论文精选餐厨垃圾干式厌氧发酵研究进展 [复制链接]

作者：王炯科1，汤晓玉2，王文国1★

单位：1.农业农村部沼气科学研究所;2.西华大学现代农业装备研究院

项目来源：四川省重点研发项目(YFS；YFH)。

引文信息：王炯科，汤晓玉，王文国.餐厨垃圾干式厌氧发酵研究进展[J].中国沼气，,39（3）：35-41.

餐厨垃圾作为当前主要的城市有机固体废弃物，给社会和环境造成了巨大压力。其高含水率、高有机质、易降解的性质十分适合厌氧发酵。相比于传统的湿发酵，干式厌氧发酵更为适合处理数量庞大的餐厨垃圾，但在餐厨垃圾干式厌氧发酵过程中，存在挥发性脂肪酸(VFA)积累、搅拌困难、传质性差等问题，影响系统稳定性和产气效率。针对以上问题，本文从当前国内外干式厌氧发酵工艺的研究现状、餐厨垃圾干式厌氧发酵存在问题、解决措施等方面进行了综述。

厌氧发酵根据总固体浓度(TS)大小，可分为干式厌氧发酵(TS:20%~40%)、半干式厌氧发酵(TS:10%-20%)和湿式厌氧发酵(TS10%)。

目前，我国餐厨垃圾厌氧发酵多采用中温连续搅拌湿式厌氧发酵工艺。但存在预处理复杂、容易产生浮渣、水消耗量较高、沼液处理复杂、耐受负荷较低、经济性差等缺点。与湿式厌氧发酵相比，干式厌氧发酵反应器体积小、占地面积少、容积产气率较高、加热能耗低、总甲烷损失量低；用水量少，不会出现湿式厌氧发酵中出现的浮渣、沉淀等问题；后处理容易，沼渣可直接作为有机肥利用。因此，干式厌氧发酵更加适合处理餐厨垃圾这样数量庞大的有机固体废弃物，具有广阔的应用前景。

早在20世纪50年代，国外已开始对干式厌氧发酵的研究。其中，欧洲的干式厌氧发酵工艺技术较为成熟且已商业化。国外干式厌氧发酵技术从工艺上分为连续式和间歇式两种。其中，间歇式以德国BIO-FERM、BEKON公司的车库式为主，该工艺的优点是无需搅拌，接种依赖新旧物料的混合，但存在设备结构复杂、投资偏高、操作复杂、系统安全运行要求高等问题。连续式工艺主要有Kompogas卧式推流工艺、Dranco竖式推流工艺、Valorga竖式沼气搅拌工艺和芬兰的Biocel工艺4种，在欧洲已成功推广应用。

我国干式厌氧相比欧洲发酵起步较晚，目前，国内工程应用较少，大多停留在科研机构和高校的实验室研究试验阶段。其中，农业部规划设计研究院研制了覆膜槽生物反应器干式厌氧发酵技术，解决了工程上进出料难、运行成本高、操作复杂等问题。华中农业大学设计了一种卧式螺带式搅拌发酵罐，用于处理畜禽粪便。农业部南京农业机械化研究所设计了柔性膜覆盖车库式干式厌氧发酵系统，实现了原料预处理和厌氧发酵一体化，温度持续稳定，产气效率较高。中国农业机械化科学研究院设计了连续卧式螺旋推流干式厌氧发酵装置。农业部沼气科学研究所自行设计的上推流式厌氧反应器，在进料固体浓度合适情况下，产气稳定，有效解决了猪粪连续干发酵存在的氨抑制和出料难等问题。

国内干式厌氧发酵工程应用案例相对较少，聊城市使用覆膜槽干式厌氧发酵处理畜禽污染物，日处理量t，日产沼气m3；厦门生活垃圾分类处理厂可处理TS高达50%以上的废弃物，并且全自动远程控制，可节水90%，产气效率高；哈尔滨生活垃圾处理工程采用德国车库式干式厌氧发酵可处理TS在50%以上的废弃物。年投入运行的杭州餐厨垃圾处理一期工程以“自动分选+三相提油+高效厌氧”为主要工艺路线，项目采用耐冲击负荷和高固体浓度的利浦罐结构CSTR厌氧反应器，容积为m3，日处理餐厨垃圾t，日产沼气m3，日发电量达kW·h，毛油日产量为5.3t。

干式厌氧发酵因其含固率较高，存在搅拌不均匀、系统传质性差、降解时间长以及有*抑制组分(如VFA、氨氮、金属元素)积累等问题。一般在厌氧发酵系统中，总VFA浓度在mg·L-1或者乙酸浓度在0mg·L-1以上，就会造成酸抑制。这些问题的出现会降低厌氧发酵系统的稳定性和产气效率，进而影响厌氧发酵工程的经济效益。

餐厨垃圾由于其自身高含水率、高有机质、高油脂等特点，在厌氧发酵的实际应用中，主要存在两大问题，即：系统稳定性差、反应器效率低。由于餐厨垃圾自身所含有机质易降解，在厌氧发酵过程中极易造成挥发性脂肪酸(VFA)积累导致系统酸化。餐厨垃圾中的油脂和蛋白质含量较高，碳氮比较低，易导致氨氮、硫化氢和长链脂肪酸积累。这些都会降低系统的稳定性和产气量，并可能导致系统的直接失败。餐厨垃圾反应器效率低表现在：餐厨垃圾厌氧发酵的运行有机负荷较低，大约在1~4g·L-1d-1VS或者水力停留时间较长。有学者在餐厨垃圾厌氧发酵中发现，在水力停留时间为40d时系统失败，当延长至80d时才得以稳定运行。低负荷的厌氧发酵系统垃圾日处理量小，不仅无法满足处理餐厨垃圾的需求，而且经济效益较低，不利于工程长期运行。此外，餐厨垃圾厌氧发酵在工程应用上还存在起泡问题。由于餐厨垃圾中蛋白质和粗脂肪含量较高，容易在发酵系统内起泡，造成发酵系统管道堵塞、反应器炸裂、反应器内底物浓度不均匀、甲烷产量下降等一系列问题，严重影响发酵系统稳定性和经济效益，因此，控制并减少厌氧发酵起泡十分必要。

综上所述，餐厨垃圾干式厌氧发酵主要存在酸抑制、起泡、混合不均匀等问题，严重影响餐厨垃圾干式厌氧发酵的系统稳定性和产气效率。

表1餐厨垃圾干式厌氧发酵问题解决措施

来源：中国沼气