在湿垃圾源头分类短期成效低、传统预处理又面临挑战的情况下,高压挤压如黑夜划过的一道光亮,但它是预处理的终极手段,还是外强中干?本文从有机质损失率、除杂除砂率、产沼率、停留时间、经济性、案例六个角度一探究竟。1.传统预处理介绍我国餐厨垃圾有三高:含水高、含杂高、含油高,其中杂质高影响

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高压挤压:预处理的终极手段?

2020-03-18 09:48 来源: 环保多巴胺 作者: 莫龙庭

在湿垃圾源头分类短期成效低、传统预处理又面临挑战的情况下,高压挤压如黑夜划过的一道光亮,但它是预处理的终极手段,还是外强中干?本文从有机质损失率、除杂除砂率、产沼率、停留时间、经济性、案例六个角度一探究竟。

1. 传统预处理介绍

我国餐厨垃圾有三高:含水高、含杂高、含油高,其中杂质高影响最大,因而合适的预处理是系统运行的关键。

国内外预处理工艺大方向基本趋同,基本围绕分选、制浆、除油三部进行。当前应用较广的预处理技术为人工分选+破袋+滚筒筛+磁选+精分制浆+除砂除杂+油水分离,但弊端较多。

在此基础上,又出现了系列改进工艺,例如普拉克在重庆黑石子项目提出的“滚筒筛(60mm)+自动分选制浆一体机”,实现了制浆除杂一体化,提高了分离效率,但杂质多时,转锤易出现磨损。以及维尔利在上海松江湿垃圾等项目应用的“分选破碎一体机+淋滤水解工艺”, 其原理与制浆分选一体机一致,但粒径更小(20mm),且利用淋滤水解可低成本地回收有机质,但水解需2-3天,占地较大。

但总体而言,传统预处理仍面临如下弊端:

传统分选效果较差。餐厨浆料含杂多,尤其经过分选或破碎后大量惰性物进入后续系统,一方面加重了高速提油等设备的磨损;另一方面,轻质浮渣中纤维类物质影响厌氧体系的通透性和产沼率;大密度硬质惰性物如砂砾等会沉积反应池底部,挤占库容,造成水力短流,阻碍排泥,影响搅拌。

杂质多,过度筛分导致成本增加及有机质损失。为规避杂质过多的问题,当前常采用过度的筛分分离设备,由此拉长工艺链,增加了系统的投资和运营成本,同时造成大量有机质在筛分分离过程中大量损失。部分传统分选案例,沼气产量偏低,仅约40m³/t 厨余垃圾。

餐厨成分复杂多变,传统工艺复杂,工艺链长。传统分选主要根据垃圾物理性质,如密度、粒度、光学、电磁特性等,采用手选、筛选、重选、磁选、浮选等装置,工艺链长,由此带来臭气控制问题、投资成本及运营成本高、复杂工艺带来的卡、堵问题、操作管理等问题。

成分差别大,缺少普适性。我国幅员辽阔,各地饮食习惯不同,餐厨垃圾成分差别大,例如东部沿海贝壳多,西南油脂多。较大的差异导致预处理系统缺乏普适性,国外工艺在国内水土不服即是表现之一。

由上可见,好的预处理应满足:

  • 最大化去除杂质;

  • 最大化保留有机质及油脂;

  • 适应性好,能接受各类干扰物;

  • 自动化程度高,人工恶劣环境的暴露少;

  • 臭气少,经济性高;

对准则1及2, 2017年《餐厨垃圾处理厂运行维护技术规程征求意见稿》要求如下:

  • 杂质分选率>95%、除砂率>90%。

  • 有机物损失率<5%。若只追求预处理出料纯度,前端就难免以损失有机物为代价 ,二者存在技术上的相互制约 ,因此需寻求一个平衡点。目前运行厂有机物损失率约 10%。

  • 制浆粒径<8mm(国外<12mm)、油脂提取率>95%。

2. 高压挤压预处理

在源头分类短期之内成效低、传统预处理又面临挑战的情况下,高压挤压似乎是一个现实的选择。

高压挤压技术(High Pressure Extrusion,HPE)源于国外,主要用于生活垃圾、有机垃圾的预处理,处理规模约200-1000t/d,代表企业包括加拿大的Anaergia(参见新加坡餐厨垃圾案例)等。

其基本过程是将 10~100MPa 压力作用在垃圾上,延展性好的有机物从筛孔被挤出,即呈浆状的湿组分;其它垃圾则在箱体内被压缩成干饼状的干组分。干组分焚烧发电,湿组分厌氧消化。

区别于常螺旋挤压将餐厨垃圾含水率从83%降低至73%,高压挤压后干组分含水率仅约35%。

尽管听起来简单高效(如下图示,来源:启迪桑德),但当HPE近两年国内应用之时,却遭到较大争议。以下从三方面进行分析。

2.1 技术面1:厌氧预处理指标分析

Jank 等对餐厨及庭院垃圾的混合垃圾进行20~30MPa挤压试验,筛孔直径为 8mm,获得湿组分量约 87%。湿组分中,有机物含量占比90%(有机物损失率约10%),且有机质粒径小于10 mm 的占 94%,有利于厌氧消化,经 21 d 发酵,其产甲烷量达到 360 mL/gVS。此外,近100%的硬塑料、99%的金属、92%的玻璃残留于干组分,分离效果显著。

但从整体分离角度而言,单纯挤压的除砂率仅43%、杂质分选率约74%,效果较差(国内要求杂质分选率>95%、除砂率>90%),尤其是57%的砂砾及33%的塑料膜进入到了湿组分。碎玻璃、砂石类等重质惰性物会磨损设备、挤占库容。而碎塑料、废纸等轻杂质易漂浮于消化液液面和缠绕在搅拌器上,造成搅拌不充分,液面浮层还会阻碍 H2/CO2型产甲烷过程。

可见直接高压挤压,有机质损失率与国内主流预处理工艺相似,但湿组分中存在一定杂质,导致湿组分厌氧消化前需进一步筛分。

鉴于此,国内近两年兴起的挤压预处理进一步考虑了除砂除杂。例如专利CN108015099A公开了基于两级挤压技术的餐厨垃圾预处理工艺和系统,该方案相比于常规预处理具有一定优势,但也存在利用缓冲池进行排砂处理,实际去除效果不佳,后续物料中仍含有部分砂质杂质。

启迪桑德在此基础上,进一步改进。基本过程为餐厨垃圾在10~20MPa下挤压,湿组分从挤压腔表面小孔(3~6mm,孔径更小)挤出,含固率约10%~20%,其它干组分在排料口排出,含固率约40%~50%。湿组分(餐厨浆料)通过输送泵送至沉砂单元,沉砂机内剩余浆料通过溢流方式流出并进入物料缓存罐暂存,再输送至除杂单元,用于去除浆料中存在的部分轻质杂质,从而保护后续油水分离设备;最后浆液经加热及缓冲,进入三相分离。

以桑德200t/d餐厨垃圾为例,杂质总计约11t,经高压挤压后,杂质分选率约73%,挤压后的湿浆料仍含有约27%的轻质杂质(塑料片、纤维等,约10t,TS30%)。但沉砂机似乎尚未启用,除砂率及有机物损失率未知。

由此可见,高压挤压无法直接替代传统预处理系统,挤压后仍需进一步除杂,但其简单高效的完成了初步的制浆除杂一体化,从这个角度,叫高压挤压制浆除杂一体化机似乎更合适?


2.2 HPE对后续厌氧其他影响

考虑高压可能对微观结构的改变,因此有必要考察高压挤压对后续厌氧的影响。

1) 高压挤压可促进有机物水解酸化。

清华大学与北京环卫利用小型高压挤压装置,以10~40MPa 挤压自配的生活垃圾,表明预处理后湿组分COD、VFA、蛋白质溶出量和溶出速度都有所提高。因为压力越大,其结构受到高压的破坏越严重,颗粒物更小,比表面积越大。同时,细胞壁和细胞膜破坏更彻底,胞内有机物溶出越多,一些聚合大分子在高强度挤压过程中还可能遭到破坏,改变其溶解特性,这有益于水解酸化过程。这对于提高高 TS 底物产沼效率帮助极大,因为高TS底物中,水解是限速步骤。这在董村生活垃圾挤压运行结果中得到验证。

2) 高压挤压可转变一些不能降解的有机物。

由于木质纤维素结构坚硬,通常仅30-50%的有机物能实现降解产沼,Hjorth等研究显示,针对以纤维素为主的生物质挤压挤压后绝大多数样品沼气产量增加10%-20%。这是由于挤压使颗粒变小,增加了比表面积,同时有机聚合物在压力及压力释放瞬间的剪切力作用下遭到破坏,木质素-半纤维素-纤维素结构遭到分解,从而溶解糖和溶解干物质得以增加(TDS和溶解游离糖分别增加了高达60%和30%),为厌氧增加了小分子碳源,二者共同提高了物料的降解率(即沼气产量,尤其是有机聚合物的破坏)和降解速度(从而减小停留时间)。

小麦秸秆(含固率40%)高压挤压前后图

这验证了Karunanithy等研究,高压挤压的确会对纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质等产生解聚作用。如果压强够大,还能产生热作用。类似研究还有:Marousek等对颗粒状干草的挤压预处理导致沼气产量增加了33%、Pilarski等对玉米青贮饲料挤压后甲烷产量提高35%。

由此可见,针对当前我国火热开展的厨余垃圾,其含杂率更高,且多为未经热处理的“生料”,纤维素类含量高,致有机成分生物降解过程长,高压挤压似乎不失为一个好的选择(广州600t厨余垃圾即采用高压挤压技术)。

3) 过高压力会导致酸抑制及更多杂质挤出。

当然,并不是压力越大越好。清华大学研究显示,过高压力(40 MPa)加剧了湿组分在水解酸化过程中的酸抑制(小分子酸性物质快速大量产生,同时强大挤压力破坏微观结构,使胞内有机物提前释放)。40MPa 压力下湿组分水解液初始 pH 值低至 4.7,出现明显酸抑制,因此 20MPa和 30MPa 压力相对更适宜。

类似地,龙澄环保研究表明在40 MPa条件下,虽然干组分含水率更低,但C、H元素含量下降,热值也有所降低,同时湿组分厌氧消化性能也劣于20 MPa获得的湿组分。原因是高压力下,更多的塑料、纸张等难降解、高热值的组分随湿组分被挤出,导致湿组分杂质增加,同时也影响物料C/N比,从而导致缺氮或氨氮浓度过高。

2.3 经济性

整体而言,对高压挤压的经济性目前尚无全面完善的评估,以下选取国内外两项研究结果供初步参考:

据清华大学及北京环卫数据,高压挤压设备投资成本为9万元/吨,运营成本40元/吨,电耗12kwh/吨。

丹麦Hjorth针对纤维素为主的生物质挤压研究实现,相比Q1,Q4挤压了1500吨,由此沼气产量增加了90%,这相当于975MWh(尽管这种增加是物料干物质翻倍和挤压的共同作用,但挤压带来的增加作用依然非常明显),但对应挤压能耗仅为68MWh。

据2014年推测,丹麦挤压设备的维护及折旧成本约 140元/t生物质。加上电耗,挤压设备成本总计约200元/t。相比增加的沼气产量,挤压增加收益约220元/t。

大规模商业应用的经济性,可参考如下应用案例。

2.4 国内应用案例

伴随湿垃圾的火热,高压挤压近两年开始在国内崭露头角,主要应用如下。

1) 启迪桑德:国内高压挤压案例及专利最多企业。

湿垃圾高压挤压技术目前授权专利25项,其中发明专利5项,相关设备参数如下:

目前公司已实施15条餐厨垃圾、2条生活垃圾高压挤压预处理线。包括

  • 金华市餐厨垃圾110 t/d,配置1条分选破碎线+1条高压挤压线,2015年运行。

  • 成都市中心城区餐厨垃圾330t/d,配置2条高压挤压线,2018年运行。

  • 齐齐哈尔市餐厨-污泥项目200t/d,配置1条高压挤压线,2018年运行。

  • 北京市阿苏卫生活垃圾1600t/d,配置4条传统预处理线和1条高压挤压处理线。

以成都二期为例,项目采用2套高压挤压机,单套处理能力为20t/h,功率为100KW 。高压挤压后有少部分塑料片、纤维等轻物质随湿物料一起被挤出,因而配套设计有除杂机。同时,在厌氧罐内有去除浮渣及检验浮渣厚度的措施,厌氧罐具备长期运行排砂、排浮渣的功能。

2)朗坤-国内首个厨余高压挤压且单体规模最大项目

公司在16年研发的生活垃圾高压挤压分离基础上,进一步研制了厨余垃圾挤压分离设备。代表案例为广州东部生物质综合处理中心,主要处理广州中心六区的餐饮+厨余垃圾、动物固废、粪污等有机固废,投资8.5亿,一期处理2040吨/天,全球最大有机垃圾处理项目,其中厨余垃圾600t,是国内单体规模最大的高压挤压项目,也是国内首个将高压挤压应用到厨余垃圾的项目。

其中核心为“LHP超高压挤压分选系统”,通过350个大气压(35MPa,因为先进行了风选,所以避免了过高压力将轻质杂质压入有机组分?)的超高压机械液压挤压,压榨机采用柱塞式压榨机,单机处理能力15t/h,压榨孔直径为8mm,压力达50~90Mpa。

3) 龙澄环保-引进意大利超高压压榨分质技术

公司“压榨分质与高效惰质化处理”技术是国家“十二五”科技支撑计划项目研发成果,目前在深圳下坪示范基地建有生活垃圾超高压分离示范工程。公司引进于意大利设备技术,依靠近100Mpa超高压干湿分离技术,将生活垃圾分为干湿两类处理,目前也在开展湿垃圾高压挤压预处理。

4)北京环卫:生活垃圾挤压-干式厌氧+焚烧

北京环卫集团在北京市董村环卫综合处理厂内建成50t/d生活垃圾干式厌氧发酵工程,以100 MPa超高压直接挤压原生垃圾,干组分焚烧,湿组分物料送入推流式干式厌氧发酵罐。在55℃、含固率25%~35%、停留时间25 d的情况下,整体运行良好。单位有机质产气量433m3/t,有机质平均转化率64%,甲烷为53%~64%。

总体来看,高压挤压预处理优势如下:

  • 简单高效,快速实现垃圾干湿分离提质。

  • 集破碎、分选、制浆于一体,工艺路线短,故障点少,占地小。

  • 可24小时全自动连续运行,系统操作简单。

  • 一步完成制浆,无需加稀释水,节省大量外源水,减少后续沼液处理量。

  • 高压挤压对纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质等产生解聚作用,挤压后湿组分COD、VFA、蛋白质溶出量和溶出速度都有所提高,改善了有机质生化处理性能,提高了有机物可利用率及产沼率。

  • 总投资和运行维护成本低。

  • 普适性好,尤其适合含杂高的有机垃圾,如厨余垃圾。

与此同时,高压挤压技术也面临如下挑战:

  • 除杂除砂效果无法完全直接替代现有预处理系统,需进行相关配套;

  • 技术源于国外,国内理论基础和实践经验少;

  • 高压对设备要求严格,单套设备投资及运维费用较高;

后续研究实践中,还需对高压挤压进行如下方面探索:

  • 设备筛孔孔径、压力与物料、杂质之间关系;

  • 挤压前后物料的理化性质变化、水解酸化过程、产气过程进行综合研究分析比较;

  • 设备国产化研究及运行经济性综合评价;

参考文献

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http://wx.h2o-china.com/news/293580.html


原标题:高压挤压:预处理的终极手段?

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