城市有機廢棄物厭氧消化處理的節水減排分析

摘要：厭氧消化處理工藝因其經濟高效的特點成為城市有機廢棄物無害化和資源化處理的優勢技術，被廣泛應用。厭氧消化處理工藝產生的二次廢棄物處理是影響運行成本的主要因素之一，減少二次廢水的產生和排放可進一步降低厭氧消化處理工藝的運行成本，提高經濟效益。以廣州市某生物質綜合處理廠為例，探討城市有機廢棄物厭氧消化處理過程的節水減排措施，從而合理控制產水率。

關鍵詞：城市有機廢棄物；厭氧消化；節水減排；餐廚垃圾

中圖分類號：X799.3 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）06-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.06.064

Analysis of Water Conservation and Emission Reduction in Anaerobic Digestion Treatment of Urban Organic Waste

YUE Feng

（Guangzhou Langkun Environment Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510555， China）

Abstract： The anaerobic digestion treatment process has become an advantageous technology for the harmless and resourceful treatment of urban organic waste due to its economic and efficient characteristics， and is widely used. The treatment of secondary waste generated by anaerobic digestion process is one of the main influencing factors on its operating cost， and reducing the generation and discharge of secondary wastewater can further reduce the operating cost of anaerobic digestion process and improve economic benefits. Taking a biomass comprehensive treatment plant in Guangzhou city as an example， the water-saving and emission reduction measures are explored for anaerobic digestion treatment of urban organic waste， in order to reasonably control the water production rate.

Keywords： urban organic waste; anaerobic digestion; water conservation and emission reduction; kitchen waste

隨著我國城市化的快速推進和生活垃圾分類的持續開展，以餐廚垃圾為代表的城市有機廢棄物清運量逐年增加，城市有機廢棄物減量化、無害化與資源化處理需求日益增長。城市有機廢棄物具有有機質含量高、易生化的特點，厭氧消化處理工藝可將廢棄物中可生物降解的有機質轉化為生物質能源沼氣并進一步資源化利用，實現碳減排，助力碳達峰碳中和。厭氧消化處理工藝因其產能規模大、資源化利用程度高、經濟高效的特點成為城市有機廢棄物無害化和資源化處理的優勢技術[1]，被廣泛應用。厭氧消化處理工藝產生的固體、液體等二次廢棄物需要進一步處理處置，篩余物、沼渣等固體廢物可以委托進行焚燒處置，相對簡單，而沼液廢水產生量大，處理難度較大，穩定達標成為廢水厭氧消化處理項目穩定運行的關鍵任務，廢水處理成本成為項目運營的主要成本構成之一。優化運行工藝管理，降低和控制厭氧處理工藝的廢水產生量，具有較高的研究價值和經濟效益。

1 項目概況

某生物質綜合處理廠位于廣州市黃埔區生活垃圾終端處理園區，項目采用建設-經營-轉讓（Build-Operate-Transfer，BOT）模式建設運營，采用“分類預處理+聯合厭氧消化+資源化利用”的組合工藝。設計餐飲垃圾處理量為400 t/d，廚余垃圾處理量為600 t/d，糞污處理量為1 000 t/d，動物固廢處理量為40 t/d，合計處理規模為2 040 t/d。項目于2019年7月投產試運行，至今連續穩定運行逾4年。截至2023年12月底，累計處理各類城市有機廢棄物280萬t，包括餐廚垃圾192萬t、城市糞污85萬t、動物固廢3萬t。2023年，項目日均處理量達到2 040 t/d，實現滿產運行。

項目采用厭氧消化處理工藝對餐廚垃圾、糞污等廢棄物經預處理后產生的漿料進行處理和資源化綜合利用，生產沼氣、電力、生物柴油等資源化產品進行自用和銷售。厭氧消化系統排出的沼液進行壓濾脫水處理，濾液即為高濃度污水，直接排入園區配套污水處理廠高濃度污水處理系統，處理達標后供園區回用。根據BOT協議，項目高濃廢污水免費排水量上限為1 644 t/d，對應的垃圾處理量為2 040 t/d，則單噸垃圾產水率需要控制在0.81以內，排水量超出的部分需要付費處理，單噸高濃度污水處理成本高達95元/t。因此，做好產水比的控制對項目穩定達產運行至關重要，一是保障廢水排放量在污水處理廠設計處理能力之內，二是盡量避免廢水出現超量排放而需要支付額外處理成本的情況，保障運營的經濟效益。項目在實際運行中積極進行節水減排試驗，得到可供參考的實用經驗。

2 節水減排措施設計

從物料接收、預處理至厭氧沼渣脫水的物料平衡和水平衡分析，高濃度污水來源主要分為物料含水及工藝用水。厭氧消化處理前的水分主要來源于物料含水、各類沖洗廢水、加熱蒸汽和漿料調配用水，厭氧消化處理后的水分主要來源于沼渣壓濾投加的絮凝劑以及隔膜壓濾設備用水等。控制產水比的途徑主要有兩種：一是做好源頭控制，即做好進場垃圾質量管控，確保垃圾含水率在正常水平，杜絕惡意加水等行為；二是從生產運行管理方面實現節水減排，主要為優化工藝參數、改進設備，尋找用水替代方案，減少廠外自來水或中水的使用、增加廢水的回用等，從而實現用水和排水的減量。下面結合節水減排工作思路，提出節水減排措施。

2.1 進場垃圾含水率管控

根據項目數據，廣州市餐廚垃圾含水率一般在75%～80%，糞污含水率多在94%～98%，以上垃圾含水率高，管控尤為重要。運營發現，為了提高收運收入，個別收運單位對餐廚垃圾加水充量，收運非糞污物料（工業廢水）充當糞污，造成垃圾物料含水率偏高，對項目產水比的控制造成壓力。為了管控進場垃圾含水率，餐廚車間、糞污車間在垃圾收運車輛卸料時對垃圾質量嚴格把關，根據正常的餐廚垃圾與糞污的形態、質量、含水率等參數，采用人工觀察和檢測分析雙重手段，對垃圾質量進行監控，對可疑物料進行拍照取證和取樣檢測，對確定存在加水充量、冒充糞污的物料直接拒絕接收，并將收運車輛和收運人員信息及其違規情況反饋至有關主管部門實施懲處，如停用收運車輛集成電路卡、禁止入園，從而有效杜絕違規行為的出現。

2.2 餐廚漿料含水率控制

項目餐廚垃圾經過分選、破碎、除雜和制漿等預處理后形成餐廚漿料，漿料總固體（Total Solid，TS）濃度是其中的關鍵工藝控制參數。餐廚垃圾TS含量保持在20%～25%，經分選除雜后仍有較高的TS含量，而制漿機出料經管道輸送至后續除砂、加熱和離心提油工段，最后經管道輸送至厭氧消化系統。因此，為滿足工藝過程的管道輸送要求，利用制漿機對漿料加水調配。若TS濃度控制偏低，則意味著調漿用水量大，相應增加末端高濃度污水排放量，并增加漿料加熱提油的蒸汽成本，漿料含水率高還會降低提油效率，影響經濟效益。綜合考慮，在滿足管道輸送要求的情況下，盡量控制餐廚漿料TS在較高的濃度，基本控制漿料TS濃度在12%～14%，減少漿料含水量。項目每個班次均對各產線制漿機出口的漿料、提油后的漿料進行取樣，檢測TS濃度，以便做好多個環節的加水調漿，避免加水過多。

2.3 采用蒸汽間接加熱，減少蒸汽水帶入

為保證厭氧處理系統穩定運行，提高經濟效益，項目餐廚漿料需要加熱至75～80 ℃進行離心提油，受限于建設場地，漿料采用蒸汽直接加熱，造成蒸汽水帶入漿料中并最終成為高濃度污水。為降低漿料的蒸汽帶水量和節約用能，采用列管換熱器間接加熱的方式對漿料進行預加熱，熱媒采用2臺功率3 MW+4臺功率1 MW的沼氣內燃發電機組的缸套冷卻水，水溫約為90 ℃，將漿料溫度由40 ℃升溫至約60 ℃，從而減少漿料加熱耗用的蒸汽量，避免蒸汽水的帶入，節能減排，通過增加換熱器預加熱可實現蒸汽水帶入減量30%。未來，如條件允許，將直接加熱改為間接加熱，則可解決蒸汽水的帶入問題。項目還建有廢棄食用油脂預處理車間、生物柴油制備車間和動物固廢無害化處理車間，廢棄食用油脂預處理、生物柴油制備和動物固廢高溫滅菌脫水涉及的蒸汽加熱過程全部采用間接加熱形式，杜絕蒸汽水的帶入，可減少蒸汽帶入水約70 t/d；生物柴油蒸汽冷凝水進行再生回用，節約鍋爐用水；動物固廢及地溝油車間的蒸汽冷凝水收集后作為餐廚車間提油三相離心機的清洗用水，節約清洗用水。

2.4 采用高壓水槍進行車輛、地面衛生沖洗

項目各車間卸料大廳負責各類垃圾的接收卸料，卸料完成后需要對收運車輛進行外表面沖洗，對卸料大廳地面及時進行衛生沖洗，其他作業區域亦是如此，以免物料堆積造成臭氣散發、蠅蟲滋生、設備及管線腐蝕等，從而保持良好的作業環境。傳統的衛生沖洗采用軟水管，因水管壓力低、沖洗力度不足，沖洗時間長，用水量大，造成大量清洗廢水進入漿料，最終成為高濃度污水，增加產水比。廠內各車間配置多臺高壓水槍，其操作簡便，機動性強，沖洗壓力高，用于車輛、地面和設備外表面的衛生沖洗，可以實現節水80%以上，從而直接減少清洗廢水的產生。

2.5 高濃度污水直接回用至生產，減少新鮮水的使用

項目厭氧消化系統采用“水解酸化+全混式中溫厭氧”工藝，設有4座水解酸化罐、7座厭氧罐，日常運行管理對進厭氧罐的漿料質量嚴格監測，做好厭氧系統的溫度、pH、TS的監測和調控，做好水解和厭氧消化系統的攪拌、除砂工作，從而保障厭氧消化系統穩定運行，有機質充分發酵產氣。厭氧消化排出的沼液經調理和絮凝后進入高壓隔膜壓濾系統進行脫水，濾液即為高濃度污水，厭氧消化系統的高效處理使得項目高濃度污水的水質各項指標較優，為高濃度污水的廠內回用創造有利條件。經過研究和實踐，項目將廠內的高濃度污水直接回用于生產過程，替代來自廠外的自來水和中水，從根本上減少新鮮水的帶入，減少廢水的產生和排放，廢水減量成效突出，用水成本降低。高濃度污水回用方式主要有3種。

2.5.1 回用至預處理車間調制漿料

餐廚垃圾、糞污預處理車間漿料濃度偏高時，要額外加水調漿，直至能夠采用管道輸送。研究發現，餐廚垃圾與市政污泥聯合厭氧消化可彌補兩種物質單獨厭氧消化的不足，提高厭氧設施利用率、有機質去除率和厭氧消化的產氣效率[2-3]。經實踐檢驗，項目厭氧消化系統協同處置含水率80%的市政污水處理廠脫水污泥，可以提升厭氧消化系統運行穩定性及處理效率，脫水污泥日均處置量在20～40 t/d，日處理最高峰可達100 t/d。脫水污泥需要先在糞污車間污泥調節池內加入至少5倍體積的水稀釋，調配成可以管道輸送的漿料，再送入厭氧消化系統。為了減少高濃度污水量，項目設置將高濃度污水回用至餐廚車間、糞污車間調配漿料的管線，餐廚垃圾、糞污和污泥調漿不使用中水或自來水，而是直接采用沼渣脫水車間產生的高濃度污水，其水質水量均能滿足調漿需求，且回用車間設備、管道均選用耐腐蝕的不銹鋼或者硬聚氯乙烯等材質，在硬件上適用于高濃度污水的回用。高濃度污水回用至車間調漿，可直接避免自來水或中水的使用，減少廢水產生量，節水減排效益顯著。2023年7—12月，項目高濃度污水回用至車間調漿的用量如表1所示，日均回用量達到159 t/d。

2.5.2 回用至沼渣脫水系統作為壓榨水箱補水

項目采用高壓隔膜板框壓濾機對調理絮凝后的沼液進行脫水，其中高壓隔膜板框壓濾機二次壓榨采用水為介質，濾室充滿濾餅后，自動關閉進料閥，向壓榨室內通入壓榨水（壓力最高達到2.5 MPa），從而實現濾餅的二次壓榨，進一步減少沼渣水分。實際運營發現，濾板使用一段時間后會出現破損，造成壓榨水進入濾室并以濾液形式排出，成為高濃度污水，使得壓榨水需要及時補充（采用廠外自來水或中水），而壓榨水補充量即為增加的高濃度污水量。項目配備5臺壓濾機，每臺壓濾機配置110～120塊濾板，濾板數量大，破損不易發現，更換成本高（單塊濾板采購成本0.5萬元），檢查更換時間長，停機檢修頻繁則影響產能，故實際不具備經常檢修的條件，造成每日壓榨補水少則十幾噸多則上百噸，相應增加高濃度污水量。為此，項目于2022年8月進行技術改造，壓榨補水改為直接使用高濃度污水，取消自來水或中水的使用，從而解決濾板破損造成的高濃度污水增量問題。

2.5.3 回用至糞污車間作為粗格柵和細格柵的沖洗用水

項目糞污預處理車間對糞污先后采用粗格柵、細格柵進行過濾除雜，格柵上的雜物采用定時噴淋沖洗去除，使用中水作為噴淋水源。項目評估后，將高濃度污水增加一級過濾，去除殘留的總懸浮固體，然后用于糞污車間的粗格柵、細格柵噴淋沖洗，替代中水，從而減少高濃度廢水約15 t/d。

2.6 沼渣絮凝調理的節水措施

厭氧沼液脫水前需要投加調理劑和絮凝劑，調理劑和絮凝劑所帶水分直接進入沼液中，相應增加高濃度污水產生量。項目原采用“30%三氯化鐵溶液+聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）”進行沼液的絮凝調理，每日三氯化鐵溶液使用量約為30 t，其中的水分進入沼液造成高濃度污水增量超過20 t/d。

為了減少沼液絮凝調理環節的水分帶入，項目于2023年9—10月采用不同藥劑進行沼液絮凝脫水試驗并取得成果。目前，項目采用“有機調理劑+30%三氯化鐵溶液+PAM”進行沼液絮凝調理，實現三氯化鐵用量減少70%、至10 t/d以內，而有機調理劑為液體，每天用量僅為幾百千克，與PAM共同配制，不增加用水量，故改進調理藥劑后減少絮凝調理過程的水分帶入約14 t/d，降低高濃度污水氯離子濃度，更有利于污水的回用及處理。項目沼液調理方案變更前為30%三氯化鐵溶液+PAM，變更后為有機調理劑+30%三氯化鐵溶液+PAM。沼液調理方案變更前后，三氯化鐵用量數據對比如表2、表3所示。

3 節水減排效果

通過在生產運營中落實精細的節水減排措施，項目在用水減量、排水減量方面取得實效。運行數據顯示，2021—2023年，項目合計處理各類垃圾2 075 039 t，排入污水處理廠的高濃度污水總量為1 669 333 t，單噸垃圾平均產水比為0.804 5，有效控制在0.81以內。

4 結論

項目采用厭氧消化處理工藝處理城市有機廢棄物，通過投產以來的生產實踐，摸索出若干切實可行的節水減排措施，有效控制垃圾處理的產水比，減少外部水的使用和廢水排放量，避免廢水額外付費處理，并降低項目用水與用能成本，具有經濟和環境的雙重效益，具備參考價值。企業要結合工藝設備條件及運行管理現狀，制定節水減排目標及方案，以工藝改進、設備提升、用水替代和廢水回用增加為主要切入點，進行節水減排實踐，提升節水減排效果。

參考文獻

1 周海林.餐廚垃圾資源化利用技術研究現狀及展望[J].中國資源綜合利用，2021（5）：70-73.

2 Alatriste-Mondragon F，Samar P，Cox H H J，et al.Anaerobic codigestion of municipal，farm，and industrial organic wastes：a survey of recent literature[J].Water Environment Research，2006（6）：607-636.

3 Daisy A，Kamaraj S.The impact and treatment of night soil in anaerobic digester：a review[J].Journal of Microbial Biochemistry Technology，2011（3）：43-50.

作者簡介：岳鳳（1990—），女，山東東平人，碩士，工程師。研究方向：工業廢水和廢氣處理、城市有機廢棄物處理與綜合利用。