餐厨与垃圾焚烧一体化协同设计工艺研究及现场应用分析

（1．光大生态环境设计研究院有限公司，江苏 南京 211106；2．光大环保（中国）有限公司，广东 深圳 518000）

0 前言

目前餐厨垃圾数量日益增多，在环保严要求的背景下，餐厨垃圾必须进行资源化、无害化处理。目前我国餐厨处理厂大多数为独立设厂，厂区布置凌乱；臭气难以消纳，厂区气味较重；废渣需外运填埋，占用大量土地资源；臭气与废水均需自行处理，配套环保设施较多。产生的沼气多数用于沼气锅炉或沼气发电机，但是由于沼气锅炉蒸汽产量过剩以及沼气发电机运行不稳定等问题，部分沼气甚至直接进火炬放空燃烧，造成资源浪费；因此独立项目卫生环境较差且整体投资和运行成本较高。

为了解决上述问题，该文提出了餐厨处理项目与生活垃圾焚烧项目“同址合建”一体化协同处理技术方案，目前该技术方案在国内为尚未见相关报道。为探究该技术方案，我司选择了光大海盐绿能环保项目进行示范应用，该项目建设规模为日处理餐厨废弃物150 t（一期75 t/d，预留二期75 t/d）、城市生活垃圾1 200 t（一期800 t/d，预留二期400 t/d）。餐厨采用“预处理+固液分离提油+高温全混厌氧消化+残渣入炉焚烧+沼气入炉”的主工艺流程，附属系统有餐厨垃圾收运系统、除臭系统、沼气储存和废水处理等。生活垃圾采用机械炉排焚烧炉+中温次高压余热锅炉+凝汽式汽轮发电机组发电主体工艺，附属系统烟气净化采用 “SNCR（选择性非催化还原脱硝）＋旋转喷雾半干法＋干法脱酸+活性炭喷射吸附＋布袋除尘器+SCR（选择性催化还原脱硝）+湿法脱酸＋GGH（烟气再加热）”的工艺，渗滤液系统采用“预处理+初沉池+调节+厌氧+消化反硝化（A/O）+超滤（UF）+纳滤（NF）+反渗透（RO），浓水采用碟管式反渗透（DTRO）”的工艺。通过将餐厨与垃圾焚烧同厂房布置，餐厨厌氧废水与垃圾渗滤液共用污水处理站，实现餐厨与垃圾焚烧在能源物料上的“你来我往”和技术上的“互联互通”。目前运行效果以及经济效益良好，为后期餐厨项目的推广提供了成功的技术支撑。

1 研究应用方案

1.1 一体化协同厂区布置

采用餐厨处理与生活垃圾焚烧“同址合建”方式，餐厨废弃物处理间布置在生活垃圾卸料平台下方，与垃圾焚烧同厂房布置，餐厨废水与垃圾渗滤液共用污水处理站；餐厨全混厌氧罐与污水站厌氧罐同区域布置。共用厂区物流入口、道路、地磅房及地磅；办公楼、宿舍楼、食堂等。相比独立项目可以避免重复建设，节约土地费用，降低运营成本。垃圾卸料平台下方餐厨车间布置图如图1 所示；餐厨厌氧罐与污水站厌氧罐同区域布置图如图2 所示。

图1 餐厨车间

图2 厌氧罐区

1.2 一体化协同生产管理

独立餐厨项目必须独立设置管理、运行、维护和后勤等岗位，人员编制较多，运行管理成本较高。由于该项目部分生产系统及设施（办公、宿舍、食堂）共用，可以减少相关人员编制，降低管理成本，提高管理效率。

1.3 一体化协同能源物料

该项目餐厨处理与垃圾焚烧之间一体化协同实现了原料上的“你来我往”和技术上的“互联互通”，具体如下。1）电。该项目餐厨处理与垃圾焚烧共用输送电线路，减小电能的损耗，实现资源利用最大化。2）水。该项目生活水管网与焚烧公用，生产用水来自焚烧渗滤液站中水回用。减少了水管网的投资成本，相对独立项目提高设备利用率、节约设备占地。3）汽。餐厨加热蒸汽可取自焚烧余热锅炉蒸汽，减少了蒸汽锅炉的投资，相对独立项目省去设备投资、节约设备占地。4）沼气。该项目餐厨及渗滤液沼气集中储存后直接送入生活垃圾焚烧炉掺烧发电。燃烧后的热能通过焚烧余热锅炉及汽轮机转变为电能并经高压入网系统接入当地电网，实现资源综合循环利用。燃烧后烟气利用焚烧烟气净化系统达标排放。该方案既节约了相关锅炉发电烟气净化等设备投资，又解决了独立餐厨项目沼气锅炉蒸汽产量过剩以及沼气发电机运行不稳定等行业共性问题。5）污泥。餐厨物料与渗滤液污泥共发酵。餐厨垃圾易降解物质含量高，C/N 比稍低，酸化快速；而渗滤液站污泥C/N 比高，碱度大，缓冲能力强，二者共发酵能够维持厌氧消化体系运行稳定。因此增设渗滤液站污泥流入管路，将污泥直接泵往提油程序后的餐厨固液混合池，参与餐厨垃圾进罐前的调质过程，实现二者厌氧共发酵。

1.4 一体化协同三废处理

1.4.1 固渣

该项目固渣可在车间内通过斗提机直接送入隔壁垃圾仓焚烧发电，相对独立项目达到资源化的深度利用；并且不产生运输过程中的环境污染，降低了运输成本；不进入填埋场填埋，大大减小了填埋场压力。

1.4.2 臭气

该项目臭气收集后直接进入隔壁垃圾仓内作为焚烧炉一次风，该方案降低了臭气管道长度，且风量便于调节，降低除臭系统运行管理成本。另外，餐厨建设一套除臭设施（两级化学洗涤+光催化），可随时启用且将全部臭气处理后达标排放，不受微生物活性影响，处理废水年排放量少。

1.4.3 废水

该项目废水直接进入垃圾焚烧发电厂渗滤液处理站，进行生化处理后的中水及浓水回用于餐厨厂及焚烧厂的生产过程，避免污水处理设施的重复建设，减少占地面积，降低投资及运行管理成本。

餐厨与垃圾焚烧一体化协同研究应用内容见表1，餐厨与垃圾焚烧一体化协同研究应用路线图如图1 所示。

2 研究过程中主要问题及解决措施

2.1 餐厨物料池深基坑设计施工技术难点

为了充分利用垃圾卸料平台下宽大的空间，该项目将餐厨预处理设备布置在该区域内。这样布置在卸料大厅下的预处理车间与常规单层厂房排架结构的预处理车间有较大的不同，结构设计既要满足工艺使用要求，又要满足结构安全性及规范的要求，因此对土建设计提出较高的要求。

布置在卸料大厅下有2 个难点。1）卸料大厅到零米地坪净高不到7 m，净高难以满足工艺的要求。2）下料大厅下按照6 m～8 m 柱距布置有混凝土柱，设备布置受限制。

图1 餐厨处理与垃圾焚烧一体化研究应用路线图

表1 餐厨与垃圾焚烧一体化协同研究应用内容

预处理车间顶板是卸料大厅平台，该标高无法调整，为了解决净高不够的问题，结构需要采用降低地坪标高的方式来满足工艺要求。海盐地区地质条件差，地下水位很高且具有较高的腐蚀性，下沉地坪既要满足刚度强度要求又要满足防水防腐要求。经过对比，该区域采用混凝土地坑的形式较为合理，坑底采用混凝土梁板结构，荷载直接通过梁板传至桩承台同时与工艺专业协商调整设备布置，尽量压缩车间净高以减少降板量，最终将地坑顶面标高定为-2.75 m。做地坑结构随之带来很多问题，该项目是第一个地坑里的餐厨处理工程，很多细节方面需要仔细考虑，预处理地坑结构复杂，有柱基础、地梁、地坪底板、地坪排水沟、集水坑、预处理水池、设备支墩、钢平台等结构，设计时需要考虑各个构件之间的标高、定位及受力关系，同时满足工艺和土建要求。

2.2 其他问题及解决措施

在调试运行中，我们发现前期设计中存在考虑不周的地方，针对相应的问题逐一进行了解决，相应问题及解决思路如下。1）设计时，三相分离及给料泵设计为一用一库备，导致给料泵维修时，整个生产线需停掉，目前考虑改造为一用一备，单路管道分别进料。2）由于本一体化项目餐厨预处理车间顶部为卸料平台，密闭空间导致餐厨预处理间顶部空气流通性差，现场增加上部空间吸风口（臭气热气在顶部聚集，换气慢），达到了改善预处理车间空气流通性的目的。3）因斗提机通道与垃圾仓连通，当垃圾仓负压度高于餐厨车间负压时，出现垃圾仓臭气倒流至餐厨车间，我们通过现场交流，在斗提机底部及上部加装止回隔板阀，阻止垃圾仓臭气倒流。针对斗提机出现漏料问题，现场采取扩大料斗外沿面积，减少料斗与斗提机外壳的接触缝隙，改造后未发现漏料问题。

3 现场应用相关影响分析

3.1 沼气入炉焚烧对焚烧炉效率的影响分析

该项目餐厨垃圾厌氧发酵过程中产生的沼气计算量约为4 500 m3/d，将送入海盐生活垃圾电厂焚烧炉焚烧，根据热平衡计算可得。

3.1.1 不掺烧沼气计算工况

汽机发电功率：

P=Dc1（hq-hc1）+Dc2（hq-hc2）+Dc3（hq-hc3）+Dqp（hqhqp）×0.98×0.99÷3600=16.2186 MW

Dc1=空预器汽机抽汽量6.61 t/h。

Dc2=除氧器抽汽量4.46 t/h。

Dc3=低加抽汽量4.63 t/h。

Dqp=汽机排汽量58.65 t/h。

hq=汽轮机入口过热蒸汽焓3 275 kJ/kg。

hc1空预器汽机抽汽焓3 107 kJ/kg。

hc2除氧器抽汽焓2 957 kJ/kg。

hc3低加抽汽焓值2 666 kJ/kg。

hqp汽机排汽焓值2 341 kJ/kg。

发电热效率：

B=垃圾入炉量33.33 t/h。

Qd=垃圾热值7 500 kJ/kg。

发电汽耗率：

3.1.2 掺烧沼气计算工况

海盐餐厨垃圾每日产生沼气4 500 m3，甲烷含量60%。

即每天产生的4 500 m3的沼气折算成垃圾相当于每小时0.54 t。

B总=B+B1=33.33+0.54=33.87 t/h

总入炉量为33.87 t/h。

ηrb1=23.34%

3.1.3 结论

根据上述计算可以看出沼气掺烧前后发电热效率及发电汽耗率变化不大，因此，沼气入炉对焚烧炉不产生影响。

该项目餐厨垃圾厌氧发酵过程中产生的沼气预估产量约为4 500 m /d，沼气的发热量为5 491 kcal/m3，热效率为23.34%，沼气入炉新增发电功率为：

折合沼气入炉年新增发电量224 万kW·h。

3.2 臭气进焚烧炉作一次风对垃圾仓的影响分析

3.2.1 垃圾仓进出风量统计

垃圾仓体积（净体积）约75 000 m3。

渗滤液臭气输送量10 000 m3。

餐厨臭气输送量40 000 m3。

一次风取风量100 000 m3。

二次风取风量44 000 m3。

该区域的渗滤液沟道间正常工况下进出风均在垃圾坑内，该次不再统计。上述数据根据设计计算值结合现场运行工况统计得出。

3.2.2 垃圾坑风量平衡

进风量：渗滤液臭量10 000 m3+餐厨臭气量40 000 m3=合计50 000 m3。

出风量：一次风取风量100 000 m3+二次风取风量44 000 m3=合计144 000 m3。

整体风量统计：出风量144 000 m3-进风量50 000 m3=出风量94 000 m3。

换气次数核算：出风量94 000 m3/垃圾仓体积75 000 m3=1.25 次/h。

根据工程经验，维持5 Pa～10 Pa 的压差需要换气次数大约0.8～1.2 次/h，现1.25 次/h 满足要求。

3.2.3 结论

根据计算和实际运行的效果，目前垃圾坑负压状态良好，因此餐厨臭气送入垃圾坑协同处理，不仅对垃圾坑负压不会产生影响，还可有效处理餐厨臭气，降低餐厨臭气处理成本。

3.3 餐厨与垃圾焚烧一体化协同设计的经济性分析

海盐餐厨批复日处理量75 t/d，但预处理厌氧等处理装置实际设计能力为100 t/d，因此我们选择了我司同等规模（100 t/d）宿迁非一体化处理餐厨项目进行工程投资与经济效益对比，具体内容如下。

3.3.1 海盐一体化餐厨

该项目建设规模100 t/d，总投资4 962.73 万元，静态投资为4 811.60 万元，其中建筑工程费用估算为756.68 万元，设备购置费用估算为2 624.08 万元，安装工程费用估算为459.37 万元，工程建设其他费用估算为742.35 万元，基本预备费估算为229.12 万元，建设期利息82.52 万元（建设期1 年），铺底流动资金为68.61 万元。折吨餐厨投资49.6万元/吨餐厨。

据实际统计，每天外购原材料及燃料动力费需要成本为5 445 元，其中外购原材料运行成本为823.29 元，外购燃料及燃料动力费成本为4 621.71 元，吨外购原材料及燃料动力费成本为72.6 元/吨餐厨；该项目需设置24 名员工，包括收运人员和管理人员，人员成本开支为302.97 万元，吨人员每天成本为110.67 元/吨餐厨；污水处理费每年运行成本为82.20 万元，每天污水处理费2 252.05 元，吨餐厨污水处理成本为28.15 元/吨餐厨；车辆保险费每年成本开支为27.40 万元，吨车辆保险费用成本为9.38 元/吨餐厨；合计每吨餐厨处理成本为220.8 元/吨餐厨。

据实际统计，海盐餐厨项目目前日处理量为75 t/d，政府对处理每吨餐厨垃圾的补贴为230 元，则每日补贴收入17 250 元；蒸汽发电每日6 750 度，每日收益4 387.50 元；每日获得粗油脂6.27 t，每吨3 500 元，获益21 945 元；合计每日收入43 582.50 元。折吨餐厨收入581.1 元/吨餐厨。

3.3.2 光大宿迁非一体化处理餐厨

光大宿迁非一体化处理餐厨主要生产工艺为餐厨废弃物预处理系统、地沟油处理系统、全混厌氧发酵系统、沼气净化系统、沼气发电系统、除臭系统。项目为独立厂房设计，配套沼气存储、净化、沼气发电等设备。

该项目建设规模100 t/d，项目总投资7 693.99 万元，静态投资为7 486.18 万元，其中建筑工程费用估算为2 431.45万元，设备购置费用估算为3 270.82 万元，安装工程费用估算为499.13 万元，工程建设其他费用估算为928.30 万元，基本预备费估算为356.48 万元，建设期利息119.02 万元（建设期1 年），铺底流动资金为88.80 万元。折合吨餐厨投资为76.94 万元/吨餐厨，高于一体化项目投资。

根据实际统计，每天外购原材料及燃料动力费需要成本为8 474.52 元，其中外购原材料运行成本为4 244.11 元，外购燃料及燃料动力费成本为4 230.41 元，吨外购原材料及燃料动力费成本为84.75 元/吨餐厨；该项目需设置10名操作员工，人员成本开支为126.24 万元，吨人员每天成本为34.58 元/吨餐厨；污水处理费每年运行成本为120.60万元，每天污水处理费3 304.11 元，吨餐厨污水处理成本为33.04 元/吨餐厨；餐厨收运费用346.76 万元，吨餐厨收运成本为95 元/吨餐厨；合计每吨餐厨处理成本为247.37元/吨餐厨。

据实际统计，本非一体化处理餐厨项目目前日处理量为100 t/d，政府对处理每吨餐厨垃圾的补贴为235 元，则每日收入23 500 元；沼气发电每日收入9 134.45 元；每日获得粗油脂5.05 t，每吨3 500 元，获益17 675 元；合计每日收入50 309.45 元。折吨餐厨收入503.09 元/吨餐厨。

对比分析：餐厨垃圾处理和生活垃圾焚烧协同处理，将经过预处理后满足入炉要求的废弃物（餐厨固渣）投入焚烧炉，在进行生活垃圾焚烧发电的同时实现对餐厨废弃物的无害化处置，节省单独处置所产生的费用。一体化协同与非协同处理的部分建设投资与处理成本对比表详见表2，一体化协同与非协同处理的部分收益率对比表见表3，一体化协同处理降低投资成本2 731.26 万元，吨餐厨投资降低27.34 万元/吨餐厨；吨餐厨运行成本降低约26.57 元/吨餐厨，每天可节约运行成本2 657 元，每年节省96.98 万元。

表2 一体化协同与非协同处理的建设投资与处理成本对比表（万元）

表3 一体化协同与非协同处理的收益率对比表（万元）

餐厨与垃圾焚烧一体化协同处理，节约土地，减少管道及残渣的二次倒运，大大地节省运营成本，提升经济效益，促进行业技术革新。

根据《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》发改环资〔2016〕2851 号，“十三五”末期我国餐厨垃圾日处理能力应达到3.44 万t/d，城市基本建立餐厨垃圾回收和再生利用体系，折合100 t/d 的项目近350 个。如在全国范围内，采用与生活垃圾焚烧的协同处理模式，按单个项目每年节省运营费用为96.98 万元，每年节省费用高3.39 亿元，前景广阔。

4 结论

针对国内餐厨垃圾处理项目的设计弊端，依托光大海盐餐厨项目，我们探索出餐厨与生活垃圾焚烧一体化协同设计应用技术，通过上述应用分析论述，形成如下4 点结论。1）该文在总结前人研究的基础上，优化了餐厨处理布置方式及协同处理工艺，能够大大降低餐厨建设及运行成本，并在光大海盐餐厨垃圾处理项目上得到了成功应用。2） 海盐餐厨与垃圾焚烧一体化工艺设计表明，餐厨厌氧产生的沼气送入焚烧炉协同处理对焚烧炉效率并无影响；沼气入炉年新增发电量约为224 万kW·h。3）海盐餐厨与垃圾焚烧一体化工艺设计表明，餐厨臭气送入垃圾坑协同处理对垃圾仓负压并无影响，并能大幅降低臭气处理的投资规模。4）该文研究的餐厨垃圾与生活垃圾一体化协同处理工艺的成功应用，为后期餐厨垃圾与生活垃圾协同处理项目的建设铺平了道路，成功推动着整个行业的进步，并成为行业新的标准和标杆。