干式厭氧發酵技術在城市生活垃圾處理中的應用

黃旎詩

(西南交通大學，四川成都 610031)

隨著城市化、經濟發展和人口增長的加快，固體廢物的生產和種類不斷增加，造成了許多社會和環境問題。目前，中國每人每天產生0.9～1.2 kg垃圾，并以每年9 %的速度增長，產生量驚人，已成為破壞環境、危害公眾身心健康的重要污染源。統計顯示[1]，從2000～2014年，中國的生活垃圾清運量逐年增加。2014年，中國城市生活垃圾清運量達到1.786×108t，比2000年增加了約51 %。 目前城市生活垃圾主要構成有餐廚垃圾、玻璃、金屬、紙張、織物、塑料等。 統計表明，灰分含量迅速下降，有機質含量迅速增加，玻璃“塑性含量”也呈上升趨勢[2-4]。中國的廚余垃圾占城市垃圾的比例越來越大，大多數在37 %～62 %之間(表1)。CJJ / T65-2004《市容環境衛生術語標準》說明，廚房垃圾是指家庭生產的易腐垃圾，而易腐垃圾是指垃圾中容易腐爛和惡臭的物質。與其他垃圾相比，廚余垃圾的特點是營養豐富，可降解的有機物是廚余垃圾的主要成分。其中包括主食中所含的淀粉，蔬菜和植物的莖和葉中所含的纖維素和聚新戊酸，以及肉類食品中所含的蛋白質和脂肪；水果所含的單糖、果酸及果膠(多糖)等；無機鹽中以NaCl含量最高，還含有少量鈣、鎂、鉀和鐵等元素。總的來說餐廚垃圾具有有機物含量高、脂肪含量高、鹽含量高幾個特點，它易于生物降解，具有很高的回收價值。廚余垃圾的高生物降解性使其成為厭氧消化的良好基質。而利用厭氧發酵技術處理餐廚垃圾由于其具有可能量回收及產物穩定等益處，已引起廣泛關注。

表1 我國部分代表城市餐廚垃圾在城市生活垃圾的占比 %

1 厭氧發酵技術

1.1 餐廚垃圾資源化方式

目前，飼料加工技術是國內外廚余垃圾回收技術中應用最廣泛的一種。然而，由于廚房垃圾含有大量動物殘渣，如果消毒不完全，病毒很可能通過飼料傳播。但是，現有的廚余垃圾飼料化技術存在缺陷，可能導致安全隱患。焚燒法也是常用的處理技術之一。將垃圾放在特制焚燒爐中用1 000 ℃以上高溫將垃圾有機成分徹底氧化分解，可將固體減量50 %～80 %，焚燒產生的能量可以用來發電、供暖等。然而由于城市固體垃圾含水量高、成分復雜，傳統焚燒將產生大量有害氣體及粉塵，破壞生態環境，危害人類健康；同時焚燒場建設維護成本大，會造成資源嚴重浪費。此外，好氧堆肥通常也是回收廚余垃圾的方法之一。好氧堆肥是人工控制條件下穩定水分、碳氮比和通風條件的一個有機質穩定化過程[5]。好氧堆肥可利用好氧微生物對地面或專用發酵設施中的有機物進行生物降解，最終形成穩定的高肥力腐殖質。耐熱降脂放菌、人畜糞便中包含的降解性微生物也常被添加進來與餐廚垃圾自然滋生的微生物共同參與好氧堆肥過程。然而，由于大面積和長時間的好氧堆肥，很容易對周圍環境造成二次污染； 并且能耗較大、成本高，因此此項工藝在國內的發展尤其是土地資源稀缺的地區很受制約。沼氣技術，也稱為厭氧消化，利用自然界固有的厭氧細菌，包括產酸和產甲烷菌(尤其是產甲烷菌)。通過細菌的新陳代謝作用將餐廚垃圾中的能源物質和營養物質轉化為沼氣和沼肥的過程[6]。由于厭氧發酵技術相比于好氧堆肥及焚燒等餐廚垃圾資源化方式占地更少、投資更小等諸多優勢，近年來越來越受到社會的廣泛關注。

1.2 濕式厭氧發酵

濕式厭氧消化是指TS(總固體，指樣品中干物質的含量)含量低于 10 %厭氧消化。濕式厭氧消化技術是第一種用于處理廚余垃圾的厭氧消化技術。在進行濕式厭氧消化過程中，先將進料的餐廚垃圾稀釋到特定的濃度，因此在制備過程中需要大量新鮮水調配制漿。這樣的目的一方面可以降低有機物濃度，另一方面也可以稀釋抑制厭氧發酵進行的物質濃度，如氨氮、鈉離子等。 濕式厭氧發酵技術目前技術較為成熟，應用比較廣泛，但是依然存在多種弊端，如預處理困難、處理能力低，極易受到鹽分、氨氮及有機物濃度過高的抑制[7-8]；同時由于濕式厭氧發酵制備過程會消耗大量新鮮水，因此其過程不僅會產生高能耗也產生大量難以處理的沼液，加大了整個處理過程的難度和費用。

1.3 干式厭氧發酵

干式厭氧發酵與濕式厭氧發酵相比，TS含量在20 %～30 %之間。干式厭氧發酵是在沒有或幾乎沒有自由流動的水的情況下進行的沼氣發酵的過程。是近年來國內外專家推薦研究的一種新生廢物循環利用的方法。干式厭氧發酵比濕式厭氧發酵具有許多優點。

(1)由于干式厭氧發酵過程中不添加新鮮水進行調配，因此更加節約，同時產生的沼液量相比于濕式厭氧發酵明顯較少，更經濟且便于處理。

(2)由于干發酵 TS含量通常在20 %以上，能承受的負荷能力相比于濕法發酵更高，也使得其有機質濃度較高具有更高的容積產氣率。

(3)發酵后產物幾乎只有沼渣，可直接作為有機化肥用于農業生產，基本上可實現污染物的零排放；生產的沼氣具有低硫含量和更高的質量。

(4)干法厭氧發酵操作和維護更簡單，更方便，避免了濕法發酵過程中經常出現的浮渣和沉淀問題。 這些優勢都促進了該工藝的推廣和發展[9]。

2 干式厭氧發酵技術國內外研究現狀

2.1 國內干式厭氧發酵技術研究情況

目前國內應用干式厭氧發酵技術處理餐廚垃的工程實例較少[10]，對其研究也多局限于實驗室的中小型反應器。自國家“十一五”計劃提出“沼氣規模化干法厭氧發酵技術與裝備研究”后，國內學者相繼自行設計研究了多種干式厭氧發酵裝置，其中包括韓捷教授設計開發的 MCT 附膜式干式發酵裝置[11]，北京化工大學研究的“城市生活垃圾筒倉式干法厭氧生物制氣設備研發與示范工程”，李道義等人[12]自主設計研究的連續臥式螺旋推流干式厭氧發酵裝置，張無敵等[13]設計的一種結構簡單且成本低廉的干發酵循環連續式沼氣發酵的工藝，實現了干法連續發酵和均衡產氣。“十二五”期間，國家對干式厭氧資源化無害化處理技術的相關研究更加重視起來，加大了對相關研究的投入。遼寧省能源研究所關于“北方城市生活垃圾干法厭氧消化及生物質燃氣利用技術及示范”的研究，針對北方中小城市生活垃圾無害化與資源化率不高等缺點，開發了以餐廚垃圾為反應底物的干式發酵制生物燃氣的集成技術，遵化市參考德國干式發酵技術設計了聯合處理雞糞和秸稈的干式厭氧發酵裝置[14]。

2.2 國外干式厭氧發酵技術研究情況

美國及歐洲國家近年來對再生能源相關研究的持續關注，為干式厭氧發酵帶來了良好的政策支撐。德國政府提出的“能源概念”指出，目標到2020年，可再生能源將占有德國總能源消耗的18 %，到2050年達到60 %。而干式厭氧消化是一種經濟、環保的有機廢物處理解決方案，將以沼氣的形式回收能量，其中甲烷占比60 %[ 15 ]。歐盟可再生能源指令2009[ 16]指出，由城市有機固廢再生的生物甲烷作壓縮氣體生物燃料時，可減少產生同等能源所用化石燃料制造的80 %的溫室氣體。這項優勢遠遠領先于其他液體生物燃料[ 17 ]。國外也已經有很多成功將干式厭氧發酵技術應用于處理城市有機固廢的工程案例。

(1)德國AWM公司成功利用干式厭氧發酵產生的生物氣通過熱電聯產裝置將其轉化為電能和熱，每年產生大約340×104kwh的電力，足以滿足慕尼黑約1 300戶家庭的用電年消費需求。

(2)1992年建成運行的比利時 Brecht 處理廠[18]，利用餐廚垃圾與庭院垃圾及不可回收的廢紙進行聯合干式厭氧發酵處理，達到年化處理垃圾12 000 t，噸垃圾沼氣產生量為 105 m3，沼氣濃度為 55 %。

(3)荷蘭 Vagron 處理廠可通過水洗裝置將生活垃圾中的沙、石子、陶瓷等無極垃圾清理出來，剩余有機部分通過脫水后調節其含水率至12 %，調節其溫度至55 ℃，送至干發酵裝置進行處理，發酵后物料用于堆肥生產高品質有機肥料，達到年垃圾處理量超250 000 t。

(4)奧地利 Wels 處理廠[19]設計投產的干式厭氧裝置有機負荷達 6.0 kg/(m3·d)，通過高溫方式進行厭氧發酵，可達到每噸垃圾產沼氣量在87 ～137 m3之間，且其中甲烷含量達60 %～65 %。

(5)由韓國Geoen Tech公司與德國RethmannG公司聯合開發的集裝箱式干發酵裝置反應過程的控制比較方便，對周邊環境的影響較小，且殺菌效果良好。但由于此裝置造價較高，且對土地面積需求較大，其發展應用受到了限制。

3 影響干式厭氧發酵的因素

3.1 溫度

溫度可以極大地影響參與厭氧反應的微生物細胞中酶的活性，因此干式厭氧發酵受溫度的影響很大。 目前常見應用于工程實例的厭氧發酵通常采用中溫 35 ℃左右和高溫 55 ℃左右兩種溫度。李金平[20]發現高溫發酵時間短于中溫發酵。溫度越高，產氣高峰出現越早，發酵速率越高。這是由于干式厭氧發酵有機質固體濃度高，物質流動性差，當溫度升高可促進發酵微生物與反應基質之間的接觸概率，同時提供給發酵微生物足以滿足自身生長繁殖的營養物質，由此促使產氣率進一步提高。但也有例外的情況，如Abouelenien F[21]就發現某些基質在高溫下的反應不如中溫時徹底，Abouelenien F在研究溫度對雞糞的干式厭氧反應時，結果顯示中溫產氣率遠遠高于其它溫度。

3.2 pH值

pH 對厭氧消化反應穩定性很重要，由于產甲烷菌對pH值十分敏感，所以pH值的變化能夠直觀地體現反應過程中產氣環境的好壞。陳興春等人[22]設計了熱堿預處理-半連續式干式厭氧發酵污泥處理工藝，研究了在偏中性( pH= 6.5)和堿性( pH= 10.0)條件下發酵反應的變化，研究發現偏中性環境時產酸更穩定，且產氣量更高。在堿性環境中乙酸產量更高。而溶解性蛋白質、溶解性多糖、氮和磷在兩種條件下的的釋放無較大差異。

3.3 反應底物的碳氮比

高濃度有機物在進行干式厭氧發酵的過程中，碳氮比過高會降低反應系統的抗沖擊性，使得不飽和脂肪酸在反應過程中不斷累積，促使反應器中反應環境不斷酸化失穩。而同時過低的碳氮比在厭氧消化過程中，會造成消化過程中氨氮不斷累積，過高的氨氮濃度對產甲烷菌的活性抑制效果也十分明顯，最終導致反應處于低產氣量狀態或者不產氣狀態。由此可見適宜且恒定的碳氮比對反應的穩定至關重要，大量實驗表明厭氧消化適宜的碳氮比在25∶1左右最為適宜。

3.4 攪拌

由于干式厭氧發酵沒有或幾乎沒有流動水，攪拌可使發酵底物與微生物接觸更加充分，有利于系統的微生物菌群和酶物質充分拌合和利用，提高酶利用率和傳質效果，避免反應過程中局部酸化。Cubas和Rodrigues[23，24]研究發現攪拌可以使微生物均勻地分布于反應器中，并可以極大地提升反應過程中的COD去除率。但是不當的攪拌也會對反應過程有不利的影響作用，破壞形成甲烷化的中心環境，抑制甲烷化中心的形成。然而，由于工程實例中干式厭氧發酵反應器體積大，添加攪拌系統將顯著增加反應器的構建和維護成本。由此工業中是否引入攪拌系統應根據具體情況進行分析。

3.5 微量元素

干式厭氧發酵在運行過程中常難以持續維持穩定運行，而添加一定量的微量元素有助于提高其穩定性及產氣率。Zhang 等[25]研究了豬糞與餐廚垃圾聯合消化的產氣性能和穩定性時發現聯合發酵的效果明顯優于餐廚垃圾單獨發酵，結果表明這是由于豬糞中的微量元素Fe、Co、Ni、Mo 等促進了產甲烷過程。由于微生物生長繁殖都需要微量元素，如元素 Fe 和 Co 是產乙酸菌一氧化碳脫氫酶( CODH)的輔因子，元素 Ni 對產甲烷菌輔酶 F43不可代替。Kayhanian 等[26]在研究城市固體垃圾發酵時加入了微量元素結果表明不僅產氣量增加了30 %，而且反應穩定性也大幅提高。

4 展望

中國城市每年生產不少于6 000×104t噸的廚余垃圾。傳統的廚余垃圾處理技術不僅無法實現廚余資源的利用，還給地方財政帶來沉重的負擔。據沈超青分析，廣州利用焚燒和填埋方式處理廚余垃圾的年收入分別為-2 538萬元和-1 465萬元。 我國目前能源短缺，中央政府持續推進低碳經濟和循環經濟的發展，干式厭氧發酵在對固體有機垃圾資源化利用上有別的處理方式沒有的優勢，它具有很大的潛在研究空間，符合可持續發展和循環經濟的發展方向。 目前，我國對干法厭氧發酵技術的研究起步較晚，應用實例較少，特別是對干式發酵有機負荷、啟動慢、易不穩定的研究，需在這些方面加大投入以期為干式厭氧發酵技術在中國餐廚垃圾資源化的處理中發揮最大作用。