国内厨余垃圾厌氧消化工艺的应用

徐立 董蕾 华建敏 徐斌 李炜

（瑞泰环保装备有限公司，江苏常州 213000）

1 引言

国家发展和改革委员会、住房和城乡建设部于2017 年3 月发布了《生活垃圾分类制度实施方案》，提出到2020 年底，全国基本建立垃圾分类相关法律法规和标准体系，形成可复制、可推广的生活垃圾分类模式，在46 个城市实施生活垃圾强制分类。党的十九届四中全会通过的《中共中央关于坚持和完善中国特色社会主义制度 推进国家治理体系和治理能力现代化若干重大问题的决定》中，再次提出了“普遍实行垃圾分类和资源化利用制度”的要求。自此，国内开始大规模实施生活垃圾分类，并开始分类收集和分类处理的相关工作。厨余垃圾是目前国内常用的“四分法”分类中的一类，由于没有统一的处理指导方法，各地对于厨余垃圾的处理尚处于各自决策的摸索阶段。

厨余垃圾是指家庭日常生活中丢弃的果蔬及食物下脚料、剩菜剩饭、瓜果皮等易腐有机垃圾。受制于终端设施不配套、居民素质、政府管理等因素，大多数城市和地区的厨余垃圾分类准确性、减量效果等都不如预期［1］，还有部分城市分类的厨余垃圾只是少了部分大件垃圾、砖瓦石块的混合生活垃圾，塑料、玻璃、竹木等杂质含量较高；少部分城市如上海市，垃圾分类效果好，分类后的厨余垃圾品质高，杂质含量少。一般而言，国内厨余垃圾含水率高（65%～85%）、可降解有机质含量较高，传统的填埋、焚烧工艺不适合直接处理分类收集后的厨余垃圾［2］。部分学者建议家庭安装厨余垃圾破碎机，将厨余垃圾粉碎后排入下水道，但受纳的污水管网和污水处理系统能否承受还有待进一步考量［3］。不少城市如广州、上海等市已出台法规，禁止或者不鼓励家庭使用厨余垃圾粉碎机。目前国内外规模化厨余垃圾处理大多为生化处理辅以资源化利用，而生化处理以好氧堆肥和厌氧消化工艺为主。厨余垃圾堆肥除了存在占地大、污染控制难等问题外，最大的难点是堆肥产品的出路，因此以好氧堆肥为主的项目比较少。厌氧消化技术较传统的好氧堆肥技术占地小，在密闭厌氧反应器中进行，环境影响较小。经过厌氧消化后，还会产生比较稳定的生物质能源——沼气，在国家政策、对周边环境影响及其最终产物出路上都具有较大优势。目前国内一些已建和在建的厨余垃圾处理项目，大多选择以厌氧消化为主的工艺。本文介绍了几种典型的厨余垃圾厌氧消化工艺，为新建厨余垃圾处理设施工艺的选择提供建议和参考。

2 典型厨余垃圾厌氧消化工艺

2.1 工艺一：预处理＋水平推流干式厌氧消化

厨余垃圾经板式给料机接料后输送至破袋滚筒筛（筛孔100～120 mm），装有纸张塑料等轻物质的垃圾袋不易破袋，而较重的、有机物含量高的垃圾袋旋转跌落过程中易破袋，内容物出袋筛分。筛上物外运处置，筛下物经磁选出铁金属后进行二次筛分（筛孔60 mm）。筛上杂物以柔性塑料、织物、纸张为主，再进入惰性物分离设备将其中的轻柔物去除，并将物料破碎到60 mm 以下。惰性物分离后的物料与二次筛分筛下物主要为可降解有机质，合并后送入中间储料仓。中间储料仓的功能为平衡预处理工作时间（一般8～12 h）和厌氧消化罐进料时间（24 h）之间的差异，保证物料的均质性和平稳进料，同时进行预发酵排水、调节厌氧进料含固率。干式厌氧进料含固率一般控制在25%～35%。中间储料仓的物料通过输送设备分时均匀送到干式厌氧消化反应器内，厌氧消化工艺为水平推流干式厌氧工艺，内设机械搅拌器可以防止物料表面结壳和沉积。经过厌氧消化后的物料通过真空出料装置排出厌氧消化反应器并进入螺旋挤压脱水设备，脱水浆液与沥水再经预处理将其中的沉砂等杂质去除后进入污水系统处理，将沼渣脱水至含水率50%左右后外运处置。根据厌氧搅拌器形式不同，水平推流干式厌氧反应器又分为多短轴搅拌和单长轴搅拌2 种形式，常用的水平推流干式厌氧消化工艺有德国Strabag 工艺［4］和瑞士Kompogas工艺［5］。

“预处理+水平推流干式厌氧消化”工艺流程见图1。

图1 “预处理+水平推流干式厌氧消化”工艺流程

该工艺优点：（1）设备成熟稳定可靠，运行成本低。（2）适应性强，水平推流干式厌氧消化工艺尤其是多短轴搅拌厌氧反应器杂质耐受程度高，对前分选要求较低。（3）通过干式厌氧消化，大量有机质转化为沼气，同时将有机物细胞破壁，沼渣固液分离效果更好，固渣减量率高，与焚烧协同性好。（4）工艺有机负荷高，反应器容积小，单位容积产气率高。（5）干式厌氧流态为推流式，没有物料短流。该工艺缺点：设备投资较高。比较有代表性的厦门生活垃圾分类处理厂项目已连续稳定运行近7 年。

2.2 工艺二：预处理＋立式干式厌氧消化

厨余垃圾经板式给料机输送至人工分拣室，将其中的玻璃陶瓷、砖瓦石块、木块、纺织物、大件分拣出外运处置，再经破袋机将其中的塑料袋撕破，通过磁选机分选出铁金属，通过人工将大量的塑料、纸等杂物去除；剩余物料主要为可降解有机质，其进入分选制浆系统，破碎制成颗粒直径小于30 mm 的浆料，同时硬质重物料因离心力被甩至分离器内壁并沿分离器内壁下降，完成了细小轻硬质杂物的分离。经分选制浆后的浆料进入混料系统，在混料系统内与厌氧罐返混后的沼液均匀混合，通入蒸汽加热，温度调整至35～38 ℃后，再通过进料泵输送至厌氧罐进行立式干式厌氧消化。目前市场上的立式干式厌氧有从顶部进料的比利时DRANCO 工艺［6］和从底部进料的法国Valorga 工艺。2 种立式干式厌氧工艺的搅拌方式不同，DRANCO 工艺采用的是顶部多进料口进料，通过罐内物料自重下沉或者将罐内物料再泵回罐内下沉进行搅拌；而Valorga 工艺是将产生的沼气加压后从罐底回喷，通过沼气气泡上升起搅拌作用。此类立式干式厌氧消化工艺内部没有专门的搅拌装置，进料含固率通常控制在22%以下，对厌氧进料要求较高，重杂质和轻杂质的进入，对厌氧消化反应器的影响较大。立式干式厌氧出料往往采用底部螺旋出料和柱塞泵出料2 种形式，出料进入沼渣脱水系统进行渣水分离。

“预处理+立式干式厌氧消化”工艺流程见图2。

图2 “预处理+立式干式厌氧消化”工艺流程

该工艺优点：设备投资相对较低。该工艺缺点：（1）物料进料要求高，前分选工艺较为复杂。（2）杂质耐受性差，当进料杂质多时，罐体易堵塞，运行稳定性较差。（3）由于没有专门的搅拌装置，罐内物料均质性差。（4）物料易短流，厌氧消化不完全。比较有代表性的杭州天子岭厨余垃圾项目（一期）已运行5 年多。

2.3 工艺三：预处理＋湿式厌氧消化［7］

厨余垃圾接料后送至破碎机将物料破碎成较小粒径，破碎后的物料输送至液压柱塞式压榨机进行挤压分离，挤压强度一般为20～60 MPa。根据垃圾成分的不同调整设备挤压强度，一般干组分含水率在65%以下，湿组分含固率一般为15%～25%。干组分占比30%～50%，以塑料、植物纤维、布料等为主；湿组分占比50%～70%，以有机浆料为主。湿组分螺旋输送至浓浆池调配含水率并除砂，随后进行湿式厌氧消化，干组分外运处置。湿式厌氧消化系统进料含固率控制在10%～15%，一般采用成熟的CSTR 全混合式厌氧反应器，CSTR 适用于料液浓度高、悬浮性固体较高的有机物料［8］。厌氧消化反应器内的沉砂和浮渣分别进行固液分离，分离出的脱水沼渣和沼液另行处理。

“预处理+湿式厌氧消化”工艺流程见图3。

图3 “预处理+湿式厌氧消化”工艺流程

该工艺优点：（1）工艺较简单。（2）占地小。该工艺缺点：（1）挤压后湿组分含固率一般在15%～25%，需要添加稀释水满足湿法厌氧进料含固率要求。（2）除砂除渣预处理较困难，运行风险大。（3）脱水沼渣含水率高（一般在75%～80%），沼渣处理较困难。（4）杂物较多时，高压挤压制浆出料易堵塞。（5）高压挤压设备投资高、能耗大。比较有代表性的广州东部生物质综合处理项目已运行近1 年。

2.4 工艺四：预处理＋生物水解＋湿式厌氧消化［9］

厨余垃圾经板式给料机接料后输送至破袋滚筒筛（筛孔100～120 mm），装有纸张塑料等轻物质的垃圾袋不易破袋，而较重的、有机物含量高的垃圾袋旋转跌落过程中易破袋，内容物出袋筛分。筛上物外运处置，筛下物经磁选出铁金属后由人工分拣出易拉罐、砖瓦石块、塑料瓶等杂物，然后进入生物水解反应器。

生物水解反应器内部有一根带桨叶的机械搅拌轴，内部温度控制在28～38 ℃，顶部带有厌氧沼液回流管。预处理后的筛下物保留了大部分可生物降解的有机质，在生物水解反应器中停留2～3 d，其间不间断地将厌氧沼液回流生物水解反应器，起到接种和加速有机质淋洗的作用。在生物水解和机械搅拌作用下，可生物降解有机质由固相转化为液相，完成水解反应的物料通过底部的出料螺旋输送机输送至挤压脱水机进行固液分离，固渣含固率55%左右，外运处置。有机浆液再经格栅、气浮等设备去除其中的杂质后送入湿式厌氧消化系统。有机浆液COD 介于40 000～80 000 mg/L，一般采用成熟的UBF，UASB等湿式厌氧消化工艺，适用于料液浓度低、悬浮性固体较少的有机原料［8］。部分厌氧沼液回流生物水解反应器，剩余沼液再进行脱水，脱水沼渣外运处置，脱水沼液送至污水处理系统。

“预处理+生物水解+湿式厌氧消化”工艺流程见图4。

图4 “预处理+生物水解+湿式厌氧消化”工艺流程

该工艺优点：（1）生物水解反应器对进料垃圾要求不高，适合处理垃圾分类品质一般的厨余垃圾或混合生活垃圾，预处理工艺较简单。（2）对有机垃圾快速脱水减量，有效提高物料热值，与焚烧协同程度较高。（3）预处理后的浆液采用UBF，UASB 等湿式厌氧消化技术，工艺成熟高效。该工艺缺点：（1）生物水解时间一般需2～3 d，占地较大。（2）生物水解反应器的控制要求较高。比较有代表性的绍兴厨余垃圾处理项目已经运行近2 年。

3 国内主要城市厨余垃圾处理项目建设案例

国内主要城市已经建成和在建的25 个厨余垃圾处理项目见表1。

表1 国内已经建成和正在建设的厨余垃圾处理项目统计（截至2020 年5 月）

根据表1，从数量和规模上看，目前国内厨余垃圾处理以“预处理＋水平推流干式厌氧消化”工艺应用最为广泛，但绝大部分项目均处于在建或调试阶段，其运行稳定性及成熟程度还有待进一步实践验证。“预处理＋立式干式厌氧消化”工艺和“预处理＋湿式厌氧消化”工艺的规模化、长期稳定运行的案例较少。“预处理＋生物水解＋湿式厌氧消化”工艺适宜处理垃圾分类品质一般的厨余垃圾，但该工艺对分类较好的厨余垃圾（如上海）适应性还有待实践验证。

4 结论与建议

我国厨余垃圾品质、数量受垃圾分类效果影响较大，因此对工艺的选择也影响较大。从目前垃圾分类的现状来看，绝大部分城市厨余垃圾分类效果一般，含杂率及含水率均较高，因此工艺的选择应该重点考虑厌氧消化工艺的杂质耐受性，同时考虑厨余垃圾品质上升之后（含水率势必提高）的工艺适应性。

此外，厨余垃圾厌氧消化处理项目应考虑沼渣的出路问题，脱水沼渣焚烧是目前较为普遍的处置方式，此时宜选择脱水沼渣热值高、固渣减量率高的厌氧消化工艺，或者经生物干化、机械热干化后，再进行焚烧处置。部分有有机肥市场需求的城市，可对沼渣进行高温好氧堆肥后应用于农林业，进一步提高厨余垃圾的资源化利用程度。

目前，国内厨余垃圾处理还处于起步阶段，应因地制宜，结合厨余垃圾性状，选择适合的厨余垃圾预处理和厌氧消化工艺。