1. 工程背景及概述
1.1. 设计背景
随着时代的发展,国家的倡导,人类环保意识也越来越高 [1] ,近年来伴随着生活水平的提高,餐饮行业愈发繁荣,随之带来的餐厨垃圾也逐年扩增。餐厨垃圾因其成分复杂,目前的处理模式还是比较单一,甚至处理工艺依旧难以突破。垃圾只是放错地方的资源 [2] ,也同样适用于餐厨垃圾,对于餐厨垃圾的可遵循:
(一) 有利于发展循环经济,推动建设资源节约型和环境友好型社会,餐厨垃圾也是一种不合理的资源,有机物质含量高。
(二) 切实保障食品安全和人的健康,通过对餐厨垃圾进行无害化处理,可以有效地减少地沟油的产生 [3] ,有效防止有害物质从源头进入市场,为保证食品安全奠定基础。
(三) 餐厨垃圾集中处理设施作为生活垃圾的一部分,其直接影响城市形象。建设现代化的餐厨垃圾收集、运输和处理工程,对于改善城市的居住环境、功能和面貌,具有重要意义。
(四) 建设餐厨垃圾处理厂,既可以有效地节约土地资源,消除对环境的二次污染,保护市政设施和周围的水体,又可以消除餐厨垃圾乱倾倒、乱收购的现象。
1.2. 设计规模
合肥市长丰县某小型餐厨垃圾处理中心,属于试运行项目,占地约120 m2,设计日处理餐厨垃圾废液5 t。前期处理餐厨垃圾量较少,后期将逐渐扩大规模,能为未来餐厨垃圾小型化处理提供参考研究价值。
1.3. 餐厨垃圾废液来源及主要特性
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Table 1. The basic characteristics of kitchen waste
表1. 餐厨垃圾主要特征
收集的餐厨垃圾主要来源于周围几个居民区,每个居民区均实行垃圾分类制度,并配有垃圾分导专员协助居民进行垃圾分类。餐厨垃圾通过餐厨垃圾运输车直接运送到餐厨垃圾处理站。
从居民区收集的餐厨垃圾成分复杂,多为菜叶 [4] ,剩饭,碎肉屑,果皮,骨头 [5] 等。不同地区因饮食习惯差异,所产生的餐厨垃圾也有较大差异。根据在合肥市长丰县所在区域,对餐厨垃圾的主要特性进行测定,所得结果见表1。
该小型餐厨垃圾处理厂所产生的餐厨垃圾废液来源主要分为三种,见表2。
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Table 2. Main composition of kitchen waste leachate
表2. 餐厨垃圾废液主要来源
1.4. 设计目标及参数
餐厨垃圾渗滤液处理系统的进、出水设计指标见表3。
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Table 3. Design influent and effluent indices of food waste leachate treatment system
表3. 餐厨垃圾渗滤液设计进、出水指标
2. 工艺流程与设计参数
从表1中可知,餐厨垃圾的总固体含量(TS)平均为14%,再经由压滤冲洗后,最终产生的废液TS约为7%,属于低固化状态 [6] ,再结合本项目的实际需求,即处理废液量少,产生的少量气体无需回收的特点,选取EGSB反应器用于预处理后废液的厌氧消化。由表3可知:COD/TN = 10 > 8,TP/BOD5 = 0.05 < 0.06,可选取A2O工艺,它具有建设、运营成本低,处理负荷量大的优点。针对餐厨垃圾渗滤液污染物难度高的特点,为保证生化系统不受破坏,在A2O基础上串联AO形成A2O-AO。最终采取EGSB/A2O-AO复合工艺处理餐厨垃圾渗滤液。
综合工艺及设备的选取
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Figure 1. Process of biological treatment for food waste leachate
图1. 餐厨垃圾渗滤液的生物处理工艺
本项目餐厨垃圾废液的处理包括EGSB,A2O-AO一体化设备,具体工艺见图1。
所需设备见表4。
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Table 4. Main equipment and parameters of kitchen waste leachate disposal process
表4. 餐厨垃圾压滤液处理工艺的主要设备及参数
3. 餐厨垃圾废液的处理
3.1. EGSB反应器选取与启动
EGSB具有较高的高径比和占地面积小 [7] ,是在传统UASB反应器基础上开发的第三代高效厌氧反应器,除兼具UASB反应器的优点外还具有抗冲击负荷能力强,高水力负荷和高产气负荷,厌氧反应速率快,运行稳定等优点 [8] 。EGSB反应器是在UASB反应器基础上研制的第三代高效厌氧反应器。除了EGSB采用较高的液体表面上升流速和回流之外,EGSB反应器在结构形式、污泥形态等方面与UASB反应器非常相似。UASB反应器是目前运用最广泛的厌氧反应器,其工艺条件及技术参数相对EGSB反应器来说更趋成熟 [9] ,因此,本实验中EGSB反应器的启动运行可以参考UASB反应器的启动及运行。厌氧废水处理过程是由微生物完成的,细胞的生长和维持需要一定数量的养分,但有些养分过量会抑制厌氧系统的启动。一般而言,营养比约为C:N:P = 75:5:1,如以C为COD的化学计量关系推算,则COD:N:P = 200:5:1。在厌氧生物处理中,除了C、N、P等营养物是微生物细胞合成所必需的外,某些无机盐类虽然在微生物细胞体内存在甚微,但对维持微生物的生长、繁殖及反应器中微生物培养阶段的稳定运行都极为重要。
本项目中EGSB反应器尺寸为φ2 × 7 m,采用碳钢防腐,处于常温下运行。废液、污泥和剩余有机物通过污水泵注入EGSB底部布水器,在生成气体和上升水流的带动下继续升流,废液、废气、污泥在EGSB顶部三相分离器作用下实现分离。塔外配有循环泵,连接EGSB上层和底层,部分废液从上至下通过循环泵,实现外循环。既能降低进水浓度,也能加速水流上升速度,使EGSB内颗粒污泥膨胀效果更好。
(一) EGSB反应器的启动:EGSB反应器是否能有效稳定运行,很大程度取决于其内部的污泥性能。污泥最好能达到颗粒状,说明内部的厌氧菌群活跃且有效 [10] 。污泥的接种来自合肥市一家污水处理厂,通过专业运输车辆拉入项目现场。在接种好污泥后,需等待一段时间至EGSB反应器内部系统趋于稳定后进行EGSB的调试。
(二) EGSB反应器的调试:对于EGSB的调试主要考察其COD、SS、pH的去除效果。每隔一周检测其进水口和出水口的COD、SS、pH等各项参数。
3.2. EGSB反应器对餐厨垃圾废液的处理效果
本项目检测了自2022年2月17日至5月26日各项污染物经EGSB餐厨垃圾废液的数据如表5。
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Table 5. From February 17 to May 26, 2022, various pollutants were monitored by EGSB kitchen waste leachate data sheet
表5. 2022年2月17日至5月26日各项污染物经EGSB餐厨垃圾渗滤液监测数据表
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Figure 2. COD concentration and removal rate of EGSB reactor influent and effluent
图2. EGSB反应器进水、出水COD浓度及去除率
由图2,图3可看出,EGSB反应器在常温下接种城市污水处理厂污泥后能正常启动运行,对于COD,SS的去除有十分优秀且稳定的效果,其中EGSB反应器在常温下对餐厨垃圾废液的COD去除率在80%~90%,对SS的去除率在62%~75%。
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Figure 3. SS concentration and removal rate of EGSB reactor influent and effluent
图3. EGSB反应器进水、出水SS浓度及去除率
EGSB反应器内pH的变化:由表5可知,餐厨垃圾废液由调节池经污水提升泵导入EGSB反应器后,pH值会有一个降低的过程,这是因为EGSB反应器内产乙酸菌的繁殖和有机酸的积累导致。日常检测中需要及时掌握EGSB反应器内pH值得变化,EGSB反应器内水解菌和产酸菌对pH值有较大的适应范围,大多数这类细菌可在pH值为5.0至8.5范围内生长良好,但产甲烷菌对pH值较为敏感,适宜的生长pH环境在6.5至7.8范围内 [11] 。所以对EGSB反应器内pH值的控制应该在此范围内,保证其正常生长繁殖。为保证EGSB反应器内pH值保持稳定状态,可向其内添加Na2CO3,NaHCO3,NaOH等。
3.3. AAO-AO一体化设备选取与启动
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Figure 4. Schematic diagram of AAO-AO structure
图4. AAO-AO结构示意图
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Table 6. Various pollutants were monitored by AAO-AO kitchen waste leachate data sheet from February 17 to May 26, 2022
表6. 2022年2月17日至5月26日各项污染物经AAO-AO餐厨垃圾渗滤液监测数据表
AAO-AO一体化设备总尺寸(L × B × H)为7 m × 2 m × 3 m,见图4。依次分为厌氧池、缺氧1池、好氧1池、缺氧2池、好氧2池、沉淀1池,沉淀2池、清水池。厌氧池(DO < 0.2 mg/L)有利于聚磷菌的生长繁殖,并进行厌氧释磷作用。接着进入缺氧池(0.2 mg/L < DO < 0.5 mg/L)进行反硝化,脱氮并生成氮气。废液进入好氧池,在异养菌等作用下进行硝化作用,废液中大量氨氮被转化为NO2−和NO3−。好氧1,2池至缺氧1,2池配有内回流管,形成内循环作用,沉淀1池至缺氧1池也配有回流管,形成污泥回流循环(外循环)。
对于AAO-AO一体化设备的接种同样选取来自合肥市污水处理厂的污泥,污泥的培养方式选择闷曝+ 静沉 + 进水 [12] ,该方法可以为污泥中的细菌微生物等提供缓冲适应能力,使其尽快适应AAO-AO一体化设备中的污水环境。其体系中的污泥会由多减少再增多,污泥的状态也会由絮状慢慢转化为颗粒状,即代表体系中的污泥已适应新体系并能提高处理能力。此套AAO-AO一体化设备 [3] 设定进水流量Q = 5 m3/d,污泥回流比为80%,内回流比为200%,好氧池混合液浓度MLSS为4000 mg/L,MLVSS为2800 mg/L,AAO-AO池中水力停留时间(HRT)为14 h。经对AAO-AO进水污染物浓度和出水污染物浓度在2022年2月17日至5月26日的监测,得到表6。其中除BOD两周一测外,其余COD,NH3-N,TN,TP,SS,pH均为一周一测。
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Figure 5. AAO-AO integrated equipment reactor influent and effluent COD concentration and removal rate
图5. AAO-AO一体化设备反应器进水、出水COD浓度及去除率
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Figure 6. AAO-AO integrated equipment reactor influent and effluent NH3-N concentration and removal rate
图6. AAO-AO一体化设备反应器进水、出水NH3-N浓度及去除率
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Figure 7. AAO-AO integrated equipment reactor influent and effluent TN concentration and removal rate
图7. AAO-AO一体化设备反应器进水、出水TN浓度及去除率
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Figure 8. AAO-AO integrated equipment reactor influent and effluent TP concentration and removal rate
图8. AAO-AO一体化设备反应器进水、出水TP浓度及去除率
图5~图8分别为自2022年2月17至5月26日AAO-AO一体化设备反应器COD,NH3-N,TN,TP进水、出水浓度及去除率,其中AAO-AO一体化设备对进水废液COD的去除率在89.75%~93.13之间,对进水废液NH3-N的去除率在92.51%~97.34%之间,对进水废液TN的去除率在91.42%~97.75%之间,对进水废液TP的去除率在87.50%~98.25%之间。
AAO-AO一体化设备中不同的水池对于餐厨垃圾废液中污染物的去除也不同,主要可划分为好氧池对NH3-N的去除,缺氧池对TN,TP的去除,整体对于废液中COD的去除。各水池内部占优生长的细菌也不同,但由于整个AAO-AO一体化设备内部是联通的,也就意味着,其内部适宜细菌的生存条件达到了动态平衡,这一点是十分重要的。在动态平衡下,各缺氧池,厌氧池,好氧池内部优势细菌虽不同,但对于餐厨垃圾废液的处理却带来了各自的优势。
4. 成本经济分析
本项目每天处理餐厨垃圾废液为5 m3,项目总投资105万,包括设备投资80万,厂房25万。平均日耗电240度,维修费为1.2万/年。投加的PAC为0.012元/m3 (PAC单价为2.4元/kg),PAM为0.07元/m3 (PAM单价为10元/kg)。日常运行人员2名,负责垃圾运输,分拣与日常餐厨垃圾处理站的管理。
5. 存在问题及展望
在整个工艺处理过程中,会出现餐厨垃圾进料种类差异大,导致各种污染物浓度起伏较大;季节变化,温度差异影响个处理单元内细菌的活性;人工操作不规范等等。基于此类问题,未来仍需重点做好以下几点:
(一) 需对收集的餐厨垃圾产生的废液定时抽检,如若污染物浓度过大,需及时进行稀释,防止其对后续生化处理造成破坏性影响。
(二) 对管理人员需进行机器操作培训,规范日常操作,及时发现问题。
(三) 调节池中需要调节废液的pH和温度。pH和废液温度均会影响EGSB和A2O-AO一体化设备中细菌和酶的活性。从而造成后续生化处理系统的不稳定性。对关键性处理单元如EGSB,A2O-AO一体机做好保温措施,为其内部细菌营造适宜温度条件。
(四) 可通过PLC系统控制EGSB与A2O-AO一体化设备的进、出废液量和曝气时间的调控,直至达到处理最优效果,从而提升整个系统的稳定性。
(五) 定期对A2O-AO一体化设备中的厌氧池、缺氧池、好氧池,进行取样检测,查看各水池状态包括水温,pH,气味变化、污泥沉降比、污泥龄、DO等。
6. 结论
此小型餐厨垃圾处理厂采用EGSB/A2O-AO生化强化处理的方式,此套工艺为餐厨垃圾分布式小型化处理,相较于大型餐厨垃圾处理厂具有占地面积小,投资及运行成本较低及减少运输过程中二次污染等特点,适用于公司,机关单位,学校食堂就地快速解决餐厨垃圾渗滤液。对餐厨垃圾渗滤液处理效果明显,EGSB反应器在常温下对餐厨垃圾废液的COD去除率为80%~90%,对SS的去除率为62%~75%。AAO-AO一体化设备对进水废液COD的去除率在89.75%~93.13之间,对进水废液NH3-N的去除率在92.51%~97.34%之间,对进水废液TN的去除率在91.42%~97.75%之间,对进水废液TP的去除率在87.50%~98.25%之间。最终出水满足《污水排入城镇下水道水质标准》,且最终出水满足《污水排入城镇下水道水质标准》(GB/T 31963-2015)。