初探德国厌氧沼气工程技术用于中国餐厨垃圾处理的可行性.docx
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初探德国厌氧沼气工程技术用于中国餐厨垃圾处理的可行性
德国厌氧沼气工程技术用于中国餐厨垃圾处理初探
尤宇嘉1杨军华2
北京时代桃源环境科技有限公司
北京市海淀区上地东路9号得实大厦三层邮编:
100085
摘要:
介绍厌氧技术及厌氧工程在德国的产生、发展及应用情况。
并以餐厨垃圾处理为例,探讨德国厌氧沼气技术及沼气工程的成熟经验应用于中国餐厨垃圾处理的可行性。
关键词:
厌氧技术、沼气工程、餐厨垃圾、
1.前言
餐厨垃圾是城市日常生活中产生的最为普遍的废弃物,其主要成分包括淀粉类食物、植物纤维、动物蛋白和脂肪类等有机物。
具有含水率高、盐分含量高、有机物含量高等特点,易滋生病原菌、病原微生物,易腐烂、变质、发臭、滋生蚊蝇。
目前我国餐厨垃圾多作为养殖饲料直接使用,未经过任何处理的餐厨垃圾通过食用牲畜重新进入食物链,危及人类的身体健康;同时地沟油也被收集起来重新炼制成为廉价食用油,在市场上再次流通,危害人民群众的身体健康。
在存在问题的同时,餐厨垃圾因其富含有机物也可作为潜在的能源供应体。
利用餐厨垃圾通过成熟工艺技术获取能源不失为合理的解决方式。
寻找合适的处理技术及工艺值得人们深入探讨。
2.德国厌氧技术及厌氧工程
2.1.德国厌氧工程的发展状况
自20世纪60年代起,厌氧技术在德国就得到初步应用。
至上世纪90年代,厌氧技术的工程使用日益成熟,厌氧沼气工程开始在德国及整个欧洲大规模、广泛投入使用。
根据德国沼气协会数据,截至到2010年,德国境内总共有约5000个沼气工程运行使用,占欧洲全部沼气工程的80%以上。
年发电2000MW,提供的上网电量约占德国全年供电量的2%。
2010年德国政府按照《新能源法》(Erneuerbare-Energien-Gesetz)开始对沼气工程发电进行补贴,进一步促进了厌氧沼气工程的发展。
按照德国政府的规划,到2020年,新能源发电将占德国全年总发电量的43%,替代核能在能源供应体系中的位置。
2.2.德国厌氧沼气工程的分类
根据使用原料的不同,沼气工程所使用的工艺及设备也各不相同。
根据处理对象的不同,沼气工程可分为以下几类:
处理对象
污水
禽畜粪便能源作物
污泥
餐厨垃圾
生活垃圾
进罐TS
1.5-2%
约5%
约3%
10-20%
20-35%
前处理设备
简单
简单
简单
复杂
非常复杂
技术难点
成熟
成熟
高效反应器
垃圾分拣粉碎和高有机负荷率反应器
垃圾分拣粉碎,干式发酵工艺
以上所有使用有机垃圾作为原料,采用厌氧降解技术的垃圾处理工程都称之为厌氧处理工程,但由于垃圾原料性质的差别极大,工程应用上所采用的工艺及设备也截然不同。
目前技术最成熟、应用最久的沼气工程是处理污水及粪便和能源作物的处理工程。
污水中TS含量极低,不需要前处理工艺,发酵罐体较小,工艺设计较为简单,设备较为简单。
由于秸秆等能源作物TS含量较高,碳氮比较低,单独采用厌氧处理难度极大。
因此加入粪便稀释降低物料的总TS含量,同时调整物料中的碳氮比。
这种处理工艺相对简单,只需简单的前处理即可。
目前在德国约有超过300家企业可从事这两种沼气工程的建设运营。
污泥的厌氧处理主要是降低污泥中COD的含量,达到无害化处理的目的。
污泥的厌氧处理工程工艺比较成熟,在德国约有30家企业开展该领域业务。
目前的技术发展方向是采用高效反应设备,提高污泥厌氧处理效率。
进入90年代后,厌氧工程开始尝试处理以餐厨垃圾和生活垃圾为代表的TS含量较高的垃圾物料,这两种垃圾由于TS含量较高、流动性较差、杂质较多,因此在采用厌氧降解技术时需要经过较为完整的机械式前处理过程。
前处理的目的是使去处垃圾原料中的杂质、减小垃圾原料的颗粒大小、改善垃圾原料的流动性。
由于工程技术门槛较高,目前德国仅有不到10家企业拥有餐厨垃圾、生活垃圾厌氧处理工程的设计、建造、运营能力。
在沼气工程建设时,应根据物料性质、TS含量、杂质含量、输送方式及输送能力、搅拌器搅拌能力、沼气利用方式、发酵后产物处理及利用方式等参数,组合选择合适的工艺技术,确保工程的正常平稳运行。
2.3.德国厌氧沼气工程技术
厌氧沼气工程是针对有机垃圾的工业化集中处置工程,主要采用设计、建造、运营三方面技术。
2.3.1 设计技术
设计技术是指根据餐厨垃圾原料的特性,选择合理的厌氧发酵工艺,设计相应的配套工艺,选择合适的处理设备,同时考虑到杜绝二次污染。
经过几十年的发展,德国已基本上拥有了多种使用厌氧发酵工艺技术,如中温与高温技术;湿法与干法技术;单相与两相技术;连续与序批次技术等。
厌氧发酵工艺是整个设计工作的核心,必须首先确定厌氧工艺,才能够确定其他的配套工艺,如前处理、后处理等工艺。
前处理等工艺过程全部都是围绕厌氧工艺展开的,都是服务于厌氧工艺的。
例如,当确定了采用湿法发酵工艺时,前处理工艺中必须设计制浆工艺。
如果采用干法发酵工艺,制浆工艺就没有必要了。
此外在设计时应根据物料特性选择合理的设备。
以餐厨垃圾为例,湿法工艺中,当物料的TS含量较高时,物料的输送对管道的要求就比较高,例如管道口径、管道连接处弯头的设计等。
尤其是弯头的设计,由于物料的干物质含量较高,很多处理污水、污泥及生物质原料的企业没有这种能力,仍然按照原有的经验设计,最终导致了管道堵塞等问题。
根据已有的工程案例,德国的管道设计可以满足TS为15%的物料输送,目前国内的只能够输送TS在8%-10%间的物料。
在考虑实施餐厨垃圾厌氧沼气工程时,一定要考虑到餐厨垃圾原料性质的特殊性,区分其与污水、污泥及生物质能沼气工程的不同。
2.3.2 建造技术
对于厌氧沼气工程来说,由于发酵后产生的沼气为易燃气体,同时厂区内设有发电机、锅炉等设备,稍不注意,会酿成安全事故。
因此厂区内设备与建筑的合理布局尤为重要。
建造技术的特殊之处在于厂区整体设备的设置摆放,管道排布走向,厂区内防暴、防雷区域的设置等。
合理的布局会提高沼气工程的安全性,同时减少工程占地面积,降低成本,减少初期投入。
目前德国已经形成完整厂区布局概念,处理厂内布局紧凑,既照顾到设备间及建筑间的安全距离,也方便工艺流程进行,做到安全合理。
2.3.3 运营技术
运营技术包含两方面内容。
一是建成后调试启动运行的技术;二是运行后的维护及管理技术。
厌氧发酵是个复杂的生物过程,参与厌氧过程菌类种类繁多,特性不一。
工业化的工程使用时难度更高。
如何培养及驯化菌类,使其能够适应高强度工业化生产的要求,成为厌氧沼气工程启动的关键。
要求承建单位拥有较为丰富的厌氧沼气工程调试运行经验,才能够保证调试运行的顺利进行。
运行后的维护与管理能力往往被忽视,但实际上只有能够长期、平稳、正常运行的厌氧沼气工程才是合格的沼气工程。
如上文所述,厌氧发酵是个复杂的生物过程,如果在运行过程中出现了运行不稳、控制不当从而导致厌氧系统崩溃,需要耗费较长的时间(数月)重新建立厌氧发酵体系,对于日处理上百吨垃圾的沼气工程来说,会带来灾难性的后果。
维护与管理技术主要体现在:
--运行的自动化监控技术
--运行操作技术
--应急处理技术
--劳动保护技术
3.中国餐厨垃圾处理
3.1.中国餐厨垃圾处理的独特性
随着政府对于食品安全问题的重视,2010年开始,国内陆续出台了一系列针对餐厨垃圾处理的指导性政策文件,推动我国餐厨垃圾处理事业的进一步发展。
与国外餐厨垃圾相比,我国的餐厨垃圾处理具有自身的特点:
1)垃圾原料中杂质含量高
由于餐厨垃圾产生源头管理不规范,餐厨垃圾中通常会混有较多的杂质,造成前处理难度增加
2)垃圾原料中含水量较高。
含水量高会影响输送方式及输送设备的选取,厌氧降解工艺的选择范围较小。
3)垃圾中油脂部分的利用方式
由于目前新能源发电存在上网较难,补贴较少等问题,而回收废弃油脂制取生物柴油获利较多,因此更多的业主希望能够将油脂分离出去制取生物柴油。
4)发酵后产物的利用
发酵后产物制肥料的社会接受程度不高,对发酵后产物的再利用造成负面影响。
这种情况下,需要考虑到产物的无害化处理问题。
3.2.德国厌氧工程技术针对我国餐厨垃圾处理的可行性
针对中国餐厨垃圾原料的特性以及处理后产物利用情况,目前中国餐厨垃圾处理项目采用的技术以制取饲料、生物柴油为主。
沼气发电项目不多,更多是利用处理过程中的沼液发酵产气,供给处理设备自身使用,严格来讲,并不是真正的餐厨垃圾厌氧沼气工程。
在此情况下,引进国外先进成熟工程技术及经验,处理中国餐厨垃圾成为可选的解决方案。
厌氧沼气工程的最终目的是能够保证处理厂的正常平稳运行,在此之前的所有工作都应围绕这一目的进行。
有机物厌氧沼气工程是生物、机械、管理等多学科交叉组合的综合性工程,合理的处理工艺、可靠的设备性能、丰富的运营管理经验在这其中起着至关重要的作用。
以处理工艺为例,目前国内厌氧工艺多以高温、单相为主。
这种工艺的优点是初期投资较小、产气速度较快、平稳运行时产气较多。
但存在容易出现酸化、难以平稳运行等缺点。
尽管德国在沼气工程上积累了多年的运行控制经验,但是目前在德国境内的厌氧沼气工程一般上还是采用中温、两相技术,目的就是能够较好地控制厌氧降解过程,保证处理厂的平稳运行。
在我国餐厨垃圾原料物性复杂、处理经验不多的情况下,采用比较稳妥的工艺路线,保证处理厂正常平稳运行不失为是可取的解决方案。
经过多年的工程实践,德国的相关企业已经积累起十分丰富的有机垃圾厌氧处理工程技术经验,可以针对不同特性的有机垃圾,给出相应的处理建议方案,设计合理的前处理工艺,选择可靠的设备,提供丰富的运营管理经验,保证厌氧沼气工程的顺利实施。
4.结语
餐厨垃圾处理在我国是个新的课题,尽管对于厌氧降解的研究已经进行了很多年,但多数都停留在科研阶段或中试阶段,目前在国内还没有能够稳定运行的餐厨垃圾沼气工程。
因此,实际上国内没有任何可以借鉴的实际工程经验。
经过数十年的发展及工程实践,德国在厌氧沼气工程技术上积累丰富的实际经验,依托强大的设备制造,结合先进的工艺设计,完全能够保证厌氧沼气工程项目的顺利实施。
结合中国餐厨垃圾特性,借鉴德国厌氧沼气工程的技术与经验,合理设计工艺、选取设备、引进工程建设及运行经验,才能够保证中国餐厨厌氧沼气工程的顺利建设、平稳运行。
PracticabilityStudyonAdoptingtheAnaerobicBiogasTechnologyofGermanytoTreatChina’sFoodWaste
YOU,Yujia1 YANG,Junhua2
BeijingFairylandEnvironmentalTechnologyCo.,Ltd
3rdFloor,DeshiBuilding,No.9EastRoad,Shangdi,HaidianDistrict,Beijing100085P.R.C
Abstract:
ThisarticleaimstointroducetheemergenceanddevelopmentoftheanaerobictechnologyaswellasitsapplicationsonbiogasplantsinGermany,takingthefoodwastetreatmentasanexample,todiscussthefeasibilityandpracticabilityofadoptingGermanmaturetechnologiesandexperienceswithregardtoanaerobicbiogas-planttotreatfoodwasteinChina.
Keywords:
AnaerobicTechnology,Biogas-plant,FoodWaste
1.Introduction
Foodwasteisthemostcommonwasteproducedinhuman’sdailylifeincities.Itsmajoringredientsareorganicmatterssuchasfoodstarch,vegetablefiber,animalproteinandtallowetc.Characterizedwithhighwater,saltandorganicmattercontent,foodwasteisperishableandspoilablewherethepathogenicmicroorganismandbacteriaaswellasmosquitoesandfliesarebreedingandgrowing,andthebadsmellisalsoreleasingatthesametime.
CurrentlyinChina,withoutafurtherprocessing,mostofthefoodwasteisdirectlyusedtofeedanimalsandentersintothefoodchainendangeringhumanhealth.Meanwhile,thewasteoildumpedintheguttersisalsocollectedtorefineedibleoilwhichiscirculatinginthemarketandjeopardizingpeople’shealth.
However,inspiteoftheseseamysides,thefoodwastealsocontainsagreatmanyorganicmattersthatarepotentialsuppliersforenergy.Itisareasonablesolutionusingthematuretechnologiesandprocessestoutilizethefoodwastetogenerateenergy.Itisworthyofdiscussingtofindaproperwaytotreatfoodwaste.
2.TheAnaerobicTechnologyandBiogasPlantinGermany
2.1DevelopmentofAnaerobicBiogasPlantinGermany
Since1960s,theanaerobictechnologyhasbeguntobeappliedtopracticeinGermany.Bythetimeof90s,theanaerobictechnologyandengineeringhadbeengrowingmatureandthenthelargescalebiogasplantshavebeenerectedandbeenwidelyinuseinGermanyandeveninEurope.
By2010,accordingtothestatisticsfromGermanyBiogasAssociation,thereweremorethan5000biogasplantsinGermany,makingupover80%ofallthebiogasplantsinEurope.Theelectricitygeneratedyearlybythemamountsto2000MWcomprisingof2%oftheannualpowersupplyinGermany.In2010,pursuanttotheNewEnergyLaw(Erneuerbare-Energien-Gesetz),theGermangovernmenthasbeguntosubsidizethebiogaspowergenerationwhichhasfurtherpromotedthedevelopmentofanaerobicbiogasplant.AccordingtotheprogrammeofGermangovernment,bythetimeof2020,theamountofelectricitygeneratedbynewenergywillconstitute43%ofthetotalamountofelectricityinGermany,replacingtheplaceofnuclearpowerinenergysupplysystem.
2.2ClassificationofAnaerobicBiogasPlantinGermany
Theprocessesandequipmentsusedinthebiogasplantarevariedtoaccommodatethedifferencesofitsrawmaterials.Accordingthedifferencesofthetreatingobjects,thebiogasplantcanbedividedintofollowingcategories:
TreatingObjects
Sewage
AnimalDungandEnergyCrop
Sludge
FoodWaste
DomesticRefuse
TStobetreated
1.5-2%
Around5%
Around3%
10-20%
20-35%
PretreatmentEquipments
Simple
Simple
Simple
Complicated
VeryComplicated
TechnicalDifficulties
Fully-fledged
Fully-fledged
Highperformancereactor
Segregationandcrashofthewaste,reactorwithahighorganicloadingrate
Segregationandcrashofthewaste,Dryfermentation
Alltheprocessesmentionedaboveselecttheorganicwasteasrawmaterials.Thewastetreatmentprojectsusingtheanaerobicdigestiontechnologyarecalledanaerobictreatmentproject.However,duetothedistinctivepropertiesoftherawwastematerials,thetechnicalprocessesandequipmentsarealsodifferentinvariousprojectapplications.
Withthefullydevelopedandthemostmaturetechnologies,theoldestbiogas-plantsstillinoperatingatpresentarethoseprojectswithregardtothetreatmentofsewage,excretaandcrops.BecauseoftheextremelowlevelofTScontentinsewage,thetechnicalprocessesofthiskindofprojectsarerelativelysimpleandnopretreatmentprocessneeded,whiletheequipmentsarealsouncomplicatedandthedigestersaresmall.
DuetothehighTScontentandthelowlevelofcarbonhydrogenratiointheenergycropslikestraws,itisdifficulttotreatthemwithjustanaerobictechnologyalone.SotheTScontentofthematerialsshouldbedilutedthroughaddingexcretainwhilethecarbonhydrogenratioalsoshouldbeadjustedinthemeantime.Thistechnicalprocessofthetreatmentisfairlysimple,completingwithjustasimplepretreatmentprocess.InGermany,currentlythereareover300companieswhichcanengageintheconstructionandoperationofthesetwokindsofbiogas-plant.
Atthetimeofconstructingabiogas-plant,theselectionandcombinationofthepropertechnicalprocessshouldbeinlinewiththeparameterssuchasthematerialproperties,theTScontent,theimpuritycontent,theconveyingapproachesandcapacities,theblendersandtheircapacities,theutilizingwayofbiogas,thetreatmentoftheproductafterdigestionanditsutilizationetc.toensureastableoperationoftheproject.
2.3.Theanaerobictechnologyofbiogas-plantinGermany
Anaerobicbiogas-plantisanindustrializedandcentralizeddispos
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