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生物质固态发酵

作者:微彩票 发布日期:2020-08-15 04:52



  生物质固态发酵_化学_自然科学_专业资料。1.2 我国城市生活垃圾现状 城市生活垃圾(municipal solid waste, MSW )指在城市区划内通过各种形式收 集的人类生活和活动中产生的综合废弃物,包括居民垃圾、街道清扫物、市场垃

  1.2 我国城市生活垃圾现状 城市生活垃圾(municipal solid waste, MSW )指在城市区划内通过各种形式收 集的人类生活和活动中产生的综合废弃物,包括居民垃圾、街道清扫物、市场垃 圾、商业垃圾, 一般不包括污水处理厂污泥和建筑垃圾[1]。 表 1 2000 年我国城市生活垃圾的组分(湿重百分比) 垃圾组分 比重% 厨余 55.5 纸类 5.5 塑料类 7.72 织物类 2.47 竹木果皮 7.89 金属 0.71 玻璃 2.43 渣石 16.3 其他 1.48 目前我国三分之一以上的城市面临“垃圾围城”困局,全国城市垃圾堆存累 计占据土地超过 5 亿平方米,每年的经济损失高达 300 亿元。2004 年,中国固 体废弃物产量跃居世界第一。2010 年全国城市垃圾清运量为 17755 万吨,预计 到 2050 年,城市化程度将达到 70%。同时城市固体废弃物将以每年 10%的速率 增长。 如此庞大的垃圾量, 。卫生填埋的优点是工序简单、投资小,只需要把收集好 的垃圾送到填埋场进行简单的填埋处理即可。 垃圾焚烧法处理是将垃圾放在特殊 设计的封闭炉内,在高温下烧成灰,然后进行填埋处理。处理过程中可进行热量回 收利用, 且处理量大、理速度快, 减容性好。垃圾堆肥就是利用微生物对垃圾中 有机物进行发酵、降解, 使之变成稳定的有机质, 并利用发酵过程产生的热量杀 死有害微生物达到无害化处理的生物化学过程。 其优点是操作工序简单、 投资小, 而且还可在产生有机肥料。具体见下表格。 表2 技术成熟性 适用条件 三种垃圾处理方法的适用范围比较 焚烧 成熟 要 求 垃 圾 热 值 大 于 4 000kJ/kg 经过焚烧,垃圾体积可减少 80-90% ,残渣安全填埋产生 渗沥液处理设施事故下可 能,可采取事故状态下的应 急措施 无 烟气处理不当时,对大气有 一定程度的污染 场区内 高温堆肥 成熟 垃圾中生物 可堆腐物含 量 25-35% 无 对地表水污染 的 可能性 卫生填埋 成熟 适用范围较广范,但入场 垃 圾 需 要 符 合 GB16889-2008 渗沥液处理设施事故状态 下可能,可采取事故状态 下的应急措施 对地下水污染 的 可能性 对大气污染的 可 能性 对生态环境的 破 坏 需要防渗,事故状态下可 能造成污染 设置填埋气导排系统、焚 烧系统,污染可能性较小 限于填埋区以及填埋区周 围 1km 范围内 可能性很小 轻微气味 场区内 占地面积 管理维护难易 程 度 单位投资 处理成本 资源再次利用 大 较容易 最低 最低 基本为零(实施垃圾分类 回收除外) 小 较难 最高 最高 15-60% 中等 较难 居中 居中 10-50% 据我国 2010 年的统计结果,60.7%为填埋,14.7%为焚烧,1.1%为堆肥[2] 填埋场处理存在以下缺点: 1) 占用土地大, 据调查 1997 年我国垃圾堆存侵占土地已超过 5 万 hm2[3]。 采用填埋的方法处理垃圾,到 2030 年中国必须再建 1600 个填埋场。以每个 填埋场占地面积 25000m2 计算,将占用 40 平方千米的土地。 2) 埋层中的有机垃圾成分在厌氧条件下经微生物分解产生垃圾填埋气体 (landfill gas,LFG) ,如果 LFG 得不到适当的处理,将引发一系列危害:① LFG 中甲烷占 40-60%,当甲烷浓度达到 5-15%时,遇火将会爆炸。大量的 LFG 无规则扩散,形成爆炸火灾隐患。②甲烷是一种温室气体,据统计, 全球每年排放的甲烷量约为 5 亿 t,其中有 2200 万0 万 t 来自城市垃圾 填埋场。LFG 是温室气体的主要来源。③气体中微量浓度的硫化氢和硫醇 等化合物是产生臭气之源。 此外气体中还含有一些有毒有害的挥发性有机气 体如二甲苯、含卤化合物等致癌物质。 3) 填埋场严重威胁着周边环境。填埋场使用时间有限,对地下水系、河流造 成二次污染, 并容易引起细菌病毒的传染。垃圾气体及渗滤液会通过底层裂 痕、疏松层、通风道等途径迁移扩散。最终造成环境隐蔽性污染和事故。例 如,土耳其伊斯坦布尔垃圾填埋场出现自燃和堆体滑坡,以色列垃圾填埋场 发生断裂及滑动,菲律宾奎松市垃圾填埋场出现大面积滑坡。 4) 城 市 生 活 垃 圾 垃 圾 中 可 生 物 降 解 有 机 部 分 ( biodegradable organic fraction of MSW, BOFMSW)约占总质量 53% 以上, 包括纸张、纸板、庭院 垃圾和食物垃圾等,采用填埋处理,浪费垃圾中的可回收资源[4]。 1.3 厌氧消化处理城市生活垃圾的优势 厌氧消化是指在没有溶解氧和硝酸盐氮的条件下, 微生物将有机物转化为甲 烷、二氧化碳、无机营养物质和腐殖质的过程[5]。具有以下优点: 1) 厌氧消化能利用城市生活垃圾高含水率与高有机质含量的特性。城市生 活垃圾中有机物含量在 53%以上,可生物降解部分的含水率在 15% ~ 70% 范围内[6],采用其他处理方式需要对垃圾进行干燥除水。 2) 环保效益明显。在处理过程中避免了造成二次污染的有害有毒气体和液 2 体的排放, Kuler( 1999 年)等报道,每吨城市固体有机垃圾用“分选+ 厌氧消 化+ 填埋”方式处理比用“分选+ 堆肥+ 填埋”的方式处理产生的二氧化 碳的量要少 0.2t。因此, 厌氧消化处理可以减少 MSW 的体积和危害, 满足 垃圾最终的卫生填埋要求,是固体垃圾处理工程的重要组成部分。 3) 厌氧消化技术资源化利用彻底,消化结束后的残余物可以用作肥料或者 饲料,能够最大限度的循环和再利用垃圾的成分。 4) 厌氧消化成本低,投资少。垃圾处理设备的费用仅相当于同等处理能力 焚烧设备的 1 /2, 而运行费用低 30% ~ 40%。 5) 经济效益高。厌氧消化处理每吨 MSW 需要 50~ 75 kWh 的电能,处理后 产生的甲烷能够发电 75~ 150 kWh [7](以 31% 的发电效率计算 )。以一个 城市三口之家为例,每年产生约 1t 生活垃圾,若将垃圾全部发酵,产生的 气体量约为 300m3,1m3 可燃气体能发电 1.5kW·h。1t 生活垃圾通过处理可 以提供 400 多千瓦时电能,基本相当于一个三口之家半年的用电量[8]。以 我国 2000 年的垃圾量来估算, 大约可以获得 25 亿 m3 左右的沼气,其经济效 益相当可观。 总之,厌氧消化广泛适用于城市生活垃圾、农产品加工残渣、农作物秸秆等 的处理。它能减少来自工业和农业的污染,缓解化石原料危机。和普通焚烧、填 埋等传统处理方式相比, 具有低能耗、 低残余、 实现资源的回收利用, 工艺稳定、 运行简单、减少污泥处置费用,具有生态和经济上的优点。厌氧消化处理城市生 活垃圾符合循环经济“3R 原则” ,对未来能源结构及城市建设具有重大意义和深 远影响。 2. 国内外本学科领域的发展现状与趋势 2.1 沼气发酵的历史 1776 年意大利物理学家 A.沃尔塔(Alessandro Volta)在沼泽地发现。 1781 年法国人 L.穆拉(Louras Mouras)建成世界上第一个沼气发生器。 1936 年,巴克(H.A.Barker)提出两个阶段的理论,即:产酸阶段和产甲烷 阶段。这一理论没有全面地揭示沼气发酵的本质。 1979 年,M.P.Bryant 根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果,在两阶 段理论的基础上,提出了三阶段理论。 上个世纪 70 年代美国学者 Ghosh 和 Pohland 根据产酸阶段、产甲烷阶段最 适条件的不同,提出了两相发酵工艺。两相发酵分两个反应器进行,第一个反应 器主要进行有机物降解、酸化,第二个反应器利用第一个反应器的产物 H2、CO2 乙酸等生成 CH4。研究发现,单相反应器和两相反应器对蔬菜、水果影响不大。 3 而且由于单相工艺投资少,工艺简单,两级系统较为复杂,两级工艺的商业化应 用只占到城市垃圾处理量的 10%。 2.2 厌氧消化过程 厌氧降解过程包括水解/液化、产酸和产甲烷。具体过程如下:发酵细菌最 主要的利用基质是碳水化合物、 脂肪和蛋白质。这些复杂的有机物首先在水解酶 的作用下分解为水溶性简单化合物, 其中包括单、 甘油、 高级脂肪酸及氨基酸等。 这些水解的产物再经发酵细菌的胞内代谢, 主要转化为一系列的有机酸和醇类物 质而排泄到环境中去。这些代谢的产物中,最多的是乙酸、丙酸、丁酸、乙醇和 乳酸,其次是戊酸、己酸、丙酮、异丙醇、丁醇、琥珀酸等。再经产乙酸细菌的 作用生成挥发性脂肪酸、氢气、一氧化碳和乙酸,最后由产甲烷细菌将 氢气、一氧化碳和乙酸转化为甲烷。主要反应如下[9]: C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+能量(1) 2C2H50O+CO2→CH4+2CH3COOH (2) CH3COOH→CH4+2CO2 (3) 沼气发酵系统中, 发酵细菌所进行的生化反应受两方面因素的制约一方面是 基质的组成和浓度,另一方面是代谢产物的种类以及后续生化反应进行的程度。 基质浓度大时,一般均能加快生化反应的速率。基质组成不同时,有时会影响物 质的流向, 形成不同的代谢产物。代谢产物的积累一般会阻碍生化反应的顺利进 行,特别是在发酵产物中有氢气产生而又出现积累的时候。因此,保持发酵细菌 和后续的产氢产乙酸细菌和甲烷细菌的平衡和协同代谢是至关重要的。一般而 言,发酵细菌利用有机物时,首先在胞内将其转化为丙酮酸,然后根据发酵细菌 的种类的不同和控制环境条件如分压、pH 值、温度等的不同而形成不同的代谢 产物。 2.3 厌氧消化工艺发展史 厌氧生物处理技术发展到今天,已取得了很大的进展,开发出各种厌氧反应 器。根据时间和发展历程一般把厌氧工艺和反应器分成三代。 第一代厌氧反应器(至 20 世纪 50 年代左右)包括化粪池、隐化池(双层沉淀 池)、普通消化池和高速消化池等,主要用于处理生活污水和污泥,包括粪便等。 第一代反应器的特点是污泥龄(SRT)等于水力停留时间(HRT)。 为了使得有机成分 降解彻底和稳定化,必须维持较长的污泥龄和水力停留时间。因此,反应器的容 积大,处理效率低。 第二代厌氧消化反应器(至 20 世纪 70 年代)包括厌氧生物滤池(Anaerobic Filter , AF)、升流式厌氧污泥层反应器(Upflow Anaerobic Sludge Blanket, UASB)、 厌氧膨胀床(Anaerobic Expanded Bed, AEB)、厌氧流化床(Anaerobic Fluidized 4 Bed, AFB)、厌氧生物转盘(Anaerobic Rotating Biological Reactor, ARBR)和厌氧折 流板反应器(Anaerobic Baffled Reactor, ABR)等, 其主要特点是污泥龄与水力停留 时间分开,一般是 SRTHRT。可以在反应器内维持很高的生物量,具有较高的 处理效率,但这些反应器未能解决如何更好地实现微生物与基质的接触问题。 第三代高效厌氧反应器(20 世纪 80 年代)以 EGSB(Expanded Granular Sludge Bed)和 IC(Inernal Circulation)为代表,是 20 世纪 80 年代在第一、二代反应器的 基础上发展起来的,可以有效的扩大微生物与基质接触,从而提高反应效率。此 外,还有在 UASB 反应器的基础上开发出的以处理含高固体的废水厌氧反应器 USR(Upflow Anaerobic Reactor)和把 UASB 和 AF 结合而开发的 UBF(Upflow Anaerobic Bed-Filter)工艺。 另外, 根据水解菌、 产酸菌和产甲烷菌的不同最适生存环境对反应器进行组 合, 形成分离产酸相和产甲烷相的两相厌氧处理工艺,可以发挥各自的微生物菌 群的最佳活性,提高消化效率。 2.4 干法消化的优势 厌氧消化工艺按发酵阶段可分为两相发酵、单相发酵;按含固率可分为湿式 消化、干法消化(又称固态发酵) ;按反应温度可分为低温发酵(20℃) 、中温 发酵(30-36℃)和高温发酵(50-55℃) ;按反应器的进料方式分为间歇式、连 续式发酵。 干法消化是指固含量在 15%以上的厌氧消化。 和湿法相比, 干法消化具有以 下优点: 表3 固含量 反应器 湿式消化和干法消化比较分析 干法消化工艺 TS=20-40% 处理相同体积有机垃圾需要的反应器体 积较小, 系统稳定, 不易短路。 但 TS20% 的垃圾不能单独处理 除了 TS50%以上的垃圾,一般不需要加 大量的水稀释,处理同样的垃圾需水量为 湿式工艺的 1/10 左右, 且与处理中挥发性 有机物损失较少;对杂质的去除没有湿式 的要求高 单位体积内的有机负荷率相对较高 已经实现最大产气率为实际参加反应的 反应器体积的 6 倍 由于盐和重金属的浓度较高,毒性较高, 氨毒性是主要问题。 预处理简单,需要昂贵的传送及消化处理 湿法消化工艺 TS10% 处理相同体积有机垃圾需要较大的反 应器体积, 容易短路及形成沉降和浮渣 层 需添加大量的新鲜水用于稀释, 每降解 3 1t 垃圾需加 1m , 且预处理中挥发性有 机物损失较大(15-25%的 VS) ,对碎 石、木块等杂质的去除要求高。 单位体积内的有机负荷率较低 已报道的最大产气率为实际参加反应 的反应器体积的 2 倍 经过水稀释,毒性问题不严重。 垃圾经过预处理后, 传送和消化处理设 预处理 处理能力 产气率 毒性问题 工艺成本 5 备便宜,但需要大型昂贵的脱水设备。 设备,脱水设备较为便宜。 2.5 国外干法消化技术状况 从 20 世纪 40 年代起, 德国、法国和阿尔及利亚就开始运用批量式干发酵技 术。20 世纪 80 年代,德国、荷兰、瑞士、布基纳法索、尼日尔等国家对干法消 化进行了深入研究。20 世纪 90 年代,德国大量资助新型的间歇式干发酵技术的 研发,在 90 年代末,该项工艺和装备通过了中式,并于 2002 年生产出产业化装 备,投入实际运行。目前,国外的沼气干法消化技术比较成熟,如德国 Bioferm 公司的车库型干发酵系统、 法国 VALORGA INTERNATIONAL S.A.S 公司的仓筒 型干发酵系统、德国 HAASE 公司的干湿联合型发酵系统、比利时 OWS 公司的 渗滤液储存桶型干发酵系统、瑞典的 KOMPOGAS 等大型沼气干发酵系统,已 投入生产性应用,可进行规模化的沼气生产。 1) 德国车库型干发酵系统 该技术特点是没有搅拌器和管道,消化过程不受干扰物质如塑料、木块、沙 石等的影响, 因而不需花费人力和设备将其在发酵前检出。在发酵室中没有搅拌 器等运动部件,因此系统的可靠性很高。 典型代表是德国 Bioferm 公司。 采用车库型沼气干法消化系统, 以牛粪和 50% 的接种物进行中温 (35℃) 消化, 在沼气干发酵开始后的 2-5 天后产气趋于稳定, 甲烷含量保持在 60%-65%之间,产气高峰在 10-28 天内。 Kaiser 等采用德国 Bioferm 公司的发酵系统进行中温发酵,饲草的产气率为 191138L·kg-1 干物质,产气高峰都在前 30 天内。Bhattacharya 等对未稀释的牛粪 和稀释后的牛粪(粪水比为 1:1)在 35℃进行 60 天的干法消化,实验结果表明, 未稀释的牛粪生物可降解性为 30.7%,稀释后的牛粪的生物可降解性为 32.5%, 认为 35℃时干法消化的产气效果与传统湿法消化的产气效果基本一样。 2) 法国气体搅拌的 VALORGA 该系统的特点是主要适用于生活垃圾、工业有机废物,采用中温(或高温) 发酵;干物质含量最高可达 55-58%;停留时间大约 30 天;搅拌方式为罐体底部 均匀射入沼气来搅拌;产气量 158.5m3/t;出料螺旋输送,经压缩后的滤液回流 稀释物料。 6 图2 3) 比利时 Dranco 法国 Valorga 工艺流程 Dranco(Dry Anaerobic Composting)工艺是比利时有机垃圾系统公司(Organic Waste Systems)开发的一项成熟工艺,主要单元是单级高温反应器,该技术特点 是厌氧负荷为 10-20kg COD/(m3·d);温度范围 50-58℃(或中温 35℃) ;停留时 间 15-30 天;每吨垃圾生物气产量 100-200m3;发电率:170-350kWh/t。进料的 固体浓度在 15-40%内。 欧洲现在至少有 4 座 Dranco 工艺大型垃圾处理厂,处理能力为 11 000-35 000t/a。 4) 瑞典的 Kompogas 工艺 图 3 Kompogas 工艺流程 瑞典的 Kompogas 工艺是干式、高温厌氧消化技术,采用典型的卧桶式搅拌 工艺,进料处是转子泵方式的进料,罐内搅拌通过强大的搅拌装置,与 HCF 相 似,一根长搅拌轴,搅拌并推动物料进出,出料为搅拌轴推到出料口,跌落入出 口槽,无轴螺杆提升输出。平均停留时间为 15-18 天。 瑞典的 Kompogas 工艺目前处于发展阶段, 在瑞士、 日本等国家建立大约 18 个垃圾处理厂,其中年处理量在 10 000t/a 以上的有 12 个。 7

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