干式厭氧發酵處理廚余垃圾的工況分析

文_劉曉蘭 上海安若必科環保科技有限公司

據統計，2020年我國廚余垃圾占比為38.05%，產量高達1.4×108t。廚余垃圾中含有較多的病原菌，容易腐爛發臭并滋生蠅蟲，含水率高，長期堆積容易產生滲濾液污染土壤和地下水。此外廚余垃圾富含大量碳源及易生物降解的組分，屬于優質的厭氧發酵基質，產甲烷潛力極高。

“十四五”規劃提出，2025年底城市生活垃圾資源化利用率應達到60%左右。基于廚余垃圾易發酵產氣、含水率高、產量大等特性，焚燒、填埋、好氧堆肥等傳統處理方式存在諸多弊端。厭氧消化技術具有較好的經濟環境效益，是一種有效的廚余垃圾資源化處理工藝。

在城市生活垃圾分類政策的推進下，北京、上海、杭州、寧波、福州、重慶、合肥等多個大中型城市相繼選用干式厭氧產沼技術，實現廚余垃圾的資源化、無害化處理，但目前國內處理設施缺口仍舊較大。如何采用科學、有效的資源化處理方式成為當前廚余垃圾處理處置的研究熱點。

1 項目概況及實驗方法

1.1 項目概況

本廚余垃圾處理項目位于安徽省合肥市，整體設計采用廚余垃圾“預處理+干式厭氧+濕式厭氧+沼氣凈化與利用+沼渣干化+污水處理”的處理工藝。其中，干式厭氧發酵系統采用德國STRABAG干式厭氧技術，設計2條生產線，單線處理能力為110t/d，年處理量80300t。厭氧發酵罐單罐有效容積為2400m3，運行溫度采用中溫。

1.2 厭氧系統工藝流程

干式厭氧發酵系統主要包括進料單元、厭氧發酵單元和出料/脫水單元。

預處理后的廚余垃圾通過進料緩存裝置及后續設備，分配給厭氧罐前的專用進料裝置，進入干式厭氧發酵罐。

罐內采用多軸機械攪拌，物料在平推流作用下從進料端逐步移動至出料端，在攪拌作用下氣體盡快釋放，加快了產氣速率，也避免了發酵罐物料結塊和沉積，產生的沼氣進入沼氣系統。

厭氧罐出料通過真空系統實現，出料進入干式厭氧脫水單元。干式厭氧脫水包含螺桿壓榨脫水機、振動篩、離心機，并配置加藥裝置；一級、二級脫水的沼渣輸送至出渣間后續外運處理，三級脫水后的沼渣則進入沼渣干化系統進行干化；發酵出料經三級脫水后的濾液泵入污水處理系統，處理達標后排放。工藝流程示意圖如圖1。

圖1 厭氧系統工藝流程圖

1.3 實驗分析方法

本文主要選用從厭氧系統開始進廚余物料至工程穩定運行期間連續3個月（2021年8月初至10月底，不包含進料前的生物接種階段）的日常監測數據進行分析，以確保數據的代表性及可靠性。

實驗監測指標包括進料垃圾組分、總固體含量（TS）和揮發性固體含量（VS）、沼氣產率、甲烷含量、pH值、揮發性脂肪酸（VFA）、堿度（ALK）等。其中，進料組分采用四分法和重量法；TS和VS采用重量法；沼氣產量和甲烷含量采用沼氣分析儀測定；pH值采用便攜式pH計測定；VFA和ALK采用蒸餾—滴定法。

2 厭氧發酵運行工況研究

2.1 廚余垃圾進料組分研究

廚余垃圾進料是影響厭氧微生物生長的決定性因素。由于廚余垃圾組分受環境條件、地域、居民結構等因素影響，因此本文對3個月的進料組分多次采樣檢測取平均值，結果如表1所示。

表1 廚余垃圾進料組分

根據表1數據可得，進場廚余垃圾經預處理后，含固率高達32%左右，有機物粒徑≤50mm的組分約占82%，適宜采用干式厭氧發酵技術進行處理。

2.2 罐內物料濃度及有機質含量的變化研究

厭氧發酵罐的罐內物料濃度和有機質含量反映了厭氧發酵系統處理廚余垃圾的減量情況和有機質的去除效果。

由圖2可知，在廚余垃圾進料提量期（2021年8月）罐內TS呈緩慢下降的趨勢，后期趨于穩定；進料提量期的VS/TS約為38%，后期略有升高。總體來說，罐內物料TS含量和VS/TS含量波動不大，分別維持在19.6%、40.9%左右。廚余垃圾經厭氧發酵后減量化效果明顯，TS減量效果達38%左右；VS也得到了有效降解，降解率為63%～67%。

圖2 罐內物料濃度及有機質含量的變化

由于廚余垃圾收運量的波動，干式厭氧發酵系統每天進罐量60～80t。在廚余垃圾進入厭氧罐之前，罐內已完成生物接種，厭氧發酵微生物具有良好的生物活性。廚余垃圾的進料量是一個穩步提升的過程，在進料提量期，廚余垃圾在罐內發生水解，TS略有降低；隨著每日新鮮廚余垃圾的補給，罐內TS消耗的同時又引入了新的固相物料，保持了厭氧系統的固相平衡，因此TS和VS/TS含量整體較為平穩。劉杰等人研究發現，在連續進料、出料的廚余垃圾厭氧發酵工程運行過程中，厭氧罐內物料TS和VS的含量保持平穩，這一趨勢與本項目研究結果一致。

2.3 沼氣產率與甲烷含量的變化研究

發酵底物的組分及投加量、攪拌方式、運行溫度等都會影響厭氧系統的沼氣產量。沼氣中甲烷濃度主要受產甲烷菌活性和發酵底物濃度的影響。

單位廚余垃圾進料的產氣率與沼氣中CH4含量的變化如圖3所示。在投加廚余垃圾后，厭氧系統的沼氣產率＞110Nm3/t，最高可達200.6Nm3/t；沼氣中CH4含量在厭氧發酵罐啟動初期（2021年7月）迅速上升，15天內從0%升高至55%后開始小幅度增長，隨后CH4含量在55%～65%范圍內平穩波動。厭氧發酵罐的啟動初期，即生物接種階段，CH4含量隨著大量接種物的引入迅速增加，濃度達到60%左右并維持穩定數日后，開始向系統中投加廚余垃圾。廚余垃圾進料量根據系統運行情況緩步提升至一定值（取決于前端預處理來料量）后，轉為穩定進料。垃圾投加量的小幅度波動、系統進料有機負荷較低、進料垃圾組分存在少許差異等多方面原因，造成單位進罐廚余垃圾產氣率在111.2～200.6Nm3/t之間波動。同時，厭氧系統的穩定運行保證了沼氣中CH4含量的穩定。

圖3 產氣率與CH4含量的變化

2.4 厭氧系統酸堿平衡研究

厭氧發酵是一個復雜的微生物代謝過程，若系統緩沖能力過低, 堿度不足以中和產生的有機酸會造成有機酸的積累，以至系統失穩。因此需密切關注發酵過程中的的酸堿動態變化趨勢，維持厭氧系統的酸堿平衡。

王艷明等在某廚余垃圾干式厭氧項目實施過程中觀察到，pH為7.8～8.4、ALK為12～14g/L、VFA為4g/L左右，厭氧系統穩定運行時，干式厭氧的啟動過程較為穩定、快速。

圖4為項目運行期間的罐內物料的pH值、VFA和ALK的監測結果。可以看出，運行過程中發酵罐內物料pH始終穩定在在7.6～8.4之間；隨著廚余垃圾進料量的緩步提升，罐內物料的VFA值逐漸降低，由4.1g/L下降至2.1g/L，ALK值則逐漸升高，由8.6g/L上升至13.5g/L；當進入進料穩定期后，VFA值和ALK值均趨于平穩。

圖4 發酵過程中的酸堿動態變化

厭氧系統酸堿平衡控制較好，運行穩定。罐內物料pH值在厭氧發酵適宜范圍內。VFAs的積累量取決于其生成速率和消耗速率，在進料前期，產酸菌代謝活躍，罐內VFA起始值較高；隨著垃圾量的不斷供給，產甲烷速率上升，VFA被產甲烷菌大量消耗，積累量呈現快速下降的趨勢；當進料量穩定后，VFA的生成速率和消耗速率持平，VFA值趨于穩定。工程運行前期，ALK/VFA值＞2；進料穩定后，ALK/VFA約為7，系統保持酸堿平衡。

2.5 脫水效果研究

選取運行期內12組數據對螺桿壓榨機、振動篩、離心機的脫水效果進行分析。

脫水固渣、濾液的含固率如圖5所示。由圖5可得：螺桿壓榨機、振動篩和離心機的脫水固渣含固率分別約為45%～55%、18%～30%和20%～30%，脫水濾液的含固率分別為14%～16%、2%～10%和0.2%～2%。這說明本項目設計的三級固液分離系統的脫水性能溫度，效果較好，高含固出料經過脫水后能有效削減沼液SS，有利于后續生化系統的運行。

圖5 脫水固渣和濾液的含固率

3 結語

干式厭氧系統可接受高含固、高含雜進料，系統穩定運行后，發酵罐內TS、VS/TS分別為19.6%、40.9%左右，TS減量約38%，VS降解率達63%～67%。

系統穩定運行后，單位進罐廚余垃圾產氣率為111.2～200.6Nm3/t，CH4含量維持在60%；廚余進料量穩定后，罐內物料的pH值、VFA和ALK均維持穩定，系統處于酸堿平衡狀態。

厭氧出料經三級脫水后的固渣含固率為20%～30%，濾液含固率為0.2%～2%，脫水效果好。