易腐垃圾干法厭氧沼氣工程工藝運行分析

鄧 偉， 劉軍曉， 黃偉釗， 張立凱

(廈門市聯(lián)誼吉源環(huán)保工程有限公司, 福建 廈門 361000)

易腐垃圾干法厭氧沼氣工程工藝運行分析

鄧 偉， 劉軍曉， 黃偉釗， 張立凱

(廈門市聯(lián)誼吉源環(huán)保工程有限公司, 福建 廈門 361000)

文章對近1年來廈門市生活垃圾分類處理廠厭氧沼氣工程的工藝、生產(chǎn)運行狀況進行了分析和匯總，結(jié)果表明：水平推流式干法厭氧發(fā)酵工藝適合易腐垃圾厭氧消化和沼氣生產(chǎn)。該型發(fā)酵工藝進料適應(yīng)性廣，易腐垃圾TS 20%～53%，VS 40%～70%均可正常進料；運行固含量20%～28%，運行有機負荷率(OLR)達到12 kgVS·m-3d-1；平均容積甲烷產(chǎn)率約3.2 Nm3·m-3d-1，有機質(zhì)降解率(ηvs)60%～70%，有機干物質(zhì)甲烷產(chǎn)率平均約300 Nm3·t-1。確定了易腐垃圾在pH值7.5～8.3，VOA/TAC 0.4～0.6，乙酸含量100～1500 ppm條件下，工藝運行穩(wěn)定、甲烷產(chǎn)率高。

厭氧消化； 易腐垃圾； 有機負荷率； 容積產(chǎn)氣率

隨著人民生活水平的提高和城鎮(zhèn)化發(fā)展進程的加快，我國城鎮(zhèn)生活垃圾產(chǎn)生量增長迅速，其中填埋和焚燒是最主要處理方式：2014年我國生活垃圾清運量高達1.79×108t，其中填埋和焚燒量分別占總清運量的60.16%和29.84%。然而[1]，混合清運的生活垃圾中易腐性成分含量高(50～70%)、含水高、熱值低等特點[2-3]。一方面易腐垃圾直接填埋或焚燒對大氣、土壤、水體環(huán)境存在嚴(yán)重污染隱患并危害人體健康，另一方面易腐垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣可以生產(chǎn)清潔能源，發(fā)酵殘渣可開發(fā)肥料，實現(xiàn)物質(zhì)、能量循環(huán)并減少填埋和焚燒量。[3-6]歐洲在1999年就頒布了垃圾填埋導(dǎo)則、英國頒布填埋限額交易法案和填埋稅、德國從2005年6月要求填埋處理物中的總有機碳(TOC)低于5%，對易腐垃圾直接填埋進行限制或禁止，并鼓勵對其單獨處理和回收能源。[7-9]我國也在2016年5月頒發(fā)《垃圾強制分類制度方案》征求意見稿，確定2020年生活垃圾回收利用率達到35%以上。[10]易腐垃圾厭氧消化產(chǎn)沼氣處理將是實現(xiàn)該目標(biāo)的主要措施之一。

在我國易腐垃圾厭氧發(fā)酵性能已充分研究，但由于我國垃圾成分及收運體系的特殊性，相關(guān)成果僅限于實驗室級別，工業(yè)化穩(wěn)定運行案例報道較少。廈門市生活垃圾分類處理廠(以下簡稱“分類處理廠”)采用水平推流式高溫干法厭氧消化工藝處理易腐垃圾，從2013年5月調(diào)試后平穩(wěn)運行至今。文章對2015年7月至2016年7月間的工藝運行狀況進行匯總，建立易腐垃圾厭氧處理的工業(yè)化運行參數(shù)，為構(gòu)建適宜我國易腐垃圾特性的厭氧處理工藝提供參考；同時響應(yīng)國家《垃圾強制分類制度方案》，為建立與分類銜接的垃圾終端處理設(shè)施提供支持。

1 易腐垃圾處理工藝

1.1 項目工程簡介

分類處理廠是由廈門市聯(lián)誼吉源環(huán)保工程有限公司以特許經(jīng)營形式投資建設(shè)和運營，項目總投資約2.1億元(圖1)。采用“分選+厭氧產(chǎn)沼熱電聯(lián)產(chǎn)+沼渣堆肥”的組合式處理工藝，對廈門市城鎮(zhèn)生活垃圾進行可回收物分揀回收、易腐垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣、沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)、沼渣生物干化堆肥。生活垃圾處理能力為500 t·d-1，易腐垃圾厭氧發(fā)酵處理能力200 t·d-1。從2015年2月成功并網(wǎng)至今日均發(fā)電量約2.4×104kW·h-1d-1；厭氧發(fā)酵系統(tǒng)日電耗約1.5×103kW·h-1d-1；發(fā)酵罐及泥餅干化熱耗4.3×104MJ·d-1，其熱量全部來自沼氣發(fā)電機余熱利用系統(tǒng)；累計減排達到9×104t CO2e。

易腐垃圾處理采用水平推流式高溫干法厭氧發(fā)酵工藝進行厭氧發(fā)酵和沼氣生產(chǎn)，工藝流程和裝置見圖2和圖3。單套裝置容積約2000 m3，處理能力100 t·d-1。采用單級、高溫、高含固率、連續(xù)運行的生產(chǎn)方式，由進料螺旋將分選后易腐垃圾向發(fā)酵裝置進料，在50℃～55℃運行溫度和機械攪拌配合下、經(jīng)20～30天穩(wěn)定消化，易腐垃圾實現(xiàn)快速、充分發(fā)酵。發(fā)酵后殘渣被輸入脫水系統(tǒng)固液分離，固相生物干化生產(chǎn)營養(yǎng)土、沼液開發(fā)液肥供園林綠化；沼氣經(jīng)脫硫、除塵、除濕后CHP發(fā)電和余熱回收。

圖1 廈門市生活垃圾分類處理廠厭氧發(fā)酵工程現(xiàn)場照片

圖2 分類處理廠整體工藝流程圖

圖3 水平推流式高溫干法厭氧消化裝置

1.2 監(jiān)測參數(shù)與分析方法

為了分析和評估厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的運行狀況，對包括預(yù)處理后易腐垃圾固含量(TS),揮發(fā)性固含量(VS);發(fā)酵物的固含量(TS)，揮發(fā)性固含量(VS)，pH值，揮發(fā)性有機酸(VOA)/總無機碳(TAC)；沼氣產(chǎn)量及甲烷含量進行了監(jiān)測，詳見表1。

表1 檢測項目、測試方法、設(shè)備及生產(chǎn)廠家表

2 工藝運行狀況及分析

2.1 易腐垃圾性質(zhì)

分類處理廠的進場原料以混合收運的廈門市生活垃圾為主，包含試點小區(qū)的分類的廚余垃圾，采用滾筒篩分，磁選，X-光選和重力分選等分選設(shè)備，篩選易腐垃圾厭氧發(fā)酵。圖4為近年來分選后易腐垃圾成分，TS含量20%～53%，平均約36%；VS含量則45%～70%，平均約60%。易腐垃圾中除有機質(zhì)外，還有砂石、玻璃、塑料等無法生物降解的部分，其質(zhì)量約占易腐垃圾干重的30%～50%。

圖4 預(yù)處理后厭氧易腐垃圾進料成分表

2.2 厭氧發(fā)酵裝置運行物料流、固含量、溫度

在生產(chǎn)過程中，易腐垃圾由進料螺旋輸送機直接向厭氧裝置進料，在實際生產(chǎn)中無需制漿除雜等復(fù)雜處理工序，對于易腐垃圾進料固含量20%～53%范圍內(nèi)均運行正常(見圖3)，適應(yīng)性強。

厭氧發(fā)酵裝置內(nèi)發(fā)酵物料運行固含量在20%～28%之間(見圖5)，無需加水或回流調(diào)漿即可滿足工藝運行要求。較高的運行固含量粘度高配合機械攪拌，使得硬雜質(zhì)、輕質(zhì)雜質(zhì)和易腐垃圾在發(fā)酵裝置內(nèi)均勻混合，有效避免了其他發(fā)酵工藝易出現(xiàn)的硬雜質(zhì)沉淀所致的管道堵塞和輕質(zhì)雜質(zhì)上浮所致的漂浮層結(jié)殼等運行問題。在生產(chǎn)運行中，硬、輕質(zhì)雜質(zhì)含量(干基)30%～50%條件下，該厭氧發(fā)酵裝置仍可持續(xù)穩(wěn)定運行，未出現(xiàn)管道堵塞及漂浮層等問題。由此可見該型發(fā)酵裝置對雜質(zhì)容忍度高，非常適宜現(xiàn)階段我國易腐垃圾雜質(zhì)含量高的現(xiàn)狀。

在推流式干法厭氧發(fā)酵工藝條件下，易腐垃圾從進料側(cè)向出料側(cè)緩慢移動，新舊物料無混合，可實現(xiàn)穩(wěn)定的水力停留時間(20～30天)，確保易腐垃圾被充分降解。此型工藝還有效避免了其他發(fā)酵方式中因進料短路所致的出料中混有新鮮進料的問題。

干法厭氧發(fā)酵無需添加外源水，沼液沼渣量相對較小。在實際生產(chǎn)中易腐垃圾100 t·d-1進料規(guī)模，厭氧發(fā)酵后腐熟殘渣經(jīng)一級擠壓脫水固液分離后，生產(chǎn)沼液約50 m3·d-1，折合噸易腐垃圾進料沼液產(chǎn)生量0.5 m3；脫水泥餅約35 t·d-1，經(jīng)生物干化后所得穩(wěn)定的干沼渣低于25 t·d-1，占厭氧發(fā)酵進料重量的25%左右。從占進料重量比上接近原生垃圾焚燒處理所產(chǎn)生的爐渣和飛灰量占垃圾質(zhì)量20%～30%[12]，但沼渣還可以進一步生產(chǎn)營養(yǎng)土，其剩余殘渣量低。

圖5 分類處理廠厭氧發(fā)酵系統(tǒng)運行溫度及運行含固率趨勢圖

厭氧發(fā)酵裝置利用沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)所產(chǎn)熱能、通過罐體壁內(nèi)預(yù)埋的加熱盤管在PID控制下，按照發(fā)酵用熱需求進行精確供熱，為厭氧發(fā)酵的穩(wěn)定、高效運行提供了可靠的基礎(chǔ)。在實際生產(chǎn)中的發(fā)酵罐內(nèi)物料運行溫度穩(wěn)定在50℃～55℃區(qū)間內(nèi)(見圖5)。

2.3 厭氧發(fā)酵系統(tǒng)工藝運行參數(shù)及分析

近一年來厭氧反應(yīng)器內(nèi)發(fā)酵物酸堿度總體平穩(wěn)，平均運行 pH值為7.9(最高8.4，最低7.6)，未出現(xiàn)酸性運行狀況。在全部運行期間進料側(cè)發(fā)酵物料pH值在整體上較出料側(cè)低0.1，反應(yīng)出該型厭氧發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)發(fā)酵物料酸度呈進料側(cè)低、出料側(cè)高的梯度分布。

揮發(fā)性有機酸VOA和總無機碳 TAC 比值是監(jiān)測沼氣厭氧發(fā)酵過程簡便方法，用于發(fā)現(xiàn)早期工藝運行問題。[13]由圖7可見實際運行中VOA/TAC維持0.4～0.6的區(qū)間(平均～0.48)。和pH值在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)的變化趨勢相反，VOA/TAC在進料側(cè)高、出料側(cè)較低的梯度分布。

圖6 分類處理廠厭氧發(fā)酵物pH值變化趨勢圖

圖7 分類處理廠厭氧發(fā)酵物VOA/TAC值變化趨勢圖

乙酸和丙酸是沼氣代謝中重要中間產(chǎn)物，對厭氧發(fā)酵具有重要的指標(biāo)意義。近一年來乙酸含量100～1500 ppm之間，丙酸含量相比乙酸含量變化相對較小。穩(wěn)定在50 ppm～700 ppm之間。

圖8 分類處理廠厭氧發(fā)酵物乙酸、丙酸含量變化趨勢圖

pH值和VOA/TAC從進料端到出料端呈現(xiàn)明顯的梯度分布，表明由于進料端新進物料增加有機負荷導(dǎo)致pH值降低和VOA/TAC升高，隨著易腐垃圾緩慢向出料側(cè)移動被逐漸的充分降解，出現(xiàn)pH值逐步升高和VOA/TAC的下降。說明易腐成分含量也沿進料向出料梯度降低。這樣可避免因前端物料異常迅速影響其他區(qū)域而導(dǎo)致發(fā)酵工藝整體失敗，具有較強的緩沖能力、為工藝生產(chǎn)的調(diào)整和恢復(fù)提供了充分的時間。

2.4 厭氧發(fā)酵裝置和產(chǎn)甲烷性能運行評價

從2015年7月至2016年7月，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)易腐垃圾累計處理量約3.5×104t，累積沼氣產(chǎn)氣量超過4.0×106Nm3；甲烷含量穩(wěn)定在57%～63%區(qū)間內(nèi)；進料有機干物質(zhì)平均甲烷產(chǎn)量約300 Nm3·t-1。

圖9 分類處理廠有機干物質(zhì)甲烷產(chǎn)氣率及甲烷含量變化趨勢圖

甲烷生產(chǎn)狀況整體運行穩(wěn)定(見圖9)。

有機負荷(OLR)是每立方的有效罐容每天可以投加的揮發(fā)性固體量，是厭氧發(fā)酵系統(tǒng)關(guān)鍵的運行參數(shù)、代表甲烷日產(chǎn)量和反應(yīng)器容積的比例的容積產(chǎn)氣率(P(CH4))是沼氣工程的效率指標(biāo)、和體現(xiàn)底物轉(zhuǎn)化能力的降解率(ηvs)一起作為沼氣工程重要的績效評價參數(shù)。[13]在實際生產(chǎn)中該型厭氧發(fā)酵裝置運行OLR范圍為 8～12 kgVS·m-3d-1，平均10 kg VS·m-3d-1，P(CH4)為3.2 Nm3·m-3d-1，ηvs達到64.8%。高于其他發(fā)酵方式的OLR(1.5～2.5 kg VS·m-3d-1)和P(CH4)(0.3～0.37 Nm3·m-3d-1)[14]。較高的有機負荷和容積產(chǎn)氣率意味著更小的發(fā)酵罐可以處理相對更多的有機負荷和獲得更好的沼氣產(chǎn)量。

3 結(jié)論

推流式干法厭氧發(fā)酵工藝具有預(yù)處理工藝要求低、物料適應(yīng)性強、發(fā)酵物罐內(nèi)無短路、物料降解充分腐熟好、高容積負載和高容積產(chǎn)氣等特點。在分類處理廠近兩年來生產(chǎn)運行表明： 1)采用水平推流式高溫干法厭氧發(fā)酵工藝處理易腐垃圾在工藝技術(shù)上是可行的； 2)廈門市生活垃圾分類處理廠已經(jīng)建立一套穩(wěn)定、可靠的易腐垃圾厭氧產(chǎn)沼氣工藝、生產(chǎn)體系； 3)該厭氧發(fā)酵系統(tǒng)對物料適應(yīng)性強，適宜現(xiàn)階段我國易腐垃圾雜質(zhì)含量高的現(xiàn)狀； 4)易腐垃圾進料和發(fā)酵無需加水調(diào)漿、發(fā)酵后沼液(污水)產(chǎn)量??； 5)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)運行穩(wěn)定，工藝緩沖能力強，分析參數(shù)指示性能好，為生產(chǎn)工藝調(diào)整留下充分時間； 6)容積產(chǎn)氣率高、降解好，甲烷產(chǎn)量高； 7)有機負荷高，處理等量易腐垃圾所需罐體小、投資??； 8)易腐垃圾發(fā)酵殘渣經(jīng)后處理后，產(chǎn)生的穩(wěn)定后惰性殘渣量小，減量效果明顯。

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TheProcessAnalysisofDryAnaerobicEngineeringTreatingBiodegradableUrbanWaste/

DENGWei，LIUJun-xiao，HUANGWei-zhao，ZHANGLi-kai/

(WasteXiamenAssociatedLuckyspringEnvironmentalEngineeringCoLtd，Xiamen361000,China)

The performance of dry digestion system treating biodegradable urban waste in Urban Waste Treatment Plant of Xiamen was summarized and analyzed in this paper. The digestion tank was horizontal type with plug-flow characteristics. The result showed that the system could input feedstock with TS content of 20%～ 53%.And under TS content of 20%～ 28%, the organic loading rate (OLR) reached 12 kgVS·m-3d-1, the average volumetric biogas production rateP(CH4) was 3.2 Nm3·m-3d-1; organic degradation rate(ηvs) were 60%～70%, and the average methane yield reached 300 Nm3·t-1of dry matter. The evaluation indicators for proper operation were established with pH value of 7.5～8.3, VOA/TAC of 0.4～0.6, and the acetic acid content of 100～1500 ppm.

anaerobic digestion； biodegradable waste； the organic loading rate and volumetric gas production rate

2016-08-31

2016-10-21

鄧 偉(1983-),男,河南固始人,工程師,主要從事城市生活垃圾機械及生物處理的工藝設(shè)計及現(xiàn)場運行管理工作，E-mail: momo6016@126.com

S216.4

B

1000-1166(2017)04-0079-05