餐厨垃圾的干式厌氧消化处理技术初探
餐厨垃圾的干式厌氧消化处理技术初探
华南农业大学资源环境学院环境科学与工程系：马 磊 王德汉* 曾彩明
康达机电工程有限公司：陈文瑜
摘 要：简单介绍了餐厨垃圾干式厌氧消化基本工艺，详细讨论了温度、TS、搅拌、接种物、碳氮比、有机负荷、pH值、碱度和VFA以及盐分对干式厌氧消化的影响，并提出了餐厨垃圾干式厌氧消化工艺今后的研究方向和开发前景。
关键词：餐厨垃圾 干式厌氧消化 影响因素
Dry anaerobic digestion process for treating food waste
Ma Lei，Wang Dehan*，Zeng Caiming
(Department of Environmental Science & Engineering , South China Agricultural University , Guangzhou 510642,China)
Abstract: The basic dry anaerobic digestion process for treating food waste was introduced. The effect of temperature, TS, mixture, the mixed inoculums, C/N, organic loading rate, pH, alkalinity, VFA and salinity on dry anaerobic digestion was discussed in detail. The research direction and foreground in the future of dry anaerobic digestion was proposed.
Key words: food waste; dry anaerobic digestion; influential factors
厌氧消化又称为沼气发酵，发展至今已有100多年的历史，在废水、污泥的处理方面得到了广泛运用[1]。目前固体废物的厌氧消化在欧洲得到普遍应用，据统计在过去9年中，采用厌氧消化技术来处理城市固体垃圾的处理厂增加了750％。处理有机固体废物的能力由1990年的122000t/a发展到2000年的1037000t/a。它与传统的卫生填埋相比，将厌氧消化的过程由几年缩短到30d以内，与好氧堆肥相比，改变了占地大和管理复杂的问题[2]。根据反应器内消化物料的TS（Total Solid，总固体）浓度的不同，厌氧消化可以分为干式（TS 20%～40%）和湿式（TS<15%）两类。
餐厨垃圾作为城市有机生活垃圾的主要成分[3]，因其高水分、高油脂、高盐分以及易腐发臭、易生物降解等特点[4]，不宜直接填埋和焚烧。目前，餐厨垃圾的处理主要以资源化为导向，出现了饲料化、好氧堆肥和厌氧消化－回收沼气等生物处理工艺。其中，厌氧消化技术不仅具有很高的废物处理效率，得到较高肥效的有机肥产物，而且可产生沼气作为能源利用，在世界能源紧缺的时代，这点尤为重要。然而，如果采用湿式厌氧消化处理餐厨垃圾，搅拌设备和脱水设备能耗非常大，同时还会因为需要定期清除消化罐中的浮渣，从而造成生物气生产的间断。此外，湿式法的稀释用水消耗量大（约1吨水/1吨垃圾），增加了沼液的处理投资，明显增加工艺的运行成本。而干式法旨在保持固体废物的原始状态进行厌氧消化，仅仅浓度特别高（TS>60%）的进料才加水稀释。因此，直接采用干式厌氧消化工艺，既不需加水也不需要脱水，简化了前处理，也节约了能耗。而且干式厌氧消化工艺因其能够处理高固含率废物的优点满足了目前城市垃圾处理的要求。法国的VALORGA、比利时的DRANCO和瑞士的KOMPOGAS等都是干式厌氧消化的代表。但是，国内的应用还是相对较少，用于处理包含餐厨垃圾的消化技术基本上不多见，而且绝大部分的现有技术都是引进国外的技术以及设备。本文简单介绍了餐厨垃圾干式厌氧消化的基本工艺，并总结了影响餐厨垃圾干式厌氧消化的几种主要因素，以期对以后的研究开发有所借鉴。
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1 餐厨垃圾的干式厌氧消化
餐厨垃圾的干式厌氧消化技术是一种相对新的技术，应用还不够广泛。国内外利用干式厌氧消化处理餐厨垃圾的研究还不多见，大多是利用干式厌氧消化处理城市固体废物中的有机成分。K BRABER等把厌氧消化技术当作现代垃圾处理技术上的一个新突破，通过将其与填埋、焚烧和好氧堆肥技术进行比较，指出了厌氧消化的优势和不足，并且从多方面论述了厌氧消化技术市场化的可行性[5]。图1为餐厨垃圾干式厌氧消化处理工艺的基本流程。
SHAPE \* MERGEFORMAT
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餐厨垃圾 |
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调质 |
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高TS厌氧消化器 |
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固液分离 |
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堆肥 |
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能源 |
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液肥 |
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处理排放 |
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保温 |
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沼气 |
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沼渣 |
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沼液 |
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部分消化物 |
图1 餐厨垃圾干式厌氧消化处理工艺基本流程
餐厨垃圾经过简单的分选粉碎后，通过与系统部分厌氧消化污泥的混合调质后加入密封的厌氧消化器。厌氧消化器一般通过热蒸汽或电能来加热保温，提高厌氧消化系统的温度，并且在进料后通入一定量的氮气，保证其厌氧环境。厌氧消化产生的沼气经过净化直接作为能源，消化后的剩余物经过固液分离，沼渣经好氧堆肥稳定化，达到灭菌的效果，并得到高效的有机肥料。沼液可直接作为液体肥料或与生活污水一起经过处理排放。与湿式厌氧消化工艺相比，干式厌氧消化处理餐厨垃圾无需在调质时加入大量新鲜水来稀释餐厨垃圾，减少了后期沼液的处理投入，此外，干式厌氧消化工艺比湿式工艺具有更高的有机负荷率和产气效率[6]。
2 餐厨垃圾干式厌氧消化的影响因素
2.1 温度
厌氧消化是一个微生物的作用过程，温度作为影响微生物生命活动过程的重要因素，主要通过影响酶活性来影响微生物的生长速率和对基质的代谢速率。在厌氧消化应用的三个温度范围（常温20～25℃，中温30～40℃，高温50～60℃）中，中温和高温消化是生化速率最高和产气率最大的区间。吴满昌等人通过对城市生活垃圾进行高温干式厌氧消化的实验表明：干式发酵工艺中固含率大于20％后，在25℃温度下基本不产气，发酵停止，中温发酵慢，随着TS的增加，中温发酵也慢慢停止，只有高温发酵还可以继续进行（表1）。
表1 不同温度和固含率的发酵情况[7]
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TS /％ |
25℃ |
35℃ |
45℃ |
55℃ |
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15 |
产气 |
产气 |
产气 |
产气 |
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20 |
基本不产气 |
产气稍慢 |
产气 |
产气 |
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25 |
不产气 |
产气慢 |
产气 |
产气 |
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30 |
不产气 |
基本不产气 |
产气 |
产气 |
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35 |
不产气 |
停止 |
产气慢 |
产气 |
大多数工业化的厌氧消化反应器是在中温或常温下操作，仅当反应器的大小相对于能耗的增加和操作的稳定性而言是考虑的主要因素时，高温消化才加以采用[8]。同时，高温消化比中温消化时间短，产气率稍高，对寄生虫卵的杀灭率在数小时内就可达到90％，而中温消化对寄生虫卵的杀灭率在这么短的时间里相对较低[9][10]。
2.2 TS（Total Solid）
餐厨垃圾含水量高不仅增加了消化器容积，而且单位体积垃圾还需要更多热量，不经济。而另一方面，固含率很高将会显著改变底质的流动性，经常会由于混合性差，固体沉降、堵塞和形成浮渣层而导致系统瘫痪。Rivard等人对比了低固体和高固体含量厌氧消化处理城市生活有机垃圾的效果，发现高固体厌氧消化在加料、混合和出料方面的优缺点局限性都非常明显[8]。刘晓风等人在TS（Total Solid）20％～50％的浓度下进行厌氧干发酵处理城市有机垃圾，发现在保证厌氧消化过程正常运行的前提下，垃圾的生物降解量、产沼气量和产甲烷量均随TS的增高而降低[11]。
笔者在15天里对学校食堂的餐厨垃圾（主要是餐后垃圾）进行随机取样监测，发现其TS维持在20％～25％，因此采用干式厌氧消化工艺来处理餐厨垃圾是可行的。
2.3 搅拌
搅拌可以使消化物质均一化，提高物质与细菌的接触，加速消化底物的分解。与废水的厌氧消化相比，餐厨垃圾的总固体含量明显较高，一部分沼气产生后滞留在消化底物中，只有通过搅拌来释放滞留的沼气。而且，餐厨垃圾的干式消化虽然处理量大，高峰期产气速度也快，但是消化时间较长，良好的搅拌也是解决这一矛盾的有效措施之一。在干式厌氧消化处理系统中，搅拌是一个技术上的难点，这是因为高的固含率给搅拌装置的选择和动力的配置带来了困难。目前，在厌氧消化中主要的搅拌方式有机械搅拌、发酵液回流搅拌和沼气回流搅拌[1]。例如，在Valorga工艺中，平推流的方向是环形的，混合搅拌就是通过在反应器的底部注入高压的沼气来实现的[12]。张记市等人在研究城市有机生活垃圾的厌氧发酵处理中证明，适当的搅拌，可使消化缩短3～5d。如果不搅拌或搅拌不合适，会发生活性污泥和物料的漂浮以及物料与活性污泥分离、分层等现象。实验还证明，料液最大线速度应小于0.5m/s为宜[13]。
2.4 接种物
接种物的数量和浓度对于厌氧消化中产甲烷阶段的运行效果和稳定性是非常重要的。通常在厌氧消化工艺中都使用经过驯化的厌氧污泥作为接种物[14][15]。当接种量少时，需要经历一个产甲烷菌种的富集过程，有可能造成酸积累导致厌氧消化失败，因此，加大接种量是防止酸积累，保证发酵正常进行的关键措施[16]。Wang等人进行了餐厨垃圾的厌氧产沼气潜力研究，接种物为餐厨垃圾的厌氧降解残留物。研究发现在接种物用量30％，pH调节为中性时，试验未能达到甲烷化阶段。接种物用量70％时，甲烷产率为300.7mL/g干物质[17]。刘晓风等人在TS（Total Solid）20％～50％的浓度下，利用厌氧消化污泥作为接种物厌氧干发酵处理城市有机垃圾，研究发现TS量与接种物量之比为10:1，可以保证有机垃圾厌氧消化过程的正常运行[11]。潘云霞[18]等研究不同浓度接种物（6％、18％、30％）对厌氧发酵产气特性影响的过程中发现，接种物浓度与物料浓度相互制约，影响有机物的降解，适宜的接种物浓度有利于细菌和微生物的生长，使产气加快。
2.5 碳氮比
餐厨垃圾中的碳氮比（C/N）对消化过程影响很大。大部分产甲烷菌可以利用二氧化碳作为碳源，形成甲烷；氮源方面只能利用氨态氮，而不能利用复杂的有机氮化合物。Walter等报道当N的含量很高时，高浓度的氨态氮抑制了厌氧发酵产甲烷，在消化过程中，当氨增加到2000mg/L以上时，甲烷产量降低[19]。而当N的含量适当时，这些N经分解产生的氨可以调节酸碱度，防止酸积累，利于产甲烷菌发挥其活性[16]。吴满昌等人在55℃高温下研究了城市有机生活垃圾C/N比与产气量的关系，发现随着C/N比的增加，产气量增加，但C/N比达到30左右后产气量增加趋于平稳[20]。任南琪等认为，废水厌氧消化工艺中的C/N比达到(10～20):1为宜[21]。而农村沼气发酵工艺一般认为，在厌氧发酵启动阶段的C/N比不应大于30:1。
2.6 有机负荷
有机负荷是表征进料最有意义的一个因素，它决定了在特定进料速率下所需要的反应器的大小。有机负荷是影响污泥增长、污泥活性和污泥降解的重要因素。提高负荷可以加快污泥增长和有机物降解[8]。如果反应器内负荷太低，可以导致营养不足，是甲烷菌处在饥饿状态，消化器效率降低。如果负荷太高，往往导致酸化速度大于产甲烷速度，造成有机酸积累，产气中二氧化碳含量上升，甲烷含量降低。付胜涛等人研究了初沉污泥和厨余垃圾的混合中温厌氧消化，实验采用两种物料混合,其初沉污泥和垃圾按VS之比分别为3：1和1:1，HRT分别采用10d、13d、16d、20d。结果表明：对于两种混合进料来说，随着厨余垃圾所占VS的比例从25%提高到50%，进料有机负荷提高，相应的系统稳定性会下降，pH和碱度都有所下降，但是有机负荷的提高使得消化池容积的利用更充分[22]。
2.7 pH、碱度和挥发性脂肪酸
pH、碱度和挥发性脂肪酸（VFA）浓度对于厌氧反应的稳定性非常重要。产甲烷菌生长最适宜的pH值是6.8～7.2，一般要求厌氧消化的原液pH值为6～8，VFA浓度（以乙酸计）低于3000mg/L[23]。在正常的甲烷发酵中，pH值有一个自行调节的过程，无需随时调节，但是为了顺利地进行甲烷发酵，使产气早，产气率高，需要调节启动时的pH值。而消化系统中的碱度一般应保持在2000～3000mg/L之间[24]。挥发性脂肪酸是厌氧消化过程中有机物降解时产生的重要中间产物，是甲烷菌产生甲烷的基础，也是厌氧微生物新陈代谢活动的重要指标[25]。因此，VFA的代谢平衡是厌氧反应器稳定运行的关键，当产生的挥发性脂肪酸不能及时转移和转化为甲烷时，必然导致酸生成速度很快而酸消耗速度很慢的不平衡，从而出现酸积累使pH下降[26]。王星等人研究发现在餐厨垃圾厌氧消化过程中，当调节在6.5～7.0之间，有助于降低聚集的高浓度VFA对厌氧消化系统的影响[27]。
2.8 盐分
餐厨垃圾垃圾中含有较高的盐分，而在餐厨垃圾的厌氧消化的过程中，甲烷菌对盐类较为敏感，尤其是当钠盐的浓度突然增加时，厌氧消化过程的正常运行会受到冲击。有资料显示，当厌氧消化反应器中钠盐的浓度小于5g/L，有机垃圾厌氧消化不受到抑制。但是当钠盐大于5g/L时，甲烷产量逐渐降低。低浓度的无机盐对微生物的生长有促进，但是高浓度有抑制。无机盐对微生物的生长抑制主要表现在微生物外界中渗透压较高，造成微生物代谢酶活性降低，严重时引起细胞壁分离，甚至死亡。影响有机垃圾厌氧消化过程中无机盐浓度特征范围见表1。
表1 影响有机垃圾厌氧消化过程中无机盐浓度特征范围[8]
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无机盐 |
刺激浓度（mg/L） |
中等抑制浓度（mg/L） |
强制抑制浓度（mg/L） |
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Na+ |
100～200 |
3500～5500 |
8000 |
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K+ |
200～400 |
2500～4500 |
10000 |
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Ca2+ |
100～200 |
2500～4500 |
8000 |
|
Mg2+ |
75～150 |
1000～1500 |
3000 |
|
SO42- |
－ |
500～1000 |
2000 |
|
Cl- |
－ |
5000～10000 |
15000 |
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总盐量 |
－ |
5000～10000 |
15000 |
3 研究展望
在现阶段能源紧张的形势下，研究餐厨垃圾的厌氧消化技术是有重要意义的。然而，餐厨垃圾易酸化水解的特点使如何控制反应器内的产酸速率和维持pH的稳定成为干式厌氧消化工艺的难点。同时，高温已逐渐成为干式厌氧消化工艺的选择，这样必然增加处理工艺的能耗，因此，实现餐厨垃圾干式厌氧消化工艺中的能量产耗平衡是今后研究必须考虑的问题。此外，餐厨垃圾中盐分和油脂含量较高，研究如何降低钠盐和油脂对餐厨垃圾干式厌氧消化的负面影响也将是以后餐厨垃圾厌氧消化研究努力的方向。
欢迎同业，同行，对再生能源方面的课题进行研究讨论。
康达机电工程有限公司：陈文瑜，2007-5-12
