城市生活垃圾推流式厭氧干發(fā)酵技術(shù)*

王小韋，祝金星，陳 芳，何 亮

（北京環(huán)衛(wèi)集團(tuán)環(huán)境研究發(fā)展有限公司，北京 100101）

1 干發(fā)酵技術(shù)現(xiàn)狀

干式厭氧發(fā)酵通常是指發(fā)酵原料的干物質(zhì)含量為15%～35%，原料呈固態(tài)。早在20世紀(jì)50年代，國(guó)外已有人對(duì)厭氧干式發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行了研究，歐洲許多國(guó)家在連續(xù)式和間歇式干發(fā)酵方面都進(jìn)行了研究和商業(yè)化運(yùn)作，包括Kompogas技術(shù)、Dranco技術(shù)、Linde-LARAN工藝、Valorga工藝及BIOFERMT和BEKON公司的車庫(kù)式干發(fā)酵技術(shù)［1］，然而國(guó)外的干發(fā)酵技術(shù)多用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的能源作物，物料均質(zhì)單一，并不符合我國(guó)垃圾物料特性。

國(guó)內(nèi)干式發(fā)酵技術(shù)只是在近幾年才發(fā)展具有一定規(guī)?；?、工業(yè)化生產(chǎn)的沼氣工程。國(guó)內(nèi)科研院所和大專院校（中科院成都生物所、遼寧省能源研究所、農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院、昆明理工大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京化工大學(xué)等）對(duì)厭氧干發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行了大量研究［2-8］。農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院的韓捷開(kāi)發(fā)的MCT覆膜式干式發(fā)酵裝置以及哈爾濱龍能燃?xì)夤疽M(jìn)的車庫(kù)式干發(fā)酵技術(shù)［9-10］，代表了目前國(guó)內(nèi)間歇式干發(fā)酵的水平。

總體來(lái)說(shuō)在我國(guó)成功運(yùn)營(yíng)的處理城市生活垃圾干發(fā)酵設(shè)施少之又少，失敗的例子卻有很多。究其原因是因?yàn)閲?guó)內(nèi)甚至不少業(yè)內(nèi)人士都對(duì)城市生活垃圾干發(fā)酵技術(shù)存在一定的認(rèn)識(shí)誤區(qū)：誤區(qū)一是認(rèn)為混合生活垃圾只可以做濕式厭氧處理。當(dāng)前采用混合收集、混合處理的模式，僅依靠垃圾中轉(zhuǎn)站的分選難以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)廢物與其他生活垃圾有效分離，直接進(jìn)入?yún)捬跸到y(tǒng)必然導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化率低，肥料品質(zhì)低劣，沼液沼渣處理費(fèi)用高、運(yùn)行設(shè)備易損壞等問(wèn)題。誤區(qū)二是認(rèn)為干式厭氧處理在我國(guó)行不通。國(guó)內(nèi)許多公司引進(jìn)國(guó)外干發(fā)酵工藝，均以不同程度的失敗而告終。這說(shuō)明單純的引進(jìn)國(guó)外成熟的厭氧技術(shù)往往會(huì)出現(xiàn)水土不服的情況，在國(guó)外運(yùn)行狀況很好的工藝，引入國(guó)內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)這樣或那樣的問(wèn)題，歸其原因在于垃圾成分的不同。誤區(qū)三是為規(guī)避雜質(zhì)過(guò)多的問(wèn)題，采用過(guò)度的篩分分離設(shè)備。厭氧干發(fā)酵技術(shù)是以弱化物料的前處理為主要優(yōu)勢(shì)，過(guò)度的篩分分離一方面增加了整個(gè)系統(tǒng)的投資和運(yùn)營(yíng)成本，另一方面也造成了大量的有機(jī)質(zhì)在篩分分離過(guò)程中大量的損失。

根據(jù)筆者長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，我國(guó)城市生活垃圾中有60%適合做生物處理，垃圾的處理方式應(yīng)該以生物處理為主，主要包括厭氧發(fā)酵技術(shù)和好氧堆肥技術(shù)。厭氧處理城市生活垃圾，相比于好氧堆肥工藝，既能產(chǎn)生可作為能源利用的沼氣，又能產(chǎn)生有機(jī)肥料，沼液沼渣在資源化利用后，對(duì)外界環(huán)境可實(shí)現(xiàn)污染物零排放，是解決城市生物質(zhì)廢物處理處置的最佳選擇。因此，選擇厭氧處理技術(shù)符合我國(guó)城市垃圾成分特點(diǎn)和資源化利用要求，關(guān)鍵是如何進(jìn)行厭氧處理。

2 工藝技術(shù)路線

針對(duì)我國(guó)生活垃圾物料特性和干發(fā)酵技術(shù)特點(diǎn)，提出適合城市生活垃圾厭氧處理的總體解決方案，走出了現(xiàn)存的3個(gè)誤區(qū)，如圖1所示?？傮w思路是先簡(jiǎn)單破碎后高壓擠壓分離，最大限度地保留有機(jī)組分，擠壓后的“濕物質(zhì)”作為易生化組分進(jìn)入干發(fā)酵系統(tǒng)，“干物質(zhì)”作為易燃組分進(jìn)入焚燒或氣化系統(tǒng)。

圖1 城市生活垃圾干式發(fā)酵工藝流程

該工藝充分考慮了城市生活垃圾成分復(fù)雜、固體含量高、易降解組分多、流動(dòng)性差等特點(diǎn)，生活垃圾首先在卸料平臺(tái)去除大件垃圾，再進(jìn)行簡(jiǎn)單破碎后進(jìn)入高壓擠壓分離機(jī)，物料輸送性能得到增強(qiáng)，擠壓獲得的濕組分物料送入干式厭氧發(fā)酵罐，厭氧殘余物料進(jìn)入脫水裝置，液體部分回流至緩沖罐，固體沼渣部分好氧堆肥處理，可生產(chǎn)高品質(zhì)肥料。

3 工程實(shí)例

在國(guó)家科技支撐計(jì)劃的大力支持下，北京環(huán)衛(wèi)集團(tuán)環(huán)境研究發(fā)展有限公司在北京市通州區(qū)董村環(huán)衛(wèi)綜合處理廠內(nèi)建成50 t/d生活垃圾干式厭氧發(fā)酵工程，此項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備是高壓擠壓分離設(shè)備和推流式厭氧干發(fā)酵罐。

3.1 高壓擠壓分離設(shè)備

高壓擠壓分離設(shè)備如圖2所示，采用液壓超高壓技術(shù)，全部采用液壓動(dòng)力，在帶孔的腔體中以100 MPa超高壓直接擠壓原生垃圾，利用生活垃圾中塑料、紙張、果蔬、木竹、無(wú)機(jī)質(zhì)等組分的強(qiáng)度及韌性的不同，將生活垃圾分為宜生化組分和宜燃組分分離開(kāi)來(lái)，兩者質(zhì)量比約為7:3，通過(guò)擠壓使有機(jī)質(zhì)等“濕物質(zhì)”由孔中被擠出，而塑料、木竹等高熱值的“干物質(zhì)”則留在腔體內(nèi)。擠壓后的干物質(zhì)含水率在30%以下，熱值高達(dá)15 900 kJ/kg；濕物質(zhì)中廚余類、紙類等宜生化組分含量達(dá)80%～90%，含水率65%～75%。

圖2 生活垃圾高壓擠壓分離設(shè)備

該設(shè)備具有工藝鏈短、設(shè)備占地面積小、分離效率高等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備可滿足生活垃圾綜合處理工藝對(duì)分離分選裝備的需求，分離出的濕物質(zhì)具有有機(jī)質(zhì)含量高、含水率高等特點(diǎn)，適合進(jìn)行干式厭氧發(fā)酵資源化處理，而干物質(zhì)具有熱值高、含水率低等特點(diǎn)，不但適合進(jìn)行風(fēng)選，回收塑料等組分，而且適合焚燒、氣化等熱處理方式，也可直接填埋。

3.2 推流式厭氧干發(fā)酵罐

消化反應(yīng)器是厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中最重要的裝置，本項(xiàng)目采用推流式厭氧干發(fā)酵罐，如圖3所示，橫截面底部呈正方形，采用混凝土和鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合的密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)部保持輕微的過(guò)壓狀態(tài)。此外，頂部還設(shè)有沼氣收集罩，包括安全閥、觀察和檢測(cè)儀表等設(shè)備。發(fā)酵罐長(zhǎng)22 m，寬7 m，有效高度6.5 m。

圖3 生活垃圾推流式厭氧干發(fā)酵罐

發(fā)酵罐內(nèi)有4根緩慢旋轉(zhuǎn)的縱向攪拌裝置，其中第1根主要負(fù)責(zé)將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的新鮮物料和來(lái)自末端的回流物料在發(fā)酵罐內(nèi)混合接種，物料在發(fā)酵罐內(nèi)呈半流態(tài)狀態(tài)，通過(guò)4根攪拌軸及其葉片的緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行攪拌和接種，攪拌器由變頻電機(jī)控制，從而使發(fā)酵罐始終處于最佳工作狀態(tài)，物料在攪拌和流體作用下自然流向另一端，完成推流工藝循環(huán)。發(fā)酵溫度為55℃，固體含量25%～35%（設(shè)計(jì)值30%），物料停留時(shí)間設(shè)定為25 d。

4 運(yùn)行效果與討論

4.1 發(fā)酵前后物料TS、VS的變化

發(fā)酵物料在厭氧前后的變化如圖4所示。進(jìn)罐物料的TS為22.5%～29.7%，平均值為25.4%；基于濕基的VS為14.5%～22.1%，平均值為18.3%。而出料料液的TS為5.8%～12.3%，平均值為9.9%；基于濕基的VS為4.7%～8.5%，平均值為6.6%。通過(guò)進(jìn)料VS濃度的變化，忽略由于有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物氣而帶來(lái)的沼液體積變化，可以推算出整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)有機(jī)質(zhì)的平均轉(zhuǎn)化率為63.8%。

圖4 發(fā)酵前后物料的變化

4.2 氨氮的變化

一般認(rèn)為，氨氮為50～200 mg/L時(shí)，有利于反應(yīng)的進(jìn)行，否則會(huì)減少生物體的活性。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的氨氮為12 mg/L，乙酸利用速率只有其最大值的54%。這說(shuō)明，氨氮不僅是厭氧微生物生長(zhǎng)所必須的基本氮源，而且還對(duì)促進(jìn)厭氧污泥的活性具有重要作用。氨氮為200～1 000 mg/L時(shí)，對(duì)厭氧反應(yīng)器中的微生物無(wú)不利影響。針對(duì)氨氮抑制方面的研究很多，但由于不同研究者所采用的試驗(yàn)條件（反應(yīng)器類型、操作方式、溫度、pH以及微生物馴化與否等）不同，得出的氨氮對(duì)有機(jī)垃圾厭氧發(fā)酵的抑制濃度相差較大。在系統(tǒng)正常運(yùn)行pH為6.5～8.5，甲烷菌的活性隨著NH4+的增加而降低，當(dāng)NH4+為1 670～3 720 mg/L時(shí)甲烷菌的活性降低10%，當(dāng)NH4+為4 090～5 550 mg/L時(shí)甲烷菌的活性降低50%，當(dāng)NH4+為5 880～6 600 mg/L時(shí)甲烷菌會(huì)完全失去活性。

氨氮變化情況如圖5所示。在運(yùn)行過(guò)程中，反應(yīng)器內(nèi)部氨氮濃度的最低值為1 265 mg/L，最高值3 075 mg/L，在觀察期內(nèi)，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，產(chǎn)氣量穩(wěn)定，氨氮濃度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒(méi)有對(duì)產(chǎn)氣產(chǎn)生抑制作用。

4.3 產(chǎn)氣量變化

圖5 發(fā)酵系統(tǒng)氨氮的變化

在10周的觀察期內(nèi)，產(chǎn)氣量變化如圖6所示，平均產(chǎn)氣量2 537 m3/d。按原始進(jìn)料量50 t/d計(jì)，進(jìn)罐物料基于濕基的VS為18.3%，出料料液基于濕基的VS為6.6%，則推算出單位生活垃圾有機(jī)質(zhì)可以產(chǎn)生沼氣433.6 m3/t，可以預(yù)計(jì)，示范工程每年可產(chǎn)沼氣92萬(wàn)m3，可發(fā)電147萬(wàn)kWh。

圖6 厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量

4.4 甲烷含量的變化

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)生物氣甲烷含量進(jìn)行了檢測(cè)，如圖7所示。甲烷含量為52.8%～63.5%，說(shuō)明發(fā)酵罐處于正常工作水平。

圖7 發(fā)酵罐甲烷含量的變化

5 結(jié)論

1）城市生活垃圾推流式厭氧干發(fā)酵罐在處理規(guī)模50 t/d、溫度55℃、固體含量25%～35%、物料停留時(shí)間25 d的運(yùn)行情況下，整體系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。單位有機(jī)質(zhì)產(chǎn)氣量433.6 m3/t，有機(jī)質(zhì)的平均轉(zhuǎn)化率為63.8%，甲烷為52.8%～63.5%，每年可產(chǎn)沼氣92萬(wàn)m3，可發(fā)電147萬(wàn)kWh。

2）在國(guó)外，固體廢物的厭氧發(fā)酵技術(shù)相當(dāng)成熟，已被證實(shí)發(fā)展前景廣闊。而在我國(guó)，廢物處理技術(shù)相對(duì)滯后。在過(guò)去的20 a，城市生活垃圾的收集、傳遞和運(yùn)輸系統(tǒng)雖然有所改善，但仍舊不能滿足城市快速發(fā)展的需要；城市生活垃圾的處理技術(shù)在努力平衡和改善填埋、焚燒和堆肥這3項(xiàng)技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)根據(jù)垃圾的不同特點(diǎn)，努力開(kāi)拓厭氧發(fā)酵處理技術(shù)。

3）無(wú)論從能源的再利用還是從垃圾減量化的角度，厭氧發(fā)酵處理都代表著垃圾的處理方向，這對(duì)加快能源領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)具有十分重要的意義。期待政府在政策上給予支持，同時(shí)要努力推動(dòng)城市生活垃圾分類管理的升級(jí)，共同推進(jìn)城市生活垃圾處理技術(shù)的發(fā)展。

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