有机固体废物沼气系统设计及应用探讨｜彭孝容

一、沼气净化及利用系统

由于厌氧浆料有机成分中主要产甲烷原料为其中的挥发性固体(VS),因此，可以以VS为测算依据计算厌氧的理论产气量。

以600t包含餐厨垃圾、粪便及污泥的厌氧浆料为例，结合三者的成分含量及相关配比分析，厌氧浆料中的VS占溶解性总固体(TDS)的80%左右，按TDS含量10%计算，则VS的每天理论产量为600×10%×80%=48t/d。

根据以往工程对产物中VS含量的测算，VS的实际降解率在85%左右，考虑预处理系统VS的实际损失量，本次设计以80%为计算依据，则VS的实际消耗量为48×80%=38.4t/d。

厌氧生物处理过程中的有机物降解速率或甲烷生成速率可用Monod公式来描述，即

式中，S为基质浓度，gCOD/L或gBOD/L；t为时间，d；Umax为最大比基质降解速度，1/d,X为微生物或污泥浓度，gVSS/L；Ks为饱和常数。

式中，VCH₄为反应开始后的积累甲烷产量，mL；Yg为基质的甲烷转化系数，mLCH₄/gCOD；Vr为反应器的反应区容积，L。

由式(1-1)、式(1-2)得

由于在反应初期基质浓度很高，即可以认为S≥Ks,此时式(1-3)就可以简化为

其中Umax·CH4,需根据试验确定，依据类似工程实际实验结论Umax·CH4的计算值约为0.65L/gVS,则代入上式可得

按照甲烷含量60%计算，则每天沼气产生量约为41600m³/d。

2.概化分子式计算

由于厌氧浆料中包括餐厨垃圾、粪便及污泥，不利于计算混合后的概化分子，故对其进行分别计算。由于粪便水中有机物含量较少，且主要为调浆用水，故主要对餐厨及污泥进行产气量计算。根据餐厨的成分分析表，在含水率为80%的情况下，求得平均状态下该餐厨垃圾的概化分子式为C22H35O13N(S的含量暂不考虑),此时在厌氧状态下产生CH4和CO2,有C22H35O13N+10H2O=10.5CH4+11.5CO2+NH3+5H2。

该概化分子式的分子量为521，此时在单位质量为1kg原料的情况下，CH₄产量为96.46L，则在总的处理规模200t情况下，产生的CH₄气体总量为19292m³/d，折合成沼气总产量为32153m³/d。

结合某市政工程设计研究总院对污水处理厂污泥厌氧产气的研究可知，混合污泥的产气量约为6.71m³/m³泥，本工程处理规模为100t/d,产气量约为6710m³/d,折合沼气产量为11183m³/d。

则总的沼气计算量为43336m³/d。

3.产气量确定

上述均为理论计算值，概化分子式的计算结果为CH₄产量26002m³/d，VS理论产气量计算的结果为24960m³/d，两者的计算结果是基本吻合的。最终取平均值计算，本工程以CH₄产量25481m³/d为计算依据，折合沼气产生量约为42468m³/d。

需要说明的是，以上为理论产气量，实际上，由于发酵集中在47d左右完成，那么产气总量会小于理论产气量，实际产气量与理论产气量的比值需要根据实际运营经验数据确定。

本项目中，气体利用暂按理论产气量60%左右考虑，则沼气产量约为25481m³/d，因此，考虑到产气量的不稳定因素，本项目沼气处理规模按照20000m³/d考虑。

（二）设计参数

1.净化前沼气品质

净化前沼气品质详见表1

▲表1  净化前沼气品质

2.净化后气体指标

净化后的气体指标详见表2。沼气提纯后质量指标满足《车用压缩天然气》 (GB 18047—2017)的规定。

▲表2  产品气指标参数

（三）工艺流程

从厌氧发酵罐出来的沼气是一种燃料，其主要成分是甲烷和二氧化碳。经过净化后沼气利用有两种方式：一是部分沼气进锅炉燃烧，作为厂区需加热保温设备的热源：二是进入制CNG装置制备CNG，可用作车载燃气。

沼气利用系统内设置应急火炬燃烧系统，在后段的工序不能正常运行或产气量过多而无法正常储存的情况下，将沼气通入火炬燃烧，避免含有大量甲烷的气 体直接排放。

（四）沼气的净化、存储和利用

从发酵罐出来的沼气进行脱硫、除尘、干燥处理。采用湿法+干法结合的脱硫工艺，最大程度去除沼气中的硫化氢。脱硫精度高，出口沼气中硫化氢浓度可降低至15ppm以下。

沼气经过初级过滤、精滤等过滤装置，有效去除沼气中含有的微小颗粒，达到除尘目的。设置干燥器，对沼气中的水分进行去除，确保水分不会对管道及设备产生腐蚀。

脱硫、脱水的沼气经沼气压缩机压缩后，通过气水过滤器、拦截式预处理过滤器、初级油水分离过滤器、高效过滤器、冷冻干燥机除去饱和水蒸气和微尘粒，再经过换热器后得到了干燥、无油、洁净和温度适宜的高品质压缩沼气。该高品质压缩沼气经分气管道均匀进入膜分离系统进行分离，分离出的二氧化碳可通过管道排入大气，而制得的甲烷气可通过加压计量后作为汽车燃料使用。

沼气储气柜用于暂存经脱硫后的沼气，本项目采用双膜气柜。图1、图2分别为沼气储气柜的原理图和实物图。

▲图1 沼气储气柜原理示意图

采用膜法工艺进行脱碳处理。进行膜分离提纯需要对沼气进行增压处理，以膜两面较高的压力差作为动力，利用膜材对不同气体组分的通过率的不同，来分别处理沼气中的不同气体组分。

经膜分离后的富甲烷气体进入储气罐进行缓冲，为后续高压压缩提供稳定气源，甲烷气体作为可燃气体进一步压缩至25MPa,制成成品CNG,供应新型燃气车辆使用，可以配备加气机使用。最终CNG产品的技术指标满足《车用压缩天然气》(GB18047-2017)的相关规定：总硫≤100mg/m³,硫化氢<15mg/m³,二氧化碳<3%,氧气≤0.5%,高位发热量>31.4MJ/m³

（五）沼气安全

沼气是可燃气体，在空气中聚集到一定浓度时会爆燃。本项目在日常运行时会产生大量沼气，在工艺设计、设备选取上，充分考虑到沼气的这一特点，针对性地采取如下措施，确保沼气能够得到安全的存储、利用。

1.压力保护措施。

2.防火、防爆措施。

二、污水处理系统

已完成：40%/////////

（一）处理规模

污水处理系统主要处理脱水后沼液和厂区生产废水，其中沼液约550m³/d,设备清洗水、车间冲洗水等其他生产废水约90m³/d，总计640m³/d,考虑到污水产量具有一定的波动性，并考虑一定的余量，确定本系统处理规模为700m³/d。

（二）进水、出水水质

1.进水水质要求

根据项目可研及同类项目经验，污水处理系统进水水质可如表3所示。

▲表3 污水处理系统进水水质参数

2.出水水质要求

污水处理系统出水执行《水污染物综合排放标准》(DB 11/307—2013),具体指标如表4所示。

▲表4 污水处理系统出水水质参数

（三）工艺流程

根据上述废水水质、水量特点和处理要求，确定本项目采用主要工艺组合为：水质均衡+外置式膜生物反应(两级 MBR)+部分 NF+浓缩液处理。工艺流程设计如图4所示。

▲图4 污水处理工艺流程示意图

三、除臭系统

已完成：60%/////////

（一）处理规模

本项目主要臭气来源为综合处理车间(餐厨垃圾预处理车间、粪便污泥预处理车间、污泥预处理车间)、脱水车间、污水处理系统等场所产生的臭气。本项目除臭系统设计风量为60000m³/h

（二）主要控制污染物

H₂S、NH₃、硫醇、有机硫化物、胺类等微量有机组分气体为恶臭气体主要污染物。表5为除臭系统主要控制污染物。

▲表5 除臭系统主要控制污染物列表

（三）气体排放标准

满足《恶臭污染物排放标准》(GB14554—1993)中厂界(防护带边缘)废气排放三级标准(新建),且处理后无感官臭味。表6为臭气处理后的排放标准。

▲表6 臭气处理后排放标准

（四）工艺设计

本项目总除臭气量为60000m³h，根据经验及现场情况，以及餐厨垃圾产生臭气成分复杂、浓度高的特性，设计中考虑恶臭气体为混合型污染物质，碱性、酸性含硫污染物质和有机污染物质可能都存在。为顺利达到国家相应排放标准，本工程采用一套完整的化学洗涤除臭设备，一套完整的生物过滤除臭设备，根据对通常餐厨垃圾处理项目上的污染物质的分析，两种工艺的结合是可以满足排放需求的。另外考虑到厂房大门处会有臭气外溢，以及临时情况臭气浓度增高的可能性，故在厂房大门周边以及臭气源附近加装一套植物液喷淋除臭系统辅助使用，以使除臭效果顺利达到。

即本综合除臭系统包含3个部分：

第一部分：化学洗涤塔除臭系统；

第二部分：生物除臭系统；

第三部分：植物液喷淋除臭系统。

1.化学洗涤塔除臭系统

湿式化学洗涤系统利用化学反应机理，通过酸碱溶液和碱酸性有机气体的化学反应来对恶臭气体进行去除，如硫化氢(H₂S)、甲硫醇(CH₄S)、甲硫醚(C₂H₆S)、二硫化碳(CS₂)和二甲二硫(C₂H₆S₂)等强恶臭酸性气体使用氢氧化钠、次氯酸钠来去除。为了提供反应的效率，洗涤系统采用精密的pH和氧化还原电位控制原理，严格地控制加药系统和洗涤塔的运行和操作，以保证达到所要求的排放标准。

2.生物除臭系统

生物除臭系统利用微生物降解或转化空气中的挥发性有机物以及硫化氢、氨等恶臭物质。

生物除臭系统可去除空气中的异(臭)味、挥发性物质VOC和有害物质。具体应用范围包括控制/去除城市污水处理设施中的臭味、工业生产过程中的生产臭气、受污染土壤和地下水中的挥发性物质、室内空气中浓度较低的污染物等。生物除臭系统可以降解大多数挥发性和半挥发性的烷烃、烯烃和芳烃，这些物质一般具有可生物降解性和水溶性较大的特点，处理效果95%以上。

3.植物液喷淋除臭系统

为了更好地处理扩散开来的臭气，设计使用超细植物液喷淋系统，对餐厨垃圾预处理车间、粪便间和污泥脱水车间等重点致臭区域直接进行植物液喷洒除臭。

植物液喷淋除臭系统由控制系统、铜合金喷嘴、不锈钢304材料输送管、除臭剂配药系统等组成，自动化控制。专用雾化喷嘴有专用的除臭剂进口，调节合适的流量比例，雾化喷嘴即能喷出小于40μm的雾滴。在微小的液滴表面形成极大表面能和表面积，更易吸附空气中的异味分子，并使异味分子中的立体结构发生变化，变得更不稳定，更易降解。控制系统可根据实际情况，随意调整运行时间和运行间隔时间。直接植物液喷淋一般选用植物除臭剂，运行费用省，占地面积小，安装运行方便。

植物除臭剂的原材料含有天然植物提取液，经过先进的微乳化，使它可以与水相溶，呈透明状。它不含酒精，非易燃易爆，非毒性，还可生物降解，不会产生二次污染。

四、产品方案

已完成：80%//////////

本项目通过厌氧发酵系统生产出沼气、粗油脂，实现资源循环利用，保证食品安全和人民身体健康。沼气提纯后生产CNG,工业粗油脂作为紧缺的化工原料，广泛应用于各种化工企业中，从源头上解决“地沟油”返回餐桌所带来的危害。

处理规模为200t/d餐厨垃圾，300td粪便，100t/d脱水污泥时可产生工业粗油脂3.6t/d，产生沼气约26700m³/d，一部分经锅炉燃烧给厂区工艺、采暖供热，剩余沼气可生产CNG约16619m³/d。

▲图5 某餐厨垃圾处置厂总平面布置图

随着厌氧消化技术在有机固体废物处置项目中日趋成熟，通过厌氧消化产生沼气并资源化利用成为餐厨圾资源化的重要途径，具有很强的发展潜力。未来，通过对反应器条件、环境因子和基质条件等条件的进一步分析和研究，有望提升厌氧消化系统的经济和环境性能，促效进厌氧消化的大规模工程化，实现更高、更环保的处理效果。

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编辑｜吴小清