垃圾分类对生物能源再利用的影响分析

聂剑文

(上海老港固废综合开发有限公司，上海 200060)

1 引言

我国餐厨垃圾产量巨大，几乎为生活垃圾产量的一半，且餐厨垃圾成分复杂，有机质含量高，易降解、易腐败，具有一定的污染空气、土壤及水源的危害性[1～3]。2019年7月1日上海市全市推行垃圾强制分类，开始实施《上海市生活垃圾管理条例》。目前上海市餐厨垃圾产量大于9000 t/d，已超出“十三五”规划的餐厨垃圾日处理能力7000 t/d。由于餐厨垃圾具有水分高、盐分大等特点，新增的餐厨垃圾若直接运往生活垃圾焚烧厂或生活垃圾卫生填埋场实施处置，不仅会对焚烧厂和填埋场等终端处置设施造成严重的安全风险与环境隐患，亦违背了《上海市生活垃圾管理条例》规定的“全程分类、资源化利用”的要求。所以充分挖掘现有餐厨垃圾处理设施的处置潜力，统筹缓解餐厨垃圾的处置压力，是可以尝试的途径[4～6]。本文以上海老港餐厨垃圾处理厂(上海生物能源再利用项目)为例，定量分析垃圾分类后餐厨垃圾组分性状的变化及其对预处理工艺和主体厌氧工艺的的冲击影响，为类似已建餐厨垃圾处理设施的提标扩能提供参考。

2 垃圾分类特征

随着上海市垃圾分类工作的稳步推进，厨余垃圾物化特性不仅发生了较大的变化，且进入本项目的厨余垃圾无法区分居民区厨余垃圾与集贸市场厨余垃圾，厨余垃圾分类前后性质变化详见表1。垃圾分类后厨余垃圾杂质含量大幅降低，含水率和含油率均显著增加。

表1 分类前后厨余垃圾性质对比表

餐饮垃圾物化特性，自从垃圾分类监管力度加强后出现显著变化，杂质含量大幅降低，餐饮垃圾分类前后性质变化详见表2。

表2 分类前后餐饮垃圾性质对比表

考虑垃圾分类后物料特性的上述变化，针对餐厨垃圾含水率普遍增大、有机质含量显著增加、杂质含量明显减少的特点，经物料平衡重新核算，如餐饮垃圾、厨余垃圾预处理后的有机物全量进入后续厌氧系统，湿式厌氧系统共需设置7座湿式厌氧罐，干式厌氧系统共需设置3座干式厌氧罐，而厌氧系统规模的扩大会相应导致后端脱水系统、沼渣干化系统、沼气预处理系统、沼气利用系统规模的同步扩能。若上述系统均按实际产量进行扩大，全厂平面布置、单体布置均需进行调整，项目工期将大幅拖后。垃圾分类前后主体工艺配置详见表3。

表3 分类前后主体工艺配置对比

为最大程度地减少餐厨垃圾后端处置设施的重大调整，以确保原主线系统的正常运行，本次仅对预处理系统进行优化调整，厌氧系统及后续系统设备配置受项目总投资限制，将通过在后续建设项目或技改项目中补缺完善。

3 垃圾处理流程

上海生物能源再利用项目建设规模为1000 t/d，其中餐饮垃圾400 t/d，厨余垃圾600 t/d，工程选址于上海市老港生态环保基地，占地约127亩，服务于上海市黄浦区、徐汇区、长宁区、杨浦区、虹口区、静安区等中心城区；工程采用“预处理+协同厌氧消化产沼”主体工艺，包括以下几大系统：餐饮垃圾预处理系统、厨余垃圾预处理系统、湿式厌氧及脱水系统、干式厌氧及脱水系统、沼气净化及存储系统、沼气锅炉及换热系统、沼气发电系统、沼渣干化系统。为充分发挥基地设施及资源统筹的优势，本工程的脱水沼渣送入基地焚烧厂焚烧处置，沼液送入厂址西侧附近的老港渗滤液处理厂二期工程处置后达标外排。

3.1 餐饮垃圾预处理

餐饮垃圾预处理规模为400 t/d，包括接收输送系统、分选制浆系统、除砂除轻飘物系统、油水分离系统。

餐饮垃圾预处理工艺流程描述如下：餐饮垃圾经运输车辆运至厂内，过磅称重后的物料由车辆运至综合预处理车间卸料大厅，运输车辆将餐饮垃圾卸入螺旋接收料斗中，餐饮垃圾中的游离水进入沥水坑，固相物料通过无轴螺旋输送机送至大物质分拣机，大物质分拣机将物料中60 mm以上杂物筛除外运处置，余下物料输送至精分制浆机，将物料破碎分选，将物料中粒径大于20 mm的杂物分离出系统，如瓶盖、筷子小粒径杂物及塑料、纸张等轻质杂物，杂物外运处置。20 mm以下的物料经精分制浆机制成8 mm以下浆料，泵送入除砂除轻飘物质系统。除砂除轻飘物系统将物料中的重物质如贝壳、玻璃、瓷片、砂石等以及细碎纤维等去除，除砂除轻飘物后的浆液进入中间储池后泵送入油水分离系统。油水分离采用加热离心提油工艺，即精分制浆出料先经卧离进料器，通过蒸汽直喷加热至55～65 ℃后送入卧式离心机进行三相分离，分离出三种物料——水相、渣相、轻相(油水混合物料)；轻相经输送泵送至立离进料器，通过蒸汽直喷加热至80～90 ℃后，进入立式离心机进行立式分离提油；水相和渣相暂存于混浆池，泵送入湿式厌氧发酵系统；经分离出的粗油脂暂存至室外毛油储罐，定期外运。

3.2 厨余垃圾预处理

厨余垃圾是指居民区经分类后产生的厨余果皮以及集贸市场分类后产生的厨余果皮。厨余垃圾预处理系统处理规模为600 t/d，其中包括400 t/d居民区厨余垃圾和200 t/d集贸市场厨余垃圾，处理系统主要包括接料粗破系统、厨余筛分系统和出渣系统。

根据调研，居民区厨余垃圾与集贸市场的厨余垃圾性质略有区别。两种物料采用不同的预处理工艺，居民区厨余垃圾含水率按65%设计，预处理工艺采用“人工分拣→粗破碎机→磁选→筛分装置→磁选→细破碎机”后进入干式厌氧系统；集贸市场厨余垃圾纯度较居民区厨余垃圾高，含水率按75%设计，采用“人工分拣→粗破碎机→细破碎机→精分制浆机→除砂装置”后进入湿式厌氧系统。

3.3 厌氧工艺概述

湿式厌氧系统采用中温厌氧消化工艺，配置4座CSTR厌氧消化反应器，均采用机械搅拌，设计温度35～38 ℃，进料含固率8%～18%，进料粒径≤8 mm，进料有机质含量≥85%，容积负荷2～4 kgVS/(m3·d)，水力停留时间35 d，单罐有效容积4900 m3，单罐处理能力140 t/d。沼液脱水配备6台离心脱水机，单机脱水能力8～13 m3/h。

干式厌氧系统采用高温厌氧消化工艺，配置2座水平卧式钢制厌氧反应器，采用纵向单轴机械搅拌，设计温度55 ℃，进料含固率约25%～35%，进料粒径≤50 mm，进料有机质含量≥65%，容积负荷6～10 kgVS/(m3·d)，水力停留时间18～21 d，单罐有效容积2250 m3，单罐处理能力约110 t/d。

4 垃圾处理项目运行情况

4.1 餐饮预处理系统运营情况

餐饮预处理系统自2019年10月24日开始进料，根据生产记录，自11月份始，除来料不稳定等因素外，餐饮预处理系统基本处于满负荷运营状态(单线≥150 t/d)，每日餐饮垃圾处理量≥600 t/d，出渣率基本稳定在37%～38%之间，毛油出产率稳定在3%～4%之间，如图1所示。

图1 餐饮预处理系统生产运营情况

4.2 厨余预处理系统运营情况

厨余预处理系统自2019年12月10日开始进料，根据生产记录，自12月16日始，除来料不稳定等因素外，厨余预处理系统基本处于满负荷运营状态(单线≥300 t/d)，每日厨余垃圾处理量≥500 t/d，系统运行稳定，如图2所示。

图2 厨余预处理系统生产运营情况

4.3 湿式厌氧系统运营情况

湿式厌氧系统自2019年10月27日开始进料，截至2020年1月14日，湿式厌氧系统累计消纳餐饮/厨余垃圾的浆料13170 t，累计产生沼气约83.8万Nm3，不考虑系统运营前期沼气排空等情况，浆料沼气产生率平均为63.6 Nm3/t，如图3所示。

图3 湿式厌氧系统进料情况

5 结语

上海市实施垃圾分类以来，餐厨垃圾有机质含量显著增加、杂质含量明显减少，预处理产生的有机浆料产率大幅增长，针对垃圾分类后餐厨垃圾的成分变化，增设了挤压脱水、固渣超越工艺环节，有利于干式和湿式厌氧协同处理能力的灵活调配。试生产效果显示，增设上述工艺环节合理有效。针对垃圾分类后餐厨垃圾的高含有机质、高含水率的特性，采用厌氧消化处理工艺合理可行。本项目采取“湿式厌氧+干式厌氧协同处理”工艺具有运行稳定可靠、减少污水处理量、节约成本等显著特点，且有示范意义。