城市生活垃圾推流式厭氧干發酵技術*

王小韋，祝金星，陳 芳，何 亮

（北京環衛集團環境研究發展有限公司，北京 100101）

1 干發酵技術現狀

干式厭氧發酵通常是指發酵原料的干物質含量為15%～35%，原料呈固態。早在20世紀50年代，國外已有人對厭氧干式發酵技術進行了研究，歐洲許多國家在連續式和間歇式干發酵方面都進行了研究和商業化運作，包括Kompogas技術、Dranco技術、Linde-LARAN工藝、Valorga工藝及BIOFERMT和BEKON公司的車庫式干發酵技術［1］，然而國外的干發酵技術多用于農業領域的能源作物，物料均質單一，并不符合我國垃圾物料特性。

國內干式發酵技術只是在近幾年才發展具有一定規模化、工業化生產的沼氣工程。國內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、農業部規劃設計研究院、昆明理工大學、清華大學、華中科技大學、北京化工大學等）對厭氧干發酵技術進行了大量研究［2-8］。農業部規劃設計研究院的韓捷開發的MCT覆膜式干式發酵裝置以及哈爾濱龍能燃氣公司引進的車庫式干發酵技術［9-10］，代表了目前國內間歇式干發酵的水平。

總體來說在我國成功運營的處理城市生活垃圾干發酵設施少之又少，失敗的例子卻有很多。究其原因是因為國內甚至不少業內人士都對城市生活垃圾干發酵技術存在一定的認識誤區：誤區一是認為混合生活垃圾只可以做濕式厭氧處理。當前采用混合收集、混合處理的模式，僅依靠垃圾中轉站的分選難以實現生物質廢物與其他生活垃圾有效分離，直接進入厭氧系統必然導致有機質轉化率低，肥料品質低劣，沼液沼渣處理費用高、運行設備易損壞等問題。誤區二是認為干式厭氧處理在我國行不通。國內許多公司引進國外干發酵工藝，均以不同程度的失敗而告終。這說明單純的引進國外成熟的厭氧技術往往會出現水土不服的情況，在國外運行狀況很好的工藝，引入國內就會出現這樣或那樣的問題，歸其原因在于垃圾成分的不同。誤區三是為規避雜質過多的問題，采用過度的篩分分離設備。厭氧干發酵技術是以弱化物料的前處理為主要優勢，過度的篩分分離一方面增加了整個系統的投資和運營成本，另一方面也造成了大量的有機質在篩分分離過程中大量的損失。

根據筆者長期的運營經驗和監測數據，我國城市生活垃圾中有60%適合做生物處理，垃圾的處理方式應該以生物處理為主，主要包括厭氧發酵技術和好氧堆肥技術。厭氧處理城市生活垃圾，相比于好氧堆肥工藝，既能產生可作為能源利用的沼氣，又能產生有機肥料，沼液沼渣在資源化利用后，對外界環境可實現污染物零排放，是解決城市生物質廢物處理處置的最佳選擇。因此，選擇厭氧處理技術符合我國城市垃圾成分特點和資源化利用要求，關鍵是如何進行厭氧處理。

2 工藝技術路線

針對我國生活垃圾物料特性和干發酵技術特點，提出適合城市生活垃圾厭氧處理的總體解決方案，走出了現存的3個誤區，如圖1所示。總體思路是先簡單破碎后高壓擠壓分離，最大限度地保留有機組分，擠壓后的“濕物質”作為易生化組分進入干發酵系統，“干物質”作為易燃組分進入焚燒或氣化系統。

圖1 城市生活垃圾干式發酵工藝流程

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

3 工程實例

在國家科技支撐計劃的大力支持下，北京環衛集團環境研究發展有限公司在北京市通州區董村環衛綜合處理廠內建成50 t/d生活垃圾干式厭氧發酵工程，此項目關鍵技術設備是高壓擠壓分離設備和推流式厭氧干發酵罐。

3.1 高壓擠壓分離設備

高壓擠壓分離設備如圖2所示，采用液壓超高壓技術，全部采用液壓動力，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、無機質等組分的強度及韌性的不同，將生活垃圾分為宜生化組分和宜燃組分分離開來，兩者質量比約為7:3，通過擠壓使有機質等“濕物質”由孔中被擠出，而塑料、木竹等高熱值的“干物質”則留在腔體內。擠壓后的干物質含水率在30%以下，熱值高達15 900 kJ/kg；濕物質中廚余類、紙類等宜生化組分含量達80%～90%，含水率65%～75%。

圖2 生活垃圾高壓擠壓分離設備

該設備具有工藝鏈短、設備占地面積小、分離效率高等優點。該設備可滿足生活垃圾綜合處理工藝對分離分選裝備的需求，分離出的濕物質具有有機質含量高、含水率高等特點，適合進行干式厭氧發酵資源化處理，而干物質具有熱值高、含水率低等特點，不但適合進行風選，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 推流式厭氧干發酵罐

消化反應器是厭氧發酵系統中最重要的裝置，本項目采用推流式厭氧干發酵罐，如圖3所示，橫截面底部呈正方形，采用混凝土和鋼結構結合的密封結構，內部保持輕微的過壓狀態。此外，頂部還設有沼氣收集罩，包括安全閥、觀察和檢測儀表等設備。發酵罐長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酵罐

發酵罐內有4根緩慢旋轉的縱向攪拌裝置，其中第1根主要負責將經過預處理的新鮮物料和來自末端的回流物料在發酵罐內混合接種，物料在發酵罐內呈半流態狀態，通過4根攪拌軸及其葉片的緩慢轉動進行攪拌和接種，攪拌器由變頻電機控制，從而使發酵罐始終處于最佳工作狀態，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。發酵溫度為55℃，固體含量25%～35%（設計值30%），物料停留時間設定為25 d。

4 運行效果與討論

4.1 發酵前后物料TS、VS的變化

發酵物料在厭氧前后的變化如圖4所示。進罐物料的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%。通過進料VS濃度的變化，忽略由于有機質轉化為生物氣而帶來的沼液體積變化，可以推算出整個發酵系統有機質的平均轉化率為63.8%。

圖4 發酵前后物料的變化

4.2 氨氮的變化

一般認為，氨氮為50～200 mg/L時，有利于反應的進行，否則會減少生物體的活性。當反應器內的氨氮為12 mg/L，乙酸利用速率只有其最大值的54%。這說明，氨氮不僅是厭氧微生物生長所必須的基本氮源，而且還對促進厭氧污泥的活性具有重要作用。氨氮為200～1 000 mg/L時，對厭氧反應器中的微生物無不利影響。針對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條件（反應器類型、操作方式、溫度、pH以及微生物馴化與否等）不同，得出的氨氮對有機垃圾厭氧發酵的抑制濃度相差較大。在系統正常運行pH為6.5～8.5，甲烷菌的活性隨著NH4+的增加而降低，當NH4+為1 670～3 720 mg/L時甲烷菌的活性降低10%，當NH4+為4 090～5 550 mg/L時甲烷菌的活性降低50%，當NH4+為5 880～6 600 mg/L時甲烷菌會完全失去活性。

氨氮變化情況如圖5所示。在運行過程中，反應器內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，系統連續運行，產氣量穩定，氨氮濃度基本處于穩定狀態，沒有對產氣產生抑制作用。

4.3 產氣量變化

圖5 發酵系統氨氮的變化

在10周的觀察期內，產氣量變化如圖6所示，平均產氣量2 537 m3/d。按原始進料量50 t/d計，進罐物料基于濕基的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質可以產生沼氣433.6 m3/t，可以預計，示范工程每年可產沼氣92萬m3，可發電147萬kWh。

圖6 厭氧發酵日產氣量

4.4 甲烷含量的變化

在系統運行過程中，對生物氣甲烷含量進行了檢測，如圖7所示。甲烷含量為52.8%～63.5%，說明發酵罐處于正常工作水平。

圖7 發酵罐甲烷含量的變化

5 結論

1）城市生活垃圾推流式厭氧干發酵罐在處理規模50 t/d、溫度55℃、固體含量25%～35%、物料停留時間25 d的運行情況下，整體系統運行狀況良好。單位有機質產氣量433.6 m3/t，有機質的平均轉化率為63.8%，甲烷為52.8%～63.5%，每年可產沼氣92萬m3，可發電147萬kWh。

2）在國外，固體廢物的厭氧發酵技術相當成熟，已被證實發展前景廣闊。而在我國，廢物處理技術相對滯后。在過去的20 a，城市生活垃圾的收集、傳遞和運輸系統雖然有所改善，但仍舊不能滿足城市快速發展的需要；城市生活垃圾的處理技術在努力平衡和改善填埋、焚燒和堆肥這3項技術的同時，應根據垃圾的不同特點，努力開拓厭氧發酵處理技術。

3）無論從能源的再利用還是從垃圾減量化的角度，厭氧發酵處理都代表著垃圾的處理方向，這對加快能源領域實現可持續發展的戰略目標具有十分重要的意義。期待政府在政策上給予支持，同時要努力推動城市生活垃圾分類管理的升級，共同推進城市生活垃圾處理技術的發展。

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