厌氧消化工艺

厌氧消化工艺根据工艺参数不同分成不同的类型：1）发酵天数；2)发酵含固率；3)发酵温度和4)级数(单级对多级)。工艺参数的决定最终取决于现场的实际情况和工程目标，关键工艺参数分述如下：1.按照固含率可分为湿式、干式湿式：垃圾固含率10%～15％。干式：垃圾固含率20%～40%。湿式单级发酵系统与在废水处理中应用了几十年的污泥厌氧稳定化处理技术相似，但是在实际设计中有很多问题需要考虑：特别是对于机械分选的城市生活垃圾，分选去除粗糙的硬垃圾、将垃圾调成充分连续的浆状的预处理过程非常复杂，为达到既去除杂质，又保证有机垃圾进入正常地处理，需要采用过滤、粉碎、筛分等复杂的处理单元。这些预处理过程会导致15%～25%的挥发性固体损失。浆状垃圾并不能保持均匀的连续性，因为在消化过程中重物质沉降，轻物质形成浮渣层，导致在反应器中形成了三种明显不同密度的物质层。重物质在反应器底部聚集可能破坏搅拌器，因此必须通过特殊设计的水力旋流分离器或者粉碎机去除。干式发酵系统的难点在于：其一，生物反应在高固含率条件下进行；其二，输送、搅拌固体流。但是在法国、德国已经证明对于机械分选的城市生活有机垃圾的发酵采用干式系统是可靠的。Dranco工艺中，消化的垃圾从反应器底部回流至顶部。垃圾固含率范围20%～50%。Kompogas工艺的工作方式相似，只是采用水平式圆柱形反应器，内部通过缓慢转动的桨板使垃圾均质化，系统需要将垃圾固含率调到大约23%。而Valorga工艺显著不同，同为在圆柱形反应器中水平塞式流是循环的，垃圾搅拌是通过底部高压生物气的射流而实现的。Valorg工艺优点是不需要用消化后的垃圾来稀释新鲜垃圾，缺点是气体喷嘴容易堵塞，维护比较困难。Valorga工艺产生的水回流使反应器内保持30%的固含率，且艺能单独处理湿垃圾，因为在固含率20%以下时重物质在反应器内发生沉降。1.2按照阶段数可分为单级、多级。目前，工业上一般用单级系统，因为设计简单、一般不会发生技术故障。并且对于大部分有机垃圾而言，只要设计合理、操作适当，单级系统具有与多级系统相同的效能。1.3按照进料方式分为序批式、连续式。序批式：消化罐进料、接种后密闭直至完全降解。之后，消化罐清空，并进行下一批进料。连续式：消化罐连续进料，完全分解的物质连续从消化罐底部取出。1.4按反应温度分为高温和中温：中温厌氧反应器反应温度较低，所以降解相同水平的有机物，一般停留时间要长（15天至30天）.中温厌氧反应器产气率低，尽管生物反应过程比较稳定，但长停留时间需要更大的容积和更高的成本。高温厌氧反应器产气率高，停留时间短（12至14天），反应器容积小，但维修成本高。不同类型的厌氧反应器在市场中占的份额也不同：中温消化、高温消化都是可行的技术，实际运行的处理厂，中温消化占62％；湿式、干式系统各占一半；而单级消化、两相消化的比重相差大，其中两相消化占10.6%。厌氧消化技术在国外应用已相当广泛，据统计，到目前为止，已有大约117个垃圾处理厂采用厌氧消化工艺，其中90个已在运行，27个还在建设过程中，这些厂的处理能力都在2500t/a以上。主要分布在澳大利亚、丹麦、德国等国家，采用此工艺的公司主要有澳大利亚的Entech公司，德国的BAT公司，瑞士的Kompogas公司、丹麦的Kruger公司等。目前国内正在建设的北京市董村分类垃圾综合处理厂（650吨/日）和上海市普陀区生活垃圾处理厂（800吨/日）主要工艺采用厌氧发酵技术。2厌氧消化技术的工程应用2.1VALORGA干法厌氧消化工艺本工艺是由法国SteinmuellerValorgaSarl公司开发，采用垂直的圆柱形消化器，是一项成熟工艺。反应器内垃圾固含率25%-35%，停留时间22-28天，产气量80-180Nm3/吨。消化后的固体稳定化需要进行10～21天的好氧堆肥。针对城市生活垃圾厌氧消化中存在的搅拌难、固体含量高抑制反应活性等特点，上世纪80年代后期Valorga工艺朝面向全部种类的垃圾发展。该工艺采用渗滤液部分回流与沼气压缩搅拌技术，具有比较好的经济与环境效应。中温（如Amien垃圾处理厂）或高温消化（如Freiburg垃圾处理厂）在该工艺中均有采用，垃圾平均产气量110Nm3/吨进料垃圾。目前欧洲有十几个采用该工艺的垃圾处理厂。2.2BRV干法厌氧消化工艺BRV厌氧消化工艺最早是由瑞士的一家环保公司研制开发的，并于1994年在瑞士的Baar成功建设了第一个利用该工艺的有机垃圾处理厂，年处理有机垃圾18,000吨。由于该工艺具有很高的生态环保性，其先进的工艺技术具有较大的市场潜力，符合欧洲对有机垃圾处理日益严格的环保标准。德国Linde公司根据市场的发展需要，收购了该公司并对该专利工艺进行了整合。当时的厌氧技术还不是很成熟，Linde公司对其采取了严谨的完善措施，并于1996年首先在德国的EurasburgQuarzbichl进行了处理规模为4吨/天的小试，1997年在德国的Ravensburg进行了处理规模为1,500吨/年的中试，以进一步完善工艺并确保该技术的适用性。在该工艺的干式消化过程中，有机垃圾经过分拣破碎等预处理后，与部分已经消化的物料混合，通过进料系统送入消化反应器内。消化物料的含固率在20～35％之间，消化反应器内的物料可通过气体或机械搅拌等方式进行搅拌，物料经过25～30天的厌氧消化后，由出料系统排出罐体，送入脱水系统进行脱水。在消化期间大约有60％左右的有机物被转化为生物气，可进行能源利用。BRV卧式厌氧消化工艺成为德国目前最新的厌氧消化工艺，已经在欧洲多个垃圾处理厂实施，并取得了良好的运行效果。2.3LINDE湿法处理工艺Linde湿式厌氧消化技术属于单级厌氧消化技术，是典型的完全混合消化反应器。该工艺最早于1968年开发，好氧消化，好氧处理工业污水、粪便。自1975，开始进行粪便的厌氧处理，食品工业废水的好氧和厌氧处理，复杂的多级污水处理；自1991年对居民分类生物垃圾的湿法消化工艺，包括消化残渣的脱水和滤液的处理；从1993起应用粪便与工农业有机垃圾的联合消化工艺；1996年应用于剩余污泥与工业/市政有机垃圾的联合消化；1999年开始形成最终废弃物的机械生物处理工艺、有机残渣的生物稳定化和熟化工艺。垃圾处理的配套工艺包括：机械预处理，堆肥，废气和废水的处理。消化罐内总固体浓度在8%-15%,可以进行高温或中温消化反应。其特征是在反应器中心设有一个用于气体循环的管道；消化残渣的污染物已于前处理环节分离，因此残渣可以用于生产高质量的有机肥。主要适用于处理泔水、生活污水处理厂的污泥、园林绿化垃圾以及有机垃圾等。2.5瑞士Kompogas（康保士）工艺本工艺是干式、高温厌氧消化技术，由瑞士Kom-pogasAG公司开发，处于发展阶段。目前，在瑞士、日本等国家建立大约18个垃圾处理厂，其中年处理量10,000t/a以上的有12个。有机垃圾首先经过预处理达到以下要求：固含率（DS)30%-45%，挥发性固体含量(VS)55%-75%（ofDS)。粒径40mm，pH4.5-7，凯氏氮4g/kg，C/N18。然后进入水平的厌氧反应器进行高温消化。消化后的产物含水率高，首先进行脱水，压缩饼送到堆肥阶段进行好氧稳定化，脱出的水用于加湿进料或作为液态肥料。产生的生物气效益：10，000吨有机垃圾可产生118万Nm3KOMPO-GAS气体，其中蕴含的总能量为684万kwh，相当于71万升柴油，可供车辆行驶1000万km。3北京地区的工程应用北京市2002年开始实行垃圾分类，截至2007年底已有2255个小区、大厦实行垃圾分类，垃圾分类人口覆盖率已达到52％。目前北京市居民区垃圾分成三类：厨余垃圾，可回收物，其他垃圾；其中厨余垃圾是进行厌氧发酵的很好原料。以2007年为例，北京市生活垃圾产量为619万吨，按厨余垃圾平均含量为40％，那么厨余垃圾量为248万吨，折合6795吨/日，具有很高利用潜力。由于垃圾分类是一个系统工程，目前实际分类效果不理想。今后北京市垃圾分类工作将以厨余垃圾分类为突破口，重点将厨余垃圾从其它垃圾中分离处来单独进行处理。北京市已有、在建综合处理厂处理能力只有2100吨/日（表3），与每日6795吨的厨余垃圾产量相差甚远，处理能力严重不足。2010年北京市规划将新建综合处理厂10座，处理能力达到8000吨/日（北京市环卫十一五规划）。这就为厌氧发酵技术的发展提供了广阔空间。表3北京市已有、在建生活垃圾综合处理厂项目投资（万元）处理能力（吨/日）采用工艺投入使用时间目前状态南宫堆肥厂18000600隧道强制通风静态好氧堆肥1998.12运行怀柔垃圾综合处理厂4500200条垛间歇动态好氧堆肥2005.10运行阿苏卫综合处理厂270001600(其中堆肥800)发酵滚筒+条垛式好氧堆肥2007.6在建董村综合处理厂18000650（其中厨余垃圾300）干式厌氧消化产沼2007.12在建顺义综合处理中心17000600（其中堆肥200）隧道强制通风静态好氧堆肥2007.12运行