干法厭氧消化在有機(jī)垃圾處理中的應(yīng)用

韓朝暉

（億利資源集團(tuán)有限公司，北京100031）

干法厭氧消化在有機(jī)垃圾處理中的應(yīng)用

韓朝暉

（億利資源集團(tuán)有限公司，北京100031）

目前生活垃圾中含有大量可利用的有機(jī)垃圾，其在厭氧條件下可消化產(chǎn)生沼氣，有機(jī)垃圾直接填埋會(huì)造成可再生能源的浪費(fèi)。提出了干法厭氧消化工藝，干法壓氧消化器越來越多用于可再生能源作物材料產(chǎn)出沼氣上。同時(shí)分析了各種控制參數(shù)對干法消化運(yùn)行的影響及干法消化適用的領(lǐng)域。

有機(jī)垃圾；厭氧消化；干法消化；可再生能源

隨著中國城市化進(jìn)程的加快，我國城市生活垃圾年增長率達(dá)到了10%以上。目前垃圾處理方式主要是填埋，少部分堆肥和焚燒。根據(jù)中國實(shí)際國情和公民意識，垃圾從源頭分類目前還無法實(shí)現(xiàn)，各種垃圾混合在一起收集，造成城市生活垃圾中大量存在著生物質(zhì)垃圾，且具有量大、易生物降解和高含水的特點(diǎn)，成為污染環(huán)境的主要污染源。同時(shí)有機(jī)物厭氧條件下可產(chǎn)生沼氣，沼氣可用于熱電聯(lián)產(chǎn)和提純生產(chǎn)生物燃?xì)猓绻苯犹盥駮?huì)造成可再生能源的浪費(fèi)。

目前我國一些環(huán)保企業(yè)運(yùn)用濕法厭氧發(fā)酵工藝，已經(jīng)成功建造了許多沼氣廠。該工藝將生活垃圾中的有機(jī)物和其他有機(jī)廢棄物（污水處理廠剩余污泥、餐廚垃圾、糞便等）通過預(yù)處理后送進(jìn)厭氧發(fā)酵罐，進(jìn)行聯(lián)合厭氧發(fā)酵。通過控制混合物料的反應(yīng)時(shí)間，處理過程中產(chǎn)生大量的沼氣和有機(jī)肥料,從而達(dá)到降低生活垃圾和有機(jī)廢棄物中有機(jī)物含量的目的。進(jìn)入消化池的物料干固率一般控制在10%DS以下,稱為濕法消化。但一般情況下，進(jìn)入消化池的有機(jī)物料的干固率在20%～30%，要達(dá)到10%DS的要求必須加大量的水，有時(shí)甚至達(dá)到2～3倍。一些污泥出廠時(shí)已經(jīng)經(jīng)過脫水達(dá)到20%DS，但為了進(jìn)行濕法消化，還要加入一倍的水進(jìn)行稀釋，這就造成能源和水資源的大量浪費(fèi)。因此研究開發(fā)適合城市生物質(zhì)垃圾特性的高固體厭氧消化技術(shù)（High Dry Solid Anaerobic Digestion，即干法）是中國當(dāng)前市政垃圾處理領(lǐng)域的主要研究熱點(diǎn)。

1 干法消化概念和工藝

干法消化工藝是歐洲近30年前開發(fā)的，為市政廢物的處理、龐大粘稠的工業(yè)有機(jī)殘余物包括大量的雜質(zhì)的處理提供技術(shù)解決方案。它是相對于濕法提出的概念，根據(jù)進(jìn)入消化池物料的干固體濃度來劃分。

（1）濕法消化：干固體濃度小于15%DS。

（2）干法消化：干固體濃度大于15%DS。

干法消化的工藝流程如圖1所示（圖例來源于奧地利史卓堡技術(shù)）。

圖1 干法消化工藝流程示意圖

消化器通常采用臥式推流式，用混凝土結(jié)構(gòu)建造。消化器、后消化器、根據(jù)需要的預(yù)水解和最終貯存的攪拌過程，對于設(shè)備的有效運(yùn)行和相關(guān)基質(zhì)的水力處理是必要的[4]。所需的特定的混合要求和功率輸入可以由技術(shù)上不同類型的攪拌器來完成。例如攪拌器與主流向交叉放置,并帶有堅(jiān)實(shí)的攪拌槳,攪拌器組按一定間隔排開并且非常緩慢地侵入消化泥漿中。它們能避免浮泥形成或者破壞正在形成的浮泥蓋，以利于沼氣從粘稠的泥漿中逃逸。借助于一個(gè)真空裝置或螺旋泵的幫助，沼渣沼液在消化器末端通過許多大的吸力管自動(dòng)排放,輸送給后續(xù)的脫水或后消化工序。

消化池最初是用調(diào)整后濃度在30%～35%的干物質(zhì)混合物進(jìn)料來運(yùn)營的。從出料中回收的工藝水通常會(huì)被用于入料濃度的調(diào)節(jié)。

2 基質(zhì)的定義

與濕法消化相比，干法消化技術(shù)還能對經(jīng)篩選的含有大量的粗大雜質(zhì)的生活垃圾或源頭分類的粒徑最大約達(dá)60 mm的有機(jī)物進(jìn)行消化，也可對能源作物（玉米青貯）進(jìn)行消化。應(yīng)優(yōu)選使用回收的沼液將消化池進(jìn)料的干物質(zhì)的含量調(diào)整到30%～35%。可再生能源作物的消化,相應(yīng)的干物質(zhì)含量范圍是容易管理的。有機(jī)負(fù)荷率可達(dá)到5～7 kg VS/（m3·d）。對于長時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行，能夠顯示高有機(jī)負(fù)荷率下的穩(wěn)定的基質(zhì)轉(zhuǎn)換率和理論上計(jì)算出的沼氣潛力即甲烷產(chǎn)率[1]。

主要來源于能源作物的纖維漿在沼碴沼液中導(dǎo)致高粘度，這需要具體的措施來處理消化過程。目前從德國大規(guī)模的消化器運(yùn)行結(jié)果能夠證實(shí)，有機(jī)負(fù)荷率達(dá)到17 kg VS/（m3·d）的高負(fù)荷干消化池具有穩(wěn)定運(yùn)行的可能性[2]。

在基質(zhì)選擇中，優(yōu)化所有重要營養(yǎng)物和微量元素的供應(yīng)，來避免消化抑制、pH值擾動(dòng)和運(yùn)行過程中基質(zhì)受限。同時(shí)避免輸入一定濃度的抑制性化合物，像生物毒素、抗生素和消毒劑。

3 粘度影響

借助于高負(fù)荷厭氧干法消化技術(shù)進(jìn)行可持續(xù)生物能源生產(chǎn),會(huì)導(dǎo)致沼渣沼液典型而明顯的高動(dòng)態(tài)粘度。基于不同有機(jī)漿料固體濃度的動(dòng)態(tài)粘度的統(tǒng)計(jì)測量數(shù)據(jù)[3]可以看出,具有三維大分子結(jié)構(gòu)的有機(jī)漿料具有很高的抗剪強(qiáng)度。

如STOKES（1851）所定義的非紊流狀態(tài)下，固體顆粒在周圍流體中的沉積現(xiàn)象取決于液體和固體的密度、顆粒的直徑和形狀，以及依賴液體粘度的阻力系數(shù)。因此,在一定的顆粒參數(shù)下，生物泥漿里固體的沉積（例如金屬、玻璃粒子以及塑料部件）與污泥粘度成反比。

介質(zhì)的粘度越高，反應(yīng)體積內(nèi)的液體循環(huán)越有限。對于粘度在2 000～55 000 mPas以外的基質(zhì)來說，帶泵送效應(yīng)的快速運(yùn)行攪拌器就不再適用了，因?yàn)榻橘|(zhì)不能大面積流動(dòng)而只是留在攪拌葉片附近。因此在這些高粘性區(qū)域內(nèi)，必須使用緩慢運(yùn)行的攪拌器[5]。

對于一定的介質(zhì)粘度范圍，例如玉米青貯，消化產(chǎn)生的氣泡上升速度與在水中的值相比急劇下降。如果沒有在發(fā)酵介質(zhì)中安裝合適的攪拌裝置，借助于機(jī)械產(chǎn)生的垂直空隙產(chǎn)生足夠的向上定向脫氣，這種上升速度的減小會(huì)導(dǎo)致粘性的沼渣沼液膨脹。

4 熱傳遞

消化細(xì)菌細(xì)胞周圍的傳質(zhì)條件對介質(zhì)粘度有明顯依賴，對于高負(fù)荷干消化來說，粘度對傳質(zhì)的抑制影響必須考慮[6]。發(fā)酵過程的熱量輸入必須達(dá)到足夠高，以把入料加熱到工藝溫度，而且由于對流和沼氣排放產(chǎn)生的熱損失必須進(jìn)行補(bǔ)充。對于高粘度的層狀整體流來說，熱傳遞將被糊狀泥漿內(nèi)的熱導(dǎo)率控制。這會(huì)導(dǎo)致在容積內(nèi)出現(xiàn)局部溫度差，目的是為熱量流動(dòng)產(chǎn)生必要的推動(dòng)力，并可能出現(xiàn)局部區(qū)域過熱。

每天消化器內(nèi)反應(yīng)溫度上升率必須加以限定，以利于提供必要的時(shí)間讓厭氧菌慢慢適應(yīng)[7]。

5 干法消化的優(yōu)、缺點(diǎn)

相對于濕法消化，干法具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）在消化池前沒有額外的碎物需要處置（填埋,焚燒）；

（2.）很少的設(shè)備和工藝步驟，操作簡單；

（3）沒有制漿工藝，垃圾量沒有大規(guī)模地增加；

（4）消化器中沒有浮渣層和沉淀的問題；

（5）較低的能源消耗（20 kW·h/t，濕法50 kW·h/t）；

（6）較小的消化池體積。

干法的缺點(diǎn):

（1）所有的污染物和雜質(zhì)都被送入消化器，包括重金屬，降低消化質(zhì)量；

（2）較低的沼氣產(chǎn)出；

（3）堆肥精化中需要分離污染物和雜質(zhì)。

厭氧消化使用干法或者濕法工藝取決于所使用的物料，根據(jù)德國20多年的消化經(jīng)驗(yàn)，建議如圖2。

圖2

6 結(jié)論

干法厭氧消化技術(shù)作為歐洲先進(jìn)的有機(jī)垃圾處理技術(shù)，目前已相對成熟，現(xiàn)正在運(yùn)行的消化器運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)氣率高。消化干法使得垃圾通過產(chǎn)業(yè)化、市場化方式處理成為可能。到目前為止，這一歐洲先進(jìn)技術(shù)還沒有被成功引入到中國，國內(nèi)這一領(lǐng)域剛剛起步，并且市場潛力巨大；同時(shí)國家也出臺許多利好政策來鼓勵(lì)和支持這一行業(yè)發(fā)展。

[1]BUSWELL A M，SYMONS G E.J.AMER[J].Chem.Soc，1933，55：2028.

[2] LANGHANS G.Industrial-scale anaerobic plug-flow dry digestion influence of viscosity on process conditions and plant operation Prepared for publishing[R].Water Science and Technology，2012.

[3] VDI-Richtlinie VDI 4631[S].Quality criteria for biogas plants，2011.

[4] VDI-Richtlinie VDI 4630[S].Digestion of organic compounds，2006.

[5] CORNEL P.KRAUSE S.Influence of viscosity on oxygen and gas transfer[R].Zwischenbericht，Kennziffer 2281，Max-Buchner-Forschungsstiftung,TechnischeUniversit?t Darmstad，2002.

[6]KAFAROW W W.Basics of mass transfer[M].Akademie-Verlag，Berlin，1977.

[7]DE LA RUBIA，M ET AL.Pilot-scale anaerobic thermophilic digester treating municipal sludge[J].AIChE Journal，2006，55(1):402-407.

Application of dry digestion method in organic waste treatment

HAN Zhaohui
（Elion Resource Group,Beijing 100031,China）

Currently there are a lot of organic wastes in garbage which can be available to produce biogas under anaerobic conditions.If the organic waste directly goes to landfill,it will result in a waste of renewable energy.The paper proposed dry anaerobic digestion theory.This type of digesters was used more and more for the biogas production from renewable crop materials.The paper also analyzed the effect of the digestion operation through various control parameters and dry digestion applicable fields.

organic waste;anaerobic digestion;dry digestion;renewable energy

X705

A

1674－0912（2014）10－0030－03

2014－08－12）

韓朝暉（1972－），女，沈陽人，德國理學(xué)碩士，研究方向：污水處理、垃圾處理和可再生能源。