城市生活有机垃圾厌氧消化技术进展

城市生活有机垃圾厌氧消化技术进展

1．概况

　　目前我国城市生活有机垃圾的处理问题仍然是一项技术难题，进行好氧堆肥的运行成本高，而且肥料质量难以保证；进行填埋会产生大量的渗沥液及恶臭问题。而在欧洲，通常是采用厌氧消化技术处理有机垃圾的。有机垃圾固含率在30%～40%，含有溶解性物质（如糖、淀粉、氨基酸等有机酸）、纤维素。脂肪、蛋白质等物质，因此可以采用生化方法进行降解。厌氧反应是指在没有溶解氧和硝酸盐氮的条件下，微生物将有机物转化为甲烷、二氧化碳、无机营养物质和腐殖质的过程。厌氧生物处理的优点主要有：工艺稳定、运行简单、减少剩余污泥处置费用，具有生态和经济上的优点。在废水处理中，厌氧消化具有悠久的历史，目前应用最广泛的升流式厌氧污泥床(UASB），占67％左右，并子已开发了第二代高效厌氧处理系统，如厌氧颗粒污泥膨胀床（EGSB)工艺。而在有机垃圾处理中，厌氧消化的发展是从20世纪70年代能源危机开始的，特别是近20年发展速度很快。最近研究表明，在过去9年中，采用厌氧消化技术来处理城市团体垃圾的处理厂增加了750%。德国、瑞士、丹麦等西欧国家处于技术领先地位，并已经将此项技术成功地市场化，出现了像德国的Haase工程公司、瑞士Kompogas公司、比利时Organic Waste Systems公司等著名的工程公司。据统计，在德国大约有520座厌氧消化反应器，其中用于城市垃圾处理的大约有49座。相比较而言，美国、加拿大在制定基本政策制度以促进厌氧消化市场化方面还有较大差距。 厌氧反应器组成：密闭反应器、搅拌系统、加热系统和固液气三相分离系统。按照厌氧反应器的操作条件如进料的固含率、运行温度等可分类以下：

1.1按照固含率可分为湿式、干式

　　湿式：垃圾固含率10%～15％。

　　干式：垃圾固含率20%～40%。

　　湿式单级发酵系统与在废水处理中应用了几十年的污泥厌氧稳定化处理技术相似，但是在实际设计中有很多问题需要考虑：特别是对于机械分选的城市生活垃圾，分选去除粗糙的硬垃圾、将垃圾调成充分连续的浆状的预处理过程非常复杂，为达到既去除杂质，又保证有机垃圾进入正常地处理，需要采用过滤、粉碎、筛分等复杂的处理单元（Farneti，1999）。这些预处理过程会导致15%～25%的挥发性固体损失。

　　浆状垃圾并不能保持均匀的连续性，因为在消化过程中重物质沉降，轻物质形成浮渣层，导致在反应器中形成了三种明显不同密度的物质层。重物质在反应器底部聚集可能破坏搅拌器，因此必须通过特殊设计的水力旋流分离器或者粉碎机去除。

　　干式发酵系统的难点在于：其一，生物反应在高固含率条件下进行；其二，输送、搅拌固体流。但是在法国、德国已经证明对于机械分选的城市生活有机垃圾的发酵采用干式系统是可靠的。Dranco工艺中，消化的垃圾从反应器底部回流至顶部。垃圾固含率范围20%～50%。Kompogas工艺的工作方式相似，只是采用水平式圆柱形反应器，内部通过缓慢转动的桨板使垃圾均质化，系统需要将垃圾固含率调到大约23%。而Valorga工艺显著不同，同为在圆柱形反应器中水平塞式流是循环的，垃圾搅拌是通过底部高压生物气的射流而实现的（Frrteau de Laclos et al）。Valorg工艺优点是不需要用消化后的垃圾来稀释新鲜垃圾，缺点是气体喷嘴容易堵塞，维护比较困难。Valorga工艺产生的水回流使反应器内保持30%的固含率，且艺能单独处理湿垃圾，因为在固含率20%以下时重物质在反应器内发生沉降。

1.2按照阶段数可分为单级、多级。

　　目前，工业上一般用单级系统，因为设计简单、一般不会发生技术故障。并且对于大部分有机垃圾而言，只要设计合理、操作适当，单级系统具有与多级系统相同的效能。

1.3按照进料方式分为序批式、连续式。

　　序批式：消化罐进料、接种后密闭直至完全降解。之后，消化罐清空，并进行下一批进料。连续式：消化罐连续进料，完全分解的物质连续从消化罐底部取出。

　　不同类型的厌氧反应器在市场中占的份额也不同：中温消化、高温消化都是可行的技术，实际运行的处理厂，中温消化占62％；湿式、干式系统各占一半；而单级消化、两相消化的比重相差大，其中两相消化占10.6%（DeBaere，1999比利时有机垃圾系统公司（Organnic Waste Systems N. V）。

　　考虑到工业化的处理厂处理量大多为2500t/a?（吨／年，下同）以上，所以下面主要对大型有机垃圾处理厂的厌氧消化工艺进行分类介绍。

2.工艺及实例

2.1湿式连续单级发醉系统

2.1.1 JVV oy工艺－德国Bottrop处理厂

　　Ecotech公司在德国柏林建造了处理量30，000t/a的有机垃圾处理厂。工流程图图2。分类收集的垃圾经过预粉碎阶段和磁选后，进人滚筒筛，分选出有机垃圾与可燃垃圾。可燃垃圾进入流化床焚烧炉，剩余的有机垃圾进入垃圾池，再加水调节固含率至15％。分离出惰性杂质后，通过泵将垃圾输送到厌氧消化器。

　　系统包含两个平行生产线。厌氧消化温度为35℃，固体停留时间15- 20d。（此工艺也可以在55℃进行高温消化）。单个消化器容积可达5000m3。反应物质通过生物气混和搅拌。有机物质经发醉后，再进行巴斯德消毒（70℃，30min )就得到了卫生的肥料。

2. 1. 2 BTA工艺－德国Bavaria处理厂

　　BTA工艺是由造纸技术发展而来，能处理城市生活有机垃圾、有机商业垃圾（如食品业等）和农业垃圾，是一种成熟工艺，包括单级和多级工艺。

在德国、澳大利亚大约有10个处理量在2000t/a以上的采用BTA技术的单级发酵垃圾处理厂正在运行。如德国Bavaria处理厂，处理能力15000t/a。

2.2湿式连续多级发醉系统

　　多级工艺原理：按照消化过若翰勺规律，有机垃圾分别在不同的反应器内进行酸化水解、产甲烷。首先将垃圾通过固液分离机分为固体和液体，液体部分直接进人产甲烷阶段反应器进行消化1－2d；固体部分进人水解池，2－4d以后垃圾再经过分离，再使液体进入产甲烷阶段反应器。经过消化，大约60%-70%的有机物质转化为生物气。

2.2.1 BTA工艺－丹麦Helsingor BTA/carlbro处理厂

　　丹麦Helsipgor BTA/carl bro处理厂即采用此项工艺，本厂建于1993年，处理分类收集的生活垃圾，处理量 20,000t/a。分类收集的垃圾先送到垃圾仓，再经过破袋、破碎、打浆、巴斯德消毒。这样，垃圾分为液体、固体部分：液体进入消化罐；而固体进入水解池，在水解池中固体分解为有机酸，池内的液体再送入消化罐。

　　Helsingor垃圾处理厂每年产生大约300万m3生物气，用于热电联产。垃圾处理厂配有换热器，可以用厌氧过程中产生的沼气来在预处理阶段加热垃圾。

2.2.2 TBW Biocomp工艺－德国Thronhofen处理厂

　　Thronhofen垃圾处理厂从1996年开始运营，处理能力13,000t/a，处理分类收集的有机垃圾和农业中的液态垃圾。

　　Biocmp工艺是堆肥、发酵的结合。垃圾先经过滚动筛，分离出粗垃圾去堆肥，细垃圾去消化罐。再用手选来去除无机物，用磁选去除废铁。细的有机物质经过破碎机破碎后，加水稀释，使固含率为10%。接着混合物送到贮存池，中温（35℃）反应池（采用桨板搅拌。停留时间14d）。从一级消化池底部取出的活性污泥送入二级上向流高温（55℃）消化池，水力停留时间14d。经过高温消化后，大约60%的有机物质转化为生物气。

2.3干式单级发醉系统

2.3.1 Biocel工艺－荷兰Ielystad处理厂

　　Biocel工艺是中温干式序批式有机垃圾厌氧消化技术，处于发展阶段。

荷兰 lelystad处理厂，处理量50000t/a，反应器内垃圾固含率30%- 40％，消化温度35- 40℃，固体停留时间最少10d。

2.3.2 Dranco工艺－比利时Brecht处理厂

　　Dranco (Dry Anaerobic Composting）工艺是比利时有机垃圾系统公司（Organic Waste Systems）开发的，是一项成熟工艺。工艺的主要单元是单级高温反应器，负荷l0kgCOD/ (m3d)，温度50- 5890，停留时间为20d(15- 30d)，生物气产量100- 200m3/t垃圾，发电量170- 350kwh/t垃圾。进料的固体浓度在15% -40%范围内。有机垃圾系统公司已开发出Dranco - Sep工艺，可在固含率5%- 20%范围内操作。

　　欧洲现在至少有4座Dranco工艺大型垃圾处理厂，处理能力为11，000t/a到35,000t/a。在比利时北部Brecht的处理厂采用的就是本工艺，处理能力12，000t/a。有机垃圾先经过手工分选、切碎，筛分以去除大颗粒，用磁选分离金属物质，加水混和，接着送入808m3的消化器中。消化器的新鲜物料投配率为5%。消化液经过好氧塘处理之后，排放到当地污水处理厂。消化后的垃圾利用脱水机脱水至固含率55%，而经过好氧稳定两周，即可得到卫生、稳定化的肥料。

2.3.3瑞士Kompogas工艺

　　本工艺是干式、高温厌氧消化技术，由瑞士Kom-pogas AG公司开发，处于发展阶段。目前，在瑞士、日本等国家建立大约18个垃圾处理厂，其中年处理量10,000t/a以上的有12个。

　　有机垃圾首先经过预处理达到以下要求：固含率（DS)30%-45%，挥发性固体含量(VS)55%-75%（of DS)。粒径<40mm，pH4.5-7，凯氏氮<4g/kg，C/N>18。然后进入水平的厌氧反应器进行高温消化。消化后的产物含水率高，首先进行脱水，压缩饼送到堆肥阶段进行好氧稳定化，脱出的水用于加湿进料或作为液态肥料。产生的生物气效益：10，000吨有机垃圾可产生118万Nm3 KOMPO-GAS气体，其中蕴含的总能量为684万kwh，相当于71万升柴油，可供车辆行驶1000万km。

2.3.4法国Valorga工艺

　　本工艺是由法国Steinmueller Valorga Sarl公司开发，采用垂直的圆柱形消化器，是一项成熟工艺。反应器内垃圾固含率25%-35%，停留时间14-28d，产气量80-180Nm3/t。消化后的固体稳定化需要进行14d的好氧堆肥。

目前已建成的处理厂有：法国Amiens处理厂（处理能力：85，000t/a）；德国Engelskirchen处理厂（处理能力：35，000t/a)、Freiberg处理厂（处理能力：36，000t/a）；比利时Mons处理厂（处理能力：58，700t/a)；瑞士Geneva处理厂（处理能力：10，000t/a)；西班牙CadiZ处理厂（处理能力：210，000t/a)等。 

2.4其他新工艺

　　目前美国、德国等国家正在积极地进行城市生活有机垃圾的厌氧消化技术研究，其内容主要包括以下工艺：

●序批式厌氧堆肥工艺（SEBAC，orLeach-BedProcess）（美国）

●干式厌氧消化＋好氧堆肥（美国）

●半干式厌氧消化＋好氧堆肥（意大利）

●渗沥液床两相厌氧消化（英国）

●两相厌氧消化（德国）

●有机垃圾处理工艺（Biowaste Process）（丹麦）

●干式厌氧消化＋好氧堆肥（美国）

●厌氧固体消化器（APS-Digester）（美国）

　　可以预见将来厌氧消化技术会取得飞跃的发展，在工程中的应用也会越来越广泛。

3结论

　　目前，厌氧消化技术在世界各地广泛应用，大部分处理城市生活有机垃圾的厂处理量在2500t/a以上。而在我国尚无采用这样的大型处理厂，可能是因为厌氧消化的投资成本比好氧堆肥要高，一般多1.2-1.5倍。但考虑到有机垃圾厌氧消化处理的良好经济效益（生物气用来发电或供热以及优质卫生的肥料），每吨垃圾的处理费用与传统的好氧堆肥相当（JMa-ta-Alvarez et al，1999）。并且厌氧消化具有良好的环境效益：与好氧堆肥相比占地少，大大减少了温室气体(CO2、CH4）、臭气的排放等。从生命周期观点看，厌氧消化比其他的处理方式更经济。因此，在我国厌氧消化工艺是一项具有很有前景的有机垃圾处理技术。