城市生活有機垃圾厭氧消化技術進展
1．概況
目前我國城市生活有機垃圾的處理問題仍然是一項技術難題，進行好氧堆肥的運行成本高，而且肥料質量難以保證；進行填埋會產生大量的滲瀝液及惡臭問題。而在歐洲，通常是采用厭氧消化技術處理有機垃圾的。有機垃圾固含率在30%～40%，含有溶解性物質（如糖、淀粉、氨基酸等有機酸）、纖維素。脂肪、蛋白質等物質，因此可以采用生化方法進行降解。厭氧反應是指在沒有溶解氧和硝酸鹽氮的條件下，微生物將有機物轉化為甲烷、二氧化碳、無機營養物質和腐殖質的過程。厭氧生物處理的優點主要有：工藝穩定、運行簡單、減少剩余污泥處置費用，具有生態和經濟上的優點。在廢水處理中，厭氧消化具有悠久的歷史，目前應用最廣泛的升流式厭氧污泥床(UASB），占67％左右，并子已開發了第二代高效厭氧處理系統，如厭氧顆粒污泥膨脹床（EGSB)工藝。而在有機垃圾處理中，厭氧消化的發展是從20世紀70年代能源危機開始的，特別是近20年發展速度很快。最近研究表明，在過去9年中，采用厭氧消化技術來處理城市團體垃圾的處理廠增加了750%。德國、瑞士、丹麥等西歐國家處于技術領先地位，并已經將此項技術成功地市場化，出現了像德國的Haase工程公司、瑞士Kompogas公司、比利時Organic Waste Systems公司等著名的工程公司。據統計，在德國大約有520座厭氧消化反應器，其中用于城市垃圾處理的大約有49座。相比較而言，美國、加拿大在制定基本政策制度以促進厭氧消化市場化方面還有較大差距。 厭氧反應器組成：密閉反應器、攪拌系統、加熱系統和固液氣三相分離系統。按照厭氧反應器的操作條件如進料的固含率、運行溫度等可分類以下：
1.1按照固含率可分為濕式、干式
濕式：垃圾固含率10%～15％。
干式：垃圾固含率20%～40%。
濕式單級發酵系統與在廢水處理中應用了幾十年的污泥厭氧穩定化處理技術相似，但是在實際設計中有很多問題需要考慮：特別是對于機械分選的城市生活垃圾，分選去除粗糙的硬垃圾、將垃圾調成充分連續的漿狀的預處理過程非常復雜，為達到既去除雜質，又保證有機垃圾進入正常地處理，需要采用過濾、粉碎、篩分等復雜的處理單元（Farneti，1999）。這些預處理過程會導致15%～25%的揮發性固體損失。
漿狀垃圾并不能保持均勻的連續性，因為在消化過程中重物質沉降，輕物質形成浮渣層，導致在反應器中形成了三種明顯不同密度的物質層。重物質在反應器底部聚集可能破壞攪拌器，因此必須通過特殊設計的水力旋流分離器或者粉碎機去除。
干式發酵系統的難點在于：其一，生物反應在高固含率條件下進行；其二，輸送、攪拌固體流。但是在法國、德國已經證明對于機械分選的城市生活有機垃圾的發酵采用干式系統是可靠的。Dranco工藝中，消化的垃圾從反應器底部回流至頂部。垃圾固含率范圍20%～50%。Kompogas工藝的工作方式相似，只是采用水平式圓柱形反應器，內部通過緩慢轉動的槳板使垃圾均質化，系統需要將垃圾固含率調到大約23%。而Valorga工藝顯著不同，同為在圓柱形反應器中水平塞式流是循環的，垃圾攪拌是通過底部高壓生物氣的射流而實現的（Frrteau de Laclos et al）。Valorg工藝優點是不需要用消化后的垃圾來稀釋新鮮垃圾，缺點是氣體噴嘴容易堵塞，維護比較困難。Valorga工藝產生的水回流使反應器內保持30%的固含率，且藝能單獨處理濕垃圾，因為在固含率20%以下時重物質在反應器內發生沉降。
1.2按照階段數可分為單級、多級。
目前，工業上一般用單級系統，因為設計簡單、一般不會發生技術故障。并且對于大部分有機垃圾而言，只要設計合理、操作適當，單級系統具有與多級系統相同的效能。
1.3按照進料方式分為序批式、連續式。
序批式：消化罐進料、接種后密閉直至完全降解。之后，消化罐清空，并進行下一批進料。連續式：消化罐連續進料，完全分解的物質連續從消化罐底部取出。
不同類型的厭氧反應器在市場中占的份額也不同：中溫消化、高溫消化都是可行的技術，實際運行的處理廠，中溫消化占62％；濕式、干式系統各占一半；而單級消化、兩相消化的比重相差大，其中兩相消化占10.6%（DeBaere，1999比利時有機垃圾系統公司（Organnic Waste Systems N. V）。
考慮到工業化的處理廠處理量大多為2500t/a•（噸／年，下同）以上，所以下面主要對大型有機垃圾處理廠的厭氧消化工藝進行分類介紹。
2.工藝及實例
2.1濕式連續單級發醉系統
2.1.1 JVV oy工藝－德國Bottrop處理廠
Ecotech公司在德國柏林建造了處理量30，000t/a的有機垃圾處理廠。工流程圖圖2。分類收集的垃圾經過預粉碎階段和磁選后，進人滾筒篩，分選出有機垃圾與可燃垃圾。可燃垃圾進入流化床焚燒爐，剩余的有機垃圾進入垃圾池，再加水調節固含率至15％。分離出惰性雜質后，通過泵將垃圾輸送到厭氧消化器。
系統包含兩個平行生產線。厭氧消化溫度為35℃，固體停留時間15- 20d。（此工藝也可以在55℃進行高溫消化）。單個消化器容積可達5000m3。反應物質通過生物氣混和攪拌。有機物質經發醉后，再進行巴斯德消毒（70℃，30min )就得到了衛生的肥料。
2. 1. 2 BTA工藝－德國Bavaria處理廠
BTA工藝是由造紙技術發展而來，能處理城市生活有機垃圾、有機商業垃圾（如食品業等）和農業垃圾，是一種成熟工藝，包括單級和多級工藝。
在德國、澳大利亞大約有10個處理量在2000t/a以上的采用BTA技術的單級發酵垃圾處理廠正在運行。如德國Bavaria處理廠，處理能力15000t/a。
2.2濕式連續多級發醉系統
多級工藝原理：按照消化過若翰勺規律，有機垃圾分別在不同的反應器內進行酸化水解、產甲烷。首先將垃圾通過固液分離機分為固體和液體，液體部分直接進人產甲烷階段反應器進行消化1－2d；固體部分進人水解池，2－4d以后垃圾再經過分離，再使液體進入產甲烷階段反應器。經過消化，大約60%-70%的有機物質轉化為生物氣。
2.2.1 BTA工藝－丹麥Helsingor BTA/carlbro處理廠
丹麥Helsipgor BTA/carl bro處理廠即采用此項工藝，本廠建于1993年，處理分類收集的生活垃圾，處理量 20,000t/a。分類收集的垃圾先送到垃圾倉，再經過破袋、破碎、打漿、巴斯德消毒。這樣，垃圾分為液體、固體部分：液體進入消化罐；而固體進入水解池，在水解池中固體分解為有機酸，池內的液體再送入消化罐。
Helsingor垃圾處理廠每年產生大約300萬m3生物氣，用于熱電聯產。垃圾處理廠配有換熱器，可以用厭氧過程中產生的沼氣來在預處理階段加熱垃圾。
2.2.2 TBW Biocomp工藝－德國Thronhofen處理廠
Thronhofen垃圾處理廠從1996年開始運營，處理能力13,000t/a，處理分類收集的有機垃圾和農業中的液態垃圾。
Biocmp工藝是堆肥、發酵的結合。垃圾先經過滾動篩，分離出粗垃圾去堆肥，細垃圾去消化罐。再用手選來去除無機物，用磁選去除廢鐵。細的有機物質經過破碎機破碎后，加水稀釋，使固含率為10%。接著混合物送到貯存池，中溫（35℃）反應池（采用槳板攪拌。停留時間14d）。從一級消化池底部取出的活性污泥送入二級上向流高溫（55℃）消化池，水力停留時間14d。經過高溫消化后，大約60%的有機物質轉化為生物氣。
2.3干式單級發醉系統
2.3.1 Biocel工藝－荷蘭Ielystad處理廠
Biocel工藝是中溫干式序批式有機垃圾厭氧消化技術，處于發展階段。
荷蘭 lelystad處理廠，處理量50000t/a，反應器內垃圾固含率30%- 40％，消化溫度35- 40℃，固體停留時間最少10d。
2.3.2 Dranco工藝－比利時Brecht處理廠
Dranco (Dry Anaerobic Composting）工藝是比利時有機垃圾系統公司（Organic Waste Systems）開發的，是一項成熟工藝。工藝的主要單元是單級高溫反應器，負荷l0kgCOD/ (m3d)，溫度50- 5890，停留時間為20d(15- 30d)，生物氣產量100- 200m3/t垃圾，發電量170- 350kwh/t垃圾。進料的固體濃度在15% -40%范圍內。有機垃圾系統公司已開發出Dranco - Sep工藝，可在固含率5%- 20%范圍內操作。
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