干式厌氧发酵技术在城市生活垃圾处理中的应用

黄旎诗

(西南交通大学，四川成都 610031)

随着城市化、经济发展和人口增长的加快，固体废物的生产和种类不断增加，造成了许多社会和环境问题。目前，中国每人每天产生0.9～1.2 kg垃圾，并以每年9 %的速度增长，产生量惊人，已成为破坏环境、危害公众身心健康的重要污染源。统计显示[1]，从2000～2014年，中国的生活垃圾清运量逐年增加。2014年，中国城市生活垃圾清运量达到1.786×108t，比2000年增加了约51 %。 目前城市生活垃圾主要构成有餐厨垃圾、玻璃、金属、纸张、织物、塑料等。 统计表明，灰分含量迅速下降，有机质含量迅速增加，玻璃“塑性含量”也呈上升趋势[2-4]。中国的厨余垃圾占城市垃圾的比例越来越大，大多数在37 %～62 %之间(表1)。CJJ / T65-2004《市容环境卫生术语标准》说明，厨房垃圾是指家庭生产的易腐垃圾，而易腐垃圾是指垃圾中容易腐烂和恶臭的物质。与其他垃圾相比，厨余垃圾的特点是营养丰富，可降解的有机物是厨余垃圾的主要成分。其中包括主食中所含的淀粉，蔬菜和植物的茎和叶中所含的纤维素和聚新戊酸，以及肉类食品中所含的蛋白质和脂肪；水果所含的单糖、果酸及果胶(多糖)等；无机盐中以NaCl含量最高，还含有少量钙、镁、钾和铁等元素。总的来说餐厨垃圾具有有机物含量高、脂肪含量高、盐含量高几个特点，它易于生物降解，具有很高的回收价值。厨余垃圾的高生物降解性使其成为厌氧消化的良好基质。而利用厌氧发酵技术处理餐厨垃圾由于其具有可能量回收及产物稳定等益处，已引起广泛关注。

表1 我国部分代表城市餐厨垃圾在城市生活垃圾的占比 %

1 厌氧发酵技术

1.1 餐厨垃圾资源化方式

目前，饲料加工技术是国内外厨余垃圾回收技术中应用最广泛的一种。然而，由于厨房垃圾含有大量动物残渣，如果消毒不完全，病毒很可能通过饲料传播。但是，现有的厨余垃圾饲料化技术存在缺陷，可能导致安全隐患。焚烧法也是常用的处理技术之一。将垃圾放在特制焚烧炉中用1 000 ℃以上高温将垃圾有机成分彻底氧化分解，可将固体减量50 %～80 %，焚烧产生的能量可以用来发电、供暖等。然而由于城市固体垃圾含水量高、成分复杂，传统焚烧将产生大量有害气体及粉尘，破坏生态环境，危害人类健康；同时焚烧场建设维护成本大，会造成资源严重浪费。此外，好氧堆肥通常也是回收厨余垃圾的方法之一。好氧堆肥是人工控制条件下稳定水分、碳氮比和通风条件的一个有机质稳定化过程[5]。好氧堆肥可利用好氧微生物对地面或专用发酵设施中的有机物进行生物降解，最终形成稳定的高肥力腐殖质。耐热降脂放菌、人畜粪便中包含的降解性微生物也常被添加进来与餐厨垃圾自然滋生的微生物共同参与好氧堆肥过程。然而，由于大面积和长时间的好氧堆肥，很容易对周围环境造成二次污染； 并且能耗较大、成本高，因此此项工艺在国内的发展尤其是土地资源稀缺的地区很受制约。沼气技术，也称为厌氧消化，利用自然界固有的厌氧细菌，包括产酸和产甲烷菌(尤其是产甲烷菌)。通过细菌的新陈代谢作用将餐厨垃圾中的能源物质和营养物质转化为沼气和沼肥的过程[6]。由于厌氧发酵技术相比于好氧堆肥及焚烧等餐厨垃圾资源化方式占地更少、投资更小等诸多优势，近年来越来越受到社会的广泛关注。

1.2 湿式厌氧发酵

湿式厌氧消化是指TS(总固体，指样品中干物质的含量)含量低于 10 %厌氧消化。湿式厌氧消化技术是第一种用于处理厨余垃圾的厌氧消化技术。在进行湿式厌氧消化过程中，先将进料的餐厨垃圾稀释到特定的浓度，因此在制备过程中需要大量新鲜水调配制浆。这样的目的一方面可以降低有机物浓度，另一方面也可以稀释抑制厌氧发酵进行的物质浓度，如氨氮、钠离子等。 湿式厌氧发酵技术目前技术较为成熟，应用比较广泛，但是依然存在多种弊端，如预处理困难、处理能力低，极易受到盐分、氨氮及有机物浓度过高的抑制[7-8]；同时由于湿式厌氧发酵制备过程会消耗大量新鲜水，因此其过程不仅会产生高能耗也产生大量难以处理的沼液，加大了整个处理过程的难度和费用。

1.3 干式厌氧发酵

干式厌氧发酵与湿式厌氧发酵相比，TS含量在20 %～30 %之间。干式厌氧发酵是在没有或几乎没有自由流动的水的情况下进行的沼气发酵的过程。是近年来国内外专家推荐研究的一种新生废物循环利用的方法。干式厌氧发酵比湿式厌氧发酵具有许多优点。

(1)由于干式厌氧发酵过程中不添加新鲜水进行调配，因此更加节约，同时产生的沼液量相比于湿式厌氧发酵明显较少，更经济且便于处理。

(2)由于干发酵 TS含量通常在20 %以上，能承受的负荷能力相比于湿法发酵更高，也使得其有机质浓度较高具有更高的容积产气率。

(3)发酵后产物几乎只有沼渣，可直接作为有机化肥用于农业生产，基本上可实现污染物的零排放；生产的沼气具有低硫含量和更高的质量。

(4)干法厌氧发酵操作和维护更简单，更方便，避免了湿法发酵过程中经常出现的浮渣和沉淀问题。 这些优势都促进了该工艺的推广和发展[9]。

2 干式厌氧发酵技术国内外研究现状

2.1 国内干式厌氧发酵技术研究情况

目前国内应用干式厌氧发酵技术处理餐厨垃的工程实例较少[10]，对其研究也多局限于实验室的中小型反应器。自国家“十一五”计划提出“沼气规模化干法厌氧发酵技术与装备研究”后，国内学者相继自行设计研究了多种干式厌氧发酵装置，其中包括韩捷教授设计开发的 MCT 附膜式干式发酵装置[11]，北京化工大学研究的“城市生活垃圾筒仓式干法厌氧生物制气设备研发与示范工程”，李道义等人[12]自主设计研究的连续卧式螺旋推流干式厌氧发酵装置，张无敌等[13]设计的一种结构简单且成本低廉的干发酵循环连续式沼气发酵的工艺，实现了干法连续发酵和均衡产气。“十二五”期间，国家对干式厌氧资源化无害化处理技术的相关研究更加重视起来，加大了对相关研究的投入。辽宁省能源研究所关于“北方城市生活垃圾干法厌氧消化及生物质燃气利用技术及示范”的研究，针对北方中小城市生活垃圾无害化与资源化率不高等缺点，开发了以餐厨垃圾为反应底物的干式发酵制生物燃气的集成技术，遵化市参考德国干式发酵技术设计了联合处理鸡粪和秸秆的干式厌氧发酵装置[14]。

2.2 国外干式厌氧发酵技术研究情况

美国及欧洲国家近年来对再生能源相关研究的持续关注，为干式厌氧发酵带来了良好的政策支撑。德国政府提出的“能源概念”指出，目标到2020年，可再生能源将占有德国总能源消耗的18 %，到2050年达到60 %。而干式厌氧消化是一种经济、环保的有机废物处理解决方案，将以沼气的形式回收能量，其中甲烷占比60 %[ 15 ]。欧盟可再生能源指令2009[ 16]指出，由城市有机固废再生的生物甲烷作压缩气体生物燃料时，可减少产生同等能源所用化石燃料制造的80 %的温室气体。这项优势远远领先于其他液体生物燃料[ 17 ]。国外也已经有很多成功将干式厌氧发酵技术应用于处理城市有机固废的工程案例。

(1)德国AWM公司成功利用干式厌氧发酵产生的生物气通过热电联产装置将其转化为电能和热，每年产生大约340×104kwh的电力，足以满足慕尼黑约1 300户家庭的用电年消费需求。

(2)1992年建成运行的比利时 Brecht 处理厂[18]，利用餐厨垃圾与庭院垃圾及不可回收的废纸进行联合干式厌氧发酵处理，达到年化处理垃圾12 000 t，吨垃圾沼气产生量为 105 m3，沼气浓度为 55 %。

(3)荷兰 Vagron 处理厂可通过水洗装置将生活垃圾中的沙、石子、陶瓷等无极垃圾清理出来，剩余有机部分通过脱水后调节其含水率至12 %，调节其温度至55 ℃，送至干发酵装置进行处理，发酵后物料用于堆肥生产高品质有机肥料，达到年垃圾处理量超250 000 t。

(4)奥地利 Wels 处理厂[19]设计投产的干式厌氧装置有机负荷达 6.0 kg/(m3·d)，通过高温方式进行厌氧发酵，可达到每吨垃圾产沼气量在87 ～137 m3之间，且其中甲烷含量达60 %～65 %。

(5)由韩国Geoen Tech公司与德国RethmannG公司联合开发的集装箱式干发酵装置反应过程的控制比较方便，对周边环境的影响较小，且杀菌效果良好。但由于此装置造价较高，且对土地面积需求较大，其发展应用受到了限制。

3 影响干式厌氧发酵的因素

3.1 温度

温度可以极大地影响参与厌氧反应的微生物细胞中酶的活性，因此干式厌氧发酵受温度的影响很大。 目前常见应用于工程实例的厌氧发酵通常采用中温 35 ℃左右和高温 55 ℃左右两种温度。李金平[20]发现高温发酵时间短于中温发酵。温度越高，产气高峰出现越早，发酵速率越高。这是由于干式厌氧发酵有机质固体浓度高，物质流动性差，当温度升高可促进发酵微生物与反应基质之间的接触概率，同时提供给发酵微生物足以满足自身生长繁殖的营养物质，由此促使产气率进一步提高。但也有例外的情况，如Abouelenien F[21]就发现某些基质在高温下的反应不如中温时彻底，Abouelenien F在研究温度对鸡粪的干式厌氧反应时，结果显示中温产气率远远高于其它温度。

3.2 pH值

pH 对厌氧消化反应稳定性很重要，由于产甲烷菌对pH值十分敏感，所以pH值的变化能够直观地体现反应过程中产气环境的好坏。陈兴春等人[22]设计了热碱预处理-半连续式干式厌氧发酵污泥处理工艺，研究了在偏中性( pH= 6.5)和碱性( pH= 10.0)条件下发酵反应的变化，研究发现偏中性环境时产酸更稳定，且产气量更高。在碱性环境中乙酸产量更高。而溶解性蛋白质、溶解性多糖、氮和磷在两种条件下的的释放无较大差异。

3.3 反应底物的碳氮比

高浓度有机物在进行干式厌氧发酵的过程中，碳氮比过高会降低反应系统的抗冲击性，使得不饱和脂肪酸在反应过程中不断累积，促使反应器中反应环境不断酸化失稳。而同时过低的碳氮比在厌氧消化过程中，会造成消化过程中氨氮不断累积，过高的氨氮浓度对产甲烷菌的活性抑制效果也十分明显，最终导致反应处于低产气量状态或者不产气状态。由此可见适宜且恒定的碳氮比对反应的稳定至关重要，大量实验表明厌氧消化适宜的碳氮比在25∶1左右最为适宜。

3.4 搅拌

由于干式厌氧发酵没有或几乎没有流动水，搅拌可使发酵底物与微生物接触更加充分，有利于系统的微生物菌群和酶物质充分拌合和利用，提高酶利用率和传质效果，避免反应过程中局部酸化。Cubas和Rodrigues[23，24]研究发现搅拌可以使微生物均匀地分布于反应器中，并可以极大地提升反应过程中的COD去除率。但是不当的搅拌也会对反应过程有不利的影响作用，破坏形成甲烷化的中心环境，抑制甲烷化中心的形成。然而，由于工程实例中干式厌氧发酵反应器体积大，添加搅拌系统将显著增加反应器的构建和维护成本。由此工业中是否引入搅拌系统应根据具体情况进行分析。

3.5 微量元素

干式厌氧发酵在运行过程中常难以持续维持稳定运行，而添加一定量的微量元素有助于提高其稳定性及产气率。Zhang 等[25]研究了猪粪与餐厨垃圾联合消化的产气性能和稳定性时发现联合发酵的效果明显优于餐厨垃圾单独发酵，结果表明这是由于猪粪中的微量元素Fe、Co、Ni、Mo 等促进了产甲烷过程。由于微生物生长繁殖都需要微量元素，如元素 Fe 和 Co 是产乙酸菌一氧化碳脱氢酶( CODH)的辅因子，元素 Ni 对产甲烷菌辅酶 F43不可代替。Kayhanian 等[26]在研究城市固体垃圾发酵时加入了微量元素结果表明不仅产气量增加了30 %，而且反应稳定性也大幅提高。

4 展望

中国城市每年生产不少于6 000×104t吨的厨余垃圾。传统的厨余垃圾处理技术不仅无法实现厨余资源的利用，还给地方财政带来沉重的负担。据沈超青分析，广州利用焚烧和填埋方式处理厨余垃圾的年收入分别为-2 538万元和-1 465万元。 我国目前能源短缺，中央政府持续推进低碳经济和循环经济的发展，干式厌氧发酵在对固体有机垃圾资源化利用上有别的处理方式没有的优势，它具有很大的潜在研究空间，符合可持续发展和循环经济的发展方向。 目前，我国对干法厌氧发酵技术的研究起步较晚，应用实例较少，特别是对干式发酵有机负荷、启动慢、易不稳定的研究，需在这些方面加大投入以期为干式厌氧发酵技术在中国餐厨垃圾资源化的处理中发挥最大作用。