国外有机市政固废批处理厌氧消化工艺介绍

周俊涛，巴智勇，张继琳，王敬贤

（北京京城环保股份有限公司，北京 100027）

国外有机市政固废批处理厌氧消化工艺介绍

周俊涛，巴智勇，张继琳，王敬贤

（北京京城环保股份有限公司，北京 100027）

批处理厌氧消化工艺是厌氧处理技术的一种，其通过序批式进料、连续式操作的设计，可简化物料的预处理工序和厌氧发酵过程控制，从而达到降低投资成本及运营费用的目的，使其相对其他固废厌氧处理技术形成优势。调整厌氧渗滤液回收循环方式及批处理反应器的数量，可形成一系列改进后的批处理工艺，包括序批式和阶段式的批处理系统。有机市政固废经厌氧消化后，不仅可以减量化及稳定化，而且还可以获取能源及回收有用物质。文章对目前国外主要的有机固废批处理厌氧消化工艺进行了分析，并针对国内的固废特征给出了建议。

有机市政固废；餐厨垃圾；批处理厌氧消化；厌氧工艺

1 前言

有机市政固废是指市政固废中易生物降解的有机成分，主要包括餐厨垃圾、园林垃圾、市政污泥及动物粪便等，一般具有含水率高、易腐败等特点[1]。目前，国内针对有机市政固废的处理方法主要有好氧堆肥、焚烧或填埋等，但这些方法均存在各种不足，研究人员开始注意应用厌氧消化工艺来处理有机固废[2]。厌氧消化技术广泛应用于污水处理领域，工艺成熟可靠，在欧洲应用于固废处理领域也有数十年的经验积累，但在国内尚处于起步阶段[3]。采用厌氧工艺处理有机固废，在有机质得到稳定化和减量化的同时，还能获取能源和回收有用物质，如沼气、土壤肥料等[4]。为适应不同来源、不同性状的有机固废，研究人员开发了一系列的厌氧工艺，如一级干式及湿式厌氧工艺、二级厌氧消化工艺以及批处理厌氧技术[5]。其中，批处理厌氧工艺由于其投资成本低、过程控制简单，未来具有广泛的应用前景。

批处理厌氧系统中，消化反应器一次性进料，可以选择接种或不接种消化菌，在含固率为30%～40%的干式条件下经历厌氧消化反应。批处理反应器具有以下两个特征：1）渗滤液持续循环，起到类似于搅拌扩散菌种、营养物质和有机酸的作用；2）操作温度高于填埋场的反应温度。这两个特征使得批处理厌氧反应器的产气率比填埋场要高50～100倍[6]。但是，批处理厌氧工艺的产气率比持续进料一级干式厌氧系统要低40%[7]，这是由于渗滤液在物料中沿固定路线流动，使其扩散不均匀、与物料接触不充分，从而影响了有机物质的分解和转化。为提高批处理系统对有机固废的处理效率和稳定性，研究人员通过调整反应器数量及物料渗滤液循环方式，开发出了一系列不同的批处理厌氧工艺。

目前，批处理工艺主要有以下三种类型[8]：1）单级批处理系统：将渗滤液在相同的反应器中进行循环；2）序批式批处理系统：由两个或多个反应器组成，第一个反应器中含有高浓度有机酸的渗滤液，再循环到产甲烷的第二个反应器中，而产甲烷反应器的渗滤液，含有少量或不含有机酸，与pH缓冲剂混合后再循环到第一个反应器中，这种设计可以确保两个反应器之间消化菌的交流，避免了对新物料的接种；3）混合批处理-UASB工艺：非常类似于设计有两个反应器的两级厌氧工艺，区别在于其第一个反应器是简单的批处理反应器。这三种批处理工艺渗滤液的循环模式如图1所示。

图1 不同批处理反应器渗滤液循环模式

与其他厌氧技术相比，批处理工艺设计简单，造价较低，功能更加强大。但需要注意的是，与持续进料干式厌氧消化系统相比，批处理反应器的高度是其1/5，有机负荷率是其1/2，这样每处理1吨市政固废，批处理反应器需要的占地面积是持续进料干式系统的10倍[9]。两者的操作运营费用则相当[10]。批处理系统的优点与缺点如下表所示。

批处理系统的优缺点一览表

2 批处理厌氧消化工艺介绍

2.1 Biocel系统

Biocel工艺的开发，是作为高含固率市政固废厌氧消化早期研究的一部分，于二十世纪八九十年代由荷兰Wageningen大学完成。系统研究的最初目标是：通过简化物料预处理工序，消除混合需要来降低成本，同时取得相对较高的有机负荷率和生物转化率。试验进行得很成功，于是研究人员建立了一个容量为5m3的小试反应器，深入研究系统的启动、加热和渗滤液循环。在1997年，荷兰建立了一个全规模的、年处理源头分类有机市政固废5.5万吨的Biocel处理厂， 主体工艺为Biocel厌氧系统及后处理好氧稳定床[11]。

全规模Biocel系统由14个720m3的滤床反应器组成，每个反应器进料容量480m3，物料堆高4m以防止过分压缩。反应器内温度维持在35℃～40℃，同时渗滤液不断淋洒到物料堆上。消化器的停留时间为21天，用作后处理的好氧床停留时间为1～3周。在打开反应器仓门进料和卸料时，真空系统会抽出堆料顶层的氧气，同时防止臭味散逸。运入的市政固废不需任何破碎和筛选等预处理操作，完全人工分选、人工进料。经Biocel系统处理后，1.1t的市政固废能产生70kg沼气、120kg水蒸汽、500kg堆肥以及230kg废水。

虽然批处理系统简化了对物料的预处理，但同时也失去了对生物过程的控制。系统是一次性进料，其内部状态会随着微生物群落的转移而变化，因为微生物会消耗物料，产生中间代谢产物。当有机高分子水解酸化产生有机酸，系统内的pH值会急剧下降，这时系统就会进入停滞状态。如果pH值下降过于剧烈，产甲烷过程也就会中止。最初的实验室和小试研究采取了一系列手段来减轻这种效应，这些方法包括将进料与前一批次的消化液混合，使用好氧预处理方法、添加缓冲剂、改变接种频率以及调整渗滤液循环速率等。小试研究达到的最高有机负荷率为7kgVS/m3·d，已接近高含固率持续进料消化器，但在实际运行的全规模处理厂中，平均有机负荷率为3.6kgVS/m3·d，只相当于低含固率持续进料消化器[12]。

Biocel系统另一个优点在于低耗水量。但在实验室小试研究中发现，当物料的含固率超过35%时，很难产生渗滤液，产甲烷过程会因为微生物与物料缺乏接触而受到抑制。另外，当物料含固率过高时，加热也很困难。

2.2 SEBAC系统

SEBAC（Sequential Batch Anaerobic Composting，序批式厌氧堆肥）工艺，于二十世纪九十年代由佛罗里达大学开发，其研发目的与Biocel系统相似，即简化物料预处理工序，提高厌氧处理效率。SEBAC系统由两到三个序批式渗滤床反应器组成，反应器中渗滤液在物料中由上到下渗淋并循环，与Biocel系统不同的是，SEBAC消化器按序批式操作，使渗滤液可以在各反应器之间进行转移[13]，其工艺示意图如图2所示。

图2 SEBAC工艺示意图

市政固废中的有机成分经预处理后被破碎成为10cm以下粒径的颗粒，并进入到批式反应器中。来自于腐熟物料反应器的渗滤液淋洒到新料上，并循环回收喷洒到堆料顶部，直到产甲烷过程稳定化。此时反应器进入内部循环状态，产甲烷过程随着批料腐熟而放慢。在理论上，这种设计使得腐熟物料反应器可以接触有机酸和活性产甲烷菌群，而新料则可以接触到来自熟料反应器的活性微生物；而在实际中，渗滤动力学行为尚未得到透彻的研究，所以系统很难得到有效控制[14]。

实验室研究中，当进料为纯餐厨垃圾时，SEBAC工艺很难启动起来，需要填充剂来防止物料过分紧密，从而使渗滤液可以在堆料中流动。但即使SEBAC工艺顺利启动，在进料50～60天后仍不能达到最高的产气率。最初的小试研究表明，停留时间为21天和42天时，甲烷的产量分别为0.16m3CH4/kgVS和0.19m3CH4/kgVS，远低于处理市政固废有机成分的持续进料高温消化器的甲烷产量[15]。

目前全规模的SEBAC系统尚未投入工程实践，对该系统的研究一直还在进行中。

2.3 APS消化工艺

APS（Anaerobic Phased Solids，厌氧阶段化固体）消化工艺，将批式进料与持续操作结合到一个生物系统中。固体消化按批处理操作，但沼气产生过程则连续进行，这种设计使得进料和出料不会破坏微生物的厌氧环境。APS消化罐内使用水力搅拌系统，而没有使用移动或机械设备，使得维护费降低，而系统的可靠性得到提高。

APS系统通常由数个水解罐（一般是4个）和一个产沼气反应罐组成，构成一个封闭的循环系统，其工艺流程图如图3所示。水解罐按批式或半批式处理有机废物，每个水解罐的容量根据特定需求和进料特征而定，一旦进料，就会注水并密封一段时间[16]。

图3 APS工艺流程图

固体消化在水解反应器中进行，其反应器底部安装有过滤器，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小时在顶部进行喷射和传播，并在水解罐和产沼气罐之间间歇性循环，向产甲烷菌提供有机酸。水解反应器按不同批次操作，这样就可以使产沼气的反应器维持一个稳定的有机负荷率，使产沼气过程更加稳定。产沼气反应器内含有高浓度的微生物菌群，可达到很高的生物转化效率。该系统产生出中等品质的沼气，含有55%～65%的CH4，以及35%～45%的CO2。从所有反应器中将产生的沼气收集后，通过管道输送可进行热电联产[17]。

APS消化器在57℃高温下操作，达到了较高的固体转化率。水解反应器中的固体停留时间在3～14天，随固体的分解速率而定。例如，餐厨垃圾通常会很快分解，所以停留时间为3～5天，而秸秆之类的农作物残余由于分解很慢，所以需要14天的停留时间。

来自水解反应器的残余消化固体先进行脱水，经进一步处理后，可形成高质量的土壤添加剂和其他农产品。当水解罐中进料达到设计停留时间后，就会清空，剩余的未完全消化的物料或以固体形式（沼渣）存在，或溶解在流出液中，两种产物都可用作土壤肥料[18]。

加州大学戴维斯分校建立了一个APS消化系统的小试技术验证点，每天能处理1～2吨干有机物质。该系统由5个38m3的垂直钢制圆柱罐体组成，其中4个水解罐带有加热夹套以加热消化液，1个产沼气罐通过与天然气/沼气两用锅炉进行热交换而加热，整套系统可选择在高温或中温下运行。接收的物料首先通过破碎泵和液压系统进料，并在高速液体喷嘴中完成混合，然后在水解罐和产沼气罐中完成厌氧消化。同时罐体中的气体收集系统负责收集富含氢气的沼气。该小试系统消化的底料为含有85%木质素、纤维素及半纤维素的秸秆，经小试系统处理后，固体减容率达到40%～60%，产沼气率为0.4～0.5m3/kg VS。研究中还采用了其他底料，如餐厨垃圾、市政固废有机成分、食品加工行业废物及动物粪便。在固体停留时间为12天的条件下，该系统对餐厨垃圾和园林垃圾的产沼气率分别达到0.60m3/kgVS和0.44m3/kgVS[19]。

3 结论

（1）在批处理厌氧消化系统中，处理的物料一次性进料，系统含固率为30%～40%。物料在干式条件下依次经历厌氧降解过程。反应器底部收集的渗滤液，通过喷洒在物料之间由上至下循环，实现消化菌种与有机底料之间的混合。由于厌氧消化反应分阶段进行，批处理系统中最佳的微生物环境处于动态变化过程，菌种与物料之间接触是否充分，直接决定了批处理系统的生物转化效率及处理物料的停留时间。

（2）由于批处理系统的主要缺点在于产气过程不均匀、微生物活动不稳定，因而影响了该工艺在有机固废处理领域内的推广应用。目前初步的实验室研究结果表明，批处理系统中存在复杂的微生物动力学行为。改进后的批处理工艺主要通过调整厌氧发酵渗滤液的循环方式，以提高产沼气过程的稳定性及产气效率，这些系统包括序批式以及阶段式的批处理系统。

（3）在我国，应用批处理厌氧消化技术处理有机市政固废目前处于起步阶段，工艺尚不成熟，仍需完善。但是由于具有如设计及过程控制简单、处理功能强大且投资成本低等优势，使其受到发展中国家的广泛关注，未来在我国将会有较广阔的发展空间。

[1] 张爱军，陈洪章，李佐虎.有机固体废物固态厌氧消化处理的研究现状与进 展[J].环境科学研究，2002，15（5）：52-54.

[2] 李 东，孙永明，张 宇，等.城市生活垃圾厌氧消化处理技术的应用研究进 展[J].生物质化学工程，2008，42（4）.

[3] 张记市，张雷，王华.城市有机生活垃圾厌氧发酵处理研究[J].生态环境，2005，14（3）：321-324.

[4] Vandevivere P.New and broader applications of anaerobic digestion[J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology，1999，29（2）：151-173.

[5] Juanga，J.P.，C.Visvanathan，J.Trankler. Optimization of anaerobic digestion of municipal solid waste in combined process and sequential staging[J]. Waste Management & Research，2007，25（1）：30-38.

[6] Brummeler-Ten，I.W. Koster. Enhancement of dry anaerobic batch digestion of the organic fraction of municipal solid-waste by an aerobic pretreatment step[J]. Biological Wastes，1990，31（3）：199-210.

[7] Saint-Joly C，Desbois S，Lotti J. Determinant impact of waste collection and composition on anaerobic digestion performance：industrial results[J]. Water science and technology，2000，41（3）：291-297.

[8] Mata-Alvarez J，Mace S，Llabres P.Anaerobic digestion of organic solid wastes. An overview of research achievements and perspectives[J].Bioresource technology， 2000，74（1）：3-16.

[9] Braber K. Anaerobic digestion of municipal solid waste：a modern waste disposal option on the verge of breakthrough[J]. Biomass and bioenergy，1995，9（1）：365-376.

[10] Yu H W，Samani Z，Hanson A，et al. Energy recovery from grass using two-phase anaerobic digestion[J].Waste Management，2002，22（1）：1-5.

[11] Ten Brummeler E，Aarnink M M J，Koster I W. Dry anaerobic digestion of solid organic waste in a biocel reactor at pilot-plant scale[J].Water Science & Technology，1992，25（7）：301-310.

[12] Ten Brummeler E. Full scale experience with the BIOCEL process[J].Water Science and Technology，2000，41（3）：299-304.

[13] Chynoweth D P，Owens J，O’Keefe D，et al.Sequential batch anaerobic composting of the organic fraction of municipal solid waste[J].Water Science & Technology， 1992，25（7）：327-339.

[14] Forster-Carneiro T，Fernández L A，Pérez M，et al.Optimization of SEBAC start up phase of municipal solid waste anaerobic digestion[J].Chemical and biochemical engineering quarterly，2004，18（4）：429-439.

[15] Forster-Carneiro T，Perez M，Romero L I.Composting potential of different inoculum sources in the modified SEBAC system treatment of municipal solid wastes[J].Bioresource technology，2007，98（17）：3354-3366.

[16] Zhu B，Zhang R，Gikas P，et al. Biogas production from municipal solid wastes using an integrated rotary drum and anaerobic-phased solids digester system[J].Bioresource Technology，2010，101（16）：6374-6380.

[17] Zhang R，Zhang Z.Biogasification of rice straw with an anaerobic-phased solids digester system[J].Bioresource Technology，1999，68（3）：235-245.

[18] Zhang R H，Zhang Z Q. Anaerobic digestion of vegetable waste with an Anaerobic Phased Solids Digester system[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2002，18（5）：134-139.

[19] Hartman K.An APS-Digester for the treatment of organic solid waste and power generation：UC Davis Digester Design[J].Biological and Agricultural Engineering，2004：54.

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