本文以廣州福山生物質(zhì)處理廠為例，系統(tǒng)地介紹了厭氧消化工藝設(shè)備的應(yīng)用，從原料特性、反應(yīng)溫度、微生物菌群控制、終產(chǎn)物沼液、沼渣處置等方面，深入挖掘厭氧消化處理設(shè)施的功能拓展和資源化利用方式。
隨著全國生活垃圾分類工作的推進，尤其是在大型一線城市中，采用生物方法處理城市餐廚垃圾等有機廢棄物已成為主流。而在有機垃圾生化處理設(shè)施中，采用厭氧消化工藝的占絕大多數(shù)。這種工藝有一系列的重要優(yōu)勢，比如，適應(yīng)性強，能夠處理成分復(fù)雜的各類餐廚垃圾等有機廢棄物；節(jié)能降耗，運行成本低；能夠產(chǎn)生沼氣清潔能源等。
一、廣州福山生物質(zhì)綜合處理廠厭氧消化處理系統(tǒng)運行狀況
（一）厭氧消化系統(tǒng)
廣州福山生物質(zhì)綜合處理廠的厭氧消化系統(tǒng)主體包括7套并聯(lián)運行的全混式厭氧消化反應(yīng)罐（總反應(yīng)容積6.3萬立方米）和4套有機垃圾水解酸化罐。系統(tǒng)前后端分別配套有機垃圾的預(yù)處理系統(tǒng)、沼液脫水設(shè)施和沼氣綜合利用設(shè)施。
整體厭氧消化系統(tǒng)針對餐廚、廚余垃圾、城市糞污和動物固廢四類有機質(zhì)垃圾進行生化處理。每日進入系統(tǒng)內(nèi)的有機質(zhì)垃圾漿料超過1600噸（經(jīng)預(yù)處理后），四類有機質(zhì)垃圾漿料的組成比例隨實際垃圾進廠量存在明顯波動。
（二）總體運行狀況
自投運以來，該處理廠已經(jīng)穩(wěn)定運行超過兩年，各項指標及處理效果均保持優(yōu)越狀態(tài)。主要表現(xiàn)為（以下均為日均值）：有機質(zhì)分解率90%以上，罐內(nèi)物料的VFA500mg/L以下、堿度12000mg/L以上，微生物菌種的有機質(zhì)比例長期穩(wěn)定在約45%水平，厭氧消化后沼液COD3000mg/L以下。數(shù)據(jù)表明，聯(lián)合厭氧消化系統(tǒng)運行穩(wěn)定、有機垃圾被高效分解，產(chǎn)生更多的資源產(chǎn)品沼氣、更少的二次廢棄物沼渣，以及更低濃度的廢水，從而降低后續(xù)污水處理成本和難度。
2021年運行狀況見圖1、圖2。
二、厭氧消化系統(tǒng)日常運行的精細化管理
（一）進料漿料的性狀控制
要實現(xiàn)厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運行，進料控制是基礎(chǔ)條件，主要控制參數(shù)包括進料TS、有機質(zhì)含量、溫度、油脂含量等。
1.進料TS與有機質(zhì)濃度控制。雖然理論上來講，進料TS濃度越高越好，其能產(chǎn)生更長的停留時間和更少的沼液產(chǎn)生量。但是實際運行中，需要綜合平衡物料輸送和厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)攪拌強度的可行性。根據(jù)實際運行經(jīng)驗，對于進入?yún)捬跸到y(tǒng)的漿料TS濃度一般控制在10%～12%。
通過對各類垃圾進行預(yù)處理，尤其是對餐飲、廚余垃圾進行分選除雜、制漿、除砂、提油等一系列預(yù)處理，去除其中的金屬、塑料、砂礫等無機質(zhì)雜物，實現(xiàn)漿料TS中的有機質(zhì)占比（VS/TSS）達到90%以上，減少無機雜物進入系統(tǒng)造成沉積。
2.溫度控制。穩(wěn)定的反應(yīng)溫度是獲得良好厭氧消化效果的必要條件。本項目采用中溫厭氧消化，厭氧系統(tǒng)需保持35℃～38℃的反應(yīng)溫度，通常進料溫度高于反應(yīng)溫度并維持厭氧消化系統(tǒng)的環(huán)境溫度。
綜合考慮各項熱損失并結(jié)合實際運行經(jīng)驗，進入?yún)捬跸到y(tǒng)的漿料溫度需控制在45℃～50℃。日常運行也需每日檢測厭氧系統(tǒng)溫度，并根據(jù)實際情況對進料溫度進行調(diào)整。一旦出現(xiàn)反應(yīng)溫度劇烈波動，即需立即啟動換熱系統(tǒng)進行溫度調(diào)節(jié)。
3.油脂含量。油脂對厭氧微生物活動存在不利影響。油脂在厭氧反應(yīng)器中降解很慢，需要相當(dāng)長的停留時間，并會包裹厭氧污泥上浮，從而引起污泥流失。并且，油脂分解產(chǎn)生的長鏈脂肪酸的毒性較強，會顯著抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，還會與Ca2+結(jié)合產(chǎn)生脂肪酸鈣沉淀�？傊椭^多會抑制產(chǎn)氣，造成VFA（揮發(fā)性脂肪酸）升高，甚至有系統(tǒng)酸化的風(fēng)險。因此，需對餐廚垃圾漿料進行充分的提油預(yù)處理，將漿料油脂含量控制在0.5%以下。
（二）厭氧消化系統(tǒng)日常運行主要控制參數(shù)及方法
厭氧消化系統(tǒng)日常運行控制參數(shù)主要包括：VFA、pH值、堿度、溫度、污泥濃度及污泥中有機物比例。具體控制要求及方法如下：
1.VFA與堿度。VFA與堿度是兩項直觀反映厭氧運行狀態(tài)的指標。VFA高、堿度低，表明厭氧中甲烷菌活力不夠、產(chǎn)氣進行不佳，同時，VFA的積累會抑制甲烷菌活性，進而造成惡性循環(huán)，系統(tǒng)有酸化的風(fēng)險。國內(nèi)同類設(shè)施的運行管理規(guī)范中，要求厭氧消化系統(tǒng)沼液中VFA/堿度小于0.25。系統(tǒng)沼液中，VFA/堿度值越低，整個厭氧系統(tǒng)越穩(wěn)定，有機質(zhì)分解率和產(chǎn)氣效果越佳，越能耐受負荷沖擊。另外，VFA越低，外排沼液的COD濃度也越低，極大減輕后端污水處理壓力。
廣州福山生物質(zhì)綜合處理廠的厭氧系統(tǒng)控制要求為VFA≤2000mg/L，實際運行則遠低于該值，VFA基本在500mg/L以下，而堿度則高于12000 mg/L，做到了VFA/堿度為0.05（詳見圖1、圖2），故而厭氧系統(tǒng)運行非常穩(wěn)定。
2.pH值。一般厭氧反應(yīng)需控制pH值在6.8～7.8，超出該范圍對厭氧產(chǎn)酸和產(chǎn)氣反應(yīng)不利。對于運行良好的系統(tǒng)，其VFA低、堿度充足，pH值一般在7.2以上。廣州福山生物質(zhì)綜合處理廠厭氧系統(tǒng)的pH值基本穩(wěn)定在7.5±0.1。處理生活垃圾時，進料pH值較為溫和，一般不需額外調(diào)節(jié)。
3.溫度。如前文所述，本項目的厭氧系統(tǒng)需保持35℃～38℃的反應(yīng)溫度，過高和過低均不利于厭氧消化反應(yīng)。系統(tǒng)的厭氧罐高度達到20米以上，容積大，因此在罐內(nèi)上、中、下不同高度安裝溫度傳感器，對罐內(nèi)多點位溫度進行在線實時監(jiān)測，以便溫度偏離時及時發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)措施，及時調(diào)整。可采取的措施包括調(diào)整進料溫度和進料負荷等。
4.污泥濃度與污泥有機質(zhì)含量。污泥濃度是保證厭氧處理效果的“核心”。要根據(jù)進料COD濃度和厭氧停留時間，確保容積負荷在合理范圍。為保證更好的厭氧處理效果，需保持厭氧污泥濃度在一定水平，但同時有機質(zhì)濃度高則表明有機質(zhì)未充分被分解產(chǎn)氣。本項目運行控制沼液TS達到2.8%～4%，VS/TS達到50%左右。
5.異常分析與處置。厭氧系統(tǒng)是個反應(yīng)多樣性的綜合系統(tǒng)，各項指標相互影響。如指標出現(xiàn)較大偏差，需要逐一排查和分析可能造成偏差的原因，針對原因采取針對性的調(diào)整措施，以便盡快恢復(fù)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。
如系統(tǒng)出現(xiàn)酸化趨勢，則除滿足溫度、pH值等基本條件之外，還需控制進料量，降低厭氧系統(tǒng)的COD容積負荷，使系統(tǒng)酸化得以減輕。系統(tǒng)運行趨于正常后，厭氧系統(tǒng)的負荷也需穩(wěn)步提升，觀察和檢測各項指標數(shù)據(jù)，根據(jù)情況作合理調(diào)節(jié)。
三、剩余沼渣制有機肥經(jīng)驗與沼液制液態(tài)肥的可行性探索
有機垃圾通過厭氧消化系統(tǒng)處理后，一般將產(chǎn)生85%比例以上的沼液污水和5%～8%的剩余沼渣（均以進料垃圾總量計）。此兩部分物料如不進行資源化利用，將反過來帶來高昂的污水與廢渣處理成本。
（一）沼渣制有機肥的相關(guān)政策與技術(shù)要求
根據(jù)廣州福山生物質(zhì)綜合處理廠的實際經(jīng)驗，沼渣可以銷售給有機肥廠家作為制有機肥原料，從而實現(xiàn)資源化利用。
1.沼渣制有機肥有關(guān)政策支持。一是根據(jù)《一般固體廢物分類與代碼》（GB/T 39198-2020）分類，有機廢棄物厭氧消化處理產(chǎn)生的沼渣屬于一般固體廢物。二是根據(jù)《有機肥料》（NY/T 525-2021）中附錄B《評估性原料安全性評價要求》，沼渣/液符合安全性評價后可以作為有機肥料生產(chǎn)原料。其中安全性評價指標主要為重金屬含量等，需提供生產(chǎn)工藝說明、檢測報告等佐證材料。
2.沼渣制有機肥相關(guān)環(huán)保手續(xù)辦理。沼渣產(chǎn)生單位可以委托有相應(yīng)資質(zhì)的單位進行沼渣堆肥利用，雙方簽訂合同，產(chǎn)生單位需建立沼渣產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移處置的全過程管理臺賬，并獲得接收單位對每車沼渣的簽收單，以形成閉環(huán)管理。如跨省轉(zhuǎn)移利用的，根據(jù)《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》第二十二條的規(guī)定，沼渣產(chǎn)生單位報移出地的省人民政府生態(tài)環(huán)境主管部門備案即可。
此外，制肥單位為更利于制肥及成本管控，對沼渣含水率要求較低，且制肥單位一般遠離市區(qū)，沼渣需長距離運輸。因此，為降低成本、滿足制肥和運輸要求，一般需將沼渣含水率控制在60%～65%，運輸車做好密閉。
3.廣州福山生物質(zhì)綜合處理廠沼渣綜合利用情況。廣州福山生物質(zhì)綜合處理廠厭氧沼渣主要有兩種處置去向，一種是作為有機肥料生產(chǎn)原料外運利用，另一種是作為廢渣送焚燒發(fā)電廠焚燒處置。目前多以外運利用為主。以2021年3月數(shù)據(jù)為例，沼渣外運利用占比達到93.69%。
（二）沼液制作液態(tài)肥的可行性探討
尤其在西歐國家，有機廢棄物厭氧消化處理后的沼液只要滿足鹽度和重金屬控制目標，即可作為液態(tài)有機肥（或基礎(chǔ)肥）直接回田。這樣不僅節(jié)約大量處理成本，還實現(xiàn)了資源化利用效益。
我國對厭氧沼液的綜合利用尚處在摸索階段。在進行技術(shù)研發(fā)的同時，還應(yīng)考慮到政策問題。目前，我國對利用生物廢棄物進行厭氧消化的沼液回用作肥的有關(guān)環(huán)境政策和肥料標準尚缺乏。在一些地方，沼液還可以歸類為“污水亂排”。所以，在全工業(yè)中，沼液的綜合利用一直是比較緩慢的。
作者認為，應(yīng)由國家有關(guān)部門和有關(guān)部門共同制定有關(guān)沼液回用的政策和管理措施，以取得較好的經(jīng)濟效益和社會效益。
四、厭氧消化設(shè)施功能擴展的相關(guān)建議
運行正常的有機垃圾厭氧消化設(shè)備具有較強的“兼容性”，可以將餐飲、廚余、城市糞便、食品、城市污泥等有機垃圾進行綜合處理。這種兼容性是一舉兩得的。擴大設(shè)備的作用，可以帶來較好的社會效益和經(jīng)濟效益。另一方面，由于各種物質(zhì)的加入，使整個厭氧菌體系的多樣性得到提高，從而使生物反應(yīng)體系更加穩(wěn)定。
以廣州福山生物質(zhì)綜合處理項目為例，目前除處理四類有機廢物外，每天還協(xié)同處理城市污水廠的污泥約50噸。運行實效表明，新增污泥處理后，參與反應(yīng)的微生物明顯增多。以每毫升沼液中微生物菌落數(shù)計（cfu/mL），活菌數(shù)量增加約15%，達到108～109cfu/mL。經(jīng)過16SrRNA基因檢測，厭氧微生物豐度和多樣性也明顯增多。
五、結(jié)語
利用生物降解技術(shù)對有機廢物進行無害化處理，可以產(chǎn)生沼氣、肥料等資源性產(chǎn)品。未來，垃圾處理企業(yè)要不斷深入結(jié)合實際，不斷探索、研發(fā)、推廣更好的工藝、更高效的設(shè)施設(shè)備，不斷提高設(shè)施運行精細化管理水平，積極開拓資源化利用渠道，實現(xiàn)有機廢棄物充分地?zé)o害化和資源化處理。
