中高温过渡区餐厨垃圾厌氧发酵沼气工程案例

　　摘要：厌氧发酵是餐厨垃圾无害化和资源化处理的重要技术手段，而温度是影响厌氧发酵的重要参数。西安市餐厨垃圾资源化利用和无害化处理项目(一期)的厌氧工段采用优化发酵条件，着重介绍了中温和高温过渡区发酵温度为3~45℃时的餐厨垃圾厌氧发酵技术，并对项目稳定运行期的生产数据进行分析总结。结果表明，采用中温和高温过渡区厌氧发酵技术，有机负荷率高，垃圾挥发性固体(VS)产气率达到170tVS，全混发酵CSTR发酵装置容积产气率达3./(以上，取得了良好运行效果。

　　关键词：餐厨垃圾;温度;厌氧发酵;沼气

　　随着我国社会经济的快速发展及城镇化的推进，城市生活垃圾清运量不断增长。根据中国统计年鉴数据，2018年全国城市生活垃圾清运总量为22801.8×10，其中湿垃圾占比为36.5%~76.0%。湿垃圾主要组分是食品、餐饮垃圾等，整体呈现有机物含量高、营养物质丰富、易降解、易腐败等特性。厌氧发酵是实现湿垃圾减量化、无害化及资源回收的重要手段，目前被广泛用于城市湿垃圾处理。

　　温度是影响厌氧发酵产甲烷效率的重要因素之一，会影响产甲烷相关微生物的代谢速率和底物供应。一般认为，从对温度的适应性方面，可将厌氧细菌分为高温菌和中温菌两大类，即厌氧发酵可分为高温发酵(50~55℃)和中温发酵(35~40℃)两大类，43~45℃被称为过渡区，既不属于中温范围，也不属于高温范围，常规理论认为，厌氧微生物在此温度范围内活性较低，是低速厌氧区。

　　但Nuruol等关于污泥厌氧处理的研究结果表明，45℃条件下厌氧发酵产甲烷效率与35℃相比未出现大幅下降，且45℃条件下的产沼气效率要高于55℃。李美群在研究薯类酒糟厌氧发酵时发现，45℃条件下厌氧发酵产气率最高，且测得厌氧产酸菌、厌氧氨化菌和厌氧纤维素菌生长、繁殖的速度最快。2018年杭能环境对餐厨垃圾、牛粪、酒糟、秸秆等多种原料在中温、中高温过渡区及高温条件下的厌氧发酵进行了系列试验研究，发现这几类物料在中高温过渡区条件下产沼速率较中温和高温发酵条件下均有明显提升。

　　2019年公司将该研发成果10在维尔利环保科技集团股份有限公司投资运营的西安、常州等几个大型餐厨沼气项目上进行了验证。以西安市餐厨垃圾资源化利用和无害化处理项目(一期)为案例，介绍了中温和高温过渡区发酵温度下，厌氧发酵技术在该餐厨垃圾沼气工程中的应用情况，并对项目019年月22日—2020年月日期间稳定运行的数据进行监测和分析，以期为学术界研究温度对厌氧发酵效率的影响提供参考。

　　1项目概况

　　西安餐厨垃圾资源化利用和无害化处理项目(一期)厂址位于福银高速以西八兴滩村，占地2.5hm，设计处理规模为餐厨垃圾200t、地沟油20t，采用维尔利环保科技集团股份有限公司的预处理技术及杭州能源环境工程有限公司的中高温厌氧发酵技术，吨原生垃圾沼气产量不小于71m³，设计产沼气量约15000m/d。该项目于2019年月开始启动调试，已稳定运行两年。

　　1.1工艺流程

　　该项目采用机械分选、提油预处理中高温厌氧消化沼气净化发电沼渣脱水处置工艺路线。餐厨垃圾运输车到达现场后首先过磅，然后驶进卸料大厅并将餐厨垃圾倒入接料装置的卸料斗，料斗底部滤液进入浆料加热及除砂系统。料斗中的物料输送至后续自动分选制浆系统，自动分选机的主要功能是对餐厨垃圾中的塑料、织物及硬质不易破碎的无机物(如金属等)进行分离，同时通过特殊设计的转锤对食物残渣进行浆化处理，产生的有机粗浆料通过浆料输送泵送入浆料加热机。

　　浆料加热机对有机粗浆料进行加热，加热后的浆料及沥液经惰性物分离装置和除砂处理后由泵输送至三相提油机进行提油，而提油过程中分离的有机浆液经换热器降温后进入后续厌氧系统进行厌氧发酵。预处理后的物料浆液泵入CSTR厌氧消化系统，进行中高温过渡区发酵温度44±℃厌氧消化，所产沼气经生物脱硫净化后暂存于双膜干式贮气柜，部分沼气用于锅炉燃烧生产蒸汽，为预处理三相提油增温提供热量，剩余沼气用于热电联产，电能并网，余热用于其他供热。发酵液经固液分离后，沼液进入厂内污水处理系统处理，达到《黄河流域(陕西段)污水综合处理排放标准》(DB61/224—2011)的二级标准后排入附近污水处理厂进一步处理，固渣外运填埋。

　　2厌氧系统运行状况

　　2.1厌氧发酵基本参数

　　餐厨垃圾经前端分选筛分预处理及三相提油后的浆料温度超过65℃，为了满足过渡区发酵温度要求(44±)℃，浆料在进入厌氧罐之前通过冷却塔降温处理。厌氧发酵系统采用杭州能源环境工程有限公司研发的餐厨垃圾高效厌氧CSTR优化技术。为了提高厌氧转化效率，同时节省浆料降温能耗，厌氧发酵在传统中温厌氧发酵基础上进行了一系列优化。

　　2.2厌氧罐进料及沼气产量

　　受垃圾收运量的影响，运行期间厌氧罐进料量存在一定范围的波动。进料量在108~211t之间波动，平均进料量为175.6t;随着进料量的波动，沼气产量也在12500~25000m范围内波动，平均沼气产量为18527m。据此计算，餐厨浆料产气量可达105.5m/t。

　　2.3厌氧发酵过程的TS去除率

　　厌氧发酵过程的TS去除率变化。运行期间厌氧罐进料TS浓度在8.8~14.6%范围内波动，大部分时间为11~12%，平均值为11.35%;出料TS浓度在4.3~5.6%范围内波动，平均值为4.8%;TS去除率波动范围为52~72%，平均值为63%，优于李靖等11研究结果(35±1)℃条件下，TS最大去除率为43.6%。

　　3高温过渡区厌氧发酵技术的优势

　　3.1提高厌氧转化效率

　　由西安餐厨垃圾资源化利用和无害化处理项目(一期)厌氧系统运行数据可知，在同等有机负荷条件下，采用过渡区发酵温度发酵处理餐厨垃圾，其VS产气率及容积产气率均高于中温厌氧发酵。分析原因主要是在过渡区内中温菌群仍继续保持厌氧活性，在37~45℃下甲酸甲烷杆菌、索氏甲烷丝菌等中高温厌氧菌群快速增殖，使中高温菌优势充分显现，高温菌群开始增长繁殖发挥作用，产甲烷菌的中温厌氧菌群与高温厌氧菌群实现了共存协同，即氢营养型产甲烷和乙酸营养性产甲烷两条途径同时存在，加强了厌氧转化效率。

　　3.2降低预处理浆料降温能耗及氨抑制风险

　　由于餐厨垃圾预处理阶段提油后浆料的温度约为65℃，与传统中温(35~38℃)厌氧发酵相比，采用中高温过渡区(43~45℃)厌氧发酵可在预处理阶段节省22%的降温能耗;此外，由于餐厨垃圾氮含量相对较高，与高温(50~55℃)厌氧发酵相比，采用中高温过渡区发酵温度厌氧发酵不易出现氨氮抑制问题。

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　　4结论与建议

　　由西安市餐厨垃圾资源化利用和无害化处理项目(一期)运行情况可看出，在中高温过渡区发酵温度下(43~45℃)，餐厨垃圾产气效率并没有出现明显下降，其产气效率显著优于同类中温和高温研究报道。鉴于温度影响产甲烷相关微生物的代谢速率和底物供应，后续将针对不同温度条件下的产甲烷微生物的种群结构及代谢类型进行深度研究;对于大型厌氧沼气工程，可针对不同发酵原料的特性，选择经济合理的厌氧发酵温度，以达到最优处理效果和最低的项目运行成本。

　　参考文献：

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　　[2]邴君妍罗恩华金宜英等中国餐厨垃圾资源化利用系统建设现状研究[]环境科学与管理201843):3943.INGJunyan,UOEnhua,INYiying,etal.CurrentsituationoffoodwasterecyclinginChina[J].Environmentalcienceandanagement,2018,43(4):3943(inChinese)

　　[3]BROWNEJDBiomethaneroductionfromoodasteandrganicesidues].Cork:UniversityCollegeCork2013

　　作者：李月中，谭婧，宫亚斌，寿亦丰

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