净水技术|陈小华：污泥和餐厨垃圾协同处理工程厌氧消化系统的启动调试
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陈小华
（上海同济普兰德生物质能股份有限公司，上海 200092）
餐厨垃圾，是从事餐饮服务、集体供餐等活动的单位在生产经营过程中产生的食物残余和废弃食用油脂，其特点是含水率高、有机物含量丰富，易腐烂变质，散发恶臭，传播细菌和病毒。2014年7月，镇江市入选第四批餐厨垃圾资源化利用和无害化处理试点城市。镇江市餐厨垃圾采用与城市污水厂污泥协同处理工艺。城市污水处理厂污泥和餐厨垃圾协同处理，利用一套设施可以处理两种废弃物，提高产气效率，提升工程效益。
镇江市餐厨垃圾及城市污水厂污泥协同处理项目2016年12月进入代运维阶段，2017年12月代运维工作结束。厌氧消化系统性能满足工艺要求，运行稳定，目前已经全部移交给业主运行维护。本项目作为国内首个采用城市污水厂污泥和餐厨协同处理的工程项目，其厌氧消化系统的启动调试经验可供类似工程参考。
1
项目简介
1.1
设计规模
本项目建于镇江市京口污水处理厂污泥处理工程预留用地，总用地面积约45亩，设计规模为：餐厨垃圾140 t/d（其中餐厨垃圾120 t/d(含水率以85%计)、废弃油脂20 t/d），城市污水厂污泥120 t/d（含水率以80%计）。
1.2
厌氧消化系统工艺设计参数
本项目建有4座厌氧罐，单座有效直径为16 m，有效容积为2 700m3。厌氧消化工艺采用中温（38±2 ℃）高含固厌氧消化。设计停留时间约为20 d，有机物降解率＞40%，沼气产量约10 000 m³/d，容积产气率约为0.9 m³/m³。厌氧罐产生的沼气经除杂、脱水、增压后储存于2 000 m³的双膜沼气柜中。
1.3
工艺流程图
本项目工艺流图如图1所示。镇江市主城区、丹阳市、扬中市和句容市等区域的餐厨垃圾经餐厨车制浆收集后送入到厂区餐厨料仓，然后通过螺杆泵直接泵入厌氧罐。征润州污水处理厂、京口污水处理厂和丹徒污水处理厂的污泥经脱水到含水率80%左右进入污泥料仓，然后经污泥高温热水解系统处理后，再进入到厌氧罐。产生的沼气经收集、处理、提纯后一部分用于沼气锅炉，多余的并入市政天然气管网。厌氧消化液采用两级脱水（螺旋机和直接压滤式污泥深度脱水），第一级和第二级分别将沼液的含水率降低到80%和60%左右。脱水污泥经太阳能干化后用于苗木种植。
1.4
项目调试和运行情况
本项目2016年4月份完成厌氧罐的满水试验和气密性测试，2016年5月份完成单机调试和清水联动，2016年6月份开始厌氧罐的加温、接种调试，2016年9月份4个厌氧罐全部正常启动。
由于餐厨垃圾难于收取，目前，本项目总处理量不到200 t/d。经厌氧消化后，城市污水处理厂污泥和餐厨垃圾中的大部分致病菌被杀死，有机物的降解率＞50%，每天产生沼气经提纯后可产生几千立方米的生物天然气，厌氧消化液经脱水和干化后，沼渣的含水率降低到40%以下。采用协同处理后，可实现废弃物的无害化、稳定化、减量化和资源化。因此，本项目的工艺路线具有较大的实际应用价值，值得推广。
2
调试步骤和流程
2.1
调试步骤
厌氧消化系统调试可以分为以下几类：单机调试、清水调试、热水调试（包括厌氧罐加热过程）、进泥调试（接种驯化产气调试）和沼气调试等。
2.2
调试流程
由于厌氧消化系统（包含厌氧罐、加温系统、沼气系统）设备众多，各个单元的调试时间相互交错，因此调试工作将变得十分复杂。本项目调试流程图如图2所示。
3
厌氧消化系统启动
3.1
加温
对于大中型沼气工程来说，厌氧罐的体积是几千甚至上万m3，加温和接种没有严格先后顺序，可先加温再接种，也可先接种再加温，还可以同步加温和接种。本项目1#厌氧罐采用先加温后接种再进料，后面几个厌氧罐采用同步接种和加温。
加温的能耗主要体现在两个方面：一是将物料（启动初期主要是水）加热到工艺所需温度；二是补偿厌氧罐的散热。在初期启动时，本项目采用天然气为蒸汽锅炉供能给厌氧罐加温。蒸汽直接通入污泥高温热水解系统加温热水，然后超越进入厌氧罐中。
为降低启动过程中加温的能耗，本项目安排在夏季温度较高的时候启动厌氧罐。厌氧罐在调试启动过程中的能耗，主要是补偿厌氧罐的散热和物料的加温。如厌氧罐采取有效的保温措施，启动过程中的能耗主要以物料的加温为主。本项目厌氧罐采用160 mm厚的超细玻璃棉进行保温，有良好的保温效果。根据镇江的气候条件以及本项目的工艺控制温度（38±2 ℃），经估算，本项目夏季高温时启动比冬季低温时启动节省能耗约50%~70%。
加温过程中一是要保证水源的供应，二是要保证蒸汽的供应。
3.2
接种
厌氧罐在启动初期加入接种物可以加快厌氧罐的启动。接种物可采用城市污水厂厌氧消化污泥、正常运行的沼气工程的沼渣、池塘底泥、牛粪等（如图3所示），也可直接利用城市污水厂污泥驯化扩大培养。
根据前期与业主的沟通，本项目厌氧罐的启动接种物采用一个牛粪沼气工程的沼液和新鲜牛粪。厌氧罐启动时，TS浓度不宜过高，本项目按5%计。接种量越大，启动越快，本项目接种量按厌氧罐体积的10%~30%投加。接种物先启动1#厌氧罐，然后利用1#厌氧罐的溢流物接种2#厌氧罐，最后用1#和2#厌氧罐的溢流物启动3#和4#厌氧罐。
3.3
进料和搅拌
加温和接种完成后，可逐步给厌氧罐进料。本项目启动调试时进料安排如表1所示。
表1 单个厌氧罐进料安排表
高含固率厌氧消化时，污泥需经过高温热水解预处理，降低污泥的粘滞度，提高搅拌混合效果。污泥高温热水解可以破裂微生物细胞壁、溶出污泥有机质、降低污泥粘滞度、增强污泥流动性，从而提高后续厌氧消化的效率和实现彻底杀菌卫生化。在调试启动初期，污泥高温热水解系统一般不启动，污泥直接进入厌氧罐中。本项目厌氧罐采用2台穿壁式搅拌机，其中一台搅拌机带导流筒，还配置一台气液混合泵辅助搅拌。搅拌采用间歇运行，自动控制模式，可根据需求灵活调整。
3.4
分析检测
厌氧罐启动调试过程中，需要定期检测各项数据。主要检测的数据有：产气量、温度、pH值、挥发性有机酸（VFA）、碱度（ALK）等。在厌氧罐启动调试过程中，如果进料控制不当，负荷过高，厌氧罐可能会出现“酸化”。特别是本项目采用污泥和餐厨垃圾协同处理，餐厨垃圾有机物含量高，极易“酸化”。在工程中，厌氧罐启动调试时主要的指标和参数如表2所示。当厌氧罐相关指标出现异常时，可适当降低进料甚至停止进料，避免“酸化”。
表2 厌氧罐启动调试主要指标和参数表
厌氧罐启动成功主要体现在以下几个方面：一是厌氧罐中料液的各项指标，如pH、VFA和ALK等几项工艺运行参数在表2的允许范围内；二是厌氧罐内料液温度达到工艺控制温度；三是厌氧罐进料后所产生的沼气甲烷含量＞50%。甲烷含量可采用气体成分分析仪分析测试，在实际工程中，甲烷含量可采用取样点火测定（如图4所示）。一般情况下，当甲烷含量超过50%时，取样沼气可直接点火。沼气点火成功标志着厌氧罐启动成功。
图4 沼气取样点火
4
沼气置换
甲烷是沼气的主要成分，其在空气中的爆炸极限是5%~15%（体积比）。在厌氧罐启动调试过程中，随着沼气产量的不断增加，存在着爆炸的危险。因此，在大中型沼气工程中为确保调试过程中的安全，需要进行沼气置换。
4.1
厌氧罐集气区
本项目厌氧罐带有气囊，集气区在启动初期含有大量的空气。随着沼气不断的产生，所产生的沼气和集气区空气不断混合，气囊会逐步升高。采用氮气置换操作困难，且需要的氮气量较大，厌氧罐集气区直接采用沼气置换，即当气囊上升到一定高度后，手动开启紧急排放装置放空气囊的混合气体。排放多次后，确保所产沼气中甲烷含量＞50%，沼气即可输送到后续处理单元。
4.2
沼气管路和沼气系统相关设备
本项目所产生的沼气提纯后一部分用于沼气锅炉，一部分进入天然气管网，紧急情况下还可以送入沼气火炬系统直接燃烧。沼气管路、过滤器、凝水罐、沼气提纯系统等都含有大量的空气，在调试沼气提纯、沼气锅炉和火炬系统时也存在着爆炸的危险。为确保调试过程中的安全，沼气管路和沼气系统相关设备里面的空气采用氮气置换。本项目采用氮含量＞99.9%的液氮进行置换。在置换过程中，控制注氮温度、速度和压力，尽量低位通入氮气，高位排出氮气。在沼气管路和沼气相关系统末端取样检测，当氧含量降低到2%以下时，表明氮气置换合格。
5
安全措施
在调试过程中，存在着沼气爆炸、沼气中毒、高处坠落、触电和机械伤害等风险。针对这些风险，调试过程中都应采取相应的措施。沼气爆炸主要防范措施是合理划分防爆区，沼气中毒主要是给调试过程中相关人员进行安全教育。
5.1
防爆区划分
本项目厌氧罐有气囊，厌氧罐和双膜沼气柜的爆炸危险区域等级和范围划分如图5所示。（1）厌氧罐外部罐壁上半部外4.5 m以内、双膜沼气柜外膜最大直径外4.5m以内，至罐或柜顶最高点以上7.5 m的范围，设为2区；（2）厌氧罐气囊与罐顶之间、双膜沼气柜内外膜之间设为1区。
5.2
硫化氢中毒
沼气中一般含有少量的硫化氢。H2S是一种强烈的神经毒物，对粘膜有一定的刺激作用，易引起角膜炎，与人体细胞色素氧化酶中的铁作用，引起组织缺氧而造成呼吸困难，大量吸入会引起肺水肿。H2S中毒的表现随着接触的浓度、时间可分为：轻度中毒、中度中毒、重度中毒。当H2S浓度在100 ppm时，刺激咽喉，引起咳嗽，3~10 min会损伤嗅觉神经和人的眼睛，有轻度头疼、恶心症状，脉搏加快，接触4 h以上可能导致死亡；当H2S浓度在1 000 ppm时，立即失去知觉，造成死亡，或造成永久性脑损伤，智力损残；当H2S浓度在2 000 ppm时，吸上一口，将立即死亡，难于抢救。
6
结论
厌氧消化系统的启动调试是一个系统工程，涉及到加温、接种、进料、搅拌、分析测试、沼气置换和安全措施等多个环节。镇江市餐厨垃圾及城市污水厂污泥协同处理项目作为国内首个采用污泥和餐厨协同处理并已成功运行的项目，在厌氧消化系统的调试过程中，编制了周密的调试方案，在各方的通力合作下，3个月左右的时间将4个总有效容积为10 800 m³的厌氧罐顺利启动调试成功。大中型沼气工程厌氧消化调试过程中，启动过程中的能耗费用较高，本项目在夏季高温时启动，据测算比冬季低温时启动节省能耗约50%~70%。本项目的成功经验，可为其它类似工程厌氧消化系统的启动调试提供借鉴和参考。
推荐参考
陈小华.污泥和餐厨垃圾协同处理工程厌氧消化系统的启动调试[J].净水技术,2018,37(6):86 -90 .
Chen Xiaohua. Start-up and commissioning test of anaerobic digestion system for co-digestion project of kitchen waste and sewage sludge disposal[J]. Water Purification Technology, 2018,37(6):86 -90 .
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