厨余垃圾干式厌氧发酵的颗粒沉降实验分析及改进对策

刘学忠

(福州首创海环环保科技有限公司，福建 福州 350011)

厨余垃圾的处理是垃圾分类的最后一环，厨余垃圾处理技术水平和稳定性直接关系到垃圾的减量化、资源化、无害化水平。垃圾分类在前端主要的任务将厨余垃圾与其他垃圾进行进行精准分离，经分类运输到末端的厨余垃圾处理厂进行处理和资源化利用。一般来说，规模化、集中式的厨余垃圾处理技术以厌氧发酵为主，产生的沼气可以通过提纯得到生物天然气，或者沼气净化后发电。厌氧发酵过程是厨余垃圾处理厂的核心工艺单元，其运行稳定性和发酵效率至关重要。无论采用干式厌氧还是湿式厌氧，厨余垃圾中密度大于发酵液的颗粒物都可能在厌氧发酵过程中沉降到发酵罐底部，日积月累则会造成有效发酵容积变小、搅拌停止等问题，最后不得不开罐清理[1-2]。

笔者搜索发现目前针对此问题的探讨或研究还很少，因此，研究厌氧发酵过程中不同颗粒的沉降特性对于规避上述问题具有一定的现实需要和指导意义。

1 厨余垃圾厌氧发酵技术特点

1.1 厨余垃圾的性质

厨余垃圾以有机易腐类垃圾为主，包括剩饭剩菜、果蔬垃圾和尾菜等，不同区域经济发展水平和居民生活习惯差异较大，厨余垃圾成分有所不同。而收集运输到处理厂的厨余垃圾品质或成分主要取决于一个城市的垃圾分类阶段、管理要求和习惯养成。按照通俗的说法，只要猪能吃的，就可以认定为厨余垃圾，这易于理解，也符合终端厨余垃圾处理厂对于垃圾分类品质实际需求。良好的垃圾分类品质是提高厨余垃圾资源化利用的先决条件，但是，经过实际考察，厨余垃圾中往往还有骨头、海鲜壳、塑料等，这些物质不仅无法通过厌氧发酵实现资源化利用，还存在不利的影响。

东部某沿海城市是全国46个垃圾分类试点城市之一，经过近半年对福州市的厨余垃圾进行取样分析，其成分平均统计如表1所示。

表1 厨余垃圾的成分(质量比)

可以看出，厨余垃圾的含固率为25.2%，其中有机质含量87.0%，其它无法厌氧降解的贝壳、骨头、塑料等杂质含量为13.0%[3-5]。

1.2 厨余垃圾厌氧发酵技术

根据发酵罐内物料总固体物质(TS)含量和粘度的高低，厌氧发酵大致可以分为湿式厌氧、半干式厌氧和干式厌氧三种。湿式厌氧发酵罐中TS浓度一般小于8%，粘度较低，流动性好；干式厌氧发酵罐中的TS一般大于16%，粘度较高，流动性差；介于两者之间的一般称为半干式厌氧。显然，干式厌氧对比湿式厌氧，其所处理的有机物TS更高、水分更少。从表1可以看出，厨余垃圾的含固率在25.2%左右，经过去除贝壳、塑料等，刚好适合于采用干式厌氧发酵。若采用湿式厌氧，则意味着需要加水或回流大量沼液稀释厨余垃圾，方可保证罐内物料的含固率较低。

厌氧发酵过程除了控制pH、温度、VFA、碱度等生化指标外，还必须设计可靠的搅拌方式，促使投入发酵罐的厨余垃圾与微生物充分混合接触，保证均匀流动和传质，从而提高微生物接触效率。发酵液中颗粒物料等的沉降将在实际生产中无形增加了发酵罐内死水区域，有效容积随之下降，在有机负荷不变的情况下处理量也将下降[6-9]。

1.3 厨余垃圾干式厌氧发酵相比湿式厌氧发酵的优点

(1)厨余垃圾的预处理精细度要求下降，粒径4～7 cm的即可进发酵罐，不需要细破碎和制浆。

(2)厨余垃圾中含有的骨头、贝壳、玻璃渣等难以在预处理去除的，进入干式厌氧不会影响工艺，如沉淀、堵料等，生产更加稳定。

(3)有机质利用率更高，则厨余垃圾的资源化利用率更高。好比吃苹果，干式厌氧可以吃掉整个苹果，而湿式厌氧则只能吃用苹果榨出的汁，显然前者可以将苹果吃干榨尽，而后者则不可以，因此干式厌氧的吨进厂垃圾产气率更高，废渣更少。

(4)干式厌氧发酵底物浓度高，有机负荷是湿式厌氧的两倍以上，同样的处理需要，厌氧罐容积至少减半，占地更少、投资更省。

2 厨余垃圾干式厌氧的颗粒沉降情况试验分析

虽然厨余垃圾采用干式厌氧技术的优势之一是降低了厨余垃圾的预处理要求，可以“吃粗粮”，但是，这是相对的，不是绝对的。厌氧罐内的发酵物料依照化工原理属于非均相混合物，包含流相和固相两相物系。无论流体处于运动或者静止状态，只要固体颗粒重力大于流体的浮力及相对运动摩擦力的合力，颗粒依然会沉降。流相与固相之间的相对运动可以分为：(1)固相颗粒处于静止，流体绕流；(2)流相处于静止，固相颗粒沉降；(3)固相颗粒与流相都相对运动。

2.1 试验方法

(1)分析颗粒粒径、密度

从厨余垃圾中筛选出具有代表性的贝壳、骨头、土豆、柠檬，分别在天平上称重，然后分别放入盛满250 mL清水的500 mL烧杯中，根据容积变化测得上述颗粒的体积，测量数据和计算数据如表2所示。

图1 试验照片

表2 颗粒物料性质

表3 颗粒沉降速度

表4 发酵底物的性质

(2)颗粒在发酵底物中的沉降速度观测

将干式厌氧发酵罐内的发酵液倒入200 L的桶中(口径460 mm，高度560 mm)，将筛选出来的贝壳、骨头、土豆、柠檬用细绳穿孔挂住，没入发酵液中。用秒表开始记录时间，通过测量细绳的浸没长度测得沉降的深度，除以时间从而计算得出沉降速度。

(3)发酵底物TS浓度和粘度分析

用250 mL量筒量取250 mL发酵液并在天平上称重测得发酵液密度；然后置于坩埚内，将含样品的坩埚放入干燥箱，在(105±2)℃下干燥至恒重，测得发酵液总固体含量(TS)；用NDJ-8S型旋转粘度计测得发酵液的粘度。

3 结果与讨论

对球形颗粒的自由沉降速度，虽然已有大量的研究工作，但有关非球形颗粒、特别是非球形颗粒群自由沉降速度的研究还有待进一步完善[4]。谢洪勇等总结近年有关非球形颗粒及颗粒群的自由沉降速度和阻力系数的实验与理论研究结果，给出了非球形颗粒及颗粒群的自由沉降速度的理论计算公式为：

从表5看出，实验测得的沉降速度中，贝壳的沉降速度最快，土豆、骨头、柠檬的基本一致。究其原因，笔者初步分析认为：贝壳的密度最大，表面较光滑，受其它颗粒的影响较小；骨头密度虽然与贝壳接近，但其外表形状不规则，受到的干扰较大；土豆和柠檬的密度虽然与发酵底物的密度比较相近，但是由于其直径较大，沉降速度与高密度的贝壳和骨头等物质相似。

表5 颗粒的实测沉降速度和理论计算沉降速度

实测的沉降速度比理论的沉降速度低很多，笔者分析主要原因有以下几点：

(1)干扰沉降：发酵底物中的颗粒沉降属于干扰沉降，沉降过程中如果悬浮颗粒的浓度较大，则颗粒彼此间会相互影响。此时颗粒的沉降过程除了受颗粒流体力学的支配外，还与颗粒流体的物理化学现象有关，这种沉降速度难以进行理论计算，通常要实验测定。

(2)颗粒形状的影响：骨头、贝壳、土豆、柠檬等颗粒表面既不光滑也非球形，呈不规则形状，阻力系数还受颗粒形状影响。即使同一种形状的颗粒，由于它们相对于流体的流动方向位置不同，迎流面积不同，阻力系数也就不同。

4 干式厌氧相关的设计及其运行对策

根据上述实测沉降速度，若发酵液位为5 m，假设没有任何干扰，当量直径2 cm的贝壳将在18 h后沉降到罐底，当量直径4.2 m土豆则55 h后沉降到罐底。因此，厨余垃圾在干式厌氧发酵过程中，若出现贝壳、骨头等颗粒的持续沉降，随着时间的推移，厌氧罐底将因颗粒沉淀物的堆积和压实，导致搅拌器的扭矩逐步增大并最终停止运转。倘若发生该情况，最糟糕的情况就是停止运行和清罐，不仅造成非生产时间增多，人力和物力也浪费严重。因此，在厨余垃圾的预处理、干式厌氧的设计和运行方面，根据颗粒沉降有关理论研究和本实测数据，笔者提供一些改进建议：

(1)在设计方面：第一，厨余垃圾的预处理必须要用破碎机将较大的瓜果蔬菜、骨头贝壳等颗粒撕碎到直径3 cm以下，减少颗粒尺寸和增加非球形度，并且要有滤水或脱水措施，保障进干式厌氧罐的厨余垃圾总含固率在30%以上。这样不但可以减少干式厌氧罐颗粒沉降的风险，而且可以提高有机质的资源化利用率；第二，设计接收园林垃圾等干料的装置，便于在发酵罐底物总含固率低时添加干料；第三，厌氧罐的搅拌器结构要具备翻动底部沉积颗粒的功能。

(2)在调试方面：厌氧罐接种期间，要控制接种污泥量和浓度尽量高一些，保证厨余垃圾启动进料负荷高的情况下也不会酸化，从而尽快提高发酵底物浓度，快速提高发酵底物的粘度和密度，从根本上防止颗粒物质沉降。

(3)在运行方面：日常分析厨余垃圾的品质和发酵底物的总固含量、粘度和密度。发酵罐内总含固量低时，可以采取以下措施：第一，厨余垃圾池加快滤水和排渗滤液，以及预处理阶段采用挤干等，提高进罐厨余垃圾的含固率；第二，厌氧罐脱水污泥回流或加园林垃圾等，提高罐内含固率。

5 结 论

采用干式厌氧发酵技术，厨余垃圾简化了预处理，有机质的资源化利用率明显提高。但是，由于厌氧罐内发酵液流体中固态颗粒含量高，在流体粘度下降、物料含固率下降以及搅拌停止等特殊情况下，若固态颗粒沉积到罐底，将难以再通过搅拌等外力实现固液搅匀。因此，干式厌氧的颗粒沉降问题必须引起重视。通过实验数据研究，因颗粒基本均是非球形，沉降的干扰因素较多，实际沉降速度比理论沉降速度小，在设计计算和运行管理时，注意做好搅拌叶片结构设计、控制进料粒径、调节发酵罐物料的粘度、含固率等，可以有效防止发生沉降问题。而且，通过颗粒沉降速度的实测，有益于在实践中总结出最长可接受的无搅拌时间，避免造成难以接受的开罐清理。