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厨余垃圾处理技术适应性分析及能源化研究

厨余垃圾分类作为垃圾管理的先进理念,符合生态和环境友好的目标。同时,厨余垃圾的分类处理,应当结合我国的实际,实现资源和能源化利用。


在我国现实情况下,厨余垃圾与焚烧发电协同处理,将厨余垃圾机械生化处理的产物进行焚烧发电利用,是比较现实可行的途径。


MYT技术是一种对厨余垃圾中有机质进行水解后再进行挤压分离实现快速脱水的机械生物处理技术,分离出的有机质液相厌氧消化后进行沼气能源利用,脱水的固相物料含水率可达到40%,很容易通过焚烧发电设施进行处理和能源利用。


近年来,国家发改委、住建部大力推进46个重点城市的生活垃圾分类管理实施方案或行动计划,各级主管部门也在努力贯彻习近平总书记关于垃圾分类工作的重要指示精神,垃圾分类已经成为加强生态文明建设、促进绿色发展的重要举措。


厨余垃圾分类作为垃圾管理的先进理念,符合生态和环境友好的目标,正在成为我国垃圾管理领域的重要工作。其实,我国城市生活垃圾分类推广工作也历时十几年,可效果依然不显著。


特别是对于有机垃圾分类和分类处理,行业内也存在很多困惑。


一方面是对垃圾分类的意义和必要性认识不清,尤其是在垃圾焚烧发展较快的地区,中国特色的垃圾焚烧发电模式以较低的成本价格解决了垃圾的无害化、减量化和资源化问题,认为进行有机垃圾分类没有必要,推进没有积极性;另一方面,对于分类垃圾的处理技术路线和技术选择缺乏必要的经验和认识,严重影响厨余垃圾分类工作的推进。


垃圾分类收集和分类处理是一个系统工程,不仅涉及上游的垃圾分类、中游的垃圾运输和下游的垃圾处理,而且与国家和地区社会经济发展水平、城市建设发展特点、管理架构体制、技术发展水平等密切相关。


1厨余垃圾分类的目标和目的


德国是有机垃圾分类的代表之一,20世纪90年代开展的垃圾分类,具有明确的技术诉求和管理目标。


20世纪80年代的德国,NIMBY意识的加强,尤其是公众对于焚烧设施的强烈反对,地方当局为了减少与社会的冲突,推迟了垃圾处理设施的投资,从而引起了全国垃圾处理设施储备能力的严重不足,即20世纪80年代末的“垃圾处理危机”。


1991年的包装法令代表了垃圾管理的新的措施,发展了包装物新的管理制度和强制性的物质循环概念。1996年的物质循环和废物管理法鼓励了2个发展趋势:私有商业化的垃圾管理和推进生产者责任到更广泛的产品。


而垃圾处理技术指南确定了对填埋场严格的技术要求,由于对于垃圾填埋场渗沥液长期风险和温室气体排放,以及2005年以后对于进入填埋场有机物含量不超过5%的填埋要求,有力推动了有机垃圾的源头分类收集。


同时按照德国的堆肥技术标准,在进行堆肥处理以前必须对有机垃圾进行分类收集,这也是从另一个方面促进有机垃圾的分类收集。


根据要求,在2005年后进入填埋场的有机物含量不能超过5%(根据灼烧减量)。惟一可以达到目标的预处理工艺就是焚烧处理。对于过去没有焚烧设施,或焚烧能力不足的州,建设焚烧网络投资太高,或民众反对建设新的焚烧设施,宁愿进行机械生物处理。


因而,从20世纪90年代开始,机械生物处理(MBT)技术得到了大力发展,尤其是厌氧消化技术,从1992年开始进行分类有机垃圾的厌氧消化处理,到后来适宜各种不同分类程度的厌氧型机械生物处理技术。


我国的垃圾处理危机发生在大约2008年开始的反焚烧运动,主要由于垃圾混合收集,把不该烧的有机垃圾也烧了,高水分低热值的垃圾导致燃烧控制不稳定,是产生二恶英的主要原因之一。


专家建议进行垃圾分类,尤其是有机垃圾的分类,这样有利于提高焚烧垃圾的热值和燃烧控制的稳定性。当然,垃圾分类首先离不开可回收物的分类,有利于垃圾的减量和资源化利用。


但由于我国的国情不同,由于传统习惯和已经存在的物资回收系统,大部分可回收物会在家庭初步回收而不进入垃圾收集系统,过于复杂的分类系统效果并不理想,而在后来的发展中,逐步在一些城市发展为干湿分类。


湿垃圾包括家庭厨余垃圾和城市餐饮垃圾。普遍的认识是,湿垃圾分出去了,有利于干垃圾的回收或焚烧。


从全球范围厨余垃圾分类推进情况看,垃圾分类更是一种先进的理念。因为单从经济和技术的角度,分类的经济性肯定不是目的,而随着MBT技术的发展,分类也并不是生态处理惟一的途径。


通过每一个民众的亲自参与,达到生态的、环境友好的垃圾管理和循环经济目的。厨余垃圾分类只是垃圾分类的重要一环,做好干湿分类,不仅有利于分类回收和循环经济发展,而且有利于处理设施的稳定达标运行。


2厨余垃圾处理技术的适应性分析


2.1厨余垃圾的特点和分类实施效果


从近几年来各地厨余垃圾分类实施情况来看,总体效果不太理想,主要原因:①我国家庭厨余垃圾分类的问题首先还是国情问题。与发达国家相比,我国的人口太集中,城市太大,分类带来的收集和处理的工作量太大,分类处理的出路也差别太大,反过来影响分类的工作积极性、持续性和效果。


②在华东地区一些省市,强调以干湿分类方式进行厨余分类,实施相对简单易行,推进容易,但由于我国家庭垃圾袋装化以塑料袋包装为主,分类厨余塑料袋等杂物含量较高,典型的如杭州、上海浦东的情况。


③在一些试点区域,投入较大的人力物力保障有机垃圾分类效果,可以实现较好的分类,有机质纯度高,如北京、上海的一些试点小区,但付出的代价很大,难以大规模推广和持续。


④大多数城市和地区还没有建设必要的、适宜的厨余垃圾处理设施,也给分类工作带来困扰。分类收集后又混在一起处理,也挫伤了民众的积极性,给分类推广工作带来难度。


2.2技术路线和技术选择


厨余垃圾处理,不管是好氧工艺还是厌氧工艺,最终产物出路和代价都是要重点考虑的因素。


在德国,由于有明确的技术标准,同时小城镇为主的居住模式,垃圾处理的规模和分布合理,分类厨余垃圾可以经过好氧或厌氧消化处理后作为堆肥利用。


而且,有明确的标准规定,经过高温厌氧处理的沼渣可以直接使用,而只经过中温厌氧处理的沼渣在经过180d的简单放置后也可以直接用于农田。由于提供了低成本的最终产物出路,有机垃圾生化处理,尤其是厌氧消化技术得以快速发展。


同时,RDF技术发展和标准的完善,给生化处理产物提供了更灵活的途径。但在我国,在过去几十年环卫行业的实践中,垃圾堆肥农用已经越来越不实际,农业部门也不认可垃圾堆肥可以用于农业。尽管理论上可行,但由于行业管理等原因,垃圾堆肥也很难用于园林绿化营养土。


另一方面,我国城市体量太大,有机垃圾在城镇汇集后,项目的体量都很大,即使转化为优质堆肥,也难以实质性的通过农田消纳。

分类厨余垃圾生化处理后作为堆肥农用的途径在我国大多数城市难以实施。而由于我国垃圾焚烧发电行业的快速发展,将厨余垃圾生化处理的残渣与垃圾焚烧协同起来的途径越来越得到认可和接受,成为更实际的途径。


如上海、绍兴等城市。有鉴于此,与欧洲一些发达国家相比,厨余垃圾机械生物处理工艺要考虑的问题就发生了实质性的变化。更多地要考虑处理残渣的含水率和可焚烧的性能。


2.3处理技术的适应性


MBT技术被认为是过去20a垃圾处理领域最大的技术进步,随着厌氧消化技术的发展和人们对绿色能源的需求,厌氧消化也从处理单纯的分类干净的有机垃圾发展到处理各种程度的混合生活垃圾。


同好氧工艺相比,厌氧技术是一个产能过程,容易实现工艺过程的密封而易于控制臭气,厌氧技术得到越来越多地应用。


在厨余垃圾分类推进较快的地区,干湿分类已经基本上形成共识。在这种情况下,厨余垃圾的处理更应该考虑其成分的复杂性和技术的适应性。


随着垃圾分类工作的推进,尤其是近年来环保督察工作的推进,对于分类厨余垃圾处理的技术需求越来越急迫。同时,几乎全球所有的主要有机垃圾处理技术都以各种方式的合作形式进入我国。


如Kompogas、Eismann、OWS等干法消化技术,德国Wehrle环境的淋滤水解技术,欧洲的高压挤压分离技术等。对于不同的业主,在对技术和工艺路线选择时面临极大的挑战和困惑。


首先应该理解不同处理技术的特性和对物料的适应性。干法厌氧消化技术的特点是,在物料固含量高于25%的时候,物料中的重物质和轻物质由有机质裹在一起,不会沉淀和漂浮。


所以,干法消化技术对于垃圾分类收集和预分选的效果要求可以不高;而在固含量低于20%的时候,发生重物质的沉淀和轻物质的漂浮,系统就会失稳,就不能正常运行。


由于我国居民生活习惯特点,如果厨余垃圾分类效果真的好,厨余垃圾中的含水率会大于80%,甚至85%以上,这时干法消化工艺的稳定性就有问题。


传统湿法消化通常要求固含量低于12%,要求将惰性物尽可能去除,避免在反应罐内的沉淀物和漂浮物的积累。因而,湿法消化对垃圾的预处理要求较高。


同时由于需要加入工艺水,水处理的工作量较大,也是需要事先考虑的。所以,垃圾分类的好坏程度会影响技术的适应性,同时,不管是干法消化还是湿法消化,都要从全流程角度考虑沼渣脱水和随后的沼渣、沼液处理及出路的问题。


从厨余垃圾处理和利用的全流程角度及从环境影响和全成本角度,以下几点需要考虑:①技术成熟,有足够长的稳定运行经验;②流程简捷,流程越长可能出现的问题越多,成本越高;③对物料的适应性好,以应对不同分类效果的垃圾;④产物出路明确,不会带来更复杂的问题;⑤资源化、减量化、无害化效果好;⑥二次污染控制,尤其是臭气控制效果好;⑦从全流程角度考虑,较低的全成本。


3淋滤水解技术:一种能源利用最大化的生态处理技术


3.1MYT技术


今天在我国垃圾处理行业发生的反焚烧、反填埋的所谓“邻避”现象,在欧洲垃圾处理行业早20~30a就发生了。由于民众对于二恶英的担忧和对于填埋场地下水、大气的长期危害的担忧,出现了反焚烧、反填埋的浪潮,导致了20世纪80年代的“垃圾处理危机”,新的处理设施难以建设,而已有的填埋场几乎填满,难以可持续发展。


由此促进了垃圾处理领域的一系列变革,其中一项就是欧盟的垃圾填埋导则,要求从2005年起,进入填埋场的垃圾中有机物不能超过5%,也就是禁止原生垃圾填埋。


MYT技术就是在这样的背景下产生的。


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图1 Kalenberg 项目全景(建立在原垃圾填埋场旁)


位于德国巴登符腾堡州西南部的Kalenberg生活垃圾处理项目(图1)所采用的MYT技术,是Whrle环境在德国20世纪80年代垃圾处理危机和90年代垃圾管理变革后发展的以能源回收最大化和环境影响最小化为目标的机械生物处理技术。


由于德国的法规要求进入填埋场的垃圾有机物不能超过5%,而当地人又不愿意进行焚烧处理,德国维尔利和当地垃圾主管机构ZAK一起发展了MYT技术。从2006年完成400t/d项目实施,该项目已经成功运营12a以上,完全替代了焚烧技术,实现了垃圾的能源化利用。


其工艺原理,可将任何程度分类或不分类的生活垃圾视为有机物和可燃物的混合物,通过淋滤水解工艺,将易生物降解有机质水解酸化并进入液相,通过挤压脱水与可燃物部分分离,浆液进行厌氧消化产生沼气生物能源进行利用,而分离出的固相组分是含水率40%左右、低位热值为6688~8360kJ/kg的高热值物料,如果再经过生物干化到含水率10%后,热值可达12540~16720kJ/kg,成为适合水泥窑、发电厂等工业窑炉使用的RDF燃料,其原理见图2。


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图2 MYT技术原理


该项目在德国处于技术领先地位,采用了全方位的环境保护技术,实现了与环境的和谐协调,与80m外的居民区和谐相处。


图3为预处理分选线,其设备全部密封,并用管道直接抽气处理,车间不会有粉尘和臭味。


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图3 预处理分选线


图4为淋滤反应器系统挤压脱水车间。



图4 淋滤反应器系统挤压脱水车间


图5为淋滤反应器内部物料情况,高出部分为搅拌轴上的搅拌臂。


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图5 淋滤反应器内部物料情况


图6为淋滤处理后的物料,呈现松散的均相物料。


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图6 淋滤处理后的物料


图7为淋滤液的厌氧消化反应器。



图7 淋滤液的厌氧消化反应器


图8为生物干化过程。


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图8 生物干化


图9为RDF分选系统后的分选产物。


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图9 RDF的分选系统和分选产物


图10为除臭系统,可以对不同源地臭气分类处理,采用了化学淋洗、生物除臭、活性炭吸附、RTO等技术的组合。



图10 除臭系统


图11为环境优美和谐的厂区环境。


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图11 环境优美和谐的厂区环境


3.2MYT技术在我国的应用


随着国内分类厨余垃圾处理的不断实践和认识的加深,将厨余垃圾与焚烧电厂协同处理的模式越来越得到重视。厨余有机垃圾又是潜在的生物质能源,通过厌氧技术将有机质转化为沼气能源进行利用,而对不能生物降解和难以生物降解的成分快速脱水后进行焚烧发电处理,是实现资源化和能源化的有效途径。


简言之,就是通过快速的脱水和有机质分离技术,一方面尽可能降低残留固体的含水率以便于进一步焚烧发电处理和利用,另一方面尽可能将有机质的生物质能通过厌氧消化技术转化成为沼气能源加以利用。


这样,既最大化地实现能源利用,又能低成本地实现最终产物的处置。MYT工艺技术进入我国后,根据上述发展要求,对原工艺进行优化改进,发展了更适宜于我国国情的分类厨余垃圾的处理和能源化利用的EMBT工艺。


其特点是,在其破袋滚筒筛高效筛分的基础上,对筛下有机物进行1d的淋滤水解,而后进行挤压脱水分离,分离的固相直接进行焚烧发电处理,挤压的液相通过UBF进行厌氧消化处理,沼气能源利用,沼液经水处理达标排放。


EMBT工艺有以下特点:


1)工艺流程短,预处理工艺简洁,系统及核心设备成熟可靠,经得起运行检验,运行维护简单。EMBT核心工艺包括机械破袋筛分预处理、淋滤水解、厌氧消化。


机械预处理以破袋筛分为主,专利技术成熟,运行效果稳定;淋滤水解有效地将易降解有机质水解并溶于水,再与难降解和不降解可燃物分离开来,高浓度有机水的厌氧处理技术成熟稳定,运行维护简单。


2)全流程考虑,减量化效果明显,没有沼渣处理的问题,投资和处理成本低。由于不降解和难降解物料在水解后就通过挤压脱水分离,不进入后续的厌氧消化,只有高浓度液体参与厌氧消化,残余极少的剩余污泥。因而与传统干法和湿法厌氧消化工艺相比,不存在大量沼渣处理的问题。


3)将垃圾转化为沼气、筛上物、水、高固含量和高热值(含水率40%)固体4个部分,有利于资源化利用和能源最大化利用。4个部分产物都可以方便地处理和利用。有机质脱水效果好,在有焚烧处理设施情况下,由于平均低位热值达到10000kJ/kg左右,最直接高效的方式是筛上物和固相渣全部焚烧发电利用。


4)对厨余垃圾成分变化的适应性好,不挑剔物料。运行实践表明,不管分类效果如何,EMBT工艺对处理厨余垃圾和生活垃圾均有优良的处理效果,不会出现机械堵塞、制约生化的情况,技术适应性好。


5)厌氧系统简单、稳定、有机负荷高、停留时间短、排泥少。EMBT厌氧采用了UBF反应器中温发酵,是非常成熟的技术。厌氧发酵系统高效稳定,相比干法厌氧反应器大幅节约占地、投资及能耗成本。


6)由于采用厌氧形式的MBT工艺,有利于整个过程中利用设备密封和反应器密封控制臭气的产生。


鉴于以上优点,该工艺已经应用于在建的上海松江600t湿垃圾项目,包括机械预处理、水解、厌氧消化、沼气发电和污水处理,产生的固相进入现有的焚烧发电厂焚烧处理。


4结束语


厨余垃圾分类收集和分类处理是一项系统过程,需要明确的指导思想以解决认识问题;需要先导性政策支持,打通资源化利用的产业链;需要切合实际的技术标准,解决机械生物处理的产物出路问题;高效的、生态的、经济的MBT技术,与现有设施的有效协同,是目前厨余垃圾资源化、能源化利用的有效途径。


(作者:张进锋)

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