干法厌氧消化在有机垃圾处理中的应用

韩朝晖

（亿利资源集团有限公司，北京100031）

干法厌氧消化在有机垃圾处理中的应用

韩朝晖

（亿利资源集团有限公司，北京100031）

目前生活垃圾中含有大量可利用的有机垃圾，其在厌氧条件下可消化产生沼气，有机垃圾直接填埋会造成可再生能源的浪费。提出了干法厌氧消化工艺，干法压氧消化器越来越多用于可再生能源作物材料产出沼气上。同时分析了各种控制参数对干法消化运行的影响及干法消化适用的领域。

有机垃圾；厌氧消化；干法消化；可再生能源

随着中国城市化进程的加快，我国城市生活垃圾年增长率达到了10%以上。目前垃圾处理方式主要是填埋，少部分堆肥和焚烧。根据中国实际国情和公民意识，垃圾从源头分类目前还无法实现，各种垃圾混合在一起收集，造成城市生活垃圾中大量存在着生物质垃圾，且具有量大、易生物降解和高含水的特点，成为污染环境的主要污染源。同时有机物厌氧条件下可产生沼气，沼气可用于热电联产和提纯生产生物燃气，如果直接填埋会造成可再生能源的浪费。

目前我国一些环保企业运用湿法厌氧发酵工艺，已经成功建造了许多沼气厂。该工艺将生活垃圾中的有机物和其他有机废弃物（污水处理厂剩余污泥、餐厨垃圾、粪便等）通过预处理后送进厌氧发酵罐，进行联合厌氧发酵。通过控制混合物料的反应时间，处理过程中产生大量的沼气和有机肥料,从而达到降低生活垃圾和有机废弃物中有机物含量的目的。进入消化池的物料干固率一般控制在10%DS以下,称为湿法消化。但一般情况下，进入消化池的有机物料的干固率在20%～30%，要达到10%DS的要求必须加大量的水，有时甚至达到2～3倍。一些污泥出厂时已经经过脱水达到20%DS，但为了进行湿法消化，还要加入一倍的水进行稀释，这就造成能源和水资源的大量浪费。因此研究开发适合城市生物质垃圾特性的高固体厌氧消化技术（High Dry Solid Anaerobic Digestion，即干法）是中国当前市政垃圾处理领域的主要研究热点。

1 干法消化概念和工艺

干法消化工艺是欧洲近30年前开发的，为市政废物的处理、庞大粘稠的工业有机残余物包括大量的杂质的处理提供技术解决方案。它是相对于湿法提出的概念，根据进入消化池物料的干固体浓度来划分。

（1）湿法消化：干固体浓度小于15%DS。

（2）干法消化：干固体浓度大于15%DS。

干法消化的工艺流程如图1所示（图例来源于奥地利史卓堡技术）。

图1 干法消化工艺流程示意图

消化器通常采用卧式推流式，用混凝土结构建造。消化器、后消化器、根据需要的预水解和最终贮存的搅拌过程，对于设备的有效运行和相关基质的水力处理是必要的[4]。所需的特定的混合要求和功率输入可以由技术上不同类型的搅拌器来完成。例如搅拌器与主流向交叉放置,并带有坚实的搅拌桨,搅拌器组按一定间隔排开并且非常缓慢地侵入消化泥浆中。它们能避免浮泥形成或者破坏正在形成的浮泥盖，以利于沼气从粘稠的泥浆中逃逸。借助于一个真空装置或螺旋泵的帮助，沼渣沼液在消化器末端通过许多大的吸力管自动排放,输送给后续的脱水或后消化工序。

消化池最初是用调整后浓度在30%～35%的干物质混合物进料来运营的。从出料中回收的工艺水通常会被用于入料浓度的调节。

2 基质的定义

与湿法消化相比，干法消化技术还能对经筛选的含有大量的粗大杂质的生活垃圾或源头分类的粒径最大约达60 mm的有机物进行消化，也可对能源作物（玉米青贮）进行消化。应优选使用回收的沼液将消化池进料的干物质的含量调整到30%～35%。可再生能源作物的消化,相应的干物质含量范围是容易管理的。有机负荷率可达到5～7 kg VS/（m3·d）。对于长时间的稳定运行，能够显示高有机负荷率下的稳定的基质转换率和理论上计算出的沼气潜力即甲烷产率[1]。

主要来源于能源作物的纤维浆在沼碴沼液中导致高粘度，这需要具体的措施来处理消化过程。目前从德国大规模的消化器运行结果能够证实，有机负荷率达到17 kg VS/（m3·d）的高负荷干消化池具有稳定运行的可能性[2]。

在基质选择中，优化所有重要营养物和微量元素的供应，来避免消化抑制、pH值扰动和运行过程中基质受限。同时避免输入一定浓度的抑制性化合物，像生物毒素、抗生素和消毒剂。

3 粘度影响

借助于高负荷厌氧干法消化技术进行可持续生物能源生产,会导致沼渣沼液典型而明显的高动态粘度。基于不同有机浆料固体浓度的动态粘度的统计测量数据[3]可以看出,具有三维大分子结构的有机浆料具有很高的抗剪强度。

如STOKES（1851）所定义的非紊流状态下，固体颗粒在周围流体中的沉积现象取决于液体和固体的密度、颗粒的直径和形状，以及依赖液体粘度的阻力系数。因此,在一定的颗粒参数下，生物泥浆里固体的沉积（例如金属、玻璃粒子以及塑料部件）与污泥粘度成反比。

介质的粘度越高，反应体积内的液体循环越有限。对于粘度在2 000～55 000 mPas以外的基质来说，带泵送效应的快速运行搅拌器就不再适用了，因为介质不能大面积流动而只是留在搅拌叶片附近。因此在这些高粘性区域内，必须使用缓慢运行的搅拌器[5]。

对于一定的介质粘度范围，例如玉米青贮，消化产生的气泡上升速度与在水中的值相比急剧下降。如果没有在发酵介质中安装合适的搅拌装置，借助于机械产生的垂直空隙产生足够的向上定向脱气，这种上升速度的减小会导致粘性的沼渣沼液膨胀。

4 热传递

消化细菌细胞周围的传质条件对介质粘度有明显依赖，对于高负荷干消化来说，粘度对传质的抑制影响必须考虑[6]。发酵过程的热量输入必须达到足够高，以把入料加热到工艺温度，而且由于对流和沼气排放产生的热损失必须进行补充。对于高粘度的层状整体流来说，热传递将被糊状泥浆内的热导率控制。这会导致在容积内出现局部温度差，目的是为热量流动产生必要的推动力，并可能出现局部区域过热。

每天消化器内反应温度上升率必须加以限定，以利于提供必要的时间让厌氧菌慢慢适应[7]。

5 干法消化的优、缺点

相对于湿法消化，干法具有如下的优点：

（1）在消化池前没有额外的碎物需要处置（填埋,焚烧）；

（2.）很少的设备和工艺步骤，操作简单；

（3）没有制浆工艺，垃圾量没有大规模地增加；

（4）消化器中没有浮渣层和沉淀的问题；

（5）较低的能源消耗（20 kW·h/t，湿法50 kW·h/t）；

（6）较小的消化池体积。

干法的缺点:

（1）所有的污染物和杂质都被送入消化器，包括重金属，降低消化质量；

（2）较低的沼气产出；

（3）堆肥精化中需要分离污染物和杂质。

厌氧消化使用干法或者湿法工艺取决于所使用的物料，根据德国20多年的消化经验，建议如图2。

图2

6 结论

干法厌氧消化技术作为欧洲先进的有机垃圾处理技术，目前已相对成熟，现正在运行的消化器运行稳定，产气率高。消化干法使得垃圾通过产业化、市场化方式处理成为可能。到目前为止，这一欧洲先进技术还没有被成功引入到中国，国内这一领域刚刚起步，并且市场潜力巨大；同时国家也出台许多利好政策来鼓励和支持这一行业发展。

[1]BUSWELL A M，SYMONS G E.J.AMER[J].Chem.Soc，1933，55：2028.

[2] LANGHANS G.Industrial-scale anaerobic plug-flow dry digestion influence of viscosity on process conditions and plant operation Prepared for publishing[R].Water Science and Technology，2012.

[3] VDI-Richtlinie VDI 4631[S].Quality criteria for biogas plants，2011.

[4] VDI-Richtlinie VDI 4630[S].Digestion of organic compounds，2006.

[5] CORNEL P.KRAUSE S.Influence of viscosity on oxygen and gas transfer[R].Zwischenbericht，Kennziffer 2281，Max-Buchner-Forschungsstiftung,TechnischeUniversit?t Darmstad，2002.

[6]KAFAROW W W.Basics of mass transfer[M].Akademie-Verlag，Berlin，1977.

[7]DE LA RUBIA，M ET AL.Pilot-scale anaerobic thermophilic digester treating municipal sludge[J].AIChE Journal，2006，55(1):402-407.

Application of dry digestion method in organic waste treatment

HAN Zhaohui
（Elion Resource Group,Beijing 100031,China）

Currently there are a lot of organic wastes in garbage which can be available to produce biogas under anaerobic conditions.If the organic waste directly goes to landfill,it will result in a waste of renewable energy.The paper proposed dry anaerobic digestion theory.This type of digesters was used more and more for the biogas production from renewable crop materials.The paper also analyzed the effect of the digestion operation through various control parameters and dry digestion applicable fields.

organic waste;anaerobic digestion;dry digestion;renewable energy

X705

A

1674－0912（2014）10－0030－03

2014－08－12）

韩朝晖（1972－），女，沈阳人，德国理学硕士，研究方向：污水处理、垃圾处理和可再生能源。