國內(nèi)廚余垃圾厭氧消化工藝的應(yīng)用

徐立 董蕾 華建敏 徐斌 李煒

（瑞泰環(huán)保裝備有限公司，江蘇常州 213000）

1 引言

國家發(fā)展和改革委員會、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2017 年3 月發(fā)布了《生活垃圾分類制度實施方案》，提出到2020 年底，全國基本建立垃圾分類相關(guān)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系，形成可復(fù)制、可推廣的生活垃圾分類模式，在46 個城市實施生活垃圾強制分類。黨的十九屆四中全會通過的《中共中央關(guān)于堅持和完善中國特色社會主義制度 推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化若干重大問題的決定》中，再次提出了“普遍實行垃圾分類和資源化利用制度”的要求。自此，國內(nèi)開始大規(guī)模實施生活垃圾分類，并開始分類收集和分類處理的相關(guān)工作。廚余垃圾是目前國內(nèi)常用的“四分法”分類中的一類，由于沒有統(tǒng)一的處理指導(dǎo)方法，各地對于廚余垃圾的處理尚處于各自決策的摸索階段。

廚余垃圾是指家庭日常生活中丟棄的果蔬及食物下腳料、剩菜剩飯、瓜果皮等易腐有機垃圾。受制于終端設(shè)施不配套、居民素質(zhì)、政府管理等因素，大多數(shù)城市和地區(qū)的廚余垃圾分類準(zhǔn)確性、減量效果等都不如預(yù)期［1］，還有部分城市分類的廚余垃圾只是少了部分大件垃圾、磚瓦石塊的混合生活垃圾，塑料、玻璃、竹木等雜質(zhì)含量較高；少部分城市如上海市，垃圾分類效果好，分類后的廚余垃圾品質(zhì)高，雜質(zhì)含量少。一般而言，國內(nèi)廚余垃圾含水率高（65%～85%）、可降解有機質(zhì)含量較高，傳統(tǒng)的填埋、焚燒工藝不適合直接處理分類收集后的廚余垃圾［2］。部分學(xué)者建議家庭安裝廚余垃圾破碎機，將廚余垃圾粉碎后排入下水道，但受納的污水管網(wǎng)和污水處理系統(tǒng)能否承受還有待進一步考量［3］。不少城市如廣州、上海等市已出臺法規(guī)，禁止或者不鼓勵家庭使用廚余垃圾粉碎機。目前國內(nèi)外規(guī)?；瘡N余垃圾處理大多為生化處理輔以資源化利用，而生化處理以好氧堆肥和厭氧消化工藝為主。廚余垃圾堆肥除了存在占地大、污染控制難等問題外，最大的難點是堆肥產(chǎn)品的出路，因此以好氧堆肥為主的項目比較少。厭氧消化技術(shù)較傳統(tǒng)的好氧堆肥技術(shù)占地小，在密閉厭氧反應(yīng)器中進行，環(huán)境影響較小。經(jīng)過厭氧消化后，還會產(chǎn)生比較穩(wěn)定的生物質(zhì)能源——沼氣，在國家政策、對周邊環(huán)境影響及其最終產(chǎn)物出路上都具有較大優(yōu)勢。目前國內(nèi)一些已建和在建的廚余垃圾處理項目，大多選擇以厭氧消化為主的工藝。本文介紹了幾種典型的廚余垃圾厭氧消化工藝，為新建廚余垃圾處理設(shè)施工藝的選擇提供建議和參考。

2 典型廚余垃圾厭氧消化工藝

2.1 工藝一：預(yù)處理＋水平推流干式厭氧消化

廚余垃圾經(jīng)板式給料機接料后輸送至破袋滾筒篩（篩孔100～120 mm），裝有紙張塑料等輕物質(zhì)的垃圾袋不易破袋，而較重的、有機物含量高的垃圾袋旋轉(zhuǎn)跌落過程中易破袋，內(nèi)容物出袋篩分。篩上物外運處置，篩下物經(jīng)磁選出鐵金屬后進行二次篩分（篩孔60 mm）。篩上雜物以柔性塑料、織物、紙張為主，再進入惰性物分離設(shè)備將其中的輕柔物去除，并將物料破碎到60 mm 以下。惰性物分離后的物料與二次篩分篩下物主要為可降解有機質(zhì)，合并后送入中間儲料倉。中間儲料倉的功能為平衡預(yù)處理工作時間（一般8～12 h）和厭氧消化罐進料時間（24 h）之間的差異，保證物料的均質(zhì)性和平穩(wěn)進料，同時進行預(yù)發(fā)酵排水、調(diào)節(jié)厭氧進料含固率。干式厭氧進料含固率一般控制在25%～35%。中間儲料倉的物料通過輸送設(shè)備分時均勻送到干式厭氧消化反應(yīng)器內(nèi)，厭氧消化工藝為水平推流干式厭氧工藝，內(nèi)設(shè)機械攪拌器可以防止物料表面結(jié)殼和沉積。經(jīng)過厭氧消化后的物料通過真空出料裝置排出厭氧消化反應(yīng)器并進入螺旋擠壓脫水設(shè)備，脫水漿液與瀝水再經(jīng)預(yù)處理將其中的沉砂等雜質(zhì)去除后進入污水系統(tǒng)處理，將沼渣脫水至含水率50%左右后外運處置。根據(jù)厭氧攪拌器形式不同，水平推流干式厭氧反應(yīng)器又分為多短軸攪拌和單長軸攪拌2 種形式，常用的水平推流干式厭氧消化工藝有德國Strabag 工藝［4］和瑞士Kompogas工藝［5］。

“預(yù)處理+水平推流干式厭氧消化”工藝流程見圖1。

圖1 “預(yù)處理+水平推流干式厭氧消化”工藝流程

該工藝優(yōu)點：（1）設(shè)備成熟穩(wěn)定可靠，運行成本低。（2）適應(yīng)性強，水平推流干式厭氧消化工藝尤其是多短軸攪拌厭氧反應(yīng)器雜質(zhì)耐受程度高，對前分選要求較低。（3）通過干式厭氧消化，大量有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣，同時將有機物細胞破壁，沼渣固液分離效果更好，固渣減量率高，與焚燒協(xié)同性好。（4）工藝有機負荷高，反應(yīng)器容積小，單位容積產(chǎn)氣率高。（5）干式厭氧流態(tài)為推流式，沒有物料短流。該工藝缺點：設(shè)備投資較高。比較有代表性的廈門生活垃圾分類處理廠項目已連續(xù)穩(wěn)定運行近7 年。

2.2 工藝二：預(yù)處理＋立式干式厭氧消化

廚余垃圾經(jīng)板式給料機輸送至人工分揀室，將其中的玻璃陶瓷、磚瓦石塊、木塊、紡織物、大件分揀出外運處置，再經(jīng)破袋機將其中的塑料袋撕破，通過磁選機分選出鐵金屬，通過人工將大量的塑料、紙等雜物去除；剩余物料主要為可降解有機質(zhì)，其進入分選制漿系統(tǒng)，破碎制成顆粒直徑小于30 mm 的漿料，同時硬質(zhì)重物料因離心力被甩至分離器內(nèi)壁并沿分離器內(nèi)壁下降，完成了細小輕硬質(zhì)雜物的分離。經(jīng)分選制漿后的漿料進入混料系統(tǒng)，在混料系統(tǒng)內(nèi)與厭氧罐返混后的沼液均勻混合，通入蒸汽加熱，溫度調(diào)整至35～38 ℃后，再通過進料泵輸送至厭氧罐進行立式干式厭氧消化。目前市場上的立式干式厭氧有從頂部進料的比利時DRANCO 工藝［6］和從底部進料的法國Valorga 工藝。2 種立式干式厭氧工藝的攪拌方式不同，DRANCO 工藝采用的是頂部多進料口進料，通過罐內(nèi)物料自重下沉或者將罐內(nèi)物料再泵回罐內(nèi)下沉進行攪拌；而Valorga 工藝是將產(chǎn)生的沼氣加壓后從罐底回噴，通過沼氣氣泡上升起攪拌作用。此類立式干式厭氧消化工藝內(nèi)部沒有專門的攪拌裝置，進料含固率通?？刂圃?2%以下，對厭氧進料要求較高，重雜質(zhì)和輕雜質(zhì)的進入，對厭氧消化反應(yīng)器的影響較大。立式干式厭氧出料往往采用底部螺旋出料和柱塞泵出料2 種形式，出料進入沼渣脫水系統(tǒng)進行渣水分離。

“預(yù)處理+立式干式厭氧消化”工藝流程見圖2。

圖2 “預(yù)處理+立式干式厭氧消化”工藝流程

該工藝優(yōu)點：設(shè)備投資相對較低。該工藝缺點：（1）物料進料要求高，前分選工藝較為復(fù)雜。（2）雜質(zhì)耐受性差，當(dāng)進料雜質(zhì)多時，罐體易堵塞，運行穩(wěn)定性較差。（3）由于沒有專門的攪拌裝置，罐內(nèi)物料均質(zhì)性差。（4）物料易短流，厭氧消化不完全。比較有代表性的杭州天子嶺廚余垃圾項目（一期）已運行5 年多。

2.3 工藝三：預(yù)處理＋濕式厭氧消化［7］

廚余垃圾接料后送至破碎機將物料破碎成較小粒徑，破碎后的物料輸送至液壓柱塞式壓榨機進行擠壓分離，擠壓強度一般為20～60 MPa。根據(jù)垃圾成分的不同調(diào)整設(shè)備擠壓強度，一般干組分含水率在65%以下，濕組分含固率一般為15%～25%。干組分占比30%～50%，以塑料、植物纖維、布料等為主；濕組分占比50%～70%，以有機漿料為主。濕組分螺旋輸送至濃漿池調(diào)配含水率并除砂，隨后進行濕式厭氧消化，干組分外運處置。濕式厭氧消化系統(tǒng)進料含固率控制在10%～15%，一般采用成熟的CSTR 全混合式厭氧反應(yīng)器，CSTR 適用于料液濃度高、懸浮性固體較高的有機物料［8］。厭氧消化反應(yīng)器內(nèi)的沉砂和浮渣分別進行固液分離，分離出的脫水沼渣和沼液另行處理。

“預(yù)處理+濕式厭氧消化”工藝流程見圖3。

圖3 “預(yù)處理+濕式厭氧消化”工藝流程

該工藝優(yōu)點：（1）工藝較簡單。（2）占地小。該工藝缺點：（1）擠壓后濕組分含固率一般在15%～25%，需要添加稀釋水滿足濕法厭氧進料含固率要求。（2）除砂除渣預(yù)處理較困難，運行風(fēng)險大。（3）脫水沼渣含水率高（一般在75%～80%），沼渣處理較困難。（4）雜物較多時，高壓擠壓制漿出料易堵塞。（5）高壓擠壓設(shè)備投資高、能耗大。比較有代表性的廣州東部生物質(zhì)綜合處理項目已運行近1 年。

2.4 工藝四：預(yù)處理＋生物水解＋濕式厭氧消化［9］

廚余垃圾經(jīng)板式給料機接料后輸送至破袋滾筒篩（篩孔100～120 mm），裝有紙張塑料等輕物質(zhì)的垃圾袋不易破袋，而較重的、有機物含量高的垃圾袋旋轉(zhuǎn)跌落過程中易破袋，內(nèi)容物出袋篩分。篩上物外運處置，篩下物經(jīng)磁選出鐵金屬后由人工分揀出易拉罐、磚瓦石塊、塑料瓶等雜物，然后進入生物水解反應(yīng)器。

生物水解反應(yīng)器內(nèi)部有一根帶槳葉的機械攪拌軸，內(nèi)部溫度控制在28～38 ℃，頂部帶有厭氧沼液回流管。預(yù)處理后的篩下物保留了大部分可生物降解的有機質(zhì)，在生物水解反應(yīng)器中停留2～3 d，其間不間斷地將厭氧沼液回流生物水解反應(yīng)器，起到接種和加速有機質(zhì)淋洗的作用。在生物水解和機械攪拌作用下，可生物降解有機質(zhì)由固相轉(zhuǎn)化為液相，完成水解反應(yīng)的物料通過底部的出料螺旋輸送機輸送至擠壓脫水機進行固液分離，固渣含固率55%左右，外運處置。有機漿液再經(jīng)格柵、氣浮等設(shè)備去除其中的雜質(zhì)后送入濕式厭氧消化系統(tǒng)。有機漿液COD 介于40 000～80 000 mg/L，一般采用成熟的UBF，UASB等濕式厭氧消化工藝，適用于料液濃度低、懸浮性固體較少的有機原料［8］。部分厭氧沼液回流生物水解反應(yīng)器，剩余沼液再進行脫水，脫水沼渣外運處置，脫水沼液送至污水處理系統(tǒng)。

“預(yù)處理+生物水解+濕式厭氧消化”工藝流程見圖4。

圖4 “預(yù)處理+生物水解+濕式厭氧消化”工藝流程

該工藝優(yōu)點：（1）生物水解反應(yīng)器對進料垃圾要求不高，適合處理垃圾分類品質(zhì)一般的廚余垃圾或混合生活垃圾，預(yù)處理工藝較簡單。（2）對有機垃圾快速脫水減量，有效提高物料熱值，與焚燒協(xié)同程度較高。（3）預(yù)處理后的漿液采用UBF，UASB 等濕式厭氧消化技術(shù)，工藝成熟高效。該工藝缺點：（1）生物水解時間一般需2～3 d，占地較大。（2）生物水解反應(yīng)器的控制要求較高。比較有代表性的紹興廚余垃圾處理項目已經(jīng)運行近2 年。

3 國內(nèi)主要城市廚余垃圾處理項目建設(shè)案例

國內(nèi)主要城市已經(jīng)建成和在建的25 個廚余垃圾處理項目見表1。

表1 國內(nèi)已經(jīng)建成和正在建設(shè)的廚余垃圾處理項目統(tǒng)計（截至2020 年5 月）

根據(jù)表1，從數(shù)量和規(guī)模上看，目前國內(nèi)廚余垃圾處理以“預(yù)處理＋水平推流干式厭氧消化”工藝應(yīng)用最為廣泛，但絕大部分項目均處于在建或調(diào)試階段，其運行穩(wěn)定性及成熟程度還有待進一步實踐驗證。“預(yù)處理＋立式干式厭氧消化”工藝和“預(yù)處理＋濕式厭氧消化”工藝的規(guī)?；㈤L期穩(wěn)定運行的案例較少。“預(yù)處理＋生物水解＋濕式厭氧消化”工藝適宜處理垃圾分類品質(zhì)一般的廚余垃圾，但該工藝對分類較好的廚余垃圾（如上海）適應(yīng)性還有待實踐驗證。

4 結(jié)論與建議

我國廚余垃圾品質(zhì)、數(shù)量受垃圾分類效果影響較大，因此對工藝的選擇也影響較大。從目前垃圾分類的現(xiàn)狀來看，絕大部分城市廚余垃圾分類效果一般，含雜率及含水率均較高，因此工藝的選擇應(yīng)該重點考慮厭氧消化工藝的雜質(zhì)耐受性，同時考慮廚余垃圾品質(zhì)上升之后（含水率勢必提高）的工藝適應(yīng)性。

此外，廚余垃圾厭氧消化處理項目應(yīng)考慮沼渣的出路問題，脫水沼渣焚燒是目前較為普遍的處置方式，此時宜選擇脫水沼渣熱值高、固渣減量率高的厭氧消化工藝，或者經(jīng)生物干化、機械熱干化后，再進行焚燒處置。部分有有機肥市場需求的城市，可對沼渣進行高溫好氧堆肥后應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)，進一步提高廚余垃圾的資源化利用程度。

目前，國內(nèi)廚余垃圾處理還處于起步階段，應(yīng)因地制宜，結(jié)合廚余垃圾性狀，選擇適合的廚余垃圾預(yù)處理和厭氧消化工藝。