針對復雜物料的生活垃圾干式厭氧攪拌系統研究

王小韋， 何 亮， 祝金星， 張晨光

(1. 北京環衛集團環境研究發展有限公司， 北京 100101； 2. 北京市城鎮生活固廢綜合處理與資源化工程技術研究中心， 北京 100101)

針對復雜物料的生活垃圾干式厭氧攪拌系統研究

王小韋1，2， 何 亮1，2， 祝金星1，2， 張晨光1，2

(1. 北京環衛集團環境研究發展有限公司， 北京 100101； 2. 北京市城鎮生活固廢綜合處理與資源化工程技術研究中心， 北京 100101)

攪拌是干式厭氧消化工藝中的關鍵設備，影響到整個系統成敗的關鍵。文章首先對干式厭氧攪拌設備進行了模擬計算，攪拌軸的機械性能安全系數達到6.35，厭氧罐內的不同位置的流速在0.01 m·s-1～0.6 m·s-1之間，完全滿足工程項目設計要求；并以北京沼氣工程為例介紹了城市生活垃圾干式厭氧處理示范項目，處理規模50 t·d-1，溫度55℃，物料濃度28.6%，單位進罐垃圾的產氣量達到93.65 Nm3·t-1，甲烷含量在51.5%～64.3%之間，因此，干式厭氧攪拌設備的開發具有十分重要意義，有力地促進了干式厭氧技術在生活垃圾處理中的應用和發展。

城市生活垃圾； 干式厭氧消化； 沼氣

隨著經濟的發展，城市化進程的突飛猛進，城市生活垃圾產量也與日俱增，成為制約城市健康發展的重要因素。統計資料顯示[1]，從2000年到2014年，我國生活垃圾清運量逐年增加，2014年我國城市生活垃圾清運量達到17860萬噸，相比2000年，增長了約51%。目前城市生活垃圾主要構成有：餐廚、玻璃、金屬、紙類、織物、塑料等。總體來說，灰分量在迅速減少，有機質含量迅速增加，玻璃、塑料含量也呈上升趨勢[2-4]。以北京市為例，城市生活垃圾有機質含量在50%～70%之間，易腐敗，它的大量存在給城市的環境帶來污染，同時也是最具有潛在資源價值的部分。

利用厭氧消化技術對生活垃圾中的有機物進行處理，可以最大限度的減少污染和二氧化碳排放量，占地少，對環境的二次污染相對較小，同時能產生清潔的生物質能源—沼氣，已成為生活垃圾處理領域的研究熱點，目前垃圾厭氧處理在廈門、哈爾濱、上海等地，已逐漸開始建設工程項目，但遠沒有形成規模效應。生活垃圾原料來源廣泛，物理特性差異很大，這給厭氧攪拌過程帶來巨大挑戰，尤其是對干式厭氧消化罐攪拌軸的設計，既要保證攪拌軸的機械性能，同時也要達到攪拌均質的目標。

1 干式厭氧攪拌工藝概述

國外干式厭氧技術相對比較成熟，從工藝上可分為連續式和間歇式干發酵兩種，歐洲在這兩方面都進行了研究和商業化運作。間歇式以德國BIOFERM公司、BEKON公司研究開發的車庫式干發酵為代表，系統無攪拌，主要依賴于新舊物料的混合達到接種的目的，在解決大規模快速進出料與反應器厭氧密封狀態之間的矛盾、工藝條件的工程調控等方面帶來了新的思路，但仍然存在設施裝備結構復雜、投資偏高、操作復雜、系統安全運行要求高等問題[5]。

連續式干發酵主要包括Kompogas臥式推流發酵工藝,Dranco豎式推流發酵工藝,Linde-LARAN臥式推流發酵工藝和Valorga豎式沼氣攪拌工藝4種[6]。Kompogas工藝采用泵送進料，罐內攪拌通過一根長攪拌軸，攪拌并推動物料進出，出料為攪拌推到出料口；Dranco工藝中的物料采用上進下出的方式，排出的物料和新鮮物料混合，利用液壓柱塞泵將混合物料輸送至發酵罐的頂部，在重力的作用下排出物料，類似水力循環攪拌；Linde-LARAN工藝采用多段式攪拌，在機械攪拌推力的作用下，依次排出物料；Valorga工藝采用沼氣循環方式，沼氣從厭氧罐底部射入5個大氣壓的氣流達到混合均質的目的。由于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，所以上述國外成熟的干發酵攪拌工藝并不符合中國垃圾物料特性，我公司在國家科技部和北京市科委的支持下，對厭氧關鍵攪拌設備進行了技術攻關，并在此基礎上建成1座生活垃圾干式厭氧消化示范工程，日處理生活垃圾50噸，目前整體系統運行穩定，有著良好的經濟、社會和環境效益。

圖1 三維結構

2 干式厭氧攪拌軸的設計

2.1 機械模擬

根據實際機械機構尺寸，建立三維模型并簡化結構，將模型導入ANSYS/workbench之后，如圖1所示，模型包括1根方軸與6根葉片。

材料屬性：材料選取為結構鋼，其具體屬性如表1所示。

表1 材料屬性

網格劃分：由于模型結構比較規則，采用六面體網格劃分網格，選取網格相關度為40，網格尺寸設置為20 mm，最終劃分網格單元數量為100706，節點數為443921，如圖2所示，具體網格劃分的控制與設置如表2所示。

邊界條件與載荷施加：當葉片處于勻速轉動時，即平衡狀態，筆者采用電機功率為11 kW，轉速5～10 rpm，則每根葉片承受3000 N的力，兩側葉片受力狀態呈順時針。由于轉軸兩端受軸承約束，因此，模擬在靜平衡狀態時，將軸承約束處添加圓柱約束，最終邊界條件與載荷施加如圖3所示。

計算結果：經過前處理之后，進行有限元計算，最終計算得出應力特性如圖4所示，最大應力分布在葉片與轉軸的連接處，最大應力值為81.845 MPa；圖中材料的許用應力為520 MPa，如表1所示，則攪拌軸的安全系數為6.35，完全滿足要求。變形特性如圖5所示，最大變形在葉片的端部，在最大力的作用下，葉片的最大變形量為9.58 mm，符合設計要求。

圖2 網格劃分

項 目數據預設值物理屬性機械力關聯性40標準使用擬合功能關閉關聯性下等元素大小20mm初設尺寸來源當前裝配值平滑性中等轉變快角度中心下等最小邊緣長度23．9860mm膨脹自動膨脹無膨脹選項光滑轉換率0．272圖層最大值5增長率1．2統計節點443921元素100706名稱顯性模式主尺寸規定全定義

圖3 邊界條件與載荷施加

圖4 應力特性

2.2 流場模擬

特殊設計的T字型攪拌槳葉能夠充分混合發酵罐內物料，并有較強的推流作用，攪拌后，物料在攪拌半徑內快速充分混合，如圖6所示，厭氧罐內的不同位置的流速，最小值0.01 m·s-1，最大值0.6 m·s-1，整個攪拌槳葉前和側方向無攪拌死角。

圖5變形特性

圖6 單軸攪拌流場模擬圖

3 干式厭氧消化罐

干式厭氧罐采用推流式工藝，如圖7和圖8所示，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，經過預處理后的物料首先進入干式厭氧消化罐，殘余物料進入脫水裝置，固體沼渣部分運往好氧堆肥處理，可生產高品質肥料，脫水沼液進入污水處理系統。

厭氧罐體采用混凝土和鋼結構結合的密封結構，橫截面底部呈正方形，內部保持輕微的過壓狀態。此外，頂部還設有沼氣貯氣裝置，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。干式厭氧消化罐采用螺旋進料，真空出料方式。采用沼渣或沼液回流方式，將熟料和生料混合，可避免整個系統的酸化。厭氧消化罐內有四根緩慢旋轉的縱向攪拌裝置，攪拌采用分段攪拌工藝，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厭氧消化罐內混合接種，物料在厭氧消化罐內呈半流態狀態，通過4根攪拌軸及其葉片的緩慢轉動進行攪拌和接種，進料時，第1根軸工作，30分鐘后，第1根軸停止，啟動第2根軸……依此循環往復工作，確保厭氧消化罐內總是有1根軸處于攪拌狀態，這樣也可以避免酸化和液面結殼的發生。此外，由于發酵物料固含量30%左右，物料呈粘稠狀，另外在預處理過程中確保重物質粒徑不超過8 mm，因此各種雜質和發酵殘余物可通過出料裝置混合排出厭氧消化罐外。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℃，采用沼氣鍋爐加熱方式，固體含量25%～35%(設計濃度30%)，物料停留時間設定為25 d。

圖7 工藝流程圖

圖8 干式厭氧消化罐

4 運行結果分析

生活垃圾干式厭氧消化處理廠以每周為單位進行數據的采集和整理，在調試期后的12周內發酵罐整體系統運行良好，產氣量穩定。

4.1 進出料指標

厭氧消化進出料成分如表3所示。

厭氧罐攪拌系統的最大阻力來源于物料頂部的輕質塑料和沉積在罐底部的雜質物料，從表3可以看出，筆者項目的攪拌系統完全克服了雜質物料的干擾(重雜質占總物料濕基的6.3%，輕雜質占總物料濕基的2.6%)，保證了厭氧系統的穩定運行；另一方面，在攪拌系統的作用下，厭氧消化能在酸性進料(pH值5.1～6.0)條件下正常運行，出料沼渣(TS 45.8%)可以滿足物料運輸和堆肥的要求，沼液可以直接進入滲瀝液的膜處理系統，在保證整個厭氧系統穩定運行的同時，簡化了后端處理工藝，大大節約了成本，減少了資源浪費。

表3 厭氧系統進出料成分指標檢測

4.2 產氣量分析

筆者以周為單位對干濕聯合厭氧罐產氣量連續監測，如圖8所示，平均周產氣量共計32778 Nm3，厭氧系統的日進料量50 t·d-1計，則單位垃圾的產氣量93.65 Nm3·t-1，可以預計，示范工程每年可產沼氣170.9 Nm3，可發電256.4萬kWh。在系統運行過程中，甲烷含量在51.5%～64.3%之間，說明發酵罐都處于正常工作水平。

圖8 干濕聯合厭氧產氣量變化

5 結論

攪拌裝置是厭氧消化工藝中的核心設備，影響到物料的傳質、酸堿平衡、降解效率等等，是厭氧系統成敗的關鍵。通過我們對干式厭氧攪拌系統的計算機模擬，并不斷工藝技術改進，董村城市生活垃圾干式厭氧消化在處理規模50 t·d-1，發酵溫度55℃，固體含量25%～35%，物料總停留時間25 d的運行情況下，攪拌系統經受住了高濃度、高雜質物料的挑戰，整體系統運行狀況良好。單位進罐垃圾的產氣量93.65 Nm3·t-1，甲烷含量在51.5%～64.3%之間，示范工程每年可產沼氣170.9萬Nm3，可發電256.4萬kWh。

厭氧消化工藝在生活垃圾處理中還應用得較少，尤其是干式厭氧消化的工程案例更少，究其原因一方面國內基礎工業相對還不完善，比如在機械攪拌的環節費用較高，性能不穩定；另一方面生活垃圾的混合收集，給預處理工藝增加了難度，所以技術和設備上的改進是推廣應用厭氧消化的關鍵環節，筆者希望通過董村環衛產業科技孵化園區內的干式厭氧項目，能起到一個良好的示范作用，引起社會對垃圾厭氧處理的廣泛關注，同時期待政府在政策上給

予支持，共同促進垃圾厭氧處理規模化的產業推廣。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 中國城市建設統計年鑒[M]. 北京：中國統計出版社, 2015：587.

[2] 齊 魯．北京市城市垃圾處理現狀分析[J]．中國資源綜合利用，2014，33(4)：38-41．

[3] 劉 毅，李 欣．北京城市生活垃圾資源化分析[J]．管理觀察，2014，32：12-14．

[4] 劉克鋒，劉悅秋．北京市城市生活垃圾成分調查及農用性分析[J]．北京農學院學報，2001，4(16)：25-30．

[5] 李 超，盧向陽，田 云，等，城市有機垃圾車庫式干發酵技術[J]. 可再生能源，2012，30(1)：113-119.

[6] 梁 芳，包先斌，王海洋，等，國內外干式厭氧發酵技術與工程現狀[J]. 中國沼氣，2013，31(3)：44-49.

Stirring System in Dry Anaerobic Fermentation of Municipal Solid Waste /

WANG Xiao-wei1，2, HE Liang1，2, ZHU Jin-xing1，2, ZHANG Chen-guang1，2/

(1. BESG Environment Engineering Co Ltd, Beijing 100101，China; 2. Engineering Technology Research Center of Beijing MSW Comprehensive Treatment and Utilization，Beijing 100101，China)

Stirring equipment is the key equipment of anaerobic fermentation process, especially in dry anaerobic fermentation. This paper firstly made a simulated calculation for the dry anaerobic stirring equipment, and showed that the mechanical safety factor of the agitator shaft reached 6.35, flowing velocity of all space in the dry anaerobic tank were in the range of 0.01 m·s-1～0.6 m·s-1, meeting the design requirements for the project. And an anaerobic dry fermentation plant in Beijing treating municipal solid waste and adopting a stirring system was demonstrated with a fermentation concentration of 28.6% and treatment capacity of 50 t·d-1. Its operation temperature was 55℃, the biogas production reached 93.65 Nm3·t-1, and methane content was 51.5 %～ 64.3%.Therefore, the stirring system could effectively promote the application of dry anaerobic fermentation of domestic garbage.

municipal solid waste; dry anaerobic digestion; biogas

2016-04-22

2016-05-31

王小韋(1980-)，男，漢族，河南安陽人，高級工程師，主要研究方向為城市生物質廢物資源化技術研究和設計，E-mail：wangxiaowei@besgrd.com

S216.4

A

1000-1166(2017)03-0066-05