹽濃液再回流至一級缺氧池前端，可在節(jié)能的同時提高脫氮效率。

（3）深度處理單元。經(jīng)過預(yù)處理及生化處理后，出水中總磷等污染物仍未達(dá)到外排標(biāo)準(zhǔn)，故采用臭氧催化氧化+混凝沉淀工藝進(jìn)行深度處理。臭氧催化氧化可加強(qiáng)對有機(jī)物、氨氮、總氮的去除，并通過后續(xù)的混凝沉淀進(jìn)一步去除污水中的難降解有機(jī)物、色度和總磷等。為保障出水質(zhì)量，深度處理單元還聯(lián)合使用了活性炭過濾塔以確保出水達(dá)標(biāo)。

3.3 各處理單元設(shè)計出水水質(zhì)

根據(jù)項目原水進(jìn)水水質(zhì)特點(diǎn)與出水要求，并結(jié)合項目整體工藝流程，各處理單元設(shè)計出水水質(zhì)見表2。

表2 各處理單元設(shè)計出水水質(zhì)Table 2 Design outlet water quality of each treatment unit

4 主體工藝設(shè)計

4.1 預(yù)處理單元

調(diào)節(jié)池1座，具備2 d水量調(diào)節(jié)能力，設(shè)計尺寸12 m×10 m×4.5 m，采用全地下式鋼混防腐結(jié)構(gòu)。隔油沉渣池1座，停留時間2 h，有效容積20 m3，設(shè)計尺寸6.2 m×2.2 m×2 m?；炷恋沓?座，停留時間1.8 h，有效容積9 m3，設(shè)計尺寸6 m×2.2 m×2 m，配套攪拌裝置、PAC與PAM投加裝置。氣浮池1座，有效水深1.8 m，設(shè)計尺寸2.2 m×1.8 m×2.3 m；氣浮接觸反應(yīng)區(qū)接觸時間5 min，氣浮分離區(qū)停留時間25 min，回流比40%，氣浮分離區(qū)水流下降流速1.2 mm/s；配套刮渣設(shè)備1套與溶氣罐1套（Q=12 m3/h，P=0.35 MPa）。進(jìn)水池1座，設(shè)計尺寸6 m×2.5 m×2 m。

4.2 生化處理單元

（1）VABR池。設(shè)計尺寸10 m×8 m×11.8 m，有效容積900 m3，上流室與下流室容積比為4∶1，設(shè)計COD容積負(fù)荷4.2 kg/（m3·d），溫度35 ℃，底部污泥質(zhì)量濃度46 g/L，最大循環(huán)比6∶1。配置厭氧反應(yīng)池進(jìn)水泵2臺，1用1備，Q=18 m3/h，H=350 kPa，N=2.5 kW；循 環(huán) 泵2臺，1用1備，Q=100 m3/h，H=350 kPa，N=21 kW；預(yù)曝氣裝置1套；管式換熱器1套，換熱面積8 m2，材質(zhì)SS304。

（2）兩級A/O處理系統(tǒng)。設(shè)計水溫25 ℃，MLVSS為15 kg/m3，單位MLSS脫氮速率為0.128 kg/（kg·d）（以NO3--N計），設(shè)計污泥齡17.35 d。一級反硝化罐1座，有效容積384 m3，停留時間1.6 d，配有一級反硝化攪拌機(jī)2臺，N=3.5 kW，材質(zhì)SS304；一級硝化罐2座，每座822 m3，有效容積1 632 m3，停留時間6.8 d；采用射流曝氣方式，一級硝化射流泵4臺，Q=280 m3/h，H=130 kPa，N=17 kW；一級硝化混合液回流比12%，回流泵2臺，Q=150 m3/h，H=130 kPa，N=9 kW；一級好氧池冷卻水抽送泵1臺，Q=50 m3/h，H=130 kPa，N=3.2 kW，配套冷卻系統(tǒng)1套，并配備消泡劑投加設(shè)備。二級反硝化罐1座，有效容積240 m3，停留時間1 d，配有二級反硝化攪拌機(jī)2臺，N=1.2 kW，材質(zhì)SS304；二級硝化罐1座，有效容積240 m3，停留時間1 d，供氣量12 m3/min；二級硝化射流泵1臺，Q=80 m3/h，H=120 kPa，N=8 kW。

（3）外置式集成膜系統(tǒng)。采用PVDF管式超濾膜，設(shè)計膜通量68 L/（h·m2），設(shè)計環(huán)路數(shù)為2條，膜組元件數(shù)為12支，單支膜面積15 m2，總配置膜面積180 m2。采用錯流方式過濾，設(shè)計最高操作壓力為0.55 MPa，最高膜前壓力0.5 MPa，跨膜壓差為0.2～0.5 MPa。超濾進(jìn)水泵2臺，1用1備，Q=150 m3/h，H=350 kPa，N=20 kW；配套CIP在線清洗裝置1套，清洗頻次為每月1～2次。

4.3 深度處理單元

深度處理單元設(shè)臭氧催化氧化塔1座，有效容積22 m3；2臺臭氧源（1用1備），臭氧產(chǎn)量2 kg/h；鋁基催化填料粒徑2～5 mm，孔隙容量0.4～0.8 cm3/g，比表面積≥220 m2/g。臭氧質(zhì)量濃度為40 mg/L，分3段投加，投加質(zhì)量比約2∶1∶1，反應(yīng)時長150 min。設(shè)置活性炭吸收塔1座，有效容積12 m3，吸收臭氧尾氣兼作廢水排放控制應(yīng)急備用。配套混凝沉淀反應(yīng)設(shè)備與加藥裝置1套。

4.4 污泥處理系統(tǒng)

生產(chǎn)過程中，需處理生化系統(tǒng)產(chǎn)生的生化污泥和混凝沉淀部分產(chǎn)生的化學(xué)污泥。生化污泥儲池設(shè)計尺寸3 m×2 m×2.2 m，生化污泥脫水車間設(shè)計尺寸8 m×6 m，設(shè)置離心脫水機(jī)1臺，Q=12～15 m3/h，N=15 kW；離心脫水后污泥脫水率達(dá)80%，泥餅送入污泥干化間進(jìn)行干化處理，干化間設(shè)計尺寸7 m×6 m，配置低溫污泥干化機(jī)1臺，Q=4 m3/h，N=21 kW。濕污泥倉料間設(shè)計尺寸5 m×5 m。混凝沉淀產(chǎn)生的化學(xué)污泥配置板框壓濾機(jī)1臺，A=70 m2，N=2.6 kW。

4.5 臭氣處理系統(tǒng)

生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的臭氣通過抽吸收集后集中處理。設(shè)置離心風(fēng)機(jī)2臺，Q=16 000 m3/h，H=280 kPa，N=22 kW。酸洗、堿洗塔各1套，H=6 m，D=2 m；酸洗/堿洗循環(huán)水泵各1臺，Q=20 m3/h，H=250 kPa，N=4.5 kW。一體化生物濾池1套（填料中配置活性炭），停留時間＞12 s，設(shè)計尺寸6 m×5 m×3 m（FRP材質(zhì)，附格柵板支撐柱與格柵板），配套濾池增濕泵2臺（N=3.2 kW）。

5 運(yùn)行效果分析

項目建成驗收后馬上開展了各反應(yīng)器的調(diào)試工作。從污泥激活到各負(fù)荷提升階段，共歷時112 d。隨后項目組對進(jìn)出水水質(zhì)開展了6個月的跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如表3所示。

表3 項目進(jìn)出水水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果Table 3 Monitoring results of inlet and outlet water quality of the project

由表3可知，雖然項目進(jìn)水水質(zhì)有波動，但經(jīng)過項目設(shè)計的組合工藝處理后，整體運(yùn)行效果穩(wěn)定，出水水質(zhì)可滿足《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 31962—2015）的排放要求。然而，在項目運(yùn)行過程中也發(fā)現(xiàn)，由于項目處理中污泥濃度高且停留時間長，易產(chǎn)生污泥沉積與曝氣器堵塞等問題。因此，后期項目在運(yùn)行中應(yīng)密切關(guān)注曝氣器、攪拌裝置的工作狀況，確保污泥正常攪動與曝氣的均勻性，以及構(gòu)筑物中良好的水流形態(tài)，避免因污泥淤積或堵塞而影響系統(tǒng)處理效率。

6 投資與運(yùn)行成本

該有機(jī)垃圾處理站壓榨液處理項目投資1 792.55萬元，其中土建費(fèi)用為258萬元，設(shè)備及其他費(fèi)用為1 534.55萬元。壓榨液處理的直接成本為32.83元/m3（不含折舊費(fèi)和大修理費(fèi)），具體見表4。與同類高濃度廢水處理工藝相比，該組合工藝總投資低、占地省、運(yùn)行成本低且效果相對穩(wěn)定?？紤]到電費(fèi)在直接成本中的占比將近一半，運(yùn)行管理中應(yīng)根據(jù)項目的實際工況，及時調(diào)節(jié)對應(yīng)耗能設(shè)備，實現(xiàn)運(yùn)行成本的重點(diǎn)管控，同時為減少碳排放有效助力。

表4 項目直接處理成本Table 4 The direct processing cost of the project

7 結(jié)語

（1）餐廚垃圾壓榨液成分復(fù)雜、污染程度高、處理難度大，項目采用預(yù)處理+二段式生化處理+深度處理的組合工藝，在水質(zhì)波動的情況下，具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力，整體出水水質(zhì)穩(wěn)定，可滿足GB/T 31962—2015的排放要求。

（2）項目深度處理單元采用臭氧催化氧化+混凝沉淀工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)滲濾液處理中的膜法工藝，有效避免了長期運(yùn)行中由膜污染、設(shè)備腐蝕或管道堵塞等導(dǎo)致的運(yùn)維問題，同時也免除了膜法處理中濃液的二次處理問題。

（3）與同類高濃度廢水處理工藝相比，該組合工藝總投資低、占地省、運(yùn)行成本低，對類似高濃度壓榨廢液處理項目具有一定的推廣應(yīng)用價值。