廚余垃圾干式厭氧發酵與濕式厭氧發酵技術分析

摘要：厭氧發酵技術是我國解決廚余垃圾問題的重要技術手段。本文結合廚余垃圾厭氧發酵技術原理，對比干式厭氧發酵技術和濕式厭氧發酵技術，回顧厭氧發酵技術的發展，并結合廚余垃圾厭氧發酵工程案例，分析兩種廚余垃圾厭氧發酵技術存在的問題，這可為廚余垃圾厭氧發酵技術的選擇提供參考。

關鍵詞：廚余垃圾；干式厭氧發酵；濕式厭氧發酵

中圖分類號：X799.3 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）03-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.03.013

Abstract： Anaerobic fermentation technology is an important technical means in China to solve the problem of kitchen waste. Based on the principle of anaerobic fermentation technology for kitchen waste， this paper compares dry anaerobic fermentation technology and wet anaerobic fermentation technology， reviews the development of anaerobic fermentation technology， and analyzes the problems of the two anaerobic fermentation technologies for kitchen waste in combination with engineering cases， which can provide reference for the selection of anaerobic fermentation technology for kitchen waste.

Keywords： kitchen waste; dry anaerobic fermentation; wet anaerobic fermentation

根據《生活垃圾分類標志》（GB/T 19095—2019）[1]，廚余垃圾是指易腐爛的有機生活垃圾，包括家庭廚余垃圾、餐廚垃圾和其他廚余垃圾等。廚余垃圾含有大量的蛋白質、碳水化合物和脂類等有機物[2-3]，具有產生量大、有機物含量高、含水率大、易腐變質等特點，如果不能及時進行有效處理，就可能會對環境造成很多有害影響。因此，尋找合適的廚余垃圾資源化處理技術顯得尤為重要。一是要及時妥善處理廚余垃圾，避免其高含水率、容易腐爛、產生惡臭及病菌等特性導致環境問題[4-5]，二是要對廚余垃圾中的有機物進行充分的資源化利用。

目前，廚余垃圾資源化處理技術以厭氧發酵和好氧堆肥為主。與好氧堆肥技術相比，厭氧發酵技術具有更高的經濟效益，對周邊環境影響更小，工藝更為穩定成熟，能夠減少溫室氣體的排放[6-7]，在國內外都有較廣泛的應用。本文通過介紹廚余垃圾厭氧發酵技術原理，對比干式厭氧發酵和濕式厭氧發酵兩種不同類型的厭氧發酵技術及其發展，并結合國內廚余垃圾厭氧發酵工程應用案例，分析廚余垃圾厭氧發酵技術存在的問題，為廚余垃圾厭氧發酵處理技術的選擇提供參考。

1 廚余垃圾厭氧發酵技術

1.1 厭氧發酵技術原理

廚余垃圾厭氧發酵是指在沒有溶解氧和硝酸鹽氮的條件下，微生物將廚余垃圾中蛋白質、碳水化合物和脂類等有機物進行分解利用并轉化為甲烷、二氧化碳和微生物細胞等物質的生物化學過程[8]。典型的厭氧發酵過程主要包括水解、發酵、產氫產乙酸和甲烷化等四個關鍵階段[9-11]，廚余垃圾厭氧發酵各階段的代謝過程如圖1所示。

水解階段是厭氧發酵過程的首要步驟，也是限速步驟，水解細菌將廚余垃圾中的大分子有機物和不溶性高分子有機物轉化為小分子有機物和溶解性有機物，這個階段的產物主要是氨基酸、單糖和長鏈脂肪酸（Long Chain Fatty Acid，LCFC）。發酵階段也被稱為酸化階段，水解階段產生的小分子有機物在發酵細菌的細胞內轉化為簡單的揮發性脂肪酸（Volatile Fatty Acids，VFAs），包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等，還會產生醇類、二氧化碳、氫氣、氨及硫化氫等，同時合成新的細胞物質。產氫產乙酸階段是指產乙酸菌將VFAs、醇類、乳酸等上一階段發酵產物轉化為乙酸、水和二氧化碳，同時同型乙酸菌將二氧化碳和水合成乙酸。甲烷化階段是指產甲烷菌將上一階段產生的乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇等轉化為甲烷、二氧化碳和新的細胞物質，從而完成對廚余垃圾的資源化處理。廚余垃圾厭氧發酵過程清潔且污染小，實現廚余垃圾減量化和無害化的同時，還能獲得清潔能源和沼渣肥料，符合綠色低碳的可持續發展理念。

1.2 厭氧發酵技術對比

厭氧發酵技術主要分為干式厭氧發酵技術和濕式厭氧發酵技術，如表1所示。干式厭氧發酵和濕式厭氧發酵中，物料固體含量和流態存在很大差異。

干式厭氧發酵技術處理的物料為總固體含量大于20%的有機廢棄物，物料經過預處理后，呈現出一定的流動性或者半固體狀態。干式厭氧發酵技術處理物料的含固率高，占地空間較小，流程簡單，能耗低，沼渣和沼液產量低。干式厭氧發酵技術要求分選工藝合理、可靠，大粒徑雜質塑料袋、橡膠和石塊等的要求較高，小粒徑砂土等的要求較低。

相對于干式厭氧發酵技術，濕式厭氧發酵技術處理的物料為總固體含量在15%以下的有機廢棄物，進罐物料含固率控制在8%～15%，粒徑在15 mm以下，發酵物料呈良好流動態。濕式厭氧發酵技術需要對垃圾進行預處理，以達到含固率的要求，濕式厭氧發酵罐受垃圾中雜質影響較大，分選除雜要求較高。濕式厭氧發酵處理物料含固率低，處理設施要求空間加大，沼液產生量大，后續處理困難。

1.3 厭氧發酵技術的發展

早在20世紀40年代，歐洲一些發達國家開始探索干式厭氧發酵技術，到20世紀80年代，德國、荷蘭、瑞士和比利時等歐洲國家技術發展較為成熟并開始商業化應用[12]。按照厭氧反應器進料方式的不同，干式厭氧發酵技術可分為連續式厭氧發酵和間歇式厭氧發酵[13]。按照物料流動方向的不同，厭氧反應器可分為立式反應器和臥式反應器。

比較典型的連續式干式厭氧發酵技術主要有法國研發的Valorga立式干式厭氧工藝、比利時研發的Dranco立式干式厭氧工藝、瑞士研發的KOMPOGAS立式干式厭氧工藝、德國研發的Linde-BRV立式干式厭氧工藝等[14]。Valorga立式干式厭氧工藝采用立式圓柱形反應器，內有一垂直隔板將反應器隔開，經過破碎、篩分和磁選的物料和回流沼液混合，完成反應物料輸送，利用脈沖注入壓縮沼氣對罐內物料進行攪拌，可進行高溫或中溫厭氧發酵。Dranco立式干式厭氧工藝采用下端接錐體的立式圓柱形反應器，內部沒有攪拌裝置，物料以栓塞流方式垂直移動，一部分消化沼液作為接種劑回流到新鮮物料中，從而提高厭氧發酵時間和微生物濃度，使物料充分發酵。KOMPOGAS立式干式厭氧工藝采用水平柱塞流圓柱形反應器，反應器為推流進樣，經過預處理的新鮮物料與返回的發酵后產物進行混合接種，通過水平攪拌軸進一步混合物料（利于脫除氣體），并通過推流出料。Linde-BRV立式干式厭氧工藝采用臥式方形反應器，采用兩段式厭氧工藝，預處理后的物料在進入反應器前先在預發酵槽停留一定的時間，然后通過螺旋進料器給反應器進料，從方形反應器的一側進入，物料是平推流移動，反應器內有數個攪拌器，方形反應器的另一側采用真空抽吸出料。Linde-BRV立式干式厭氧工藝與KOMPOGAS立式干式厭氧工藝相似，同屬于臥式推流干式厭氧發酵工藝。

由于間歇式干式厭氧發酵技術混合條件差，其發展相對稍晚一些，該技術是從20世紀90年代初開始商業化應用，間歇式干式厭氧發酵技術主要有Bioferm厭氧發酵工藝、Bekon厭氧發酵工藝以及GICON厭氧發酵工藝等。Bioferm厭氧發酵工藝和Bekon厭氧發酵工藝均為車庫型干式厭氧發酵技術，不同之處在于Bekon厭氧發酵工藝設有單獨的供熱和保溫系統，可以采用中溫或高溫發酵，而Bioferm厭氧發酵工藝只能采用中溫發酵。上述兩種工藝的運行方式比較相似，反應器內部都沒有攪拌裝置及其他運動組件，因此發酵物料不會受到剪切破壞，發酵過程比較穩定。與Bioferm厭氧發酵工藝和Bekon厭氧發酵工藝相比，GICON厭氧發酵工藝將厭氧發酵過程分成兩個階段——水解階段（干式發酵）和產甲烷階段（濕式發酵），干式發酵階段產生的水解液收集后用于濕式發酵，完成產甲烷過程，從而提高厭氧發酵效率。

目前，濕式厭氧發酵技術的應用較為成熟，多采用連續式攪拌反應器（CSTR）。CSTR工藝為完全混合厭氧發酵工藝，該工藝利用機械攪拌實現物料混合均勻，避免油脂上浮、結殼，同時物料含有少量油脂，可以提高產氣率，它適合作為廚余垃圾固液分離后液相的厭氧反應器。

2 廚余垃圾厭氧發酵工程案例分析

2.1 廚余垃圾干式厭氧發酵案例

浙江省某廚余垃圾處理項目的日處理能力為200 t，日產沼氣16 000 m3，采用Dranco立式干式厭氧工藝，整體技術路線為“物料接收及預處理+干式厭氧發酵+沼氣凈化利用+沼渣脫水”，整個項目包括物料接收及預處理系統、干式厭氧發酵系統、沼氣凈化利用系統、沼渣脫水系統、污水處理系統、臭氣處理系統及輔助生產設施，處理工藝流程如圖2所示。

廚余垃圾預處理采用“料坑+人工分選+粗破碎+磁選機+滾筒篩+蝶形篩”的工藝。廚余垃圾經過稱重后卸料進入料坑，由抓斗提升至進料斗，進料斗下部設置步進式給料機，給料機將廚余垃圾產生的有機物料送入人工分選單元，手工分出大塊物料，再經破碎機、磁選機、滾筒篩、蝶形篩分出大部分塑料、紙類、金屬等雜質，剩余有機物料進入干式厭氧發酵系統。厭氧發酵后產生的沼氣凈化利用，沼渣經除砂脫水后外送處置，污水輸送至污水處理站。

2.2 廚余垃圾濕式厭氧發酵案例

上海市某有機垃圾處理廠日處理能力為300 t（餐廚垃圾200 t，廚余垃圾100 t），采用CSTR濕式厭氧發酵技術，整體技術路線為“物料接收及預處理+濕式厭氧發酵+沼氣凈化利用+沼渣脫水”，整個項目包括物料接收及預處理系統、濕式厭氧發酵系統、沼渣脫水系統、污水處理系統、臭氣處理系統以及輔助生產設施，廚余垃圾處理工藝流程如圖3所示。

廚余垃圾預處理采用“物料接收+破碎+磁選+篩分+生物質破碎分離+擠壓脫水”的工藝。廚余垃圾經稱重計量后進入卸料間卸料，直接卸料至接料斗，經螺旋輸送至破碎機，將廚余垃圾中的大塊物料破碎，然后經磁選機分出鐵質金屬，再經篩分機篩分，去除塑料袋及大粒徑雜質，篩下有機物經生物質破碎分離、螺旋擠壓后，液相經除雜除砂后進入濕式厭氧發酵及污水處理系統，分選出的雜質和固相外運處置。

2.3 兩種厭氧發酵技術存在的問題

經厭氧發酵工程案例分析，兩種廚余垃圾厭氧發酵方式仍存在不足。干式厭氧發酵所用的處理設備比濕式厭氧發酵設備昂貴，容易發生故障；發酵罐的進料含固率要大于20%；物料在厭氧發酵罐內攪拌強度大，設備易磨損。對于濕式厭氧發酵，厭氧發酵罐容易出現分層現象，導致頂部浮渣和底部沉沙累積，使厭氧發酵罐的有效容積不斷減少，處理能力逐漸下降，可能導致發酵系統無法正常運行。同時，濕式厭氧發酵工藝預處理要求高，相關投資增加。

3 結語

厭氧發酵技術作為工程應用最為廣泛的廚余垃圾資源化處理技術，在我國構建低碳社會、發展循環經濟、建設“無廢城市”的過程中具有良好的經濟效益和環境效益，可以顯著提高廚余垃圾資源化和減量化處理水平。隨著垃圾分類不斷向縱深推進，全國各地政府對廚余垃圾厭氧發酵項目的投入不斷加大，該工藝在項目運行實踐中將不斷改進和完善，未來必將形成成熟且穩定運行的廚余垃圾厭氧發酵技術路線。

參考文獻

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收稿日期：2024-01-22

基金項目：國家重點研發計劃（2018YFC1900700）。

作者簡介：李天水（1987—），男，湖北仙桃人，碩士，工程師。研究方向：有機廢棄物資源化技術研究和咨詢。