干式厭氧發(fā)酵技術(shù)在城市生活垃圾處理中的應(yīng)用

黃旎詩(shī)

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

隨著城市化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)的加快，固體廢物的生產(chǎn)和種類不斷增加，造成了許多社會(huì)和環(huán)境問(wèn)題。目前，中國(guó)每人每天產(chǎn)生0.9～1.2 kg垃圾，并以每年9 %的速度增長(zhǎng)，產(chǎn)生量驚人，已成為破壞環(huán)境、危害公眾身心健康的重要污染源。統(tǒng)計(jì)顯示[1]，從2000～2014年，中國(guó)的生活垃圾清運(yùn)量逐年增加。2014年，中國(guó)城市生活垃圾清運(yùn)量達(dá)到1.786×108t，比2000年增加了約51 %。 目前城市生活垃圾主要構(gòu)成有餐廚垃圾、玻璃、金屬、紙張、織物、塑料等。 統(tǒng)計(jì)表明，灰分含量迅速下降，有機(jī)質(zhì)含量迅速增加，玻璃“塑性含量”也呈上升趨勢(shì)[2-4]。中國(guó)的廚余垃圾占城市垃圾的比例越來(lái)越大，大多數(shù)在37 %～62 %之間(表1)。CJJ / T65-2004《市容環(huán)境衛(wèi)生術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)》說(shuō)明，廚房垃圾是指家庭生產(chǎn)的易腐垃圾，而易腐垃圾是指垃圾中容易腐爛和惡臭的物質(zhì)。與其他垃圾相比，廚余垃圾的特點(diǎn)是營(yíng)養(yǎng)豐富，可降解的有機(jī)物是廚余垃圾的主要成分。其中包括主食中所含的淀粉，蔬菜和植物的莖和葉中所含的纖維素和聚新戊酸，以及肉類食品中所含的蛋白質(zhì)和脂肪；水果所含的單糖、果酸及果膠(多糖)等；無(wú)機(jī)鹽中以NaCl含量最高，還含有少量鈣、鎂、鉀和鐵等元素?？偟膩?lái)說(shuō)餐廚垃圾具有有機(jī)物含量高、脂肪含量高、鹽含量高幾個(gè)特點(diǎn)，它易于生物降解，具有很高的回收價(jià)值。廚余垃圾的高生物降解性使其成為厭氧消化的良好基質(zhì)。而利用厭氧發(fā)酵技術(shù)處理餐廚垃圾由于其具有可能量回收及產(chǎn)物穩(wěn)定等益處，已引起廣泛關(guān)注。

表1 我國(guó)部分代表城市餐廚垃圾在城市生活垃圾的占比 %

1 厭氧發(fā)酵技術(shù)

1.1 餐廚垃圾資源化方式

目前，飼料加工技術(shù)是國(guó)內(nèi)外廚余垃圾回收技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的一種。然而，由于廚房垃圾含有大量動(dòng)物殘?jiān)绻静煌耆?，病毒很可能通過(guò)飼料傳播。但是，現(xiàn)有的廚余垃圾飼料化技術(shù)存在缺陷，可能導(dǎo)致安全隱患。焚燒法也是常用的處理技術(shù)之一。將垃圾放在特制焚燒爐中用1 000 ℃以上高溫將垃圾有機(jī)成分徹底氧化分解，可將固體減量50 %～80 %，焚燒產(chǎn)生的能量可以用來(lái)發(fā)電、供暖等。然而由于城市固體垃圾含水量高、成分復(fù)雜，傳統(tǒng)焚燒將產(chǎn)生大量有害氣體及粉塵，破壞生態(tài)環(huán)境，危害人類健康；同時(shí)焚燒場(chǎng)建設(shè)維護(hù)成本大，會(huì)造成資源嚴(yán)重浪費(fèi)。此外，好氧堆肥通常也是回收廚余垃圾的方法之一。好氧堆肥是人工控制條件下穩(wěn)定水分、碳氮比和通風(fēng)條件的一個(gè)有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定化過(guò)程[5]。好氧堆肥可利用好氧微生物對(duì)地面或?qū)Ｓ冒l(fā)酵設(shè)施中的有機(jī)物進(jìn)行生物降解，最終形成穩(wěn)定的高肥力腐殖質(zhì)。耐熱降脂放菌、人畜糞便中包含的降解性微生物也常被添加進(jìn)來(lái)與餐廚垃圾自然滋生的微生物共同參與好氧堆肥過(guò)程。然而，由于大面積和長(zhǎng)時(shí)間的好氧堆肥，很容易對(duì)周圍環(huán)境造成二次污染； 并且能耗較大、成本高，因此此項(xiàng)工藝在國(guó)內(nèi)的發(fā)展尤其是土地資源稀缺的地區(qū)很受制約。沼氣技術(shù)，也稱為厭氧消化，利用自然界固有的厭氧細(xì)菌，包括產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷菌(尤其是產(chǎn)甲烷菌)。通過(guò)細(xì)菌的新陳代謝作用將餐廚垃圾中的能源物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣和沼肥的過(guò)程[6]。由于厭氧發(fā)酵技術(shù)相比于好氧堆肥及焚燒等餐廚垃圾資源化方式占地更少、投資更小等諸多優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)越來(lái)越受到社會(huì)的廣泛關(guān)注。

1.2 濕式厭氧發(fā)酵

濕式厭氧消化是指TS(總固體，指樣品中干物質(zhì)的含量)含量低于 10 %厭氧消化。濕式厭氧消化技術(shù)是第一種用于處理廚余垃圾的厭氧消化技術(shù)。在進(jìn)行濕式厭氧消化過(guò)程中，先將進(jìn)料的餐廚垃圾稀釋到特定的濃度，因此在制備過(guò)程中需要大量新鮮水調(diào)配制漿。這樣的目的一方面可以降低有機(jī)物濃度，另一方面也可以稀釋抑制厭氧發(fā)酵進(jìn)行的物質(zhì)濃度，如氨氮、鈉離子等。 濕式厭氧發(fā)酵技術(shù)目前技術(shù)較為成熟，應(yīng)用比較廣泛，但是依然存在多種弊端，如預(yù)處理困難、處理能力低，極易受到鹽分、氨氮及有機(jī)物濃度過(guò)高的抑制[7-8]；同時(shí)由于濕式厭氧發(fā)酵制備過(guò)程會(huì)消耗大量新鮮水，因此其過(guò)程不僅會(huì)產(chǎn)生高能耗也產(chǎn)生大量難以處理的沼液，加大了整個(gè)處理過(guò)程的難度和費(fèi)用。

1.3 干式厭氧發(fā)酵

干式厭氧發(fā)酵與濕式厭氧發(fā)酵相比，TS含量在20 %～30 %之間。干式厭氧發(fā)酵是在沒(méi)有或幾乎沒(méi)有自由流動(dòng)的水的情況下進(jìn)行的沼氣發(fā)酵的過(guò)程。是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外專家推薦研究的一種新生廢物循環(huán)利用的方法。干式厭氧發(fā)酵比濕式厭氧發(fā)酵具有許多優(yōu)點(diǎn)。

(1)由于干式厭氧發(fā)酵過(guò)程中不添加新鮮水進(jìn)行調(diào)配，因此更加節(jié)約，同時(shí)產(chǎn)生的沼液量相比于濕式厭氧發(fā)酵明顯較少，更經(jīng)濟(jì)且便于處理。

(2)由于干發(fā)酵 TS含量通常在20 %以上，能承受的負(fù)荷能力相比于濕法發(fā)酵更高，也使得其有機(jī)質(zhì)濃度較高具有更高的容積產(chǎn)氣率。

(3)發(fā)酵后產(chǎn)物幾乎只有沼渣，可直接作為有機(jī)化肥用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，基本上可實(shí)現(xiàn)污染物的零排放；生產(chǎn)的沼氣具有低硫含量和更高的質(zhì)量。

(4)干法厭氧發(fā)酵操作和維護(hù)更簡(jiǎn)單，更方便，避免了濕法發(fā)酵過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的浮渣和沉淀問(wèn)題。 這些優(yōu)勢(shì)都促進(jìn)了該工藝的推廣和發(fā)展[9]。

2 干式厭氧發(fā)酵技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)干式厭氧發(fā)酵技術(shù)研究情況

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用干式厭氧發(fā)酵技術(shù)處理餐廚垃的工程實(shí)例較少[10]，對(duì)其研究也多局限于實(shí)驗(yàn)室的中小型反應(yīng)器。自國(guó)家“十一五”計(jì)劃提出“沼氣規(guī)?；煞▍捬醢l(fā)酵技術(shù)與裝備研究”后，國(guó)內(nèi)學(xué)者相繼自行設(shè)計(jì)研究了多種干式厭氧發(fā)酵裝置，其中包括韓捷教授設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的 MCT 附膜式干式發(fā)酵裝置[11]，北京化工大學(xué)研究的“城市生活垃圾筒倉(cāng)式干法厭氧生物制氣設(shè)備研發(fā)與示范工程”，李道義等人[12]自主設(shè)計(jì)研究的連續(xù)臥式螺旋推流干式厭氧發(fā)酵裝置，張無(wú)敵等[13]設(shè)計(jì)的一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本低廉的干發(fā)酵循環(huán)連續(xù)式沼氣發(fā)酵的工藝，實(shí)現(xiàn)了干法連續(xù)發(fā)酵和均衡產(chǎn)氣?！笆濉逼陂g，國(guó)家對(duì)干式厭氧資源化無(wú)害化處理技術(shù)的相關(guān)研究更加重視起來(lái)，加大了對(duì)相關(guān)研究的投入。遼寧省能源研究所關(guān)于“北方城市生活垃圾干法厭氧消化及生物質(zhì)燃?xì)饫眉夹g(shù)及示范”的研究，針對(duì)北方中小城市生活垃圾無(wú)害化與資源化率不高等缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了以餐廚垃圾為反應(yīng)底物的干式發(fā)酵制生物燃?xì)獾募杉夹g(shù)，遵化市參考德國(guó)干式發(fā)酵技術(shù)設(shè)計(jì)了聯(lián)合處理雞糞和秸稈的干式厭氧發(fā)酵裝置[14]。

2.2 國(guó)外干式厭氧發(fā)酵技術(shù)研究情況

美國(guó)及歐洲國(guó)家近年來(lái)對(duì)再生能源相關(guān)研究的持續(xù)關(guān)注，為干式厭氧發(fā)酵帶來(lái)了良好的政策支撐。德國(guó)政府提出的“能源概念”指出，目標(biāo)到2020年，可再生能源將占有德國(guó)總能源消耗的18 %，到2050年達(dá)到60 %。而干式厭氧消化是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的有機(jī)廢物處理解決方案，將以沼氣的形式回收能量，其中甲烷占比60 %[ 15 ]。歐盟可再生能源指令2009[ 16]指出，由城市有機(jī)固廢再生的生物甲烷作壓縮氣體生物燃料時(shí)，可減少產(chǎn)生同等能源所用化石燃料制造的80 %的溫室氣體。這項(xiàng)優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他液體生物燃料[ 17 ]。國(guó)外也已經(jīng)有很多成功將干式厭氧發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用于處理城市有機(jī)固廢的工程案例。

(1)德國(guó)AWM公司成功利用干式厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的生物氣通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)裝置將其轉(zhuǎn)化為電能和熱，每年產(chǎn)生大約340×104kwh的電力，足以滿足慕尼黑約1 300戶家庭的用電年消費(fèi)需求。

(2)1992年建成運(yùn)行的比利時(shí) Brecht 處理廠[18]，利用餐廚垃圾與庭院垃圾及不可回收的廢紙進(jìn)行聯(lián)合干式厭氧發(fā)酵處理，達(dá)到年化處理垃圾12 000 t，噸垃圾沼氣產(chǎn)生量為 105 m3，沼氣濃度為 55 %。

(3)荷蘭 Vagron 處理廠可通過(guò)水洗裝置將生活垃圾中的沙、石子、陶瓷等無(wú)極垃圾清理出來(lái)，剩余有機(jī)部分通過(guò)脫水后調(diào)節(jié)其含水率至12 %，調(diào)節(jié)其溫度至55 ℃，送至干發(fā)酵裝置進(jìn)行處理，發(fā)酵后物料用于堆肥生產(chǎn)高品質(zhì)有機(jī)肥料，達(dá)到年垃圾處理量超250 000 t。

(4)奧地利 Wels 處理廠[19]設(shè)計(jì)投產(chǎn)的干式厭氧裝置有機(jī)負(fù)荷達(dá) 6.0 kg/(m3·d)，通過(guò)高溫方式進(jìn)行厭氧發(fā)酵，可達(dá)到每噸垃圾產(chǎn)沼氣量在87 ～137 m3之間，且其中甲烷含量達(dá)60 %～65 %。

(5)由韓國(guó)Geoen Tech公司與德國(guó)RethmannG公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的集裝箱式干發(fā)酵裝置反應(yīng)過(guò)程的控制比較方便，對(duì)周邊環(huán)境的影響較小，且殺菌效果良好。但由于此裝置造價(jià)較高，且對(duì)土地面積需求較大，其發(fā)展應(yīng)用受到了限制。

3 影響干式厭氧發(fā)酵的因素

3.1 溫度

溫度可以極大地影響參與厭氧反應(yīng)的微生物細(xì)胞中酶的活性，因此干式厭氧發(fā)酵受溫度的影響很大。 目前常見(jiàn)應(yīng)用于工程實(shí)例的厭氧發(fā)酵通常采用中溫 35 ℃左右和高溫 55 ℃左右兩種溫度。李金平[20]發(fā)現(xiàn)高溫發(fā)酵時(shí)間短于中溫發(fā)酵。溫度越高，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)越早，發(fā)酵速率越高。這是由于干式厭氧發(fā)酵有機(jī)質(zhì)固體濃度高，物質(zhì)流動(dòng)性差，當(dāng)溫度升高可促進(jìn)發(fā)酵微生物與反應(yīng)基質(zhì)之間的接觸概率，同時(shí)提供給發(fā)酵微生物足以滿足自身生長(zhǎng)繁殖的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，由此促使產(chǎn)氣率進(jìn)一步提高。但也有例外的情況，如Abouelenien F[21]就發(fā)現(xiàn)某些基質(zhì)在高溫下的反應(yīng)不如中溫時(shí)徹底，Abouelenien F在研究溫度對(duì)雞糞的干式厭氧反應(yīng)時(shí)，結(jié)果顯示中溫產(chǎn)氣率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它溫度。

3.2 pH值

pH 對(duì)厭氧消化反應(yīng)穩(wěn)定性很重要，由于產(chǎn)甲烷菌對(duì)pH值十分敏感，所以pH值的變化能夠直觀地體現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)氣環(huán)境的好壞。陳興春等人[22]設(shè)計(jì)了熱堿預(yù)處理-半連續(xù)式干式厭氧發(fā)酵污泥處理工藝，研究了在偏中性( pH= 6.5)和堿性( pH= 10.0)條件下發(fā)酵反應(yīng)的變化，研究發(fā)現(xiàn)偏中性環(huán)境時(shí)產(chǎn)酸更穩(wěn)定，且產(chǎn)氣量更高。在堿性環(huán)境中乙酸產(chǎn)量更高。而溶解性蛋白質(zhì)、溶解性多糖、氮和磷在兩種條件下的的釋放無(wú)較大差異。

3.3 反應(yīng)底物的碳氮比

高濃度有機(jī)物在進(jìn)行干式厭氧發(fā)酵的過(guò)程中，碳氮比過(guò)高會(huì)降低反應(yīng)系統(tǒng)的抗沖擊性，使得不飽和脂肪酸在反應(yīng)過(guò)程中不斷累積，促使反應(yīng)器中反應(yīng)環(huán)境不斷酸化失穩(wěn)。而同時(shí)過(guò)低的碳氮比在厭氧消化過(guò)程中，會(huì)造成消化過(guò)程中氨氮不斷累積，過(guò)高的氨氮濃度對(duì)產(chǎn)甲烷菌的活性抑制效果也十分明顯，最終導(dǎo)致反應(yīng)處于低產(chǎn)氣量狀態(tài)或者不產(chǎn)氣狀態(tài)。由此可見(jiàn)適宜且恒定的碳氮比對(duì)反應(yīng)的穩(wěn)定至關(guān)重要，大量實(shí)驗(yàn)表明厭氧消化適宜的碳氮比在25∶1左右最為適宜。

3.4 攪拌

由于干式厭氧發(fā)酵沒(méi)有或幾乎沒(méi)有流動(dòng)水，攪拌可使發(fā)酵底物與微生物接觸更加充分，有利于系統(tǒng)的微生物菌群和酶物質(zhì)充分拌合和利用，提高酶利用率和傳質(zhì)效果，避免反應(yīng)過(guò)程中局部酸化。Cubas和Rodrigues[23，24]研究發(fā)現(xiàn)攪拌可以使微生物均勻地分布于反應(yīng)器中，并可以極大地提升反應(yīng)過(guò)程中的COD去除率。但是不當(dāng)?shù)臄嚢枰矔?huì)對(duì)反應(yīng)過(guò)程有不利的影響作用，破壞形成甲烷化的中心環(huán)境，抑制甲烷化中心的形成。然而，由于工程實(shí)例中干式厭氧發(fā)酵反應(yīng)器體積大，添加攪拌系統(tǒng)將顯著增加反應(yīng)器的構(gòu)建和維護(hù)成本。由此工業(yè)中是否引入攪拌系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行分析。

3.5 微量元素

干式厭氧發(fā)酵在運(yùn)行過(guò)程中常難以持續(xù)維持穩(wěn)定運(yùn)行，而添加一定量的微量元素有助于提高其穩(wěn)定性及產(chǎn)氣率。Zhang 等[25]研究了豬糞與餐廚垃圾聯(lián)合消化的產(chǎn)氣性能和穩(wěn)定性時(shí)發(fā)現(xiàn)聯(lián)合發(fā)酵的效果明顯優(yōu)于餐廚垃圾單獨(dú)發(fā)酵，結(jié)果表明這是由于豬糞中的微量元素Fe、Co、Ni、Mo 等促進(jìn)了產(chǎn)甲烷過(guò)程。由于微生物生長(zhǎng)繁殖都需要微量元素，如元素 Fe 和 Co 是產(chǎn)乙酸菌一氧化碳脫氫酶( CODH)的輔因子，元素 Ni 對(duì)產(chǎn)甲烷菌輔酶 F43不可代替。Kayhanian 等[26]在研究城市固體垃圾發(fā)酵時(shí)加入了微量元素結(jié)果表明不僅產(chǎn)氣量增加了30 %，而且反應(yīng)穩(wěn)定性也大幅提高。

4 展望

中國(guó)城市每年生產(chǎn)不少于6 000×104t噸的廚余垃圾。傳統(tǒng)的廚余垃圾處理技術(shù)不僅無(wú)法實(shí)現(xiàn)廚余資源的利用，還給地方財(cái)政帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)。據(jù)沈超青分析，廣州利用焚燒和填埋方式處理廚余垃圾的年收入分別為-2 538萬(wàn)元和-1 465萬(wàn)元。 我國(guó)目前能源短缺，中央政府持續(xù)推進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，干式厭氧發(fā)酵在對(duì)固體有機(jī)垃圾資源化利用上有別的處理方式?jīng)]有的優(yōu)勢(shì)，它具有很大的潛在研究空間，符合可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方向。 目前，我國(guó)對(duì)干法厭氧發(fā)酵技術(shù)的研究起步較晚，應(yīng)用實(shí)例較少，特別是對(duì)干式發(fā)酵有機(jī)負(fù)荷、啟動(dòng)慢、易不穩(wěn)定的研究，需在這些方面加大投入以期為干式厭氧發(fā)酵技術(shù)在中國(guó)餐廚垃圾資源化的處理中發(fā)揮最大作用。