利用车库式干发酵技术处理易腐垃圾现状分析及发展潜力

孙子滟， 李 剑， 王祯欣， 钱名宇， 李叶青

(1. 中国石油大学(北京)新能源研究院, 生物燃气高值利用北京市重点实验室, 北京 102249； 2. 德国国际合作机构(GIZ), 北京 100000)

随着中国经济的发展和国民素质的提高，人民不再仅仅追求经济利益，而是更加注重资源节约和生态文明建设，希望建设成环境和谐的绿色经济型社会。传统化石燃料价格的上涨以及对可持续性发展问题的担忧，人们开始寻找可替代能源，其中生活垃圾中含有极高的水分和有机物，如果能将生活垃圾资源化利用，不仅解决了资源短缺问题而且保护了环境，所以近年来对生活垃圾的再利用受到了广泛的关注[1]。为了更好的利用生活垃圾，改善城乡环境，促进资源回收利用，我国发布了《生活垃圾分类制度实施方案》。《生活垃圾分类制度实施方案》于2017年3月18日经国务院同意，由国家发展改革委、住房城乡建设部贯彻执行[2]。方案要求将生活垃圾强制分类为有害垃圾、易腐垃圾、可回收物及其他垃圾，其中易腐垃圾指的是相关单位食堂、宾馆、饭店等产生的餐厨垃圾，农贸市场、农产品批发市场产生的蔬菜瓜果垃圾、腐肉、肉碎骨、蛋壳、畜禽产品内脏等。

易腐垃圾中含有大量易生物降解有机物，如果直接进入填埋场极易造成地下水及大气的二次污染，而直接进入焚烧厂不仅降低垃圾热值同时还增加了烟气处理的负担。目前我国生活垃圾分类制度尚处于起步阶段，居民对生活垃圾精细分类的意识还不强，所以易腐垃圾中依然含有大量的塑料、木竹、纤维等其他垃圾[3]。根据笔者对不同有机生活垃圾资源化利用技术比较，认为车库式干发酵技术是相对适合现阶段我国易腐垃圾处理处置要求的垃圾资源化利用技术。

干发酵通常指发酵原料中干物质含量在15%～35%，原料呈固态[4]。上个世纪五十年代起，国外就已经开始对干发酵技术进行了研究，例如BIOFERM，BEKON，SMARTFERM等公司，他们已经拥有成熟的技术并且已经开始商业化生产。而我国起步较晚，二十世纪八十年代才开始干发酵的研究，虽然取得一定的成绩，但是技术方面还是不够成熟，比如干发酵反应器和干发酵过程控制条件等方面[5]。另外，国外的技术虽然成熟，但主要是应用于农业领域，这并不符合我国国情，所以我们不仅要学习国外的技术，更要加强自主研发，找到适合我国国情的干发酵技术[6-7]。

当发酵原料中的干物料低于10%时称为湿法发酵技术。湿法发酵主要用于处理动物粪便以及泔水垃圾等，目前在我国技术已经比较成熟并广泛应用[8]。与湿法发酵技术相比，干发酵有许多优点：设备投资少、耗水量低、沼液生成量少等，大大地节省了能耗，激励我们要努力研究干发酵技术[9]。

车库式干发酵技术是处理城市垃圾废物和玉米秸秆有机物的合适方法[10]。车库式干发酵技术采用模块化批序式厌氧反应器，利用装载机械进出料，对进仓垃圾具有极大的适应性，由于仓内无活动机械搅拌装置，稳定性好、维护成本低；同时由于采用干式发酵技术，耗水量极低，同时也降低了厌氧所需能耗，基本无二次污水排放，发酵主要产品为清洁燃气和城市绿化土。车库式干发酵技术的主要弊端则在于项目占地较大，进料及出料过程有燃气损失，同时需要较高精度的自动化控制系统。

图1 宾县垃圾处理综合利用项目

1 我国车库式干发酵技术现状

1.1 宾县垃圾处理综合利用项目

本项目位于黑龙江省哈尔滨市宾县宾州镇新立村，由黑龙江龙能伟业燃气股份有限公司建设实施(见图1)。总投资4325.98万元，工程总占地33025 m2，其中：总建筑面积10897.80 m2，建筑物占地10731.48 m2，构筑物占121.50 m2，绿化面积12624 m2，本工程的容积率为0.33，建筑密度为32.50%，绿地率为38.2%。日处理生活垃圾160吨，日生产提纯天然气9278 m3[7]。

本项目自2011年开始建设，2013年竣工投产，实际垃圾处理量为120吨·天-1，项目基本采用国产化技术，由于垃圾处理补贴不到位，目前宾县项目处于半停产状态。后期龙能公司又在通河县及尚志市新建了车库式干发酵项目，主要处理生活垃圾，但是项目运行状况不佳。

1.2 北京覆膜槽沼气规模化干发酵中试项目

1.专用搅拌设备； 2.反应器槽体(加保温层)； 3.专用搅拌设备轨道； 4.柔性膜； 5.温室； 6.输气干管; 7.球阀; 8.输气支管； 9.储气柜; 10.沼气净化器; 11.沼气压送机; 12.止回阀; 13.专用搅拌设备的移槽机; 14.移槽机轨道图2 北京覆膜槽沼气规模化干发酵中试项目[7]

本项目位于北京市大兴区薛营村，由农业部规划设计研究院建设实施。工程总占地400 m2，包含2个10 m×6 m×1.5 m覆膜槽，容积产气率0.73 m3·m-3d-1。2007年4月～7月，主要处理牛粪及玉米秸秆，共运行5个批次，生产沼气1.1万m3，生产有机肥220吨(见图2)。

本项目自2007年中试投产后，获得相关运行数据，但是后期并未进行更多的产业化建设。

图3 南京多元废弃物车库式干发酵项目

1.3 南京多元废弃物车库式干发酵技术

本项目位于常熟市白卯村，由农业部南京农业机械化研究所建设实施(见图3)。工程总占地300 m3，建设2座10 m×4 m×3 m车库式发酵仓，总库容156 m3。处理规模：2012年投产，主要处理玉米秸秆，共运行2个批次。

本项目自2012年中试投产后，后期分别在宜兴及海门建设了沼气干发酵工程，可年处理秸秆8000多吨，年产沼气70万m3。

2 国外车库式干发酵技术现状

图4 BIOFERM干发酵技术流程及实况图[7]

图6 SMARTFERM干发酵技术流程及实况图

图7 AIKAN干发酵技术流程及实况图

图8 GICON干发酵技术流程及实况图

国外车库式干发酵技术操作流程基本一致，但是BIOFERM、BEKON、SMARTFERM均需要采用回混方式操作，主要产气装置位于发酵仓内；而AIKAN和GICON则采用的淋滤方式，主要产气装置位于接种罐内，所以相对而言后两者具备更短的固体物料滞留期(见图4～图8)。

目前就工程实践层面来分析，从2010年以后SMARTFERM新建项目为5座，主要集中在美国加州及加利福尼亚地区；BIFERM新建项目2座，主要集中在加拿大埃德蒙顿地区；GICON新建项目3座，分别位于德国、法国和加拿大；BEKON新建项目23座，主要分布于欧洲地区。项目处理规模从每年8000 t到60000 t，主要处理原理均为有机生活垃圾或者绿色垃圾，由此可见各类车库式干发酵企业中，目前市场份额最大的还是德国BEKON公司。

3 有机生活垃圾资源化利用方案

3.1 项目概述

针对我国生活垃圾分类制度和处理现状，笔者提出了一套有机生活垃圾资源化利用方案。本方案的关键点在于利用该工艺可以资源化处理中小县城所产生的易腐垃圾，这些区域往往不适合垃圾焚烧，所以采用此工艺可大大减少易腐垃圾直接进入填埋，保护了当地的大气土壤及地下水环境。

本项目总投资约1800～2000万元(考虑到南北温度差异，会有一些保温增温方面的造价差异)，占地面积为6000 m2，日处理规模为50 t有机生活垃圾(易腐垃圾)，产气量为5000 m3·d-1(甲烷含量60%)，发电装机功率为0.45 MW，热输出为0.35 MW，绿化土输出为16 t·d-1。

3.2 工艺流程

有机生活垃圾利用装载机械直接送入车库式发酵仓内，然后固定仓前挡板，关闭密封门，填充密封气囊，随后利用产甲烷反应器内沼液实现喷淋回流循环，发酵仓内物料滞留期为2～3周(具体根据沼气产量变化实际调整)，渗滤液经过回流后泵入产甲烷反应器，发酵产生的沼气经过净化后进入沼气热电联产机组，产生的电能及热能除部分自用外，其他可就近利用。发酵后产生的沼渣进入沼渣接收槽进行腐熟堆肥处理，可作为园林绿化土直接施用，亦可生产有机肥(见图9)。

图9 工艺流程图

3.3 平面布置

项目平面布置见图10。

3.4 主要建设内容

本项目主要建设内容包括400 m3垃圾接收车间，600 m3发酵仓6座，1200 m3产甲烷反应器1座，450 m3缓冲罐1座，50 m3配电室及泵房1座，配套沼气干燥、离心、过滤、脱硫、采暖、自控、热电联产及应急火炬系统。

3.5 成本及效益

本项目主要处理有机生活垃圾废弃物，没有原材料方面的指标消耗，主要运行成本为人工、电力、燃油。本项目定员10人，经计算，项目总设备日用电量约582 kWh，车辆燃油日消耗约475 kg，项目年运行成本约为183万元，折合吨运行成本约为100元(当规模增大到200吨时运行成本会降低至50元左右)。

项目建成后每年处理区域内有机生活垃圾1.8万吨，年产沼气182.5万m3，输出电能365万度，每年减排二氧化碳2924吨，节约标煤1173吨，每吨垃圾经济收益约200元。

4 结论及建议

我国生活垃圾成分复杂，主要特征是高厨余含量、高含水率以及较低热值，2016年我国生活垃圾年清运量超过2.15亿吨，按照目前我国的国民生活习惯，生活垃圾中的易腐垃圾高于50%[11]，每年超过1亿吨的易腐垃圾如果采用厌氧资源化处置，总产气潜能会超过7000万m3(甲烷含量60%)，这些将为我国改善能源结构及保障天然气能源安全提供良好的基础。

针对目前我国品质相对较低的易腐垃圾而言，车库式干发酵技术耗水极低，没有二次污染，同时可以生产清洁燃气，提高了项目的经济可持续性。但是目前车库式干发酵产生的沼渣(绿化土)输出有待完善，项目周边是否有足够的消纳空间决定了项目能否长期运行。

尽管在国外拥有车库式干发酵技术的企业很多，而且近年在欧洲也有很多工程实践，但是其有机生活垃圾处理原理基本一致。我国在车库式干发酵技术的研究和探索尚处于起步阶段，仅有的几项研究成果也无法实现产业化复制，主要还是受制于国家对垃圾焚烧技术的政策方向引导，随着十三五城市生活垃圾无害化处理及生活垃圾分类制度实施方案的出台，中国生活垃圾低碳化发展方向已经提上日程，如何有效利用车库式干发酵技术资源化处理易腐垃圾值得关注。