东南沿海地区典型餐厨垃圾处理工程设计及运行实例

孟 伟，于 超，范晓平，刘 岩，褚昭涵，苏红玉

（1.中城院（北京）环境科技股份有限公司，北京 100120；2.中国城市建设研究院有限公司，北京 100120；3.贵州大学，贵州 贵阳 550025）

0 引言

餐厨垃圾主要是指餐馆、饭店、单位食堂等集中就餐点的饮食剩余物以及食物加工过程产生的垃圾［1］，俗称“泔水”。随着我国经济发展和人们生活水平不断提高，我国餐厨垃圾产生量逐年增加，但餐厨垃圾常常被不法商贩收集用来喂猪或制作地沟油，威胁居民的生命安全，另外由于餐厨垃圾具有有机质含量高和含水率高等特点，存在易腐败变质，易于产生渗滤液、恶臭等二次环境污染问题［2］，因此集中收集并处理餐厨垃圾十分必要。针对餐厨垃圾特点，我国探索了厌氧发酵、好氧堆肥和饲料转化等多种工艺，截至目前已经形成一套成熟的处理工艺，即以湿式厌氧发酵为主系统，配合预处理、污水处理和沼气净化等辅助系统的处理工艺。根据已报道工程［3-6］，湿式厌氧发酵的常用有机负荷为2.0～3.5 kg/（m3·d），停留时间为30～40 d，pH 范围为7.0～8.0，运行温度为37～38 ℃或55 ℃，少数工程运行温度为42 ℃，项目均可稳定运行，产气量为50～70 m3/t（以进罐垃圾计）。该工艺在处理餐厨垃圾的同时，还可以产生清洁能源沼气和粗油脂，变废为宝。

由于我国地域广阔，不同地区餐厨垃圾呈现的特点有所差距，例如川渝地区餐厨垃圾中油脂含量高、辣椒含量大；对于东南沿海地区，由于饮食清淡且喜食海鲜，因而餐厨垃圾中油脂偏低且存在较多贝壳等重杂质。故针对不同地区的餐厨垃圾处理工程需进行地区适应性改造。

本项目研究对象为位于东南沿海的某典型餐厨垃圾处理厂，其具有餐厨垃圾处理厂设计及运营的普遍问题，例如收运量与设计处理量不一致、收运质量不能满足设计要求以及地区适应性等问题。对该典型餐厨垃圾处理厂设计及运营经验进行总结，希望可以为在建或已经投产运行的餐厨垃圾处理厂提供基本数据，从而为我国餐厨垃圾处理工程健康稳定运行提供经验。

1 工程概况

1.1 设计规模

本工程位于东南沿海地区，根据当地近年来人口现状和总体规划，至2020 年底常住人口为54.5 万人，预测至2023 年底常住人口达到73.0 万人，按照CJJ 184—2012 餐厨垃圾处理技术规范预测餐厨垃圾产生量为75～100 t/d，考虑餐厨垃圾处理工程设计服务周期为30 a 以及处理量的波动性，故本工程处理规模按照100 t/d 建设。

1.2 餐厨垃圾性质

本项目餐厨垃圾来自于项目所在地的学校食堂、企事业单位食堂及各类餐馆。由于工程建成前未调研餐厨垃圾具体性状，且餐厨垃圾的性质与地域具有较强的关系，故参考附近地域同类型工程经验，确定本工程餐厨垃圾基本参数如表1所示。

表1 餐厨垃圾基本参数Table 1 Basic properties of food waste

1.3 设计运行指标

餐厨垃圾经本工程处理后产生粗油脂的含油率≥97%；干化污泥含水率<60%；沼气净化后满足锅炉使用要求，即H2S 含量<303.6 mg/m3；固体杂质粒径≤3 μm，湿度<70%，压力为10～35 kPa；污水处理后应符合现行国家标准GB 8978—1996污水综合排放标准、GB/T 31962—2015 污水排入城镇下水道水质标准及浙江省地方标准DB 33/887—2013 工业企业废水氮、磷污染物间接排放限值；臭气排放标准满足GB 14554—1993 恶臭污染物排放标准中规定的厂界（一级）和15 m 高度排气筒排放标准限值；燃气锅炉烟尘和二氧化硫排放满足DB 13271—2014 锅炉大气污染物排放标准中表3 特别排放限值要求，NOx浓度限值按30 mg/m3执行。

2 工艺设计

本工程由餐厨垃圾预处理系统、厌氧发酵系统、沼气净化系统、污水处理系统、锅炉系统和除臭系统等组成。厌氧发酵系统为主工艺，其对进料的要求如下：①颗粒物足够小（最大颗粒直径<6 mm），避免堵塞管道和污水系统离心脱水机，并减少厌氧罐浮渣；②含砂率低（含砂率<0.1%），延长厌氧罐清罐间隔时间，减少污水系统离心脱水机的磨损；③油脂含量足够低（油脂含量低于0.5%），避免厌氧系统产生硬质酸钙颗粒，影响系统运行。根据上述要求，预处理系统采用大物质分选机去除大杂质（>80 mm），采用破碎分选机（>20 mm）和除杂机制浆机（>2 mm）去除小杂质，采用除砂机减少含砂量，并采用三相离心机去除油脂。考虑到高温蒸煮工艺有助于提高厌氧系统的效率和三相离心机提油率，故在三相离心机前先进行高温蒸煮工艺（130～140 ℃保温30～60 min），从而形成了“大物质分选+破碎分选+高温蒸煮+除砂除杂+三相离心”的预处理系统工艺路线，其工艺流程示意见图1。

图1 工艺流程示意Figure 1 Process flow schematic

厌氧发酵系统设计处理能力为100 t/d，由进水罐、厌氧罐和出水罐组成，罐体均采用中心搅拌，其水力停留时间分别为3、40、2 d。厌氧罐设置两座，每座厌氧罐直径14 m、高15 m（超高1 m）、有效容积2 150 m3，处理能力为50 t/d，采用（42±1）℃中温连续发酵。厌氧罐温度降低时，蒸汽先将进水罐物料加热，厌氧罐再通过进料实现升温；厌氧罐温度升高时，通过换热器间接降温。

厌氧发酵系统产生的沼气依次经双膜储气柜（1 000 m³）、生物脱硫系统和沼气预处理系统实现暂存、脱硫（<303.6 mg/m3）、除尘（颗粒物粒径<3 μm）、脱水（湿度40%～60%）和增压（大于15 kPa）。经净化后的沼气H2S 分别送至锅炉（供全厂使用）和火炬（应急处理），同时预留外供接口。

厌氧发酵系统产生的沼液协同污水处理系统产生的污泥先经离心脱水机实现固液分离，滤液依次经均衡池、气浮池、膜生物反应器（MBR，二级A/O+超滤）、混凝沉淀和活性砂滤实现对悬浮物（SS）、油脂、化学需氧量（COD）、氨氮和总氮等污染物质的降解去除，达到排放标准后排入市政管网；固渣（含水率<80%）送入干化系统，将含水率降至60%以下外运处置。

本项目采用“化学洗涤+生物除臭”的组合式除臭工艺，辅助植物液空间雾化和离子送新风系统，确保工作空间的空气质量和臭气排放达标，处理后气体达到GB 14554—1993 表2 排放标准，经15 m 排气筒排放。

表2 厌氧发酵系统相关指标及测试方法Table 2 Related index and test methods of anaerobic fermentation system

3 测试指标与分析方法

本工程厌氧发酵系统主工艺测试指标包括含固率（TS）、VS、pH、挥发性有机酸/总无机碳（FOS/TAC）、COD、氨氮、沼气产量和沼气成分等。在测试氨氮、COD 和FOS/TAC 前，须将物料放入12 000 r/min 的离心机中离心，取上层清液进行测试。沼气产量和沼气成分通过在线监测仪表测试得到。各项指标具体测试方法见表2。

4 运行效果分析

本项目经调试后预处理系统可稳定运行，无跑、冒、滴、漏等问题，粗油脂含油率可达到97% 以上，送至厌氧系统的物料满足运行需求。厌氧系统运行基本稳定，运行温度为（42±1）℃，沼气产量平均为62 m3/t（以进罐垃圾计），甲烷浓度平均60%。沼气经净化后H2S 浓度平均为227.7 mg/m3，固体杂质粒径≤3 μm，湿度<70%，压力维持在15 kPa，可满足锅炉系统使用需求。污水系统、除臭系统和锅炉系统排放指标均可满足排放要求。

本工程受疫情及节假日影响，收运量波动较大，且收运量不足50 t/d，故厌氧发酵系统仅运行1 个厌氧罐。厌氧发酵系统为本项目主工艺，重点对其运行参数介绍如下。

4.1 进料负荷情况

在欧洲［8-9］，FOS/TAC 广泛用于厌氧系统运行过程，进行预警厌氧发酵系统是否具有发生酸化（比值过高）或氨化（比值过低）的风险，测试步骤为使用酸（0.05 mol/L 硫酸） 滴定样品（20 mL），滴定至pH=5.0 的用酸量V1为TAC 的用酸量，继续滴定由pH=5.0 至pH=4.4 的用酸量V2为FOS 的用酸量，再通过换算得出FOS=（V2×1.66-0.15）×500 和TAC=V1×250，其中FOS 指挥发性有机酸，TAC 指总无机盐碳酸盐（碱性缓冲容量）。本工程在运行过程中，通过FOS/TAC 来衡量厌氧发酵系统运行负荷是否适宜，当FOS/TAC>0.4 时，表明厌氧发酵系统进料负荷较重；当FOS/TAC 为0.3～0.4 时，表明厌氧发酵系统进料负荷适宜；当FOS/TAC<0.3 时，表明厌氧发酵系统进料负荷过低。图2 为厌氧发酵系统运行过程中进料量和FOS/TAC 变化，由图2 可以看出本工程厌氧发酵系统的进料量随收运量为20～40 t/d，FOS/TAC 维持在0.2 以下，低于0.3，表明厌氧发酵系统进料负荷过低。

图2 厌氧发酵系统进料量和FOS/TAC 变化Figure 2 Changes of feed amount and FOS/TAC in anaerobic fermentation system

4.2 COD/氨氮

在厌氧发酵系统运行过程中，COD 浓度随进料量的变化而变化，当进料量达到40 t/d 时，COD浓度达到6 000 mg/L，如图3 所示。

图3 厌氧发酵系统COD 浓度、氨氮浓度和COD/氨氮变化Figure 3 Changes of COD，ammonia nitrogen concentration and COD/ammonia nitrogen in anaerobic fermentation system

氨氮浓度在整个运行过程中不断提高，最后达到3 200 mg/L。厌氧发酵系统中有机氮主要转化为氨氮，总氮浓度与氨氮浓度基本一致，因此沼液中的C/N 可以用COD/氨氮表示。由于厌氧发酵系统进料量低于设计量，沼液中COD/氨氮维持在2 左右，即污水系统进水COD/氨氮≈2，无法满足污水系统中A/O 池进水要求（COD/氨氮≥5），导致污水系统需要添加大量碳源，调节进水水质。

4.3 沼气及甲烷浓度

厌氧发酵系统运行过程中沼气产量和甲烷浓度变化情况如图4 所示。厌氧发酵系统运行过程中，虽然进料量在波动，但沼气产量和甲烷浓度维持在62 m3/t（进厌氧罐物料）和60%，表明在进料负荷较低时，进料负荷变化对沼气产量和甲烷浓度影响较小。已报道研究结果［3-4］显示餐厨垃圾处理厂湿式厌氧发酵沼气量在50～70 m3/t（进厌氧罐物料），表明本项目沼气产生量处于正常范围。运行第50 天，沼气产量先升高至90 m3/t（进厌氧罐物料）后降至62 m3/t（进厌氧罐物料），该变化可能是由进料性质变化造成的。

图4 厌氧发酵系统沼气产量和甲烷浓度变化Figure 4 Changes of biogas production and methane concentration in anaerobic fermentation system

4.4 pH 变化

厌氧发酵系统运行过程中进出料pH 变化情况如图5 所示，由图5 可以看出进料和出料pH 分别维持在4 和8 左右，厌氧系统处于稳定运行状态，表明虽然进料负荷较低，但对系统运行影响较小。

图5 厌氧发酵系统进出料pH 变化Figure 5 pH changes of incoming and outgoing in anaerobic fermentation system

5 存在问题与应对措施

本工程收运质量和数量与设计存在偏差，收运质量问题引起预处理系统出现频繁堵塞；收运数量偏差造成厌氧发酵系统停留时间过长，导致沼液中COD/氨氮偏低，后续污水处理系统需要补充大量碳源；沼气产生量无法达到原设计量，沼气净化系统因运行负荷偏低，无法启动生物脱硫。上述问题发生后，在后续调试过程中通过严控收运质量、增加预处理系统设备、调控预处理系统液相至污水处理系统作碳源和更改脱硫系统运行方式等措施，保证了工程的正常运行。经调试后全厂各系统均可稳定运行，工艺运行指标均满足设计要求。调试过程中具体问题及应对措施如下。

5.1 实际进料量低于设计进料量

本工程设计规模为100 t/d，根据前期初步设计2020 年收运量为75 t/d，但在2022 年本工程调试过程中收运量最高仅达到40 t/d，远低于预测收运量，如图6 所示。由于餐厨垃圾主要来自于餐馆、学校食堂及企事业单位，因此受疫情及节假日影响较大，学校假期及疫情封控时，收运量将减少为20～30 t/d，收运量波动较大。当餐厨厂处理量无法达到设计值时，厂区内部分系统将无法低成本稳定运行，特别是厌氧系统、生物脱硫系统和污水系统等生物处理系统。

图6 餐厨垃圾处理厂实际进料量与设计进料量对比Figure 6 Comparison of actual and designed feed amount in food waste treatment plant

5.1.1 厌氧发酵系统

厌氧发酵系统运行期间进料量低于设计进料量，有机负荷低于设计负荷，厌氧罐长期处于缺少物料状态（FOS/TAC<0.3），导致水力停留时间延长接近1 倍，有机物降解更彻底，氨氮浓度缓慢升高至3 000 mg/L 以上。有研究表明［10］，氨氮浓度升高至3 000 mg/L 以上时会对产甲烷菌产生毒害，影响厌氧发酵系统稳定。另外，水力停留时间延长还会造成进料COD 过度降解，COD 低于4 000 mg/L，导致出水的COD/氨氮<5，增加污水处理的难度及成本。基于此，建议后续设计的厌氧罐可以根据进料量调整罐体运行容积，保证物料的水力停留时间，进而满足整个厂区低成本运行需求。

5.1.2 沼气净化系统

本工程沼气净化系统采用生物脱硫工艺脱除沼气中的H2S，设计了1 套脱硫反应器，沼气处理能力为450 m3/h，进气中H2S 浓度低于4 553.6 mg/m3，硫负荷为46 kg/d。由于维持脱硫微生物活性需要一定的硫负荷，当硫负荷过低时，若启动生物脱硫运行，硫污泥活性将降低，污泥量将不断流失，导致碱耗增加和接种污泥逐渐减少等问题，同时风机需长期处于低频运行，严重降低风机寿命。根据工程经验，沼气中硫负荷高于设计负荷的1/3 时，脱硫反应器方可正常运行。本工程目前进料量为30～40 t/d，产气量为83～108 m3/h，H2S浓度为1 517.9 mg/m3，硫负荷为2.9～2.7 kg/d，低于设计负荷的1/3。考虑设备运行的安全性，目前仅可通过添加碱液的方式进行湿法脱硫，保证达标的前提下，碱耗量相比生物脱硫增加了10 倍。基于此，建议其余项目设计时采用多套脱硫反应器并联运行，当硫负荷较低时，仅启动部分反应器便可满足运行要求。虽然该做法前期投资有所提高，但可显著降低后续运营成本。

5.1.3 污水处理系统

一般情况下，A/O 池进水COD/氨氮≥5 时，系统可以稳定运行［11］。由于本工程厌氧发酵系统水力停留时间过长，沼渣中COD/氨氮（1～2）严重失衡，因此为保证污水达标排放，A/O 池需补充大量碳源。葡萄糖是经常使用的碳源，但价格较高，若长期使用将大幅提高运营成本。本工程尝试使用预处理系统三相离心机产生的液相作为碳源，调配A/O 池进水的COD/氨氮，以降低污水系统运行成本。厌氧系统产生的沼渣经离心脱水后与预处理系统三相离心机产生的液相在渗滤液池中按照（5∶1～10∶1）混合，而后通过气浮去除油脂和部分SS，最后得到COD/氨氮为4～5 的AO 池进水。经调试运行，污水处理系统所需的碳源大幅降低，仅需在二级A 池补充少量外加碳源，出水便可达到排放标准。因此为了应对收运量不足对污水处理系统造成的影响，建议后续工程可将预处理系统三相离心机产生的液相送至污水处理系统调配进水COD/氨氮，替代葡萄糖等传统碳源，污水处理成本可降低约35～70 元/t。

据了解，全国多个餐厨厂均存在收运量不足以及厂区超前建设的问题，基于此，后续建设该类厂区时，预处理系统、厌氧发酵系统、沼气净化系统和污水处理系统均需采取相应措施，从而满足低负荷运行的需求，进而在保证系统稳定运行的前提下，减少运营费用。

5.2 收运质量与设计质量差异

餐厨垃圾收运质量对餐厨垃圾处理厂的稳定运行起到至关重要的作用。本工程实际收运餐厨垃圾理化成分与设计基本一致，如表3 所示，可满足设备稳定运行要求。项目运行过程中收运单位为提高收运数量，第92～95 天收运了家庭厨余垃圾。虽然GB/T 19095—2019 生活垃圾分类标志中定义厨余垃圾包括家庭厨余垃圾、餐厨垃圾和其他厨余垃圾，但餐厨垃圾与家庭厨余垃圾的来源与性状有一定差异，同时目前家庭厨余垃圾相比餐厨垃圾分类更差，处理设备会有部分不同，因此一般餐厨垃圾处理厂无法适应并处理当前的家庭厨余垃圾。如图7 所示，由于本项目第92～95 天收运的家庭厨余垃圾中掺杂了大量生活垃圾，导致预处理系统接收料斗堵塞严重，仅有少量厨余垃圾可进入后端处理系统，甚至造成接收料斗螺旋卡死，需要将家庭厨余垃圾从接收料斗中清理后重新运至场外处理，严重影响了餐厨垃圾处理厂的正常运行，也加重了工作人员的工作强度。因此为确保餐厨垃圾处理厂稳定运行，建议收运方及调试方严控收运质量，仅收运餐厨垃圾，并尽量减少餐厨垃圾中的生活垃圾，特别是铁类物质。若需处理家庭厨余垃圾及其他厨余垃圾，建议建设单独处理厂，建成前暂时送至生活垃圾焚烧厂处置。

图7 杂质过多的家庭厨余垃圾Figure 7 Kitchen waste with excessive impurities

表3 设计与运营阶段餐厨垃圾理化组分对照Table 3 Comparison of physical and chemical components of food waste in design and operation stage

5.3 当地饮食特色与预处理工艺不匹配问题

本工程除砂除杂工艺设置在高温蒸煮工艺后面，相比先进行除砂除杂再进行加热离心的工艺，餐厨垃圾先经130～140 ℃高温蒸煮，物料中有机物充分溶解于水中，杂质与油脂等分离更彻底［12］，再经除砂除杂工艺后分选出的杂质中包含的有机物更少，保证尽可能多的有机物输送至后端三相离心系统。然而，如表4 所示，由于本项目位于东南沿海地区，餐厨垃圾相比其他地区存在较多的重物质（贝壳、鸡蛋壳、骨头、金属等为平均水平的1.4 倍），导致餐厨垃圾经破碎制浆后内部含有较多重杂质，同时物料经高温蒸煮后黏度大幅降低，并且由于砂石等重杂质占比较大，易于沉积在物料下端导致泵送困难，经常堵塞，故东南沿海地区采用该种工艺顺序的生产线路需设置单独输送砂石设备，以保证后续整条生产线路的稳定运行。

表4 设计阶段与运营阶段餐厨垃圾组分对照Table 4 Comparison of food waste components in design and operation stage

6 结论

本工程为处理量100 t/d 的餐厨垃圾处理厂，采用“预处理系统+厌氧发酵系统+沼气净化系统+污水处理系统（预处理单元+两级A/O 池+MBR+竖流沉淀池+活性砂虑器）+锅炉系统+除臭系统”工艺。由于收运质量波动较大以及餐厨垃圾实际收运量与设计值偏差较大，餐厨垃圾处理厂各处理系统均受此影响，经调试后可稳定达标运行。目前餐厨垃圾处理厂建设已下沉至3、4 线城市，城市经济发展弱于东南沿海城市，收运质量波动及垃圾收运量与预测量偏差可能更大，因此餐厨垃圾处理厂设计需考虑如何在低负荷稳定达标运行的前提下，降低运行成本，同时调试运行过程中需严控收运质量，从而保证餐厨垃圾处理厂稳定运行。