紅外沼氣分析儀在餐廚垃圾處理中的應用

　　近日，相關政府辦公廳印發了《關于進一步做好非洲豬瘟防控工作的通知》，針對當前我國非洲豬瘟防控工作出現的新情況、新問題，對防控工作進行再安排再部署。此次《通知》還提出要全面禁止餐廚剩余物飼喂生豬。

　　《通知》為什么提出要全面禁止餐廚剩余物飼喂生豬？

　　上多年來的非洲豬瘟防控實踐表明，餐廚剩余物飼喂生豬是非洲豬瘟傳播的重要途徑。國外有專家對2008-2012年查明的219起非洲豬瘟疫情進行分析，發現45.6%的疫情系飼喂餐廚剩余物引起。我國非洲豬瘟疫情發生后，專家對疫情發生原因進行了初步分析。研究表明，在我國發生的前21起非洲豬瘟疫情中，有62%的疫情與飼喂餐廚剩余物有關。這些疫情多分布在城鄉結合部，往往呈多點集中發生，這在安徽省9月初的幾起疫情中表現尤為明顯。我們也曾在內蒙古某養豬場飼喂生豬的餐廚剩余物中檢出非洲豬瘟病毒核酸陽性。在我國要求發生疫情省份和疫情相鄰省份全面禁止餐廚剩余物飼喂生豬之后，由此引起的疫情已大為減少，這充分說明全面禁止餐廚剩余物飼喂生豬措施的重要性。此次《通知》提出要全面禁止餐廚剩余物飼喂生豬，正是對經驗的借鑒和國內前一階段防控實踐的總結。

　　可以看到飼喂餐廚剩余物有極大可能誘發非洲豬瘟，那么不再喂豬的餐廚剩余物又該如何處理？

　　一、餐廚垃圾處理方式

　　我國餐廚垃圾處理方式主要有填埋、焚燒、飼料化、堆肥、熱解和厭氧發酵等，由于我國餐廚垃圾含水率較高，焚燒、熱解就不適用。其資源化利用的基本模式有三種：一是肥料化，將餐廚垃圾中的有機物轉換成有機肥料；二是飼料化，將餐廚垃圾中的有機物轉換成有機飼料；三是厭氧發酵，將餐廚垃圾中有機物經過厭氧發酵轉換成沼氣。

　　無論哪條路線，終目的都是大化回收餐廚垃圾中的有機質，對有機質進行資源化回收利用。同時《“十三五”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃》提出：到“十三五”末，力爭新增餐廚垃圾處理能力3.44萬噸/日，城市基本建立餐廚垃圾回收和再生利用體系。餐廚垃圾減量化、資源化、無害化處理是今后餐廚垃圾處理的主要發展方向。

　　1、好氧堆肥

　　高溫堆肥是在有氧的條件下，依靠好氧微生物(主要是好氧細菌)的作用來進行的。在堆肥過程中，微生物通過自身的生命代謝活動，進行分解代謝(氧化還原過程)和合成代謝(生物合成過程)，把一部分被吸收的有機物氧化成簡單的無機物，并放出生物生長、活動所需要的能量，把另一部分有機物轉換合成新的細胞物質，使微生物生長繁殖，產生更多的生物體。好氧堆肥終形成穩定的高肥力腐殖質，其實質就是一個有機質穩定化的過程。

　　堆肥工藝優缺點分析

　　優點：工藝簡單、便于推廣、產品有農用價值

　　缺點：

　　是對有害有機物及重金屬等的污染無法很好解決、無害化不*；

　　有機肥料質量受餐廚垃圾成分制約很大，銷路往往不暢；

　　餐廚垃圾水份*，一般菌種難以進行有效分解，堆肥效果不易控制；

　　餐廚垃圾中含有大量鹽分，長期使用餐廚垃圾堆肥品可能會加劇土壤的鹽堿化；

　　污水處置將大大增加餐廚廢棄物的整體處理費用，餐廚廢棄物中油脂含量高，資源化程度不高。

　　2、飼料化工藝

　　飼料化工藝主要采用物理手段將餐廚垃圾經過高溫加熱，烘干處理，殺毒滅菌，除去鹽分等，可以終生成蛋白飼料添加劑、再生水、沼氣等可利用物質。

　　飼料化工藝優缺點分析

　　優點：機械化程度高，資源化程度高；占地較小。

　　缺點：無法避免蛋白同源性問題，業界爭議較大，在政策層面對餐廚廢棄物飼料化未定性前不作為餐廚廢棄物處理的主推工藝。

　　3、厭氧發酵

　　厭氧消化是無氧環境下有機質的自然降解過程。在此過程中微生物分解有機物，后產生甲烷和二氧化碳。影響反應的環境因素主要有溫度、pH值、厭氧條件、C/N、微量元素(如Ni、Co、Mo等)以及有毒物質的允許濃度等。

　　厭氧工藝優缺點分析

　　優點：

　　無害化程度高，且具有高的有機復合承擔能力；

　　有機質利用充分，其在實現垃圾資源化的同時，符合國家能源政策；

　　大化的回收餐廚垃圾中的油脂，提純或加工為工業原料，同時杜絕廢棄油脂返回餐桌。

　　缺點：工程占地大、投資高、工藝復雜和發酵時間長等問題。

　　各處理技術均有優缺點，在實際應用過程中應根據當地的基本情況、經濟條件、餐廚垃圾的特性等因素綜合考慮，多種處理技術綜合使用，以達到更好的處理效果和產生更大的經濟和環境效益。下面針對餐廚垃圾厭氧消化技術做詳細概述。

　　二、餐廚垃圾厭氧處理工藝形式

　　1、濕式與干式厭氧消化

　　濕式厭氧消化是進行低固體的漿液或液態消化，技術相對成熟，應用為廣泛。目前歐洲90%的消化處理采用此工藝。但濕式厭氧消化對于有機固體廢物的處理存在預處理復雜、處理能力較低的問題，而濕法中的漿液處于*混合狀態，破壞了生態的“微環境”，易受到氨氮、鹽分等物質的抑制。

　　針對濕式厭氧消化存在的問題，研究者提出了干式厭氧消化的概念。干式厭氧消化系統的固體濃度可以維持在20%~50%，從而大大提高了處理能力，而且在系統投資、設備效率、物料綜合利用等方面具有明顯的優勢，但固體濃度的增加同時導致物料中有毒物質以及傳質因素的影響加強，在具體技術應用上尚存在較多的不確定性和難度。因此，干式發酵工藝參數的確定、反應器的構建以及過程的控制等方面是其研究的重點。同時，高溫已逐漸成為干式厭氧消化工藝的選擇，這樣必然增加處理工藝的能耗。因此，實現餐廚垃圾干式厭氧消化工藝中的能量產耗平衡也是研究必須考慮的問題。

　　餐廚垃圾的含固率較高，一般在20%左右，而且物料組成復雜，有機質含量高，極易酸化，從而對產甲烷相有機物活性產生抑制。若直接采用干式厭氧消化，則餐廚垃圾易酸化水解的特點使如何控制反應器內的產酸速率和維持pH的穩定成干式厭氧消化工藝的難點；若采用濕式消化，可降低物料對微生物的抑制性影響，但處理能力較低。因此，保持餐廚垃圾原有基質狀態加以適當調理，在較為合適的含固率下進行厭氧消化處理，符合餐廚垃圾處理產業化的要求。

　　2、單相與兩相厭氧消化

　　單相厭氧消化過程簡單，易于控制，但由于厭氧消化所有階段在同一條件下進行，使得各階段的較好反應條件無法實現，反應器在相互制約的條件下運行，無法實現較高的產甲烷效率。

　　為彌補單項厭氧消化的缺陷，有學者提出一種改進的兩相消化過程用來處理有機垃圾。該消化系統包括水解酸化反應器和產甲烷反應器2各部分，從而為兩類微生物菌群分別提供適宜的生長環境，提高了整個厭氧消化的效率。

　　兩相消化的重點在于相分離，因此，針對不同的廢水（廢物），結合各種厭氧反應器的特點和運行參數控制，進行相分離控制以達到更好的處理效果是關鍵。近年來，基于兩相消化的半連續式固液混合厭氧系統和三段式消化系統在實際運用中得到了較好的運行效果。

　　3、餐廚垃圾聯合厭氧消化技術

　　通過大量研究表明，餐廚垃圾和一些有機固體廢物共同處理時可以提高厭氧消化效率，改善系統的穩定性及甲烷產量。餐廚垃圾聯合厭氧消化技術主要有：

　　（1）餐廚垃圾與動物糞便聯合厭氧消化

　　餐廚垃圾由于有機物含量高，在厭氧發酵過程中容易導致揮發酸含量過高，發酵過程酸化的現象。而動物糞便營養物含量及C/N值低，單獨消化時容易產生NH3-N抑制的問題。兩者一起處理正好可解決酸化的現象和NH3-N抑制的問題，提高系統的穩定性。

　　維持餐廚垃圾與牛糞比例為2∶1時，比單獨的餐廚垃圾產甲烷量提高41.1%，這歸因于牛糞中蛋白質含量高，產氣性能提升。

　　（2）餐廚垃圾與果蔬垃圾聯合厭氧消化

　　餐廚垃圾中含有鹽與油脂，這些物質對厭氧發酵有抑制作用。果蔬垃圾中含有大量的纖維素，可起到濃度稀釋作用，減輕鹽與油脂對反應體系的抑制作用，提高有機物去除率和產氣量，更好的實現垃圾的資源化處理。

　　呂琛等人通過研究發現果蔬與餐廚的比例為5:8、進料負荷2%時產氣性能較好，比2%～6%的單一餐廚和單一果蔬原料分別高4.5%～18%和7.1%～510%。

　　（3）餐廚垃圾與農作物秸稈聯合厭氧消化

　　農作物秸稈主要成分是木質素、纖維素、半纖維等，生物降解較為困難，但農作物秸稈中C/N高，具有較高的發酵潛力。

　　周祺等人研究發現當調節餐廚垃圾與玉米秸稈的混合比例，使原料C/N為20，并高于相同負荷下餐廚垃圾或玉米秸稈單獨厭氧消化的產甲烷量。

　　（4）餐廚垃圾與活性污泥聯合厭氧消化

　　活性污泥與動物糞便的性質類似，營養物含量及C/N值低，單獨消化時容易產生NH3-N抑制的問題。因此，活性污泥與餐廚垃圾聯合處理是可行的。

　　三、應用案例：餐廚垃圾無害化處理余氣利用項目

　　1、項目概況

　　長沙市某餐廚垃圾無害化處理項目于2012年6月實行，由湖南某餐廚垃圾處理有限公司負責餐廚垃圾的收集、無害化處理。截止目前，長沙市大中型餐廚垃圾產生單位已實現收集全覆蓋，有效解決了長沙市餐廚垃圾無序收集對食品安全的危害。杜絕了“地溝油。潲水油”回流餐桌對市民健康的影響，推動了長沙市“兩型社會”和“食品安全城市建設”，鞏固了文明城市創建成果，真正實現了餐廚垃圾無害化處理。

餐廚垃圾的收集轉運

　　目前該項目廠區每天無害化處理餐廚垃圾約375t，沼氣發生量約為2萬Nm³/d。廠區東部已建沼氣提純設施，餐廚垃圾無害化處理過程產生的沼氣經過預處理后小部分用于3臺蒸汽鍋爐供熱，大部分經提純達到《車用壓縮天然氣》（GB18047-2000）的標準要求后用于制取壓縮天然氣，然后通過CNG槽車將天然氣運送至CNG子站，每日可滿足長沙市約700臺出租車的用氣要求。

厭氧消化工藝現場

　　由于2016年以來天然氣*，造成壓縮天然氣一直在低價徘徊，使得企業一直無法正常運營，2017年1月1日起，公司決定停止燃氣生產，沼氣除自用外，其余采取火炬燃燒、自然放散處理，既不安全又浪費資源。2017年11月，某電力公司入駐，投資3600萬購買現有沼氣預處理裝置，并利用現有沼氣提純用地，新增部分設備，新建餐廚垃圾無害化處理余氣利用項目，并承擔項目運營。

　　2、項目方案

　　每天回收的餐廚垃圾首先將通過處理設備進行組合分揀、除雜破碎、蒸煮反應、固液分離、機械壓榨等流程，將其中的廢油、廢水和廢渣分離開，廢油脂通過加工制成工業級混合油和生物柴油，廢水通過厭氧發酵處理達標排放，廢水處理過程產生的沼氣用于發電，廢渣通過蠅蛆養殖制成高蛋白飼料原料，沼液、沼渣作為有機肥用于農林施肥。目前，該項目已擁有各類技術十余項，日處理能力可達800噸，對于收集的餐廚垃圾無害化處理率和資源化利用率達到*。2012年至今，累計收集處理餐廚垃圾約80萬余噸，提取餐廚廢油脂4萬余噸。

餐廚垃圾變廢為寶示意圖

　　其中，餐廚垃圾無害化處理余氣利用方案如下：

　　（1）沼氣發電

　　在原沼氣提純區域，項目已拆除現有的2臺壓縮機、1臺充氣樁，承接原沼氣預處理設施和蒸汽鍋爐，并新增安裝了2臺1.1MW內燃機發電機組、2臺額定蒸發量為0.8t/h的余熱鍋爐、1臺裝機規模為2500kVA的變壓器等設備。

　　沼氣利用量為2萬Nm³/d(730Nm³/a)，沼氣經提純后5000Nm³/d進入現有的1臺4t/h蒸汽鍋爐，產生的蒸汽作為垃圾蒸煮工藝熱源，其余15000Nm³/d沼氣進入新增的發電機組進行發電，發電機組電機端發電生產400V交流電，經過1500萬kW•h/a，其中200萬kW•h/a由廠區生產、生活自用，其余1300萬kW•h/a經10kV中洪線并入*。

沼氣發電項目現場

　　①主要生產設備

　　預處理系統：雙膜氣柜、過濾器、鼓風機、前置冷卻器、濕式脫硫塔、富液槽、再生泵、脫硫氣液分離器、脫硫泵、貧液槽、干式脫硫塔、在線氣體分析儀、噴射再生槽、前置分離器、硫泡沫槽、硫泡沫泵、硫泡沫壓濾機、冷卻塔、蒸汽鍋爐、鍋爐軟化水裝置。

　　沼氣發電系統：沼氣發電機組

　　②經濟技術指標

　　沼氣發電項目主要經濟技術指標一覽表

　　③沼氣發電項目監測

　　由于沼氣發電對沼氣氣質有一定要求，因此在沼氣進入發電機組前，需要進行脫硫凈化處理，保證沼氣氣質滿足以下參數要求：

沼氣發電項目原料氣參數表

　　項目通過兩臺初級過濾器（除濕、除雜）、一套濕法脫硫塔、兩套干法脫硫塔（并聯）等進行沼氣的脫硫凈化。同時，為了保證沼氣脫硫凈化效果，項目采用銳意自控防爆型在線紅外氣體分析儀Gasboard-3500，用于在線監測沼氣脫硫凈化后的CH4,CO2,O2,H2S氣體體積濃度，幫助現場工作人員直觀準確地了解并掌握沼氣脫硫凈化效果，有依據地進行脫硫凈化工藝優化，保證沼氣發電機組的使用壽命和發電效率。

　　            左圖：沼氣脫硫凈化設備                                  右圖：紅外氣體分析儀Gasboard-3500

　　（2）余熱利用

　　內燃發電機組燃燒產生的高溫煙氣進入余熱蒸汽鍋爐，產生的蒸汽進入餐廚垃圾分選處理車間，用作餐廚垃圾蒸煮熱源，另外，利用發電機組套缸余熱用來制取生活熱水，供廠區工人洗浴，達到熱電聯供效果。

　　不難發現，每天600余噸的餐廚垃圾得以從餐桌順利進入無害化處理終端，技術保障是*的。但相比已經形成“長沙模式”的餐廚垃圾無害化處理，如今正在全力推進的生活垃圾分類處置仍面對前端公眾參與度不高、后端配套設施欠缺的挑戰，前路依舊任重而道遠。其次，我國《食品安全法》、《農產品質量安全法》、《城市生活垃圾管理辦法》等法律法規，也都嚴格禁止餐廚剩余物喂養牲畜，禁止餐廚剩余物經營、轉運。但偷偷將餐廚剩余物喂養牲畜的現象仍時有發生，這些現象的產生主要還是因為當前各地對餐廚廢棄物處理的配套設備設施建設不夠完善。隨著非洲豬瘟疫情發酵，餐廚剩余物喂豬現象有望得到全面禁止，相關餐廚剩余物處理設備設施生產企業還需抓緊機遇，加快設備設施布局，推動餐廚剩余物喂豬問題的解決。