红外沼气分析仪在餐厨垃圾处理中的应用

　　近日，相关政府办公厅印发了《关于进一步做好非洲猪瘟防控工作的通知》，针对当前我国非洲猪瘟防控工作出现的新情况、新问题，对防控工作进行再安排再部署。此次《通知》还提出要全面禁止餐厨剩余物饲喂生猪。

　　《通知》为什么提出要全面禁止餐厨剩余物饲喂生猪？

　　上多年来的非洲猪瘟防控实践表明，餐厨剩余物饲喂生猪是非洲猪瘟传播的重要途径。国外有专家对2008-2012年查明的219起非洲猪瘟疫情进行分析，发现45.6%的疫情系饲喂餐厨剩余物引起。我国非洲猪瘟疫情发生后，专家对疫情发生原因进行了初步分析。研究表明，在我国发生的前21起非洲猪瘟疫情中，有62%的疫情与饲喂餐厨剩余物有关。这些疫情多分布在城乡结合部，往往呈多点集中发生，这在安徽省9月初的几起疫情中表现尤为明显。我们也曾在内蒙古某养猪场饲喂生猪的餐厨剩余物中检出非洲猪瘟病毒核酸阳性。在我国要求发生疫情省份和疫情相邻省份全面禁止餐厨剩余物饲喂生猪之后，由此引起的疫情已大为减少，这充分说明全面禁止餐厨剩余物饲喂生猪措施的重要性。此次《通知》提出要全面禁止餐厨剩余物饲喂生猪，正是对经验的借鉴和国内前一阶段防控实践的总结。

　　可以看到饲喂餐厨剩余物有极大可能诱发非洲猪瘟，那么不再喂猪的餐厨剩余物又该如何处理？

　　一、餐厨垃圾处理方式

　　我国餐厨垃圾处理方式主要有填埋、焚烧、饲料化、堆肥、热解和厌氧发酵等，由于我国餐厨垃圾含水率较高，焚烧、热解就不适用。其资源化利用的基本模式有三种：一是肥料化，将餐厨垃圾中的有机物转换成有机肥料；二是饲料化，将餐厨垃圾中的有机物转换成有机饲料；三是厌氧发酵，将餐厨垃圾中有机物经过厌氧发酵转换成沼气。

　　无论哪条路线，终目的都是大化回收餐厨垃圾中的有机质，对有机质进行资源化回收利用。同时《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》提出：到“十三五”末，力争新增餐厨垃圾处理能力3.44万吨/日，城市基本建立餐厨垃圾回收和再生利用体系。餐厨垃圾减量化、资源化、无害化处理是今后餐厨垃圾处理的主要发展方向。

　　1、好氧堆肥

　　高温堆肥是在有氧的条件下，依靠好氧微生物(主要是好氧细菌)的作用来进行的。在堆肥过程中，微生物通过自身的生命代谢活动，进行分解代谢(氧化还原过程)和合成代谢(生物合成过程)，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并放出生物生长、活动所需要的能量，把另一部分有机物转换合成新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体。好氧堆肥终形成稳定的高肥力腐殖质，其实质就是一个有机质稳定化的过程。

　　堆肥工艺优缺点分析

　　优点：工艺简单、便于推广、产品有农用价值

　　缺点：

　　是对有害有机物及重金属等的污染无法很好解决、无害化不*；

　　有机肥料质量受餐厨垃圾成分制约很大，销路往往不畅；

　　餐厨垃圾水份*，一般菌种难以进行有效分解，堆肥效果不易控制；

　　餐厨垃圾中含有大量盐分，长期使用餐厨垃圾堆肥品可能会加剧土壤的盐碱化；

　　污水处置将大大增加餐厨废弃物的整体处理费用，餐厨废弃物中油脂含量高，资源化程度不高。

　　2、饲料化工艺

　　饲料化工艺主要采用物理手段将餐厨垃圾经过高温加热，烘干处理，杀毒灭菌，除去盐分等，可以终生成蛋白饲料添加剂、再生水、沼气等可利用物质。

　　饲料化工艺优缺点分析

　　优点：机械化程度高，资源化程度高；占地较小。

　　缺点：无法避免蛋白同源性问题，业界争议较大，在政策层面对餐厨废弃物饲料化未定性前不作为餐厨废弃物处理的主推工艺。

　　3、厌氧发酵

　　厌氧消化是无氧环境下有机质的自然降解过程。在此过程中微生物分解有机物，后产生甲烷和二氧化碳。影响反应的环境因素主要有温度、pH值、厌氧条件、C/N、微量元素(如Ni、Co、Mo等)以及有毒物质的允许浓度等。

　　厌氧工艺优缺点分析

　　优点：

　　无害化程度高，且具有高的有机复合承担能力；

　　有机质利用充分，其在实现垃圾资源化的同时，符合国家能源政策；

　　大化的回收餐厨垃圾中的油脂，提纯或加工为工业原料，同时杜绝废弃油脂返回餐桌。

　　缺点：工程占地大、投资高、工艺复杂和发酵时间长等问题。

　　各处理技术均有优缺点，在实际应用过程中应根据当地的基本情况、经济条件、餐厨垃圾的特性等因素综合考虑，多种处理技术综合使用，以达到更好的处理效果和产生更大的经济和环境效益。下面针对餐厨垃圾厌氧消化技术做详细概述。

　　二、餐厨垃圾厌氧处理工艺形式

　　1、湿式与干式厌氧消化

　　湿式厌氧消化是进行低固体的浆液或液态消化，技术相对成熟，应用为广泛。目前欧洲90%的消化处理采用此工艺。但湿式厌氧消化对于有机固体废物的处理存在预处理复杂、处理能力较低的问题，而湿法中的浆液处于*混合状态，破坏了生态的“微环境”，易受到氨氮、盐分等物质的抑制。

　　针对湿式厌氧消化存在的问题，研究者提出了干式厌氧消化的概念。干式厌氧消化系统的固体浓度可以维持在20%~50%，从而大大提高了处理能力，而且在系统投资、设备效率、物料综合利用等方面具有明显的优势，但固体浓度的增加同时导致物料中有毒物质以及传质因素的影响加强，在具体技术应用上尚存在较多的不确定性和难度。因此，干式发酵工艺参数的确定、反应器的构建以及过程的控制等方面是其研究的重点。同时，高温已逐渐成为干式厌氧消化工艺的选择，这样必然增加处理工艺的能耗。因此，实现餐厨垃圾干式厌氧消化工艺中的能量产耗平衡也是研究必须考虑的问题。

　　餐厨垃圾的含固率较高，一般在20%左右，而且物料组成复杂，有机质含量高，极易酸化，从而对产甲烷相有机物活性产生抑制。若直接采用干式厌氧消化，则餐厨垃圾易酸化水解的特点使如何控制反应器内的产酸速率和维持pH的稳定成干式厌氧消化工艺的难点；若采用湿式消化，可降低物料对微生物的抑制性影响，但处理能力较低。因此，保持餐厨垃圾原有基质状态加以适当调理，在较为合适的含固率下进行厌氧消化处理，符合餐厨垃圾处理产业化的要求。

　　2、单相与两相厌氧消化

　　单相厌氧消化过程简单，易于控制，但由于厌氧消化所有阶段在同一条件下进行，使得各阶段的较好反应条件无法实现，反应器在相互制约的条件下运行，无法实现较高的产甲烷效率。

　　为弥补单项厌氧消化的缺陷，有学者提出一种改进的两相消化过程用来处理有机垃圾。该消化系统包括水解酸化反应器和产甲烷反应器2各部分，从而为两类微生物菌群分别提供适宜的生长环境，提高了整个厌氧消化的效率。

　　两相消化的重点在于相分离，因此，针对不同的废水（废物），结合各种厌氧反应器的特点和运行参数控制，进行相分离控制以达到更好的处理效果是关键。近年来，基于两相消化的半连续式固液混合厌氧系统和三段式消化系统在实际运用中得到了较好的运行效果。

　　3、餐厨垃圾联合厌氧消化技术

　　通过大量研究表明，餐厨垃圾和一些有机固体废物共同处理时可以提高厌氧消化效率，改善系统的稳定性及甲烷产量。餐厨垃圾联合厌氧消化技术主要有：

　　（1）餐厨垃圾与动物粪便联合厌氧消化

　　餐厨垃圾由于有机物含量高，在厌氧发酵过程中容易导致挥发酸含量过高，发酵过程酸化的现象。而动物粪便营养物含量及C/N值低，单独消化时容易产生NH3-N抑制的问题。两者一起处理正好可解决酸化的现象和NH3-N抑制的问题，提高系统的稳定性。

　　维持餐厨垃圾与牛粪比例为2∶1时，比单独的餐厨垃圾产甲烷量提高41.1%，这归因于牛粪中蛋白质含量高，产气性能提升。

　　（2）餐厨垃圾与果蔬垃圾联合厌氧消化

　　餐厨垃圾中含有盐与油脂，这些物质对厌氧发酵有抑制作用。果蔬垃圾中含有大量的纤维素，可起到浓度稀释作用，减轻盐与油脂对反应体系的抑制作用，提高有机物去除率和产气量，更好的实现垃圾的资源化处理。

　　吕琛等人通过研究发现果蔬与餐厨的比例为5:8、进料负荷2%时产气性能较好，比2%～6%的单一餐厨和单一果蔬原料分别高4.5%～18%和7.1%～510%。

　　（3）餐厨垃圾与农作物秸秆联合厌氧消化

　　农作物秸秆主要成分是木质素、纤维素、半纤维等，生物降解较为困难，但农作物秸秆中C/N高，具有较高的发酵潜力。

　　周祺等人研究发现当调节餐厨垃圾与玉米秸秆的混合比例，使原料C/N为20，并高于相同负荷下餐厨垃圾或玉米秸秆单独厌氧消化的产甲烷量。

　　（4）餐厨垃圾与活性污泥联合厌氧消化

　　活性污泥与动物粪便的性质类似，营养物含量及C/N值低，单独消化时容易产生NH3-N抑制的问题。因此，活性污泥与餐厨垃圾联合处理是可行的。

　　三、应用案例：餐厨垃圾无害化处理余气利用项目

　　1、项目概况

　　长沙市某餐厨垃圾无害化处理项目于2012年6月实行，由湖南某餐厨垃圾处理有限公司负责餐厨垃圾的收集、无害化处理。截止目前，长沙市大中型餐厨垃圾产生单位已实现收集全覆盖，有效解决了长沙市餐厨垃圾无序收集对食品安全的危害。杜绝了“地沟油。潲水油”回流餐桌对市民健康的影响，推动了长沙市“两型社会”和“食品安全城市建设”，巩固了文明城市创建成果，真正实现了餐厨垃圾无害化处理。

餐厨垃圾的收集转运

　　目前该项目厂区每天无害化处理餐厨垃圾约375t，沼气发生量约为2万Nm³/d。厂区东部已建沼气提纯设施，餐厨垃圾无害化处理过程产生的沼气经过预处理后小部分用于3台蒸汽锅炉供热，大部分经提纯达到《车用压缩天然气》（GB18047-2000）的标准要求后用于制取压缩天然气，然后通过CNG槽车将天然气运送至CNG子站，每日可满足长沙市约700台出租车的用气要求。

厌氧消化工艺现场

　　由于2016年以来天然气*，造成压缩天然气一直在低价徘徊，使得企业一直无法正常运营，2017年1月1日起，公司决定停止燃气生产，沼气除自用外，其余采取火炬燃烧、自然放散处理，既不安全又浪费资源。2017年11月，某电力公司入驻，投资3600万购买现有沼气预处理装置，并利用现有沼气提纯用地，新增部分设备，新建餐厨垃圾无害化处理余气利用项目，并承担项目运营。

　　2、项目方案

　　每天回收的餐厨垃圾首先将通过处理设备进行组合分拣、除杂破碎、蒸煮反应、固液分离、机械压榨等流程，将其中的废油、废水和废渣分离开，废油脂通过加工制成工业级混合油和生物柴油，废水通过厌氧发酵处理达标排放，废水处理过程产生的沼气用于发电，废渣通过蝇蛆养殖制成高蛋白饲料原料，沼液、沼渣作为有机肥用于农林施肥。目前，该项目已拥有各类技术十余项，日处理能力可达800吨，对于收集的餐厨垃圾无害化处理率和资源化利用率达到*。2012年至今，累计收集处理餐厨垃圾约80万余吨，提取餐厨废油脂4万余吨。

餐厨垃圾变废为宝示意图

　　其中，餐厨垃圾无害化处理余气利用方案如下：

　　（1）沼气发电

　　在原沼气提纯区域，项目已拆除现有的2台压缩机、1台充气桩，承接原沼气预处理设施和蒸汽锅炉，并新增安装了2台1.1MW内燃机发电机组、2台额定蒸发量为0.8t/h的余热锅炉、1台装机规模为2500kVA的变压器等设备。

　　沼气利用量为2万Nm³/d(730Nm³/a)，沼气经提纯后5000Nm³/d进入现有的1台4t/h蒸汽锅炉，产生的蒸汽作为垃圾蒸煮工艺热源，其余15000Nm³/d沼气进入新增的发电机组进行发电，发电机组电机端发电生产400V交流电，经过1500万kW•h/a，其中200万kW•h/a由厂区生产、生活自用，其余1300万kW•h/a经10kV中洪线并入*。

沼气发电项目现场

　　①主要生产设备

　　预处理系统：双膜气柜、过滤器、鼓风机、前置冷却器、湿式脱硫塔、富液槽、再生泵、脱硫气液分离器、脱硫泵、贫液槽、干式脱硫塔、在线气体分析仪、喷射再生槽、前置分离器、硫泡沫槽、硫泡沫泵、硫泡沫压滤机、冷却塔、蒸汽锅炉、锅炉软化水装置。

　　沼气发电系统：沼气发电机组

　　②经济技术指标

　　沼气发电项目主要经济技术指标一览表

　　③沼气发电项目监测

　　由于沼气发电对沼气气质有一定要求，因此在沼气进入发电机组前，需要进行脱硫净化处理，保证沼气气质满足以下参数要求：

沼气发电项目原料气参数表

　　项目通过两台初级过滤器（除湿、除杂）、一套湿法脱硫塔、两套干法脱硫塔（并联）等进行沼气的脱硫净化。同时，为了保证沼气脱硫净化效果，项目采用锐意自控防爆型在线红外气体分析仪Gasboard-3500，用于在线监测沼气脱硫净化后的CH4,CO2,O2,H2S气体体积浓度，帮助现场工作人员直观准确地了解并掌握沼气脱硫净化效果，有依据地进行脱硫净化工艺优化，保证沼气发电机组的使用寿命和发电效率。

　　            左图：沼气脱硫净化设备                                  右图：红外气体分析仪Gasboard-3500

　　（2）余热利用

　　内燃发电机组燃烧产生的高温烟气进入余热蒸汽锅炉，产生的蒸汽进入餐厨垃圾分选处理车间，用作餐厨垃圾蒸煮热源，另外，利用发电机组套缸余热用来制取生活热水，供厂区工人洗浴，达到热电联供效果。

　　不难发现，每天600余吨的餐厨垃圾得以从餐桌顺利进入无害化处理终端，技术保障是*的。但相比已经形成“长沙模式”的餐厨垃圾无害化处理，如今正在全力推进的生活垃圾分类处置仍面对前端公众参与度不高、后端配套设施欠缺的挑战，前路依旧任重而道远。其次，我国《食品安全法》、《农产品质量安全法》、《城市生活垃圾管理办法》等法律法规，也都严格禁止餐厨剩余物喂养牲畜，禁止餐厨剩余物经营、转运。但偷偷将餐厨剩余物喂养牲畜的现象仍时有发生，这些现象的产生主要还是因为当前各地对餐厨废弃物处理的配套设备设施建设不够完善。随着非洲猪瘟疫情发酵，餐厨剩余物喂猪现象有望得到全面禁止，相关餐厨剩余物处理设备设施生产企业还需抓紧机遇，加快设备设施布局，推动餐厨剩余物喂猪问题的解决。