廚余垃圾干式厭氧發(fā)酵與濕式厭氧發(fā)酵技術(shù)分析

摘要：厭氧發(fā)酵技術(shù)是我國解決廚余垃圾問題的重要技術(shù)手段。本文結(jié)合廚余垃圾厭氧發(fā)酵技術(shù)原理，對比干式厭氧發(fā)酵技術(shù)和濕式厭氧發(fā)酵技術(shù)，回顧厭氧發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展，并結(jié)合廚余垃圾厭氧發(fā)酵工程案例，分析兩種廚余垃圾厭氧發(fā)酵技術(shù)存在的問題，這可為廚余垃圾厭氧發(fā)酵技術(shù)的選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：廚余垃圾；干式厭氧發(fā)酵；濕式厭氧發(fā)酵

中圖分類號：X799.3 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）03-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.03.013

Abstract： Anaerobic fermentation technology is an important technical means in China to solve the problem of kitchen waste. Based on the principle of anaerobic fermentation technology for kitchen waste， this paper compares dry anaerobic fermentation technology and wet anaerobic fermentation technology， reviews the development of anaerobic fermentation technology， and analyzes the problems of the two anaerobic fermentation technologies for kitchen waste in combination with engineering cases， which can provide reference for the selection of anaerobic fermentation technology for kitchen waste.

Keywords： kitchen waste; dry anaerobic fermentation; wet anaerobic fermentation

根據(jù)《生活垃圾分類標志》（GB/T 19095—2019）[1]，廚余垃圾是指易腐爛的有機生活垃圾，包括家庭廚余垃圾、餐廚垃圾和其他廚余垃圾等。廚余垃圾含有大量的蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂類等有機物[2-3]，具有產(chǎn)生量大、有機物含量高、含水率大、易腐變質(zhì)等特點，如果不能及時進行有效處理，就可能會對環(huán)境造成很多有害影響。因此，尋找合適的廚余垃圾資源化處理技術(shù)顯得尤為重要。一是要及時妥善處理廚余垃圾，避免其高含水率、容易腐爛、產(chǎn)生惡臭及病菌等特性導(dǎo)致環(huán)境問題[4-5]，二是要對廚余垃圾中的有機物進行充分的資源化利用。

目前，廚余垃圾資源化處理技術(shù)以厭氧發(fā)酵和好氧堆肥為主。與好氧堆肥技術(shù)相比，厭氧發(fā)酵技術(shù)具有更高的經(jīng)濟效益，對周邊環(huán)境影響更小，工藝更為穩(wěn)定成熟，能夠減少溫室氣體的排放[6-7]，在國內(nèi)外都有較廣泛的應(yīng)用。本文通過介紹廚余垃圾厭氧發(fā)酵技術(shù)原理，對比干式厭氧發(fā)酵和濕式厭氧發(fā)酵兩種不同類型的厭氧發(fā)酵技術(shù)及其發(fā)展，并結(jié)合國內(nèi)廚余垃圾厭氧發(fā)酵工程應(yīng)用案例，分析廚余垃圾厭氧發(fā)酵技術(shù)存在的問題，為廚余垃圾厭氧發(fā)酵處理技術(shù)的選擇提供參考。

1 廚余垃圾厭氧發(fā)酵技術(shù)

1.1 厭氧發(fā)酵技術(shù)原理

廚余垃圾厭氧發(fā)酵是指在沒有溶解氧和硝酸鹽氮的條件下，微生物將廚余垃圾中蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂類等有機物進行分解利用并轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和微生物細胞等物質(zhì)的生物化學(xué)過程[8]。典型的厭氧發(fā)酵過程主要包括水解、發(fā)酵、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和甲烷化等四個關(guān)鍵階段[9-11]，廚余垃圾厭氧發(fā)酵各階段的代謝過程如圖1所示。

水解階段是厭氧發(fā)酵過程的首要步驟，也是限速步驟，水解細菌將廚余垃圾中的大分子有機物和不溶性高分子有機物轉(zhuǎn)化為小分子有機物和溶解性有機物，這個階段的產(chǎn)物主要是氨基酸、單糖和長鏈脂肪酸（Long Chain Fatty Acid，LCFC）。發(fā)酵階段也被稱為酸化階段，水解階段產(chǎn)生的小分子有機物在發(fā)酵細菌的細胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為簡單的揮發(fā)性脂肪酸（Volatile Fatty Acids，VFAs），包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等，還會產(chǎn)生醇類、二氧化碳、氫氣、氨及硫化氫等，同時合成新的細胞物質(zhì)。產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段是指產(chǎn)乙酸菌將VFAs、醇類、乳酸等上一階段發(fā)酵產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為乙酸、水和二氧化碳，同時同型乙酸菌將二氧化碳和水合成乙酸。甲烷化階段是指產(chǎn)甲烷菌將上一階段產(chǎn)生的乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇等轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和新的細胞物質(zhì)，從而完成對廚余垃圾的資源化處理。廚余垃圾厭氧發(fā)酵過程清潔且污染小，實現(xiàn)廚余垃圾減量化和無害化的同時，還能獲得清潔能源和沼渣肥料，符合綠色低碳的可持續(xù)發(fā)展理念。

1.2 厭氧發(fā)酵技術(shù)對比

厭氧發(fā)酵技術(shù)主要分為干式厭氧發(fā)酵技術(shù)和濕式厭氧發(fā)酵技術(shù)，如表1所示。干式厭氧發(fā)酵和濕式厭氧發(fā)酵中，物料固體含量和流態(tài)存在很大差異。

干式厭氧發(fā)酵技術(shù)處理的物料為總固體含量大于20%的有機廢棄物，物料經(jīng)過預(yù)處理后，呈現(xiàn)出一定的流動性或者半固體狀態(tài)。干式厭氧發(fā)酵技術(shù)處理物料的含固率高，占地空間較小，流程簡單，能耗低，沼渣和沼液產(chǎn)量低。干式厭氧發(fā)酵技術(shù)要求分選工藝合理、可靠，大粒徑雜質(zhì)塑料袋、橡膠和石塊等的要求較高，小粒徑砂土等的要求較低。

相對于干式厭氧發(fā)酵技術(shù)，濕式厭氧發(fā)酵技術(shù)處理的物料為總固體含量在15%以下的有機廢棄物，進罐物料含固率控制在8%～15%，粒徑在15 mm以下，發(fā)酵物料呈良好流動態(tài)。濕式厭氧發(fā)酵技術(shù)需要對垃圾進行預(yù)處理，以達到含固率的要求，濕式厭氧發(fā)酵罐受垃圾中雜質(zhì)影響較大，分選除雜要求較高。濕式厭氧發(fā)酵處理物料含固率低，處理設(shè)施要求空間加大，沼液產(chǎn)生量大，后續(xù)處理困難。

1.3 厭氧發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展

早在20世紀40年代，歐洲一些發(fā)達國家開始探索干式厭氧發(fā)酵技術(shù)，到20世紀80年代，德國、荷蘭、瑞士和比利時等歐洲國家技術(shù)發(fā)展較為成熟并開始商業(yè)化應(yīng)用[12]。按照厭氧反應(yīng)器進料方式的不同，干式厭氧發(fā)酵技術(shù)可分為連續(xù)式厭氧發(fā)酵和間歇式厭氧發(fā)酵[13]。按照物料流動方向的不同，厭氧反應(yīng)器可分為立式反應(yīng)器和臥式反應(yīng)器。

比較典型的連續(xù)式干式厭氧發(fā)酵技術(shù)主要有法國研發(fā)的Valorga立式干式厭氧工藝、比利時研發(fā)的Dranco立式干式厭氧工藝、瑞士研發(fā)的KOMPOGAS立式干式厭氧工藝、德國研發(fā)的Linde-BRV立式干式厭氧工藝等[14]。Valorga立式干式厭氧工藝采用立式圓柱形反應(yīng)器，內(nèi)有一垂直隔板將反應(yīng)器隔開，經(jīng)過破碎、篩分和磁選的物料和回流沼液混合，完成反應(yīng)物料輸送，利用脈沖注入壓縮沼氣對罐內(nèi)物料進行攪拌，可進行高溫或中溫厭氧發(fā)酵。Dranco立式干式厭氧工藝采用下端接錐體的立式圓柱形反應(yīng)器，內(nèi)部沒有攪拌裝置，物料以栓塞流方式垂直移動，一部分消化沼液作為接種劑回流到新鮮物料中，從而提高厭氧發(fā)酵時間和微生物濃度，使物料充分發(fā)酵。KOMPOGAS立式干式厭氧工藝采用水平柱塞流圓柱形反應(yīng)器，反應(yīng)器為推流進樣，經(jīng)過預(yù)處理的新鮮物料與返回的發(fā)酵后產(chǎn)物進行混合接種，通過水平攪拌軸進一步混合物料（利于脫除氣體），并通過推流出料。Linde-BRV立式干式厭氧工藝采用臥式方形反應(yīng)器，采用兩段式厭氧工藝，預(yù)處理后的物料在進入反應(yīng)器前先在預(yù)發(fā)酵槽停留一定的時間，然后通過螺旋進料器給反應(yīng)器進料，從方形反應(yīng)器的一側(cè)進入，物料是平推流移動，反應(yīng)器內(nèi)有數(shù)個攪拌器，方形反應(yīng)器的另一側(cè)采用真空抽吸出料。Linde-BRV立式干式厭氧工藝與KOMPOGAS立式干式厭氧工藝相似，同屬于臥式推流干式厭氧發(fā)酵工藝。

由于間歇式干式厭氧發(fā)酵技術(shù)混合條件差，其發(fā)展相對稍晚一些，該技術(shù)是從20世紀90年代初開始商業(yè)化應(yīng)用，間歇式干式厭氧發(fā)酵技術(shù)主要有Bioferm厭氧發(fā)酵工藝、Bekon厭氧發(fā)酵工藝以及GICON厭氧發(fā)酵工藝等。Bioferm厭氧發(fā)酵工藝和Bekon厭氧發(fā)酵工藝均為車庫型干式厭氧發(fā)酵技術(shù)，不同之處在于Bekon厭氧發(fā)酵工藝設(shè)有單獨的供熱和保溫系統(tǒng)，可以采用中溫或高溫發(fā)酵，而Bioferm厭氧發(fā)酵工藝只能采用中溫發(fā)酵。上述兩種工藝的運行方式比較相似，反應(yīng)器內(nèi)部都沒有攪拌裝置及其他運動組件，因此發(fā)酵物料不會受到剪切破壞，發(fā)酵過程比較穩(wěn)定。與Bioferm厭氧發(fā)酵工藝和Bekon厭氧發(fā)酵工藝相比，GICON厭氧發(fā)酵工藝將厭氧發(fā)酵過程分成兩個階段——水解階段（干式發(fā)酵）和產(chǎn)甲烷階段（濕式發(fā)酵），干式發(fā)酵階段產(chǎn)生的水解液收集后用于濕式發(fā)酵，完成產(chǎn)甲烷過程，從而提高厭氧發(fā)酵效率。

目前，濕式厭氧發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用較為成熟，多采用連續(xù)式攪拌反應(yīng)器（CSTR）。CSTR工藝為完全混合厭氧發(fā)酵工藝，該工藝利用機械攪拌實現(xiàn)物料混合均勻，避免油脂上浮、結(jié)殼，同時物料含有少量油脂，可以提高產(chǎn)氣率，它適合作為廚余垃圾固液分離后液相的厭氧反應(yīng)器。

2 廚余垃圾厭氧發(fā)酵工程案例分析

2.1 廚余垃圾干式厭氧發(fā)酵案例

浙江省某廚余垃圾處理項目的日處理能力為200 t，日產(chǎn)沼氣16 000 m3，采用Dranco立式干式厭氧工藝，整體技術(shù)路線為“物料接收及預(yù)處理+干式厭氧發(fā)酵+沼氣凈化利用+沼渣脫水”，整個項目包括物料接收及預(yù)處理系統(tǒng)、干式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)、沼氣凈化利用系統(tǒng)、沼渣脫水系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)、臭氣處理系統(tǒng)及輔助生產(chǎn)設(shè)施，處理工藝流程如圖2所示。

廚余垃圾預(yù)處理采用“料坑+人工分選+粗破碎+磁選機+滾筒篩+蝶形篩”的工藝。廚余垃圾經(jīng)過稱重后卸料進入料坑，由抓斗提升至進料斗，進料斗下部設(shè)置步進式給料機，給料機將廚余垃圾產(chǎn)生的有機物料送入人工分選單元，手工分出大塊物料，再經(jīng)破碎機、磁選機、滾筒篩、蝶形篩分出大部分塑料、紙類、金屬等雜質(zhì)，剩余有機物料進入干式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)。厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生的沼氣凈化利用，沼渣經(jīng)除砂脫水后外送處置，污水輸送至污水處理站。

2.2 廚余垃圾濕式厭氧發(fā)酵案例

上海市某有機垃圾處理廠日處理能力為300 t（餐廚垃圾200 t，廚余垃圾100 t），采用CSTR濕式厭氧發(fā)酵技術(shù)，整體技術(shù)路線為“物料接收及預(yù)處理+濕式厭氧發(fā)酵+沼氣凈化利用+沼渣脫水”，整個項目包括物料接收及預(yù)處理系統(tǒng)、濕式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)、沼渣脫水系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)、臭氣處理系統(tǒng)以及輔助生產(chǎn)設(shè)施，廚余垃圾處理工藝流程如圖3所示。

廚余垃圾預(yù)處理采用“物料接收+破碎+磁選+篩分+生物質(zhì)破碎分離+擠壓脫水”的工藝。廚余垃圾經(jīng)稱重計量后進入卸料間卸料，直接卸料至接料斗，經(jīng)螺旋輸送至破碎機，將廚余垃圾中的大塊物料破碎，然后經(jīng)磁選機分出鐵質(zhì)金屬，再經(jīng)篩分機篩分，去除塑料袋及大粒徑雜質(zhì)，篩下有機物經(jīng)生物質(zhì)破碎分離、螺旋擠壓后，液相經(jīng)除雜除砂后進入濕式厭氧發(fā)酵及污水處理系統(tǒng)，分選出的雜質(zhì)和固相外運處置。

2.3 兩種厭氧發(fā)酵技術(shù)存在的問題

經(jīng)厭氧發(fā)酵工程案例分析，兩種廚余垃圾厭氧發(fā)酵方式仍存在不足。干式厭氧發(fā)酵所用的處理設(shè)備比濕式厭氧發(fā)酵設(shè)備昂貴，容易發(fā)生故障；發(fā)酵罐的進料含固率要大于20%；物料在厭氧發(fā)酵罐內(nèi)攪拌強度大，設(shè)備易磨損。對于濕式厭氧發(fā)酵，厭氧發(fā)酵罐容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，導(dǎo)致頂部浮渣和底部沉沙累積，使厭氧發(fā)酵罐的有效容積不斷減少，處理能力逐漸下降，可能導(dǎo)致發(fā)酵系統(tǒng)無法正常運行。同時，濕式厭氧發(fā)酵工藝預(yù)處理要求高，相關(guān)投資增加。

3 結(jié)語

厭氧發(fā)酵技術(shù)作為工程應(yīng)用最為廣泛的廚余垃圾資源化處理技術(shù)，在我國構(gòu)建低碳社會、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、建設(shè)“無廢城市”的過程中具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，可以顯著提高廚余垃圾資源化和減量化處理水平。隨著垃圾分類不斷向縱深推進，全國各地政府對廚余垃圾厭氧發(fā)酵項目的投入不斷加大，該工藝在項目運行實踐中將不斷改進和完善，未來必將形成成熟且穩(wěn)定運行的廚余垃圾厭氧發(fā)酵技術(shù)路線。

參考文獻

1 國家市場監(jiān)督管理總局，國家標準化管理委員會.生活垃圾分類標志：GB/T 19095—2019[S].北京：中國標準出版社，2019.

2 周 營，朱能武，劉博文，等.微生物菌劑復(fù)配及強化廚余垃圾好氧堆肥效果分析[J].環(huán)境工程學(xué)報，2018（1）：294-303.

3 楊 璐，張 影，湯岳琴，等.溫度對廚余垃圾高溫厭氧消化及微生物群落的影響[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2014（4）：704-711.

4 TIAN G L，XIA J Y，YEUNG M，et al.Characteristics and mechanisms of H2S production in anaerobic digestion of food waste[J].Science of The Total Environment，2020，724：137977.

5 Wang P，Qiao Z，Li X，et al.Functional characteristic of microbial communities in large-scale biotreatment systems of food waste[J].Science of the Total Environment，2020，746：141086.

6 Fei X，Jia W，CheN T，et al.Life-cycle assessment of two food waste disposal processes based on anaerobic digestion in China[J].Journal of Cleaner Production，2021（8）：126113.

7 Romero-Guiza M S，Vila J，Mata-Alvarez J，et al.The role of additives on anaerobic digestion：a review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2016，58：1486-1499.

8 Wang H，Xu J，Sheng L.Study on the comprehensive utilization of city kitchen waste as a resource in China[J].Energy，2019（15）：173.

9 Elena H，Jorg S，Wolfgang M，et al.Two-stage anaerobic digestion：state of technology and perspective roles in future energy systems[J].Bioresource technology，2022，360：127633.

10 張文存，王麗莉，張國輝.提高厭氧消化中產(chǎn)甲烷效能的技術(shù)進展[J].現(xiàn)代化工，2021（6）：41-45.

11 Long F，Wang L，Cai W，et al.Predicting the performance of anaerobic digestion using machine learning algorithms and genomic data[J].Water Research，2021（6）：117182.

12 溫漢泉，俞漢青.有機廢棄物厭氧消化生產(chǎn)生物天然氣技術(shù)的現(xiàn)狀和展望[J].能源環(huán)境保護，2023（1）：1-12.

13 李冰峰，張大雷.干式厭氧發(fā)酵技術(shù)現(xiàn)狀與國內(nèi)應(yīng)用項目簡介[J].可再生能源，2021（3）：294-299.

14 陳潤璐，李再興，馮 晶，等.農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧干發(fā)酵技術(shù)研究進展[J].河北科技大學(xué)學(xué)報，2020（4）：365-373.

收稿日期：2024-01-22

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2018YFC1900700）。

作者簡介：李天水（1987—），男，湖北仙桃人，碩士，工程師。研究方向：有機廢棄物資源化技術(shù)研究和咨詢。