尾菜资源化利用技术研究与工程实践_杨学志.pdf

摘要：尾菜的资源化利用能力和程度受制因素较多，目前仍存在大量尾菜随意扔弃现象，给环境带来污染。目前大型工程应用项目不多，且大多项目受制于工艺或者设备选型问题，难以稳定达到设计生产量稳定运行。为探寻尾菜处理工艺技术路线和设备选型，以嵩明尾菜和兰州尾菜项目技术研究与工程实践为例，总结项目调试、技改和运行中出现的问题及成功的经验，针对尾菜项目工艺提出了以“步进式料仓磁选双轴破碎制浆筛分水解两级固液分离”的预处理工艺，以“半干式IC”为主的厌氧发酵工艺，以“原位脱硫干法脱硫”为主的沼气净化工艺，并对部分核心设备选型参数和结构给予建议，旨在为目前尾菜技改、运行和新建项目提供借鉴，促进尾菜处理项目技术发展。关键词：尾菜；工程实践；制浆筛分；半干式厌氧Abstract：There are many factors restrict the degree of resource utilization of vegetables waste.At present，a largenumber of vegetable waste are still discarded at will，which impact on environment.However，there are few large-scaleengineering application projects and most projects are subject to the problems of process or equipment selection，whichare difficult to achieve the stable operation of the designed production capacity.In order to explore the technical routeand equipment selection of vegetable waste processing，this paper takes the technical research and engineering practiceof Songming vegetable waste and Lanzhou vegetable waste projects as examples，summarizes the problems andrelatively successful experience in commissioning，technical transformation and operation，and proposes apretreatment process of“step silo+magnetic separation+biaxial crushing+pulping screening+hydrolysis+two-stagesolid-liquid separation”for vegetable waste project process；Anaerobic fermentation process dominated by“semi dry+IC”，biogas purification process dominated by“in-situ desulfurization+dry desulfurization”，and suggestions on theselection parameters and structure of some core equipment are given，aiming to provide reference for the currenttechnical transformation，operation and new projects of tail vegetables，and promote the technical development ofvegetable waste treatment projects.Key words：vegetable waste；engineering practice；pulping screening；semi dry anaerobic中图分类号：X799.3文献标识码：A文章编号：16741021（2023）050007-041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 4855 khm2、77 54878 万 t2。据统计，在生产流通环节产生的尾菜约占蔬菜总产量的 3633，据此估算，2021 年我国尾菜产生量约 282 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 507-8，仍有大量尾菜被随意丢弃，对环境造成污染。收稿日期：2023-02-10；修订日期：2023-05-12。作者简介：杨学志，男，1986 年生，工程师，硕士，主要从事有机垃圾资源化利用与废水处理工作。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）732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250300 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。33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。34沼气净化系统嵩明尾菜项目厌氧产生沼气中甲烷含量在 4555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510，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/d3，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/d12，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 511 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31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。尾菜料斗磁选破碎机挤压脱水厌氧调节罐铁器滤液图2兰州尾菜预处理工艺尾菜磁选破碎机挤压脱水铁器水解料仓固液分离污水处理湿式厌氧半干式厌氧固相、部分液相固相8环境保护与循环经济部分设计用于提纯，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。35运行中存在的问题351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。352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。36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 34 h 到少于 05 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41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9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 3060 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 00035 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 68 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 1625 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/OMBR化学混凝沉淀”工艺，污水可以满足 GB 89781996污水综合排放标准 中三级标准，排入污水处理厂进行处理。42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/OMBR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。参考文献1 孙华，侯福银，丁海荣，等尾菜的营养价值及其在动物生产中的应用 J 饲料研究，2022，45（8）：1501532 国家统计局主要农作物产量 EB/OL （20221219）20230210 https：/datastatsgovcn/easyqueryhtm？cnC013 李平果蔬垃圾厌氧发酵资源化工程实例 J 中国资源综合利用，2020，38（9）：96994 曹生芳，段玮俊，王泽东，等蔬菜尾菜综合利用现状及处理途径 J 农业灾害研究，2021，11（8）：1681695 杨少杰，李欣苗，李艳，等尾菜沤肥处理技术 J 农业科技与信息，2020（10）：44456 秦玉，李慧莉，徐圣君，等城郊区果蔬垃圾处理及资源化利用技术研究现状 J 中国农学通报，2021，37（31）：981057 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