尾菜资源化利用技术研究与工程实践

杨学志

（上海环境工程设计研究院有限公司，上海 200085）

1 引言

蔬菜产量随着人民生活水平的提升而不断提高，人们对蔬菜品质有了更高的追求，导致蔬菜从采收到最终消费阶段会产生大量的不具有直接商业价值的蔬菜废弃物（以下简称“尾菜”）［1］。相关数据显示，从2011 年到2021 年，我国蔬菜种植面积和蔬菜总产量呈现逐年递增的状态，其中，2021 年我国蔬菜种植面积和蔬菜总产量分别为21 485.5 khm2、77 548.78 万t［2］。据统计，在生产流通环节产生的尾菜约占蔬菜总产量的36.3%［3］，据此估算，2021 年我国尾菜产生量约2.82 亿t。然而通过直接还田、堆肥、青贮饲料、能源化处理等［4-6］方式进行处理的尾菜量不足50%［7-8］，仍有大量尾菜被随意丢弃，对环境造成污染。

厌氧发酵可产生一定的沼气，发酵后沼渣和沼液的利用可以减少化肥的使用［9-10］，同时对我国的环境保护及农业可持续发展具有重要意义。尾菜中不仅含有大量有机质，而且具有丰富的氮、磷、钾等营养元素［11］，但因尾菜尤其是叶菜类含固率仅为5%～10%，处理成本偏高限制了其资源化利用。因此，本文结合已建设的2 个大型尾菜建设项目，探讨尾菜以厌氧发酵为主要技术的资源化利用方式中工程运行过程中的一些经验，旨在为尾菜的高效处置利用工程建设和技术改造提供参考。

2 项目概况

嵩明尾菜处理项目设计处理尾菜1 200 t/d，产生沼气20 000 m3/d［3］，沼渣脱水到含水率75%后送至堆肥厂进行堆肥处理，该项目于2017 年9 月正式投产。

兰州尾菜项目设计处理尾菜2 000 t/d，产生沼气33 000 m3/d［12］，沼渣脱水后外运堆肥厂进行堆肥处理，项目运行期集中于每年5—11 月，该项目于2021 年5 月进入带负荷调试生产期。

3 工艺设计及运行中存在的问题

3.1 预处理工艺设计

嵩明尾菜主要为叶菜类，技术改造前预处理工艺流程如图1 所示。采用“料斗＋磁选＋粗破碎＋挤压”为主的预处理工艺，其中料仓为15 m3，结构形式与餐厨垃圾料仓类似，进料采用小铲车往料斗间歇式送料，控制料斗中料量，粗破碎机采用双轴破碎机，破碎后80%尾菜粒径小于60 mm，由螺旋送入压榨机进行挤压，挤压干渣进入干式厌氧，液相去除SS后进入内循环（IC）厌氧反应器和污水处理系统。

图1 嵩明技改前尾菜预处理工艺

兰州尾菜项目主要成分为娃娃菜、芹菜、花菜梗、莴笋头等，但比例受年份的影响波动较大，其预处理工艺如图2 所示。采用“步进式料仓＋磁选＋粗破碎＋水解＋细破碎＋两级固液分离系统”为主的预处理系统，步进式料仓容积为120 m3，粗破碎后尾菜粒径60 mm，经过水解除杂后在管道破碎机的作用下把物料破碎为粒径20 mm，进入两级固液分离系统进行脱水，一级脱水后干渣进入半干式厌氧，二级脱水固渣和部分液相混合后含固率控制到15%以内进入湿式厌氧发酵，其余液相进入厌氧反应器和污水处理系统。

图2 兰州尾菜预处理工艺

3.2 厌氧工艺设计

嵩明尾菜项目厌氧采用4 座容积为3 300 m3方形混凝土池体，每个池体设计2 个卧式搅拌器，采用推流式搅拌，设计停留时间30 d，设计温度35 ℃，出水经过螺旋挤压和叠螺脱水后，进入后续污水处理系统。

兰州尾菜项目采用1 座8 000 m3混凝土罐，配有4 根卧式搅拌轴，单罐设计经预处理后20%固渣250～300 t/d；1 座8 000 m3湿式厌氧发酵罐，搅拌方式为“泵循环＋沼气搅拌”的方式，进料含固率为15%物料365 t/d，半干式和湿式厌氧出料经过螺旋挤压与叠螺脱水后进入后续污水处理系统。

3.3 污水处理系统

嵩明尾菜和兰州尾菜均采用“调节池＋格栅＋两级A/O＋内置MBR＋化学沉淀”处理后达到污水综合排放标准后外排。

3.4 沼气净化系统

嵩明尾菜项目厌氧产生沼气中甲烷含量在45%～55%之间，硫化氢含量小于3 035 mg/m3；采用干化脱硫，脱硫后沼气一部分用于热水锅炉给厌氧保温，一部分设计用于提纯，受政策及沼气产量影响，后改为沼气发电自用。

兰州尾菜项目厌氧产生沼气甲烷含量在50%～70%，硫化氢含量高于4 560 mg/m3，采用“原位脱硫＋干法脱硫”技术，其中经原位脱硫后沼气中硫化氢含量低于304 mg/m3，经干法脱硫后沼气中硫化氢低于125 mg/m3；脱硫后沼气一部分用于热水锅炉给厌氧保温，剩余发电自用。

3.5 运行中存在的问题

3.5.1 嵩明尾菜项目

嵩明尾菜项目运行已超过5 年，暴露出不少问题，其问题主要集中在预处理阶段，相关问题归纳如下：

（1）料仓容积有限，垃圾车直接卸料容易造成卸料仓“架桥”，尾菜需要斜在卸料平台上由铲车往料仓送料，平台容易积液导致环境较差，且人工和机械费用较高。

（2）双轴粗破碎容易发生“架桥”现象，且大块物料卡堵时不易发现，导致破碎机持续受料，双轴破碎机受料仓满溢，清理时间较长。

（3）破碎后挤压效果较差，挤压后固渣含固率仅在8%～12%，低于干式厌氧进料设计要求。

（4）物料中含有较多的包装袋、胶带、包装绳等杂物，仅靠人工去除率和效率较低，且大量杂物最终随着物料进入干式厌氧。

（5）干式厌氧未达到设计含固率20%～25%，但因杂物和尾菜纤维相互板结在一起，最终成团，容易缠绕搅拌轴，使搅拌轴无法运行，最终导致罐体完全堵塞及罐体严重酸化，后期系统崩溃，无沼气产生。

（6）厌氧罐出料酸化及杂质导致后续固液分离装置加药分离效果不佳，液相中SS 偏高，影响污水系统和膜系统的运行，污水处理量未达到设计值。

3.5.2 兰州尾菜项目

（1）双轴破碎后尾菜经水解罐内液体混合后进入背混泵打入水解罐，管道容易堵塞。

（2）进入水解罐的尾菜中轻质叶菜容易漂浮于水解罐表面，罐体表面容易累积大量浮渣。

（3）不易水解的莴笋皮容易沉积在水解罐中下部，堵塞出料管和泵。

（4）背混泵转子、水解罐立式搅拌机上容易缠绕塑料绳及未水解的纤维，造成搅拌轴负荷过重，最终因电流过大而频繁停机。

3.6 技改及解决措施

结合2 个项目运行中出现的问题进行综合分析，发现预处理的好坏对后续系统的运行有较大的影响。针对上述问题，嵩明项目采用如下技改措施：

（1）在双轴破碎后新增制浆筛分机和杂物挤压机，通过制浆筛分机的作用，使经过双轴破碎的粒径为60 mm 物料进入制浆筛分机，通过制浆筛分机锤片及筛网的过滤作用，破碎后的物料通过液压泵进入水解池。

（2）未经破碎的杂物最终通过制浆筛分机尾部排出进入挤压机，在挤压机的作用下将杂物中夹带的水分进一步挤出，挤出滤液进入水解罐，杂物外运处置。

（3）将1 座3 300 m3的干式厌氧发酵池改为水解池，搅拌轴和搅拌形式未改变，新增出料口回流到进料口端泵1 台，以增加水解池的均匀性，后续流程不变。

兰州项目采用如下技改措施：

（1）双轴破碎机上方新增摄像头，中控运行人员可以及时观察破碎机运行状态，若出现“架桥”，可通过中控人员及时采取措施进行处理，处理时间由原来的每次3～4 h 到少于0.5 h。

（2）每次上班和下班及时清理背混泵进料仓中杂物，可以保证背混泵的正常运行。

（3）在每座水解罐上新设2 台破壳搅拌机，破壳搅拌的倾斜角度可调整，通过破壳搅拌机的作用，可以避免水解罐表面尾菜堆积形成的浮渣，同时有利于水解罐中产生的气体排出。

4 工程实践结果和建议

4.1 工程实践结果

2 个项目运行过程中出现的问题和有效技改及稳定的部分设施的运行经验表明：

（1）采用大容积步进式料仓相对料斗更适合作为尾菜的受料设施，可以解决平台环境差、滤液漫流及人工和机械配合进料的问题，同时解决了效率较低的问题。

（2）采用“磁选＋粗破碎＋制浆筛分＋杂物螺旋挤压”的方式可以有效地将尾菜制成粒径小于20 mm的物料，同时对尾菜中的杂物进行去除，杂物去除率大于80%。

（3）制浆筛分机结构形式和筛网孔径选择对制浆筛分的效果及处理量有较大影响，通过前期试验推荐采用动刀和定刀组合形式的制浆筛分机，且筛网与定刀和动刀所在的中心轴呈反向转动，筛网孔径推荐使用30～60 mm 圆形或者椭圆形筛孔，单台制浆筛分机最大处理能力可达40 t/h 以上。

（4）水解罐配置破壳搅拌机能有效解决水解罐表面浮渣问题，且经过2 d 左右时间水解，尾菜中部分自由水和有机质得以溶出，水解液COD 可达25 000～35 000 mg/L 之间，通过螺旋挤压后的干渣含固率可以达到20%～25%。

（5）受季节影响，在尾菜量不足时，半干式和干式厌氧亦可按照湿式厌氧模式运行，即水解后物料可在不脱水分离情况下全量进入半干式厌氧运行，嵩明尾菜产气量由原来最高的6.8 m3/t 提升到15 m3/t，且可长期稳定运行。兰州尾菜调试期间尾菜产气量在16～25 m3/t，均值约20 m3/t，其主要原因可能是兰州尾菜采用立式搅拌，罐内物料与微生物接触更为充分，而嵩明尾菜以干式搅拌轴作为搅拌动力，其搅拌速率和设计形式及罐内物料浓度对尾菜的水解有较大影响；兰州尾菜调试期间处于半负荷状态，导致物料在罐内停留时间较长，加大了物料的降解率。

（6）半干式和湿式厌氧采用原位脱硫技术后，沼气出口中硫化氢可以控制在304 mg/m3以下，大幅度节省了后续脱硫系统的占地面积和费用。

（7）污水处理采用“调节池＋格栅＋两级A/O＋MBR＋化学混凝沉淀”工艺，污水可以满足GB 8978—1996《污水综合排放标准》中三级标准，排入污水处理厂进行处理。

4.2 建议

（1）结合2 个项目运行情况，针对叶菜类尾菜及莴笋、花菜梗等根茎类尾菜，建议预处理采用“步进式料仓＋磁选＋双轴破碎＋制浆筛分＋水解＋螺旋挤压＋固液分离”工艺，单条预处理可以按照最大40 t/h进行设计。

（2）针对预处理螺旋挤压后的干渣，由于纤维和半纤维成分较多、较为蓬松，建议优先选择和其他物料混合堆肥［13］，可以最大程度实现资源化；受占地面积或者其他条件限制时，建议采用半干式厌氧进行发酵，干式和湿式厌氧次之，其主要原因是纤维素的降解率慢且产沼气效率低。

（3）水解挤压后进行固液分离的固相优先采用半干式厌氧，因其具有较高的容积负荷和较小占地面积，固液分离后滤液SS 一般小于1 500 mg/L，可采用IC 反应器，即水解物料固液分离后推荐采用“半干式＋IC”组合厌氧，其投资和运行成本会相对较低。

（4）厌氧发酵系统均可配套原位脱硫系统，通过原位脱硫技术减少后续脱硫成本和减轻对沼气管道及设备的腐蚀。

（5）采用“两级A/O＋MBR＋化学沉淀”工艺可以确保沼液达到三级排放标准，在沼液无法得到全部利用的情况下，其工艺具有可行性。目前采用该工艺运行，沼液直接处理费用占整个系统直接运行成本的50%以上，占比较高，如何提高沼液利用率及降低沼液处理成本对项目收益具有较大影响。