周俊濤，巴智勇，張繼琳，王敬賢

（北京京城環(huán)保股份有限公司，北京 100027）

國(guó)外有機(jī)市政固廢批處理厭氧消化工藝介紹

周俊濤，巴智勇，張繼琳，王敬賢

（北京京城環(huán)保股份有限公司，北京 100027）

批處理厭氧消化工藝是厭氧處理技術(shù)的一種，其通過(guò)序批式進(jìn)料、連續(xù)式操作的設(shè)計(jì)，可簡(jiǎn)化物料的預(yù)處理工序和厭氧發(fā)酵過(guò)程控制，從而達(dá)到降低投資成本及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的目的，使其相對(duì)其他固廢厭氧處理技術(shù)形成優(yōu)勢(shì)。調(diào)整厭氧滲濾液回收循環(huán)方式及批處理反應(yīng)器的數(shù)量，可形成一系列改進(jìn)后的批處理工藝，包括序批式和階段式的批處理系統(tǒng)。有機(jī)市政固廢經(jīng)厭氧消化后，不僅可以減量化及穩(wěn)定化，而且還可以獲取能源及回收有用物質(zhì)。文章對(duì)目前國(guó)外主要的有機(jī)固廢批處理厭氧消化工藝進(jìn)行了分析，并針對(duì)國(guó)內(nèi)的固廢特征給出了建議。

有機(jī)市政固廢；餐廚垃圾；批處理厭氧消化；厭氧工藝

1 前言

有機(jī)市政固廢是指市政固廢中易生物降解的有機(jī)成分，主要包括餐廚垃圾、園林垃圾、市政污泥及動(dòng)物糞便等，一般具有含水率高、易腐敗等特點(diǎn)[1]。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)有機(jī)市政固廢的處理方法主要有好氧堆肥、焚燒或填埋等，但這些方法均存在各種不足，研究人員開(kāi)始注意應(yīng)用厭氧消化工藝來(lái)處理有機(jī)固廢[2]。厭氧消化技術(shù)廣泛應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域，工藝成熟可靠，在歐洲應(yīng)用于固廢處理領(lǐng)域也有數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)積累，但在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段[3]。采用厭氧工藝處理有機(jī)固廢，在有機(jī)質(zhì)得到穩(wěn)定化和減量化的同時(shí)，還能獲取能源和回收有用物質(zhì)，如沼氣、土壤肥料等[4]。為適應(yīng)不同來(lái)源、不同性狀的有機(jī)固廢，研究人員開(kāi)發(fā)了一系列的厭氧工藝，如一級(jí)干式及濕式厭氧工藝、二級(jí)厭氧消化工藝以及批處理厭氧技術(shù)[5]。其中，批處理厭氧工藝由于其投資成本低、過(guò)程控制簡(jiǎn)單，未來(lái)具有廣泛的應(yīng)用前景。

批處理厭氧系統(tǒng)中，消化反應(yīng)器一次性進(jìn)料，可以選擇接種或不接種消化菌，在含固率為30%～40%的干式條件下經(jīng)歷厭氧消化反應(yīng)。批處理反應(yīng)器具有以下兩個(gè)特征：1）滲濾液持續(xù)循環(huán)，起到類(lèi)似于攪拌擴(kuò)散菌種、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)酸的作用；2）操作溫度高于填埋場(chǎng)的反應(yīng)溫度。這兩個(gè)特征使得批處理厭氧反應(yīng)器的產(chǎn)氣率比填埋場(chǎng)要高50～100倍[6]。但是，批處理厭氧工藝的產(chǎn)氣率比持續(xù)進(jìn)料一級(jí)干式厭氧系統(tǒng)要低40%[7]，這是由于滲濾液在物料中沿固定路線流動(dòng)，使其擴(kuò)散不均勻、與物料接觸不充分，從而影響了有機(jī)物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化。為提高批處理系統(tǒng)對(duì)有機(jī)固廢的處理效率和穩(wěn)定性，研究人員通過(guò)調(diào)整反應(yīng)器數(shù)量及物料滲濾液循環(huán)方式，開(kāi)發(fā)出了一系列不同的批處理厭氧工藝。

目前，批處理工藝主要有以下三種類(lèi)型[8]：1）單級(jí)批處理系統(tǒng)：將滲濾液在相同的反應(yīng)器中進(jìn)行循環(huán)；2）序批式批處理系統(tǒng)：由兩個(gè)或多個(gè)反應(yīng)器組成，第一個(gè)反應(yīng)器中含有高濃度有機(jī)酸的滲濾液，再循環(huán)到產(chǎn)甲烷的第二個(gè)反應(yīng)器中，而產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的滲濾液，含有少量或不含有機(jī)酸，與pH緩沖劑混合后再循環(huán)到第一個(gè)反應(yīng)器中，這種設(shè)計(jì)可以確保兩個(gè)反應(yīng)器之間消化菌的交流，避免了對(duì)新物料的接種；3）混合批處理-UASB工藝：非常類(lèi)似于設(shè)計(jì)有兩個(gè)反應(yīng)器的兩級(jí)厭氧工藝，區(qū)別在于其第一個(gè)反應(yīng)器是簡(jiǎn)單的批處理反應(yīng)器。這三種批處理工藝滲濾液的循環(huán)模式如圖1所示。

圖1 不同批處理反應(yīng)器滲濾液循環(huán)模式

與其他厭氧技術(shù)相比，批處理工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，功能更加強(qiáng)大。但需要注意的是，與持續(xù)進(jìn)料干式厭氧消化系統(tǒng)相比，批處理反應(yīng)器的高度是其1/5，有機(jī)負(fù)荷率是其1/2，這樣每處理1噸市政固廢，批處理反應(yīng)器需要的占地面積是持續(xù)進(jìn)料干式系統(tǒng)的10倍[9]。兩者的操作運(yùn)營(yíng)費(fèi)用則相當(dāng)[10]。批處理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)如下表所示。

批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)一覽表

2 批處理厭氧消化工藝介紹

2.1 Biocel系統(tǒng)

Biocel工藝的開(kāi)發(fā)，是作為高含固率市政固廢厭氧消化早期研究的一部分，于二十世紀(jì)八九十年代由荷蘭Wageningen大學(xué)完成。系統(tǒng)研究的最初目標(biāo)是：通過(guò)簡(jiǎn)化物料預(yù)處理工序，消除混合需要來(lái)降低成本，同時(shí)取得相對(duì)較高的有機(jī)負(fù)荷率和生物轉(zhuǎn)化率。試驗(yàn)進(jìn)行得很成功，于是研究人員建立了一個(gè)容量為5m3的小試反應(yīng)器，深入研究系統(tǒng)的啟動(dòng)、加熱和滲濾液循環(huán)。在1997年，荷蘭建立了一個(gè)全規(guī)模的、年處理源頭分類(lèi)有機(jī)市政固廢5.5萬(wàn)噸的Biocel處理廠， 主體工藝為Biocel厭氧系統(tǒng)及后處理好氧穩(wěn)定床[11]。

全規(guī)模Biocel系統(tǒng)由14個(gè)720m3的濾床反應(yīng)器組成，每個(gè)反應(yīng)器進(jìn)料容量480m3，物料堆高4m以防止過(guò)分壓縮。反應(yīng)器內(nèi)溫度維持在35℃～40℃，同時(shí)滲濾液不斷淋灑到物料堆上。消化器的停留時(shí)間為21天，用作后處理的好氧床停留時(shí)間為1～3周。在打開(kāi)反應(yīng)器倉(cāng)門(mén)進(jìn)料和卸料時(shí)，真空系統(tǒng)會(huì)抽出堆料頂層的氧氣，同時(shí)防止臭味散逸。運(yùn)入的市政固廢不需任何破碎和篩選等預(yù)處理操作，完全人工分選、人工進(jìn)料。經(jīng)Biocel系統(tǒng)處理后，1.1t的市政固廢能產(chǎn)生70kg沼氣、120kg水蒸汽、500kg堆肥以及230kg廢水。

雖然批處理系統(tǒng)簡(jiǎn)化了對(duì)物料的預(yù)處理，但同時(shí)也失去了對(duì)生物過(guò)程的控制。系統(tǒng)是一次性進(jìn)料，其內(nèi)部狀態(tài)會(huì)隨著微生物群落的轉(zhuǎn)移而變化，因?yàn)槲⑸飼?huì)消耗物料，產(chǎn)生中間代謝產(chǎn)物。當(dāng)有機(jī)高分子水解酸化產(chǎn)生有機(jī)酸，系統(tǒng)內(nèi)的pH值會(huì)急劇下降，這時(shí)系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入停滯狀態(tài)。如果pH值下降過(guò)于劇烈，產(chǎn)甲烷過(guò)程也就會(huì)中止。最初的實(shí)驗(yàn)室和小試研究采取了一系列手段來(lái)減輕這種效應(yīng)，這些方法包括將進(jìn)料與前一批次的消化液混合，使用好氧預(yù)處理方法、添加緩沖劑、改變接種頻率以及調(diào)整滲濾液循環(huán)速率等。小試研究達(dá)到的最高有機(jī)負(fù)荷率為7kgVS/m3·d，已接近高含固率持續(xù)進(jìn)料消化器，但在實(shí)際運(yùn)行的全規(guī)模處理廠中，平均有機(jī)負(fù)荷率為3.6kgVS/m3·d，只相當(dāng)于低含固率持續(xù)進(jìn)料消化器[12]。

Biocel系統(tǒng)另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于低耗水量。但在實(shí)驗(yàn)室小試研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物料的含固率超過(guò)35%時(shí)，很難產(chǎn)生滲濾液，產(chǎn)甲烷過(guò)程會(huì)因?yàn)槲⑸锱c物料缺乏接觸而受到抑制。另外，當(dāng)物料含固率過(guò)高時(shí)，加熱也很困難。

2.2 SEBAC系統(tǒng)

SEBAC（Sequential Batch Anaerobic Composting，序批式厭氧堆肥）工藝，于二十世紀(jì)九十年代由佛羅里達(dá)大學(xué)開(kāi)發(fā)，其研發(fā)目的與Biocel系統(tǒng)相似，即簡(jiǎn)化物料預(yù)處理工序，提高厭氧處理效率。SEBAC系統(tǒng)由兩到三個(gè)序批式滲濾床反應(yīng)器組成，反應(yīng)器中滲濾液在物料中由上到下滲淋并循環(huán)，與Biocel系統(tǒng)不同的是，SEBAC消化器按序批式操作，使?jié)B濾液可以在各反應(yīng)器之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移[13]，其工藝示意圖如圖2所示。

圖2 SEBAC工藝示意圖

市政固廢中的有機(jī)成分經(jīng)預(yù)處理后被破碎成為10cm以下粒徑的顆粒，并進(jìn)入到批式反應(yīng)器中。來(lái)自于腐熟物料反應(yīng)器的滲濾液淋灑到新料上，并循環(huán)回收噴灑到堆料頂部，直到產(chǎn)甲烷過(guò)程穩(wěn)定化。此時(shí)反應(yīng)器進(jìn)入內(nèi)部循環(huán)狀態(tài)，產(chǎn)甲烷過(guò)程隨著批料腐熟而放慢。在理論上，這種設(shè)計(jì)使得腐熟物料反應(yīng)器可以接觸有機(jī)酸和活性產(chǎn)甲烷菌群，而新料則可以接觸到來(lái)自熟料反應(yīng)器的活性微生物；而在實(shí)際中，滲濾動(dòng)力學(xué)行為尚未得到透徹的研究，所以系統(tǒng)很難得到有效控制[14]。

實(shí)驗(yàn)室研究中，當(dāng)進(jìn)料為純餐廚垃圾時(shí)，SEBAC工藝很難啟動(dòng)起來(lái)，需要填充劑來(lái)防止物料過(guò)分緊密，從而使?jié)B濾液可以在堆料中流動(dòng)。但即使SEBAC工藝順利啟動(dòng)，在進(jìn)料50～60天后仍不能達(dá)到最高的產(chǎn)氣率。最初的小試研究表明，停留時(shí)間為21天和42天時(shí)，甲烷的產(chǎn)量分別為0.16m3CH4/kgVS和0.19m3CH4/kgVS，遠(yuǎn)低于處理市政固廢有機(jī)成分的持續(xù)進(jìn)料高溫消化器的甲烷產(chǎn)量[15]。

目前全規(guī)模的SEBAC系統(tǒng)尚未投入工程實(shí)踐，對(duì)該系統(tǒng)的研究一直還在進(jìn)行中。

2.3 APS消化工藝

APS（Anaerobic Phased Solids，厭氧階段化固體）消化工藝，將批式進(jìn)料與持續(xù)操作結(jié)合到一個(gè)生物系統(tǒng)中。固體消化按批處理操作，但沼氣產(chǎn)生過(guò)程則連續(xù)進(jìn)行，這種設(shè)計(jì)使得進(jìn)料和出料不會(huì)破壞微生物的厭氧環(huán)境。APS消化罐內(nèi)使用水力攪拌系統(tǒng)，而沒(méi)有使用移動(dòng)或機(jī)械設(shè)備，使得維護(hù)費(fèi)降低，而系統(tǒng)的可靠性得到提高。

APS系統(tǒng)通常由數(shù)個(gè)水解罐（一般是4個(gè)）和一個(gè)產(chǎn)沼氣反應(yīng)罐組成，構(gòu)成一個(gè)封閉的循環(huán)系統(tǒng)，其工藝流程圖如圖3所示。水解罐按批式或半批式處理有機(jī)廢物，每個(gè)水解罐的容量根據(jù)特定需求和進(jìn)料特征而定，一旦進(jìn)料，就會(huì)注水并密封一段時(shí)間[16]。

圖3 APS工藝流程圖

固體消化在水解反應(yīng)器中進(jìn)行，其反應(yīng)器底部安裝有過(guò)濾器，可收集含有可溶性化合物的消化液。收集到的消化液每隔4小時(shí)在頂部進(jìn)行噴射和傳播，并在水解罐和產(chǎn)沼氣罐之間間歇性循環(huán)，向產(chǎn)甲烷菌提供有機(jī)酸。水解反應(yīng)器按不同批次操作，這樣就可以使產(chǎn)沼氣的反應(yīng)器維持一個(gè)穩(wěn)定的有機(jī)負(fù)荷率，使產(chǎn)沼氣過(guò)程更加穩(wěn)定。產(chǎn)沼氣反應(yīng)器內(nèi)含有高濃度的微生物菌群，可達(dá)到很高的生物轉(zhuǎn)化效率。該系統(tǒng)產(chǎn)生出中等品質(zhì)的沼氣，含有55%～65%的CH4，以及35%～45%的CO2。從所有反應(yīng)器中將產(chǎn)生的沼氣收集后，通過(guò)管道輸送可進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)[17]。

APS消化器在57℃高溫下操作，達(dá)到了較高的固體轉(zhuǎn)化率。水解反應(yīng)器中的固體停留時(shí)間在3～14天，隨固體的分解速率而定。例如，餐廚垃圾通常會(huì)很快分解，所以停留時(shí)間為3～5天，而秸稈之類(lèi)的農(nóng)作物殘余由于分解很慢，所以需要14天的停留時(shí)間。

來(lái)自水解反應(yīng)器的殘余消化固體先進(jìn)行脫水，經(jīng)進(jìn)一步處理后，可形成高質(zhì)量的土壤添加劑和其他農(nóng)產(chǎn)品。當(dāng)水解罐中進(jìn)料達(dá)到設(shè)計(jì)停留時(shí)間后，就會(huì)清空，剩余的未完全消化的物料或以固體形式（沼渣）存在，或溶解在流出液中，兩種產(chǎn)物都可用作土壤肥料[18]。

加州大學(xué)戴維斯分校建立了一個(gè)APS消化系統(tǒng)的小試技術(shù)驗(yàn)證點(diǎn)，每天能處理1～2噸干有機(jī)物質(zhì)。該系統(tǒng)由5個(gè)38m3的垂直鋼制圓柱罐體組成，其中4個(gè)水解罐帶有加熱夾套以加熱消化液，1個(gè)產(chǎn)沼氣罐通過(guò)與天然氣/沼氣兩用鍋爐進(jìn)行熱交換而加熱，整套系統(tǒng)可選擇在高溫或中溫下運(yùn)行。接收的物料首先通過(guò)破碎泵和液壓系統(tǒng)進(jìn)料，并在高速液體噴嘴中完成混合，然后在水解罐和產(chǎn)沼氣罐中完成厭氧消化。同時(shí)罐體中的氣體收集系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集富含氫氣的沼氣。該小試系統(tǒng)消化的底料為含有85%木質(zhì)素、纖維素及半纖維素的秸稈，經(jīng)小試系統(tǒng)處理后，固體減容率達(dá)到40%～60%，產(chǎn)沼氣率為0.4～0.5m3/kg VS。研究中還采用了其他底料，如餐廚垃圾、市政固廢有機(jī)成分、食品加工行業(yè)廢物及動(dòng)物糞便。在固體停留時(shí)間為12天的條件下，該系統(tǒng)對(duì)餐廚垃圾和園林垃圾的產(chǎn)沼氣率分別達(dá)到0.60m3/kgVS和0.44m3/kgVS[19]。

3 結(jié)論

（1）在批處理厭氧消化系統(tǒng)中，處理的物料一次性進(jìn)料，系統(tǒng)含固率為30%～40%。物料在干式條件下依次經(jīng)歷厭氧降解過(guò)程。反應(yīng)器底部收集的滲濾液，通過(guò)噴灑在物料之間由上至下循環(huán)，實(shí)現(xiàn)消化菌種與有機(jī)底料之間的混合。由于厭氧消化反應(yīng)分階段進(jìn)行，批處理系統(tǒng)中最佳的微生物環(huán)境處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，菌種與物料之間接觸是否充分，直接決定了批處理系統(tǒng)的生物轉(zhuǎn)化效率及處理物料的停留時(shí)間。

（2）由于批處理系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)在于產(chǎn)氣過(guò)程不均勻、微生物活動(dòng)不穩(wěn)定，因而影響了該工藝在有機(jī)固廢處理領(lǐng)域內(nèi)的推廣應(yīng)用。目前初步的實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果表明，批處理系統(tǒng)中存在復(fù)雜的微生物動(dòng)力學(xué)行為。改進(jìn)后的批處理工藝主要通過(guò)調(diào)整厭氧發(fā)酵滲濾液的循環(huán)方式，以提高產(chǎn)沼氣過(guò)程的穩(wěn)定性及產(chǎn)氣效率，這些系統(tǒng)包括序批式以及階段式的批處理系統(tǒng)。

（3）在我國(guó)，應(yīng)用批處理厭氧消化技術(shù)處理有機(jī)市政固廢目前處于起步階段，工藝尚不成熟，仍需完善。但是由于具有如設(shè)計(jì)及過(guò)程控制簡(jiǎn)單、處理功能強(qiáng)大且投資成本低等優(yōu)勢(shì)，使其受到發(fā)展中國(guó)家的廣泛關(guān)注，未來(lái)在我國(guó)將會(huì)有較廣闊的發(fā)展空間。

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On Anaerobic Digestion Technology of Organic Municipal Solid Waste Bath Treatment Abroad

ZHOU Jun-tao, BA Zhi-yong, ZHANG Ji-lin, WANG Jing-xian

X705

A

1006-5377（2015）03-0062-04