有机垃圾高浓度发酵产沼气新技术

人类制造了垃圾,并因此而深受其害。如何在发展经济的同时保护好人类的生存环境,已经越来越引起各国政府的关注。垃圾处理工艺需要不断地进行技术创新,有时甚至是观念的更新,这样才能早日达到人们梦寐以求的垃圾……

人类制造了垃圾,并因此而深受其害。如何在发展经济的同时保护好人类的生存环境,已经越来越引起各国政府的关注。垃圾处理工艺需要不断地进行技术创新,有时甚至是观念的更新,这样才能早日达到人们梦寐以求的垃圾 “无害化、资源化”的理想境界。

有机垃圾高浓度发酵产沼气新技术

“这种采用先进氧化酵后厌氧发酵工艺,可用城市有机垃圾产生高浓度的沼气。它适宜处理总团体含量为30-40%的城市有机生活垃圾,能避免直接厌氧发酵生产沼气工艺存在的启动漫,处理周期长及容易造成酸中毒的问题。

使发酵周期缩短为15~20天,沼气产率平均为0.3m3[infoil]/3·d,最高达0.6m3/m3·d,发酵后的有机垃圾含水量低,有利于生产有机复合肥;除虫卵和灭病菌效果好,大肠杆菌降到1%,蛔虫卵死亡率达100%,整个发酵过程不存在废水、废气对环境的污染。该技术适合于不同规模的垃圾处理。(科技日报/8.21)”

厌氧产沼效率比较

应该看到,在垃圾仓中的厌氧发酵环境与现行专用的厌氧发酵装置相比还是有差距的,主要表现在:1.垃圾无法搅拌;2.垃圾压实密度高;3.不可能使垃圾处在液态环境中。这将导致在“分仓熟化”工艺下的发酵熟化周期不会在短时间内完成,而要延长至数月,甚至1年。

然而更应该清醒地看到,“分仓熟化”工艺具有能够超大量消纳城市垃圾这一无与伦比的优势,是任何现行专用的厌氧发酵装置所无法比拟的:前者可以“鲸吞”全城生活垃圾,从根本上解决垃圾围城问题;而后者只能做些“小动作”。

与现行“分层覆土填埋”工艺相比,“分仓熟化”工艺在厌氧产沼效率方面更具有无可争议的优势。由于封闭效果的不同,前者只能收集到到沼气产生量的5%左右,而后者可达到90%,比较如下:

按分层覆土填埋工艺模式

在此工艺模式下,必须是在大型填埋场运营中、后期才有可能实施沼气采集工艺。中小型填埋场,或者是大型填埋场运营初期,垃圾填埋量一般都难以满足使建厂采气产生效益,或者至少可以收回成本。故一般都听任填埋气排入大气中。

垃圾产沼的必要条件是必须与空气隔绝。在分层覆土填埋条件下,原生垃圾入场后一般需要过3~5年才能勉强处于厌氧环境中,所谓“勉强”是指:虽然经过3~5年时间,先前入场填埋的垃圾已经被后续入场的垃圾所层层覆盖(估计覆盖厚度不少于6米),但填埋场内众多导气盲沟和竖向井却一直是在阻碍厌氧环境的形成。

凡实施过分层覆土填埋工艺的人可能都有这种体会:取消导气盲沟和竖向井是断不可行的,在填埋运营过程要真正要做好它也不容易,最后当要抽取沼气时要封堵众多竖向井又是一件令人头疼的事。

况且,长期暴露在大气环境中的垃圾已经自然熟化得差不多了,此时再进入厌氧产沼流程已经损失了许多。至于由此对大气造成的环境污染就更不用多说了。

按分仓熟化工艺模式

在此工艺条件下,首先应将沼气的加工设备和储气罐实施到位,而后才能进行分仓熟化作业。这样就可以依次对已经填满封仓的垃圾仓采集沼气,且不论填埋规模大小均可适用。这一点与上述分层覆土工艺下,采集沼气必须是大型填埋场,且只能在运营后期进行有很大不同。

分仓熟化采用的是各个击破战术,各个不同时期入场的垃圾是被单独储存的,互相独立。单个垃圾仓填满后立即封仓进入全封闭状态,仓内氧气将被迅速耗尽,而后转入厌氧产沼阶段。每一个垃圾仓都将受到跟踪观测和监控,仓内垃圾腐熟程度如何,气体成分、气压、含水量、温度等一切人们关心的数据都可以得到,并以此进行有效的人工控制。

由于熟化垃圾被处理后原地又可以重新容纳新垃圾,故场地可以重复利用,这也就意味着采集沼气的过程将永无止境。假定以一日产1000立方米垃圾(压实体积)产量的城市计,填满一个直径30米、高35米的垃圾仓约需要25天左右。若按单仓垃圾熟化周期为1年计,该城市只要征用15个垃圾仓位的土地即可满足循环使用。对于垃圾日产量在数千吨以上的大城市,则应选择数仓同时作业。

为综合处理建造的垃圾仓因不必实施“围合成型”工艺,故没有必要象实施填埋场那样多排紧密排列。单排靠近焚烧厂(或其它综合处理设备)即可。另外,原生垃圾的垂直运输还可以考虑采用稳定性较好的门吊,熟化垃圾的取出应配置高效率的挖掘机和输送机械。

焚烧熟化垃圾

垃圾厌氧产沼希望含水量越大越好,而垃圾焚烧则希望含水量越小越好。这是一对矛盾,但只要因势利导就能化解此矛盾。因无实施先例,姑且作如下推测:垃圾在厌氧熟化过程中需要消耗大量水分,为提高沼气产量(实际也是加快熟化进程)应人工补充水分(或有利于甲烷细菌繁殖的营养液),使仓内垃圾保持有较高含水量。而当厌氧产沼高峰期已过,呈逐渐减缓趋势,则可停止补充水分,任其沼气产量和垃圾内水分同步减少。最后当沼气日产量已经达到下限值时,停止采集沼气并转向强制脱水:在仓体周围均匀插入通气管并加大仓内集气箱的真空度,通过强制通风来使基本腐熟稳定的垃圾趋于进一步脱水。

原生垃圾之所以难以焚烧,就是因为生活垃圾中含有大量高含水量的瓜果类及厨余垃圾。它们在脱水前不可能自燃,必须消耗垃圾中的其它成分,如包装物之类的燃烧热能,当垃圾中的可燃物质不足时还必须向焚烧炉内喷射助燃剂。因此,无论人们怎样改进焚烧炉,只要是焚烧原生垃圾都不可能获得理想的高效率。

垃圾熟化并脱水后情况就大不一样了:垃圾中的无机物基本无变化,而其中的可腐有机物(如厨余垃圾、动植物等)却发生了很大变化。熟化后的可腐垃圾不仅体积缩小,质量减轻,而且因其已基本脱水,入炉后即可直接自燃。

另外还有一点很重要:经验告诉我们,凡腐熟后的物质通常是不耐烧的,例如:取同样体积的两段木料,一段是潮湿的新鲜树枝,另一段是干燥的朽木进行对比焚烧……,不难想象,结果同样是化为灰烬,而后者所耗费的时间将远远少于前者。再比如:在我国西藏、青海地区常以干燥的牛粪作为燃料。

但是如果我们将新鲜的牛粪投入焚烧炉燃烧结果又会如何?毫无疑问:在相同的焚烧环境中,焚烧熟化垃圾的效率将远胜于焚烧原生垃圾。另外,对于一些老式的焚烧炉来说也许是获得了一个起死回生的好机会:焚烧原生垃圾被判定为不合格,但焚烧腐熟垃圾也许未必不合格。

每天的焚烧量还可根据炉子状态进行人为调节,能烧多少取多少,如遇焚烧炉发生故障,可随时熄火检修。而焚烧原生垃圾由于缺少分仓熟化环节进行缓冲,来量多了“吃不了”,来量少了“吃不饱”,常常很被动。

焚烧高含水量的原生垃圾会产生大量有害气体,固体污染物消灭了,气体污染却因此而产生了,这一直是困扰环保专家的棘手难题。而干燥的熟化垃圾因其十分有利于燃烧,故有害气体必定会大量减少。

垃圾经焚烧后杀灭了细菌,并形成惰性残渣,这就为下一步“分选”作业创造了有利条件。垃圾中的有机物经焚烧后已经“化为灰烬”,这一类呈粉灰状物质可通过风力分选工艺轻而易举将其分离出。其余在焚烧炉中难以改变性状的无机物,如金属、玻璃及建筑垃圾等也可选择其它分选工艺进行分选,以便进一步回收利用。

经焚烧后的垃圾体积已经大幅度减少,且经过高温杀菌并完全脱水。所有这些因素都将大大有利于各种分选机械的运用。

现行的分选工艺一般都放在综合处理的首位,也就是说分选的对象是高含水量的原生垃圾。事实上,无论是采用人工或者机械,分选这种呈粘糊状的原生垃圾很难获得高效率,更何况在分选过程中原生垃圾所散发出的恶臭十分有害于操作工人的身心健康。

综上所述,采用新工艺处理垃圾不仅不会排斥对现有焚烧炉及垃圾分选设备的利用,相反,只会大大提高现有环保设备的使用效率。

实施模式及经济效益分析

现仅以近期建设一个垃圾填埋场,且不考虑远期焚烧及其它综合利用项目为例,简述垃圾填埋场实施模式及经济效益分析。

实施模式

近期实施垃圾填埋建设项目可主要由建设方(即市政府)、垃圾填埋承包商和沼气利用承包商三方组成。各自应承担的义务如下:

政府方面:在工程前期投资填埋场征地和建设进场道路。在垃圾填埋场运营期间按垃圾填埋量(即按已填埋垃圾仓个数)付款给垃圾填埋承包商,据笔者测算,每立方米垃圾约为8元,注意:此费用不包括垃圾最终围合成型的费用,如果计入此费用,则每立方米垃圾约为16~20元。

垃圾填埋承包商:在工程前期投资购置(或租用)起重和碾压设备,建造生活用房和招募操作工人。在填埋场运营期,根据建设方偿付的填埋费建造垃圾仓和敷设地下排水管道等。

沼气利用承包商:提供所有有关填埋气收集、储存和加工设备。当沼气产生效益后由政府负责有偿收购,使该承包商得益,不仅能够收回全部设备投资,还应当有利可图。在获得适当利润后将全部设备移交建设方管理。

政府偿付给沼气利用承包商的费用实际是由享受沼气效益的城市居民付费有偿使用。

经济效益分析

基建费:现行的无论哪一种垃圾处理工艺都必须由政府首先投入高额的基建费,动辄数千万甚至上亿!但采用本工艺政府只需提供进场道路和填埋场征地费用即可。而且,征地费也不必一次性付出,可根据垃圾填埋仓的建仓速度,每隔1~2年逐步扩大征地。

运营费:每立方米垃圾的填埋费约为20元(其中包括垃圾仓围合成型费),应由政府向生产垃圾的市民和单位收取,再由政府偿付给垃圾填埋承包商。

垃圾填埋承包商一般自备有起重设备和碾压设备,他首先只需垫入少量资金购置2~5个垃圾仓的费用即可。等这几个垃圾仓填满,政府应偿付的填埋费也可到位了。而后可以利用此费用继续建造垃圾仓、铺设排水管。

垃圾仓最终围合成型的费用(即:20-8=12元)可由政府保管,不必交给垃圾填埋承包商。只有在最终实施围合成型时才付给垃圾填埋承包商。

若远期采用分仓焚烧工艺,则垃圾填埋费为8元/m3,原用于围合成型的12元/m3可用于建造焚烧炉。

沼气经济效益:根据杭州天子岭垃圾填埋场提供资料:一吨含39%有机物的生活垃圾能够产生约90立方米沼气[4]。按沼气单价0.8元/m3计(苏州管道煤气价格为0.95元/m3),回收率为90%,则每吨垃圾经济效益为:90×0.9×0.8=64.8元/吨。若按垃圾压实容重为0.8吨/m3,则每立方米垃圾的经济效益为:64.8×0.8=51.84元/m3。

扣除部分偿付给沼气利用承包商的费用后,仍有可观结余,可由政府用于回收建设进场道路和征地费用。

从技术角度而言,生活垃圾的无害化和资源化已经不再是遥远的奢望,近在咫尺.无论对生活垃圾采用何种综合处理工艺,“分仓熟化”应放在首位。焚烧熟化垃圾固然是一种很好的选择,但却并非是唯一的选择,对于熟化垃圾其它处理方法还有待于有关专家进行更多地试验和研究。

城市生活垃圾的综合处理工艺是一门涉及面甚广的交叉型学科,需要集中各方面专家的知识和智慧。

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