中高溫過渡區餐廚垃圾厭氧發酵沼氣工程案例

　　摘要：厭氧發酵是餐廚垃圾無害化和資源化處理的重要技術手段，而溫度是影響厭氧發酵的重要參數。西安市餐廚垃圾資源化利用和無害化處理項目(一期)的厭氧工段采用優化發酵條件，著重介紹了中溫和高溫過渡區發酵溫度為3~45℃時的餐廚垃圾厭氧發酵技術，并對項目穩定運行期的生產數據進行分析總結。結果表明，采用中溫和高溫過渡區厭氧發酵技術，有機負荷率高，垃圾揮發性固體(VS)產氣率達到170tVS，全混發酵CSTR發酵裝置容積產氣率達3./(以上，取得了良好運行效果。

　　關鍵詞：餐廚垃圾;溫度;厭氧發酵;沼氣

　　隨著我國社會經濟的快速發展及城鎮化的推進，城市生活垃圾清運量不斷增長。根據中國統計年鑒數據，2018年全國城市生活垃圾清運總量為22801.8×10，其中濕垃圾占比為36.5%~76.0%。濕垃圾主要組分是食品、餐飲垃圾等，整體呈現有機物含量高、營養物質豐富、易降解、易腐敗等特性。厭氧發酵是實現濕垃圾減量化、無害化及資源回收的重要手段，目前被廣泛用于城市濕垃圾處理。

　　溫度是影響厭氧發酵產甲烷效率的重要因素之一，會影響產甲烷相關微生物的代謝速率和底物供應。一般認為，從對溫度的適應性方面，可將厭氧細菌分為高溫菌和中溫菌兩大類，即厭氧發酵可分為高溫發酵(50~55℃)和中溫發酵(35~40℃)兩大類，43~45℃被稱為過渡區，既不屬于中溫范圍，也不屬于高溫范圍，常規理論認為，厭氧微生物在此溫度范圍內活性較低，是低速厭氧區。

　　但Nuruol等關于污泥厭氧處理的研究結果表明，45℃條件下厭氧發酵產甲烷效率與35℃相比未出現大幅下降，且45℃條件下的產沼氣效率要高于55℃。李美群在研究薯類酒糟厭氧發酵時發現，45℃條件下厭氧發酵產氣率最高，且測得厭氧產酸菌、厭氧氨化菌和厭氧纖維素菌生長、繁殖的速度最快。2018年杭能環境對餐廚垃圾、牛糞、酒糟、秸稈等多種原料在中溫、中高溫過渡區及高溫條件下的厭氧發酵進行了系列試驗研究，發現這幾類物料在中高溫過渡區條件下產沼速率較中溫和高溫發酵條件下均有明顯提升。

　　2019年公司將該研發成果10在維爾利環保科技集團股份有限公司投資運營的西安、常州等幾個大型餐廚沼氣項目上進行了驗證。以西安市餐廚垃圾資源化利用和無害化處理項目(一期)為案例，介紹了中溫和高溫過渡區發酵溫度下，厭氧發酵技術在該餐廚垃圾沼氣工程中的應用情況，并對項目019年月22日—2020年月日期間穩定運行的數據進行監測和分析，以期為學術界研究溫度對厭氧發酵效率的影響提供參考。

　　1項目概況

　　西安餐廚垃圾資源化利用和無害化處理項目(一期)廠址位于福銀高速以西八興灘村，占地2.5hm，設計處理規模為餐廚垃圾200t、地溝油20t，采用維爾利環保科技集團股份有限公司的預處理技術及杭州能源環境工程有限公司的中高溫厭氧發酵技術，噸原生垃圾沼氣產量不小于71m³，設計產沼氣量約15000m/d。該項目于2019年月開始啟動調試，已穩定運行兩年。

　　1.1工藝流程

　　該項目采用機械分選、提油預處理中高溫厭氧消化沼氣凈化發電沼渣脫水處置工藝路線。餐廚垃圾運輸車到達現場后首先過磅，然后駛進卸料大廳并將餐廚垃圾倒入接料裝置的卸料斗，料斗底部濾液進入漿料加熱及除砂系統。料斗中的物料輸送至后續自動分選制漿系統，自動分選機的主要功能是對餐廚垃圾中的塑料、織物及硬質不易破碎的無機物(如金屬等)進行分離，同時通過特殊設計的轉錘對食物殘渣進行漿化處理，產生的有機粗漿料通過漿料輸送泵送入漿料加熱機。

　　漿料加熱機對有機粗漿料進行加熱，加熱后的漿料及瀝液經惰性物分離裝置和除砂處理后由泵輸送至三相提油機進行提油，而提油過程中分離的有機漿液經換熱器降溫后進入后續厭氧系統進行厭氧發酵。預處理后的物料漿液泵入CSTR厭氧消化系統，進行中高溫過渡區發酵溫度44±℃厭氧消化，所產沼氣經生物脫硫凈化后暫存于雙膜干式貯氣柜，部分沼氣用于鍋爐燃燒生產蒸汽，為預處理三相提油增溫提供熱量，剩余沼氣用于熱電聯產，電能并網，余熱用于其他供熱。發酵液經固液分離后，沼液進入廠內污水處理系統處理，達到《黃河流域(陜西段)污水綜合處理排放標準》(DB61/224—2011)的二級標準后排入附近污水處理廠進一步處理，固渣外運填埋。

　　2厭氧系統運行狀況

　　2.1厭氧發酵基本參數

　　餐廚垃圾經前端分選篩分預處理及三相提油后的漿料溫度超過65℃，為了滿足過渡區發酵溫度要求(44±)℃，漿料在進入厭氧罐之前通過冷卻塔降溫處理。厭氧發酵系統采用杭州能源環境工程有限公司研發的餐廚垃圾高效厭氧CSTR優化技術。為了提高厭氧轉化效率，同時節省漿料降溫能耗，厭氧發酵在傳統中溫厭氧發酵基礎上進行了一系列優化。

　　2.2厭氧罐進料及沼氣產量

　　受垃圾收運量的影響，運行期間厭氧罐進料量存在一定范圍的波動。進料量在108~211t之間波動，平均進料量為175.6t;隨著進料量的波動，沼氣產量也在12500~25000m范圍內波動，平均沼氣產量為18527m。據此計算，餐廚漿料產氣量可達105.5m/t。

　　2.3厭氧發酵過程的TS去除率

　　厭氧發酵過程的TS去除率變化。運行期間厭氧罐進料TS濃度在8.8~14.6%范圍內波動，大部分時間為11~12%，平均值為11.35%;出料TS濃度在4.3~5.6%范圍內波動，平均值為4.8%;TS去除率波動范圍為52~72%，平均值為63%，優于李靖等11研究結果(35±1)℃條件下，TS最大去除率為43.6%。

　　3高溫過渡區厭氧發酵技術的優勢

　　3.1提高厭氧轉化效率

　　由西安餐廚垃圾資源化利用和無害化處理項目(一期)厭氧系統運行數據可知，在同等有機負荷條件下，采用過渡區發酵溫度發酵處理餐廚垃圾，其VS產氣率及容積產氣率均高于中溫厭氧發酵。分析原因主要是在過渡區內中溫菌群仍繼續保持厭氧活性，在37~45℃下甲酸甲烷桿菌、索氏甲烷絲菌等中高溫厭氧菌群快速增殖，使中高溫菌優勢充分顯現，高溫菌群開始增長繁殖發揮作用，產甲烷菌的中溫厭氧菌群與高溫厭氧菌群實現了共存協同，即氫營養型產甲烷和乙酸營養性產甲烷兩條途徑同時存在，加強了厭氧轉化效率。

　　3.2降低預處理漿料降溫能耗及氨抑制風險

　　由于餐廚垃圾預處理階段提油后漿料的溫度約為65℃，與傳統中溫(35~38℃)厭氧發酵相比，采用中高溫過渡區(43~45℃)厭氧發酵可在預處理階段節省22%的降溫能耗;此外，由于餐廚垃圾氮含量相對較高，與高溫(50~55℃)厭氧發酵相比，采用中高溫過渡區發酵溫度厭氧發酵不易出現氨氮抑制問題。

　　環境論文范例： 環境規制與交通運輸業綠色創新

　　4結論與建議

　　由西安市餐廚垃圾資源化利用和無害化處理項目(一期)運行情況可看出，在中高溫過渡區發酵溫度下(43~45℃)，餐廚垃圾產氣效率并沒有出現明顯下降，其產氣效率顯著優于同類中溫和高溫研究報道。鑒于溫度影響產甲烷相關微生物的代謝速率和底物供應，后續將針對不同溫度條件下的產甲烷微生物的種群結構及代謝類型進行深度研究;對于大型厭氧沼氣工程，可針對不同發酵原料的特性，選擇經濟合理的厭氧發酵溫度，以達到最優處理效果和最低的項目運行成本。

　　參考文獻：

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　　作者：李月中，譚婧，宮亞斌，壽亦豐

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