厭氧發酵基本原理
厭氧發酵是垃圾中的有機物在特定的厭氧環境下,多種微生物對有機質進行分解,最後將其中的碳以甲烷和二氧化碳的形式釋放出來的過程,其主要反應:
根據微生物作用的不同及產物的不同,垃圾厭氧發酵通常分為4個階段,見表2。
表2垃圾厭氧發酵4個階段的微生物和產物
垃圾厭氧發酵技術
垃圾厭氧發酵技術是從城市汙水處理廠對汙泥的厭氧消化處理技術發展而來的,它是將垃圾放置在可加溫和攪拌的密封反應器(消化池)內完成反應過程,從而有效縮短發酵周期,並保證垃圾滲瀝液和產生的氣體不洩漏於環境中。垃圾厭氧發酵產出的氣體主要為生物氣,可用於發電。
20世紀70年代後期,第一個具有生產規模的厭氧堆肥廠在美國的佛羅裡達州建成。隨著垃圾分類收集的開展,厭氧發酵在美洲特別是歐洲得到很大發展。根據De Baere的資料,歐洲垃圾總的厭氧處理量由1990年的12.2萬t/a發展到2000年的100萬t/a,增長了720%。歐洲的有機垃圾量有四分之一是經厭氧處理的。部分厭氧發酵工程實例見表1。
表1垃圾厭氧發酵工程實例
厭氧發酵工藝流程
厭氧發酵工藝主要用來處理有機生活垃圾。在垃圾混合收集的情況下,厭氧發酵工藝首先需要進行預處理,以分離不可發酵部分。對於分類收集的垃圾,由於分類的不徹底,往往也需要預處理。因此,厭氧發酵工藝一般由分選預處理、厭氧發酵、後處理(沼氣利用、殘渣堆肥等)3部分組成,其主要工藝流程見圖l。
圖1垃圾厭氧發酵工藝流程
厭氧發酵分類
根據不同的評價指標,厭氧發酵有很多不同的方法。在實際應用中,通常根據待處理廢物中有機固體含水量大小分為幹法和溼法兩大類。幹法發酵要求垃圾的含固率一般為24%~40%[41,基本上保持了經分選預處理後的生活垃圾的原始狀態,因此對進料的預處理要求比溼法簡單,一般不需要再給垃圾加水,但幹法為了滿足廢物高黏度的需求,所需設備往往比溼法昂貴。另外,幹法發酵產生的廢水量很少,廢水處理所需費用較少。
溼法發酵垃圾的含固率一般10%~15%,需要給垃圾加大量的水,所產生的廢水比較多。由於溼法中的漿液處於完全混合的狀態,因此更容易受到氨氮、鹽分等物質的抑制。
幹法和溼法發酵產生沼氣量基本相等,由於幹法發酵含固率高,其反應器的容積負荷比溼法大,但溼法發酵由於物料處於完全混合狀態,更利於微生物的接觸,有些情況下反而比幹法需要更小的反應器容積。我國城市生活垃圾經分選後,需處理的垃圾中含有30%以上的乾物質成分,因而更適於採用幹法發酵工藝,而餐廚垃圾含水率較高,一般可達85%以上,故適於利用溼法發酵工藝進行處理。表3給出了典型幹法和溼法發酵的一些參數對比。
由表3看出,幹法和溼法發酵工藝產氣效率是一樣的,容積負荷率也相差不大,但溼法發酵需水量大,產生的廢水量也大很多,而且溼法發酵的分選預處理要求較高,進入發酵反應器的垃圾僅佔總垃圾量的40%。但溼法的發酵產物較少,而且由於分選徹底,溼法發酵產物的質量要高於幹法發酵。
表3幹法與溼法發酵比較
我國的城市生活垃圾管理正逐步從單純的末端處理向源頭治理和綜合管理的方向發展,在全球能源緊缺和科技高度發達的今天,城市生活垃圾是可以加以利用的寶貴資源。隨著人民生活水平的提高和垃圾分類收集工作的推廣,採用厭氧發酵技術處理城市生活垃圾將成為一個非常重要的垃圾資源化處理方式。
針對我國目前混合收集的城市生活垃圾,經分選預處理後的有機部分宜採用幹法厭氧發酵工藝,對於餐廚垃圾、庭院垃圾、糞便垃圾等高含水率的垃圾,宜採用溼法發酵工藝。