干法厭氧消化在有機垃圾處理中的應用

韓朝暉

（億利資源集團有限公司，北京100031）

干法厭氧消化在有機垃圾處理中的應用

韓朝暉

（億利資源集團有限公司，北京100031）

目前生活垃圾中含有大量可利用的有機垃圾，其在厭氧條件下可消化產生沼氣，有機垃圾直接填埋會造成可再生能源的浪費。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出沼氣上。同時分析了各種控制參數對干法消化運行的影響及干法消化適用的領域。

有機垃圾；厭氧消化；干法消化；可再生能源

隨著中國城市化進程的加快，我國城市生活垃圾年增長率達到了10%以上。目前垃圾處理方式主要是填埋，少部分堆肥和焚燒。根據中國實際國情和公民意識，垃圾從源頭分類目前還無法實現，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垃圾，且具有量大、易生物降解和高含水的特點，成為污染環境的主要污染源。同時有機物厭氧條件下可產生沼氣，沼氣可用于熱電聯產和提純生產生物燃氣，如果直接填埋會造成可再生能源的浪費。

目前我國一些環保企業運用濕法厭氧發酵工藝，已經成功建造了許多沼氣廠。該工藝將生活垃圾中的有機物和其他有機廢棄物（污水處理廠剩余污泥、餐廚垃圾、糞便等）通過預處理后送進厭氧發酵罐，進行聯合厭氧發酵。通過控制混合物料的反應時間，處理過程中產生大量的沼氣和有機肥料,從而達到降低生活垃圾和有機廢棄物中有機物含量的目的。進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，進入消化池的有機物料的干固率在20%～30%，要達到10%DS的要求必須加大量的水，有時甚至達到2～3倍。一些污泥出廠時已經經過脫水達到20%DS，但為了進行濕法消化，還要加入一倍的水進行稀釋，這就造成能源和水資源的大量浪費。因此研究開發適合城市生物質垃圾特性的高固體厭氧消化技術（High Dry Solid Anaerobic Digestion，即干法）是中國當前市政垃圾處理領域的主要研究熱點。

1 干法消化概念和工藝

干法消化工藝是歐洲近30年前開發的，為市政廢物的處理、龐大粘稠的工業有機殘余物包括大量的雜質的處理提供技術解決方案。它是相對于濕法提出的概念，根據進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）。

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，用混凝土結構建造。消化器、后消化器、根據需要的預水解和最終貯存的攪拌過程，對于設備的有效運行和相關基質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,并帶有堅實的攪拌槳,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排放,輸送給后續的脫水或后消化工序。

消化池最初是用調整后濃度在30%～35%的干物質混合物進料來運營的。從出料中回收的工藝水通常會被用于入料濃度的調節。

2 基質的定義

與濕法消化相比，干法消化技術還能對經篩選的含有大量的粗大雜質的生活垃圾或源頭分類的粒徑最大約達60 mm的有機物進行消化，也可對能源作物（玉米青貯）進行消化。應優選使用回收的沼液將消化池進料的干物質的含量調整到30%～35%。可再生能源作物的消化,相應的干物質含量范圍是容易管理的。有機負荷率可達到5～7 kg VS/（m3·d）。對于長時間的穩定運行，能夠顯示高有機負荷率下的穩定的基質轉換率和理論上計算出的沼氣潛力即甲烷產率[1]。

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

在基質選擇中，優化所有重要營養物和微量元素的供應，來避免消化抑制、pH值擾動和運行過程中基質受限。同時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

借助于高負荷厭氧干法消化技術進行可持續生物能源生產,會導致沼渣沼液典型而明顯的高動態粘度。基于不同有機漿料固體濃度的動態粘度的統計測量數據[3]可以看出,具有三維大分子結構的有機漿料具有很高的抗剪強度。

如STOKES（1851）所定義的非紊流狀態下，固體顆粒在周圍流體中的沉積現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。因此,在一定的顆粒參數下，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。

介質的粘度越高，反應體積內的液體循環越有限。對于粘度在2 000～55 000 mPas以外的基質來說，帶泵送效應的快速運行攪拌器就不再適用了，因為介質不能大面積流動而只是留在攪拌葉片附近。因此在這些高粘性區域內，必須使用緩慢運行的攪拌器[5]。

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

4 熱傳遞

消化細菌細胞周圍的傳質條件對介質粘度有明顯依賴，對于高負荷干消化來說，粘度對傳質的抑制影響必須考慮[6]。發酵過程的熱量輸入必須達到足夠高，以把入料加熱到工藝溫度，而且由于對流和沼氣排放產生的熱損失必須進行補充。對于高粘度的層狀整體流來說，熱傳遞將被糊狀泥漿內的熱導率控制。這會導致在容積內出現局部溫度差，目的是為熱量流動產生必要的推動力，并可能出現局部區域過熱。

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

5 干法消化的優、缺點

相對于濕法消化，干法具有如下的優點：

（1）在消化池前沒有額外的碎物需要處置（填埋,焚燒）；

（2.）很少的設備和工藝步驟，操作簡單；

（3）沒有制漿工藝，垃圾量沒有大規模地增加；

（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:

（1）所有的污染物和雜質都被送入消化器，包括重金屬，降低消化質量；

（2）較低的沼氣產出；

（3）堆肥精化中需要分離污染物和雜質。

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

圖2

6 結論

干法厭氧消化技術作為歐洲先進的有機垃圾處理技術，目前已相對成熟，現正在運行的消化器運行穩定，產氣率高。消化干法使得垃圾通過產業化、市場化方式處理成為可能。到目前為止，這一歐洲先進技術還沒有被成功引入到中國，國內這一領域剛剛起步，并且市場潛力巨大；同時國家也出臺許多利好政策來鼓勵和支持這一行業發展。

[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，德國理學碩士，研究方向：污水處理、垃圾處理和可再生能源。