利用車庫式干發酵技術處理易腐垃圾現狀分析及發展潛力

孫子滟， 李 劍， 王禎欣， 錢名宇， 李葉青

(1. 中國石油大學(北京)新能源研究院, 生物燃氣高值利用北京市重點實驗室, 北京 102249； 2. 德國國際合作機構(GIZ), 北京 100000)

隨著中國經濟的發展和國民素質的提高，人民不再僅僅追求經濟利益，而是更加注重資源節約和生態文明建設，希望建設成環境和諧的綠色經濟型社會。傳統化石燃料價格的上漲以及對可持續性發展問題的擔憂，人們開始尋找可替代能源，其中生活垃圾中含有極高的水分和有機物，如果能將生活垃圾資源化利用，不僅解決了資源短缺問題而且保護了環境，所以近年來對生活垃圾的再利用受到了廣泛的關注[1]。為了更好的利用生活垃圾，改善城鄉環境，促進資源回收利用，我國發布了《生活垃圾分類制度實施方案》。《生活垃圾分類制度實施方案》于2017年3月18日經國務院同意，由國家發展改革委、住房城鄉建設部貫徹執行[2]。方案要求將生活垃圾強制分類為有害垃圾、易腐垃圾、可回收物及其他垃圾，其中易腐垃圾指的是相關單位食堂、賓館、飯店等產生的餐廚垃圾，農貿市場、農產品批發市場產生的蔬菜瓜果垃圾、腐肉、肉碎骨、蛋殼、畜禽產品內臟等。

易腐垃圾中含有大量易生物降解有機物，如果直接進入填埋場極易造成地下水及大氣的二次污染，而直接進入焚燒廠不僅降低垃圾熱值同時還增加了煙氣處理的負擔。目前我國生活垃圾分類制度尚處于起步階段，居民對生活垃圾精細分類的意識還不強，所以易腐垃圾中依然含有大量的塑料、木竹、纖維等其他垃圾[3]。根據筆者對不同有機生活垃圾資源化利用技術比較，認為車庫式干發酵技術是相對適合現階段我國易腐垃圾處理處置要求的垃圾資源化利用技術。

干發酵通常指發酵原料中干物質含量在15%～35%，原料呈固態[4]。上個世紀五十年代起，國外就已經開始對干發酵技術進行了研究，例如BIOFERM，BEKON，SMARTFERM等公司，他們已經擁有成熟的技術并且已經開始商業化生產。而我國起步較晚，二十世紀八十年代才開始干發酵的研究，雖然取得一定的成績，但是技術方面還是不夠成熟，比如干發酵反應器和干發酵過程控制條件等方面[5]。另外，國外的技術雖然成熟，但主要是應用于農業領域，這并不符合我國國情，所以我們不僅要學習國外的技術，更要加強自主研發，找到適合我國國情的干發酵技術[6-7]。

當發酵原料中的干物料低于10%時稱為濕法發酵技術。濕法發酵主要用于處理動物糞便以及泔水垃圾等，目前在我國技術已經比較成熟并廣泛應用[8]。與濕法發酵技術相比，干發酵有許多優點：設備投資少、耗水量低、沼液生成量少等，大大地節省了能耗，激勵我們要努力研究干發酵技術[9]。

車庫式干發酵技術是處理城市垃圾廢物和玉米秸稈有機物的合適方法[10]。車庫式干發酵技術采用模塊化批序式厭氧反應器，利用裝載機械進出料，對進倉垃圾具有極大的適應性，由于倉內無活動機械攪拌裝置，穩定性好、維護成本低；同時由于采用干式發酵技術，耗水量極低，同時也降低了厭氧所需能耗，基本無二次污水排放，發酵主要產品為清潔燃氣和城市綠化土。車庫式干發酵技術的主要弊端則在于項目占地較大，進料及出料過程有燃氣損失，同時需要較高精度的自動化控制系統。

圖1 賓縣垃圾處理綜合利用項目

1 我國車庫式干發酵技術現狀

1.1 賓縣垃圾處理綜合利用項目

本項目位于黑龍江省哈爾濱市賓縣賓州鎮新立村，由黑龍江龍能偉業燃氣股份有限公司建設實施(見圖1)。總投資4325.98萬元，工程總占地33025 m2，其中：總建筑面積10897.80 m2，建筑物占地10731.48 m2，構筑物占121.50 m2，綠化面積12624 m2，本工程的容積率為0.33，建筑密度為32.50%，綠地率為38.2%。日處理生活垃圾160噸，日生產提純天然氣9278 m3[7]。

本項目自2011年開始建設，2013年竣工投產，實際垃圾處理量為120噸·天-1，項目基本采用國產化技術，由于垃圾處理補貼不到位，目前賓縣項目處于半停產狀態。后期龍能公司又在通河縣及尚志市新建了車庫式干發酵項目，主要處理生活垃圾，但是項目運行狀況不佳。

1.2 北京覆膜槽沼氣規模化干發酵中試項目

1.專用攪拌設備； 2.反應器槽體(加保溫層)； 3.專用攪拌設備軌道； 4.柔性膜； 5.溫室； 6.輸氣干管; 7.球閥; 8.輸氣支管； 9.儲氣柜; 10.沼氣凈化器; 11.沼氣壓送機; 12.止回閥; 13.專用攪拌設備的移槽機; 14.移槽機軌道圖2 北京覆膜槽沼氣規模化干發酵中試項目[7]

本項目位于北京市大興區薛營村，由農業部規劃設計研究院建設實施。工程總占地400 m2，包含2個10 m×6 m×1.5 m覆膜槽，容積產氣率0.73 m3·m-3d-1。2007年4月～7月，主要處理牛糞及玉米秸稈，共運行5個批次，生產沼氣1.1萬m3，生產有機肥220噸(見圖2)。

本項目自2007年中試投產后，獲得相關運行數據，但是后期并未進行更多的產業化建設。

圖3 南京多元廢棄物車庫式干發酵項目

1.3 南京多元廢棄物車庫式干發酵技術

本項目位于常熟市白卯村，由農業部南京農業機械化研究所建設實施(見圖3)。工程總占地300 m3，建設2座10 m×4 m×3 m車庫式發酵倉，總庫容156 m3。處理規模：2012年投產，主要處理玉米秸稈，共運行2個批次。

本項目自2012年中試投產后，后期分別在宜興及海門建設了沼氣干發酵工程，可年處理秸稈8000多噸，年產沼氣70萬m3。

2 國外車庫式干發酵技術現狀

圖4 BIOFERM干發酵技術流程及實況圖[7]

圖6 SMARTFERM干發酵技術流程及實況圖

圖7 AIKAN干發酵技術流程及實況圖

圖8 GICON干發酵技術流程及實況圖

國外車庫式干發酵技術操作流程基本一致，但是BIOFERM、BEKON、SMARTFERM均需要采用回混方式操作，主要產氣裝置位于發酵倉內；而AIKAN和GICON則采用的淋濾方式，主要產氣裝置位于接種罐內，所以相對而言后兩者具備更短的固體物料滯留期(見圖4～圖8)。

目前就工程實踐層面來分析，從2010年以后SMARTFERM新建項目為5座，主要集中在美國加州及加利福尼亞地區；BIFERM新建項目2座，主要集中在加拿大埃德蒙頓地區；GICON新建項目3座，分別位于德國、法國和加拿大；BEKON新建項目23座，主要分布于歐洲地區。項目處理規模從每年8000 t到60000 t，主要處理原理均為有機生活垃圾或者綠色垃圾，由此可見各類車庫式干發酵企業中，目前市場份額最大的還是德國BEKON公司。

3 有機生活垃圾資源化利用方案

3.1 項目概述

針對我國生活垃圾分類制度和處理現狀，筆者提出了一套有機生活垃圾資源化利用方案。本方案的關鍵點在于利用該工藝可以資源化處理中小縣城所產生的易腐垃圾，這些區域往往不適合垃圾焚燒，所以采用此工藝可大大減少易腐垃圾直接進入填埋，保護了當地的大氣土壤及地下水環境。

本項目總投資約1800～2000萬元(考慮到南北溫度差異，會有一些保溫增溫方面的造價差異)，占地面積為6000 m2，日處理規模為50 t有機生活垃圾(易腐垃圾)，產氣量為5000 m3·d-1(甲烷含量60%)，發電裝機功率為0.45 MW，熱輸出為0.35 MW，綠化土輸出為16 t·d-1。

3.2 工藝流程

有機生活垃圾利用裝載機械直接送入車庫式發酵倉內，然后固定倉前擋板，關閉密封門，填充密封氣囊，隨后利用產甲烷反應器內沼液實現噴淋回流循環，發酵倉內物料滯留期為2～3周(具體根據沼氣產量變化實際調整)，滲濾液經過回流后泵入產甲烷反應器，發酵產生的沼氣經過凈化后進入沼氣熱電聯產機組，產生的電能及熱能除部分自用外，其他可就近利用。發酵后產生的沼渣進入沼渣接收槽進行腐熟堆肥處理，可作為園林綠化土直接施用，亦可生產有機肥(見圖9)。

圖9 工藝流程圖

3.3 平面布置

項目平面布置見圖10。

3.4 主要建設內容

本項目主要建設內容包括400 m3垃圾接收車間，600 m3發酵倉6座，1200 m3產甲烷反應器1座，450 m3緩沖罐1座，50 m3配電室及泵房1座，配套沼氣干燥、離心、過濾、脫硫、采暖、自控、熱電聯產及應急火炬系統。

3.5 成本及效益

本項目主要處理有機生活垃圾廢棄物，沒有原材料方面的指標消耗，主要運行成本為人工、電力、燃油。本項目定員10人，經計算，項目總設備日用電量約582 kWh，車輛燃油日消耗約475 kg，項目年運行成本約為183萬元，折合噸運行成本約為100元(當規模增大到200噸時運行成本會降低至50元左右)。

項目建成后每年處理區域內有機生活垃圾1.8萬噸，年產沼氣182.5萬m3，輸出電能365萬度，每年減排二氧化碳2924噸，節約標煤1173噸，每噸垃圾經濟收益約200元。

4 結論及建議

我國生活垃圾成分復雜，主要特征是高廚余含量、高含水率以及較低熱值，2016年我國生活垃圾年清運量超過2.15億噸，按照目前我國的國民生活習慣，生活垃圾中的易腐垃圾高于50%[11]，每年超過1億噸的易腐垃圾如果采用厭氧資源化處置，總產氣潛能會超過7000萬m3(甲烷含量60%)，這些將為我國改善能源結構及保障天然氣能源安全提供良好的基礎。

針對目前我國品質相對較低的易腐垃圾而言，車庫式干發酵技術耗水極低，沒有二次污染，同時可以生產清潔燃氣，提高了項目的經濟可持續性。但是目前車庫式干發酵產生的沼渣(綠化土)輸出有待完善，項目周邊是否有足夠的消納空間決定了項目能否長期運行。

盡管在國外擁有車庫式干發酵技術的企業很多，而且近年在歐洲也有很多工程實踐，但是其有機生活垃圾處理原理基本一致。我國在車庫式干發酵技術的研究和探索尚處于起步階段，僅有的幾項研究成果也無法實現產業化復制，主要還是受制于國家對垃圾焚燒技術的政策方向引導，隨著十三五城市生活垃圾無害化處理及生活垃圾分類制度實施方案的出臺，中國生活垃圾低碳化發展方向已經提上日程，如何有效利用車庫式干發酵技術資源化處理易腐垃圾值得關注。