易腐垃圾干法厌氧沼气工程工艺运行分析

邓 伟， 刘军晓， 黄伟钊， 张立凯

(厦门市联谊吉源环保工程有限公司, 福建 厦门 361000)

易腐垃圾干法厌氧沼气工程工艺运行分析

邓 伟， 刘军晓， 黄伟钊， 张立凯

(厦门市联谊吉源环保工程有限公司, 福建 厦门 361000)

文章对近1年来厦门市生活垃圾分类处理厂厌氧沼气工程的工艺、生产运行状况进行了分析和汇总，结果表明：水平推流式干法厌氧发酵工艺适合易腐垃圾厌氧消化和沼气生产。该型发酵工艺进料适应性广，易腐垃圾TS 20%～53%，VS 40%～70%均可正常进料；运行固含量20%～28%，运行有机负荷率(OLR)达到12 kgVS·m-3d-1；平均容积甲烷产率约3.2 Nm3·m-3d-1，有机质降解率(ηvs)60%～70%，有机干物质甲烷产率平均约300 Nm3·t-1。确定了易腐垃圾在pH值7.5～8.3，VOA/TAC 0.4～0.6，乙酸含量100～1500 ppm条件下，工艺运行稳定、甲烷产率高。

厌氧消化； 易腐垃圾； 有机负荷率； 容积产气率

随着人民生活水平的提高和城镇化发展进程的加快，我国城镇生活垃圾产生量增长迅速，其中填埋和焚烧是最主要处理方式：2014年我国生活垃圾清运量高达1.79×108t，其中填埋和焚烧量分别占总清运量的60.16%和29.84%。然而[1]，混合清运的生活垃圾中易腐性成分含量高(50～70%)、含水高、热值低等特点[2-3]。一方面易腐垃圾直接填埋或焚烧对大气、土壤、水体环境存在严重污染隐患并危害人体健康，另一方面易腐垃圾厌氧发酵产沼气可以生产清洁能源，发酵残渣可开发肥料，实现物质、能量循环并减少填埋和焚烧量。[3-6]欧洲在1999年就颁布了垃圾填埋导则、英国颁布填埋限额交易法案和填埋税、德国从2005年6月要求填埋处理物中的总有机碳(TOC)低于5%，对易腐垃圾直接填埋进行限制或禁止，并鼓励对其单独处理和回收能源。[7-9]我国也在2016年5月颁发《垃圾强制分类制度方案》征求意见稿，确定2020年生活垃圾回收利用率达到35%以上。[10]易腐垃圾厌氧消化产沼气处理将是实现该目标的主要措施之一。

在我国易腐垃圾厌氧发酵性能已充分研究，但由于我国垃圾成分及收运体系的特殊性，相关成果仅限于实验室级别，工业化稳定运行案例报道较少。厦门市生活垃圾分类处理厂(以下简称“分类处理厂”)采用水平推流式高温干法厌氧消化工艺处理易腐垃圾，从2013年5月调试后平稳运行至今。文章对2015年7月至2016年7月间的工艺运行状况进行汇总，建立易腐垃圾厌氧处理的工业化运行参数，为构建适宜我国易腐垃圾特性的厌氧处理工艺提供参考；同时响应国家《垃圾强制分类制度方案》，为建立与分类衔接的垃圾终端处理设施提供支持。

1 易腐垃圾处理工艺

1.1 项目工程简介

分类处理厂是由厦门市联谊吉源环保工程有限公司以特许经营形式投资建设和运营，项目总投资约2.1亿元(图1)。采用“分选+厌氧产沼热电联产+沼渣堆肥”的组合式处理工艺，对厦门市城镇生活垃圾进行可回收物分拣回收、易腐垃圾厌氧发酵产沼气、沼气热电联产、沼渣生物干化堆肥。生活垃圾处理能力为500 t·d-1，易腐垃圾厌氧发酵处理能力200 t·d-1。从2015年2月成功并网至今日均发电量约2.4×104kW·h-1d-1；厌氧发酵系统日电耗约1.5×103kW·h-1d-1；发酵罐及泥饼干化热耗4.3×104MJ·d-1，其热量全部来自沼气发电机余热利用系统；累计减排达到9×104t CO2e。

易腐垃圾处理采用水平推流式高温干法厌氧发酵工艺进行厌氧发酵和沼气生产，工艺流程和装置见图2和图3。单套装置容积约2000 m3，处理能力100 t·d-1。采用单级、高温、高含固率、连续运行的生产方式，由进料螺旋将分选后易腐垃圾向发酵装置进料，在50℃～55℃运行温度和机械搅拌配合下、经20～30天稳定消化，易腐垃圾实现快速、充分发酵。发酵后残渣被输入脱水系统固液分离，固相生物干化生产营养土、沼液开发液肥供园林绿化；沼气经脱硫、除尘、除湿后CHP发电和余热回收。

图1 厦门市生活垃圾分类处理厂厌氧发酵工程现场照片

图2 分类处理厂整体工艺流程图

图3 水平推流式高温干法厌氧消化装置

1.2 监测参数与分析方法

为了分析和评估厌氧发酵系统的运行状况，对包括预处理后易腐垃圾固含量(TS),挥发性固含量(VS);发酵物的固含量(TS)，挥发性固含量(VS)，pH值，挥发性有机酸(VOA)/总无机碳(TAC)；沼气产量及甲烷含量进行了监测，详见表1。

表1 检测项目、测试方法、设备及生产厂家表

2 工艺运行状况及分析

2.1 易腐垃圾性质

分类处理厂的进场原料以混合收运的厦门市生活垃圾为主，包含试点小区的分类的厨余垃圾，采用滚筒筛分，磁选，X-光选和重力分选等分选设备，筛选易腐垃圾厌氧发酵。图4为近年来分选后易腐垃圾成分，TS含量20%～53%，平均约36%；VS含量则45%～70%，平均约60%。易腐垃圾中除有机质外，还有砂石、玻璃、塑料等无法生物降解的部分，其质量约占易腐垃圾干重的30%～50%。

图4 预处理后厌氧易腐垃圾进料成分表

2.2 厌氧发酵装置运行物料流、固含量、温度

在生产过程中，易腐垃圾由进料螺旋输送机直接向厌氧装置进料，在实际生产中无需制浆除杂等复杂处理工序，对于易腐垃圾进料固含量20%～53%范围内均运行正常(见图3)，适应性强。

厌氧发酵装置内发酵物料运行固含量在20%～28%之间(见图5)，无需加水或回流调浆即可满足工艺运行要求。较高的运行固含量粘度高配合机械搅拌，使得硬杂质、轻质杂质和易腐垃圾在发酵装置内均匀混合，有效避免了其他发酵工艺易出现的硬杂质沉淀所致的管道堵塞和轻质杂质上浮所致的漂浮层结壳等运行问题。在生产运行中，硬、轻质杂质含量(干基)30%～50%条件下，该厌氧发酵装置仍可持续稳定运行，未出现管道堵塞及漂浮层等问题。由此可见该型发酵装置对杂质容忍度高，非常适宜现阶段我国易腐垃圾杂质含量高的现状。

在推流式干法厌氧发酵工艺条件下，易腐垃圾从进料侧向出料侧缓慢移动，新旧物料无混合，可实现稳定的水力停留时间(20～30天)，确保易腐垃圾被充分降解。此型工艺还有效避免了其他发酵方式中因进料短路所致的出料中混有新鲜进料的问题。

干法厌氧发酵无需添加外源水，沼液沼渣量相对较小。在实际生产中易腐垃圾100 t·d-1进料规模，厌氧发酵后腐熟残渣经一级挤压脱水固液分离后，生产沼液约50 m3·d-1，折合吨易腐垃圾进料沼液产生量0.5 m3；脱水泥饼约35 t·d-1，经生物干化后所得稳定的干沼渣低于25 t·d-1，占厌氧发酵进料重量的25%左右。从占进料重量比上接近原生垃圾焚烧处理所产生的炉渣和飞灰量占垃圾质量20%～30%[12]，但沼渣还可以进一步生产营养土，其剩余残渣量低。

图5 分类处理厂厌氧发酵系统运行温度及运行含固率趋势图

厌氧发酵装置利用沼气热电联产所产热能、通过罐体壁内预埋的加热盘管在PID控制下，按照发酵用热需求进行精确供热，为厌氧发酵的稳定、高效运行提供了可靠的基础。在实际生产中的发酵罐内物料运行温度稳定在50℃～55℃区间内(见图5)。

2.3 厌氧发酵系统工艺运行参数及分析

近一年来厌氧反应器内发酵物酸碱度总体平稳，平均运行 pH值为7.9(最高8.4，最低7.6)，未出现酸性运行状况。在全部运行期间进料侧发酵物料pH值在整体上较出料侧低0.1，反应出该型厌氧发酵系统内发酵物料酸度呈进料侧低、出料侧高的梯度分布。

挥发性有机酸VOA和总无机碳 TAC 比值是监测沼气厌氧发酵过程简便方法，用于发现早期工艺运行问题。[13]由图7可见实际运行中VOA/TAC维持0.4～0.6的区间(平均～0.48)。和pH值在厌氧发酵系统内的变化趋势相反，VOA/TAC在进料侧高、出料侧较低的梯度分布。

图6 分类处理厂厌氧发酵物pH值变化趋势图

图7 分类处理厂厌氧发酵物VOA/TAC值变化趋势图

乙酸和丙酸是沼气代谢中重要中间产物，对厌氧发酵具有重要的指标意义。近一年来乙酸含量100～1500 ppm之间，丙酸含量相比乙酸含量变化相对较小。稳定在50 ppm～700 ppm之间。

图8 分类处理厂厌氧发酵物乙酸、丙酸含量变化趋势图

pH值和VOA/TAC从进料端到出料端呈现明显的梯度分布，表明由于进料端新进物料增加有机负荷导致pH值降低和VOA/TAC升高，随着易腐垃圾缓慢向出料侧移动被逐渐的充分降解，出现pH值逐步升高和VOA/TAC的下降。说明易腐成分含量也沿进料向出料梯度降低。这样可避免因前端物料异常迅速影响其他区域而导致发酵工艺整体失败，具有较强的缓冲能力、为工艺生产的调整和恢复提供了充分的时间。

2.4 厌氧发酵装置和产甲烷性能运行评价

从2015年7月至2016年7月，厌氧发酵系统易腐垃圾累计处理量约3.5×104t，累积沼气产气量超过4.0×106Nm3；甲烷含量稳定在57%～63%区间内；进料有机干物质平均甲烷产量约300 Nm3·t-1。

图9 分类处理厂有机干物质甲烷产气率及甲烷含量变化趋势图

甲烷生产状况整体运行稳定(见图9)。

有机负荷(OLR)是每立方的有效罐容每天可以投加的挥发性固体量，是厌氧发酵系统关键的运行参数、代表甲烷日产量和反应器容积的比例的容积产气率(P(CH4))是沼气工程的效率指标、和体现底物转化能力的降解率(ηvs)一起作为沼气工程重要的绩效评价参数。[13]在实际生产中该型厌氧发酵装置运行OLR范围为 8～12 kgVS·m-3d-1，平均10 kg VS·m-3d-1，P(CH4)为3.2 Nm3·m-3d-1，ηvs达到64.8%。高于其他发酵方式的OLR(1.5～2.5 kg VS·m-3d-1)和P(CH4)(0.3～0.37 Nm3·m-3d-1)[14]。较高的有机负荷和容积产气率意味着更小的发酵罐可以处理相对更多的有机负荷和获得更好的沼气产量。

3 结论

推流式干法厌氧发酵工艺具有预处理工艺要求低、物料适应性强、发酵物罐内无短路、物料降解充分腐熟好、高容积负载和高容积产气等特点。在分类处理厂近两年来生产运行表明： 1)采用水平推流式高温干法厌氧发酵工艺处理易腐垃圾在工艺技术上是可行的； 2)厦门市生活垃圾分类处理厂已经建立一套稳定、可靠的易腐垃圾厌氧产沼气工艺、生产体系； 3)该厌氧发酵系统对物料适应性强，适宜现阶段我国易腐垃圾杂质含量高的现状； 4)易腐垃圾进料和发酵无需加水调浆、发酵后沼液(污水)产量小； 5)厌氧发酵生产运行稳定，工艺缓冲能力强，分析参数指示性能好，为生产工艺调整留下充分时间； 6)容积产气率高、降解好，甲烷产量高； 7)有机负荷高，处理等量易腐垃圾所需罐体小、投资省； 8)易腐垃圾发酵残渣经后处理后，产生的稳定后惰性残渣量小，减量效果明显。

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TheProcessAnalysisofDryAnaerobicEngineeringTreatingBiodegradableUrbanWaste/

DENGWei，LIUJun-xiao，HUANGWei-zhao，ZHANGLi-kai/

(WasteXiamenAssociatedLuckyspringEnvironmentalEngineeringCoLtd，Xiamen361000,China)

The performance of dry digestion system treating biodegradable urban waste in Urban Waste Treatment Plant of Xiamen was summarized and analyzed in this paper. The digestion tank was horizontal type with plug-flow characteristics. The result showed that the system could input feedstock with TS content of 20%～ 53%.And under TS content of 20%～ 28%, the organic loading rate (OLR) reached 12 kgVS·m-3d-1, the average volumetric biogas production rateP(CH4) was 3.2 Nm3·m-3d-1; organic degradation rate(ηvs) were 60%～70%, and the average methane yield reached 300 Nm3·t-1of dry matter. The evaluation indicators for proper operation were established with pH value of 7.5～8.3, VOA/TAC of 0.4～0.6, and the acetic acid content of 100～1500 ppm.

anaerobic digestion； biodegradable waste； the organic loading rate and volumetric gas production rate

2016-08-31

2016-10-21

邓 伟(1983-),男,河南固始人,工程师,主要从事城市生活垃圾机械及生物处理的工艺设计及现场运行管理工作，E-mail: momo6016@126.com

S216.4

B

1000-1166(2017)04-0079-05