干式厌氧发酵技术是处理厨余垃圾的有效方法之一，能够实现垃圾的减量化、资源化和无害化，同时具有较低的能耗和环境影响。
在重庆某厨余垃圾处理项目中，通过设备引进和技术开发，卧式推流单轴搅拌干式厌氧发酵成套技术应用成功，获得重要技术进展。在 2024 年的连续运行中，各单元运行稳定高效，工艺参数平稳控制，获得了大量的技术数据。日均单位垃圾产气量为 119.06 m3/t，日均容积产气率为 5.44 m3/m3，沼气组分稳定在 55%~65%；有效控制脱水残渣的产生量和含固率，脱水残渣量/进料量始终控制在 40% 以下；沼液量少，沼液的含固率稳定低于 1%。
通过数据分析得到了干式厌氧发酵技术的关键控制指标：进料挥发性固体负荷 （以 VS计） 平均值为 10.50 kg/（m³·d）；挥发性固体分解率平均值为 77.39%；单位分解的挥发性固体产甲烷量 （以 VS 计）平均值为 472.58 L/kg。
目前，我国高含固率垃圾物料的厌氧处理技术的理论研究尚不完备，项目运行中大部分不能达标达产，本研究可为我国干式厌氧发酵工艺研究提供理论和数据依据，也可为干式厌氧发酵技术在我国厨余垃圾领域应用和推广提供技术支撑。
垃圾分类中的厨余垃圾主要指含有机质、易腐烂的生活垃圾。厨余垃圾的资源化利用是垃圾分类中的重要环节，通过不同的处理技术，可以实现厨余垃圾的减量化、资源化和无害化，减少环境污染的同时提升资源的循环利用效率。 干式厌氧发酵技术已应用于处理厨余垃圾，通过在无氧条件下利用微生物分解有机物，产生沼气 （主要成分为甲烷和二氧化碳）。厌氧发酵后产生的沼气可作为能源，而腐熟后的沼渣可作为土壤改良剂或有机复合肥的制备材料。 根据物料的总固体含量区分，厌氧发酵技术可分为湿式厌氧和干式厌氧。湿式厌氧主要应用于处理含固率 15%以下的有机废弃物，如餐饮垃圾等，该技术已经成熟且应用案例较多。干式厌氧主要应用于处理含固率 15%~35% 的固体废物，适用于市政、农业等领域的一种或多种有机废弃物的厌氧处理，如生活垃圾分类后产生的厨余垃圾的规模化集中处理、市政污泥厌氧消化处置、农业废弃物的处理等。 干式厌氧发酵具有原料预处理要求低、沼液产生量少、能耗低、管理方便等优点。欧洲的干式厌氧发酵技术较为成熟，如比利时的 Dranco、法国的 Valorga、瑞士的 Kompogas和德国的 LARAN 工艺等。我国干式厌氧发酵技术起步较晚，目前大部分项目的工艺和装备还处在试验研究阶段，需要不断的试验和探索，随着技术的应用和发展，干式厌氧发酵技术会在厨余垃圾资源化处理中发挥重要作用。 近些年，我国已建成采用干式厌氧发酵技术的厨余垃圾处理项目，如合肥市小庙有机资源干式厌氧处理项目、上海老港厨余垃圾处理项目、重庆某厨余垃圾干式厌氧处理项目等。合肥小庙有机资源干式厌氧处理项目采用奥地利 STRABAG 的卧式推流多轴搅拌干式厌氧技术，由于工艺调试接种效果不理想、厨余垃圾无机杂质含量较高导致罐内物料的 pH、氨氮、挥发性脂肪酸 （VFA） 等控制指标一直较高，试运行过程中物料出现酸化分层，面临清罐并重新进行工艺调试的风险；上海老港厨余垃圾处理项目采用卧式推流单轴搅拌干式厌氧技术，在高温 （52 ℃） 运行时，虽然产气量达到满负荷，但罐内物料的氨氮、VFA 等指标严重偏高，清罐后采用中温 （42 ℃） 重新调试，已经恢复运行，但厨余垃圾进料量只能达到设计负荷的 70%。 重庆某厨余垃圾处理项目通过技术联合研发的方式，使卧式推流单轴搅拌干式厌氧发酵技术在厨余垃圾处理中成功应用。项目自 2023 年 3月进料调试，在罐内参数稳定的前提下逐步提升进料量，10 月实现满负荷运行，经过 1 个月的工艺优化后正式投运。在 2024 年的运行中，获得大量运行数据，通过数据分析得到厨余垃圾干式厌氧处理系统稳定运行的关键参数，可为干式厌氧发酵技术在我国厨余垃圾资源化方面的推广应用提供技术依据和数据支撑。 厨余垃圾处理设施主要包括进料混料单元、干式厌氧单元、脱水单元和辅助单元等，采用两个系列联建。单座干式厌氧罐体设计处理能力为100 t/d，满负荷运行产沼气能力达 10 000~12 000m3/d，厨余垃圾处理工艺流程如图 1 所示。厌氧技术的主要工艺参数为物料进料含固率 15%~35%、进料有机物降解率 50%~60%、容积负荷 （以 VS计） 7~11 kg/m³、容积产气率 4~6 m³/m³、干式厌氧发酵罐停留时间 18~22 d、中温运行。干式厌氧处理流程结构示意见图 2。
干式厌氧发酵原料为预处理后的厨余垃圾，物料性质见表 1。
进料混料设备主要包括带双轴搅拌功能的混料箱和高压柱塞泵，可以实现厨余垃圾在进罐前混合均质、密闭供料。混料箱内通过沼液回流、细沼渣接种、物料预热等措施实现快速接种。
罐体侧壁和顶部均采用钢筋混凝土结构，底部设置半圆弧形钢板承托物料，形成厌氧环境的密闭隧道窑。罐体中心设置卧式推流单轴机械搅拌器，并在进料端和出料端增加搅拌强度，避免物料堵塞，搅拌器桨叶的特殊设置与罐体贴合，实现罐体无死角搅拌。干式厌氧发酵罐有效容积为 2150 m3，物料以推流方式，从罐体进料端向出料端缓慢移动。其现场照片见图 3。
图 3 干式厌氧进料端、出料端、罐体结构和搅拌轴现场照片
当物料推送至出料端时，由出料柱塞泵将物料输送至脱水单元，出料口位于罐底，可将大部分的下沉无机物排出罐体，避免下沉物在罐内累积堵塞。物料回流能够起到为新鲜垃圾接种的作用。
脱水单元设备包括振动筛、螺旋挤压机、离心脱水机等。厌氧发酵残余物进入振动筛进行高频振动筛分，筛上物再进入螺旋挤压机进行挤压脱水。振动筛和螺旋挤压机的液相进入离心脱水机，经助凝剂改性后在离心力的作用下完成固液分离，沼液的含固率小于 1%，排入污水处理系统。螺旋挤压机的沼渣和离心脱水机的沼渣混合为发酵残渣，发酵残渣含固率大于 35%，临时外排焚烧处置，后期规划制备土壤改良剂或有机复合肥。
1） 厨余垃圾的供给。生活垃圾分类后的厨余垃圾采用破碎、筛分、磁选、风选等预处理工艺，在保留厨余垃圾中有机质组分的同时，减小了物料粒径、降低了杂质含量，预处理后厨余垃圾供给干式厌氧系统，干式厌氧系统不添加暂存>3 d的腐烂变质的物料。
2） 罐内物料 TS 的控制。进罐物料 TS 对有机物的发酵和降解有显著影响，罐内物料 TS 的控制范围是 15%~35%，实际运行控制要求不低于20%。
3） 罐内物料 pH 和温度的控制。中温干式厌氧发酵罐内物料需要控制在产甲烷菌适宜生长的pH 范 围 （7.0~8.0） 内 ， 即 中性至微碱性环境下。干式厌氧系统采用中温厌氧发酵，通过蒸汽减压供热的方式保证厌氧发酵物料温度在（42±1）℃。
4） 罐内物料 α 的控制。α 是 VFA 和总挥发性碱度（ALK）的比值（VFA/ALK），需要<0.3。
5） 罐内物料性质的监测和控制。物料发酵中存在混合不均匀的现象，搅拌器的翻抛保证了有机质的均匀性，防止局部酸化和物料分层。在罐顶均匀分布 4 个取样点，用于取样分析，连续监测罐内的物料特性。
6） 辅料添加优化 C/N。为了调节罐内物料的C/N，大多数情况下需要添加含碳量较高的辅料，保证干式厌氧发酵罐工艺参数稳定。
7） 发酵残渣含固率和沼液含固率的控制。发酵残渣主要包括螺旋挤压机的沼渣和离心脱水机的沼渣，沼液是离心脱水后的上清液，通过工艺参数控制，实现发酵残渣含固率≥35%，发酵残渣量与进料量比值≤40%；沼液含固率≤1%。
8） 干式厌氧性能关键控制指标。通过综合性平衡和优化，稳定工艺运行条件，提高干式厌氧系统的产气率，使发酵罐的进料挥发性固体负荷 （以 VS 计）≥7.5 kg/m3，有效地提高干式厌氧发酵工艺中的挥发性固体分解率≥70%，提高单位分解的挥发性固体产甲烷量 （以 VS 计）≥420 L/kg。
干式厌氧发酵系统保持满负荷运行，进料和出料数据如图 4 所示。厨余垃圾日均进料量为100.51 t、包含辅料的总日均进料量为106.5 t。干式厌氧罐出料进入脱水单元，日均出料量为 74.09 t，经脱水系统处理后的日均脱水残渣量为 38.72 t、日均沼液量为 64.16 t，日均产气量为11965.83 m3。
4.2.1 产沼气能力和沼气特性
容积产气率和单位垃圾产气量是评估干式厌氧发酵系统性能的重要指标。干式厌氧发酵的容积产气率为罐体每日沼气产量与罐体有效容积的比值，一般为 4~6 m3/m3；单位垃圾产气量会受到多种因素的影响，包括设备设计、操作条件、原料特性等，可通过计算罐体日产气量与罐体日进料量的比值得到。干式厌氧发酵罐内单位垃圾产气量和容积产气率见图 5。实际运行中，日均容积产气率为5.44 m3/m3，日均单位垃圾产气量为 119.06 m3/t。
图 5 单位垃圾产气量和容积产气率 （2024 年）
干式厌氧发酵系统沼气组分含量见图 6。沼气主要由甲烷和二氧化碳组成，干式厌氧发酵因物料的复杂性，也会产生少量氢气、硫化氢等物质。实际运行中沼气的甲烷平均含量为 59.98% （55%~65%）、二氧化碳平均含量为 37.93%、氢气平均含量为 1.35%、硫化氢平均含量为 0.59%。
4.2.2 干物质含量 TS 和可挥发性有机质含量 VS
干式厌氧发酵罐内 TS 的变化和 TS 的降解比例见图 7。干式厌氧发酵罐内物料 TS 高，有效提高了发酵罐的容积负荷。实际运行中，TS 随厨余垃圾物料性质变化有一定程度波动。进料TS通常在 20%~35%，平均值为31.31%，而出料TS 则较低，一般在 15%~25%，平均值为 22.04%，TS 降解比例均值为 29.54%。
干式厌氧发酵罐内 VS 变化和 VS 的降解比例见图 8。VS 是衡量有机质被厌氧微生物分解产生沼气的重要参数，较高的 VS 负荷对确保厌氧发酵过程的高效和稳定至关重要。进料 VS 由物料性质决定，实际运行监测数据通常在 70%~80%，平均值为 75.09%，而出料 VS 则较低，一般在 30%~40%， 平 均 值 为 35.35%， VS 降 解 比 例 均 值 为52.93%。
图 8 VS 和 VS 降解比例 （2024 年）
4.2.3 罐内物料特性分析（pH、氨氮浓度、酸碱度）
干式厌氧发酵罐中段的 pH 和氨氮 （NH3-N）指标变化情况见图 9。
图 9 干式厌氧发酵罐中段的 pH 和 NH3-N 指标 （2024 年）
pH 是干式厌氧发酵的重要参数，对发酵效果有显著影响。研究表明，pH 范围在 7.0~8.0 时，可以获得最高的产气量，低于 6.5 或者高于 8.0 都会对产甲烷菌的活性产生抑制作用。实际运行中连续监测 pH，并通过投加氢氧化钙等碱性制剂及时调控，保证厌氧发酵的稳定和效率。pH 的波动比较平稳，平均值是 7.58。
氨氮浓度受 pH 和运行温度影响明显，随着pH 和温度的升高而增加，高浓度的氨氮使厌氧发酵过程发生氨氮抑制。氨氮抑制机制：一是通过铵离子直接抑制甲烷合成酶；二是疏水氨 （NH3）分子被动地扩散进入细胞，导致质子失衡或缺钾。实际运行中氨氮指标控制良好，通过良好的微生物环境和适当的操作条件，使罐内物料氨氮指标稳定低于3500 mg/L 警戒值，日均值是2 795 mg/L，未出现明显的氨氮抑制。干式厌氧发酵罐中段的 VFA 和 ALK 变化情况见图 10。
干式厌氧发酵过程中的 VFA 与 ALK 需要维持在适宜的范围内，以保证厌氧发酵系统的高效稳定。VFA 的积累会引发罐内物料 pH 下降，产酸菌对 pH 变化的敏感度低于产甲烷菌，因此需要监测并控制，以避免酸积累抑制产甲烷菌活性。实际运行中 VFA 的平均值是 2 862 mg/L，ALK 的平均值是 12327 mg/L。酸度的增加会导致 pH 下降，抑制产甲烷菌的活性，而碱度的变化则与厌氧发酵过程中的生化反应密切相关。酸碱比值（α） 是衡量厌氧发酵过程稳定性的重要指标，通过监测 α 能够有效预警和调控干式厌氧发酵过程，使 α 稳定控制在 0.3 的安全限值以下，保持系统的稳定性和提高产气效率。实际运行中 α 平均值是 0.23，干式厌氧发酵系统未出现明显的酸抑制。
图 10 干式厌氧发酵罐中段 VFA 和 ALK （2024 年）
干式厌氧发酵系统通常出现生物性问题，是由于罐内物料性质导致的，如 C/N 不适宜、含杂率较高、含有毒物质等。常见的酸、氨氮、硫化氢等的抑制问题，需要有针对性地添加辅料和制剂。本项目投加辅料措施如下：若罐内发生酸抑制，罐内 VFA 总量升高，丙酸占比高，需要投加硫酸盐药剂提高罐内物料碱度；若罐内发生氨氮抑制，氨氮含量升高，产气率下降，需要投加牛粪、沸石等辅料；若罐内发生硫化氢抑制，沼气的甲烷浓度会降低，需要添加聚铁制剂，降低硫化氢含量；若罐内 pH 低于 7.0，物料有酸化风险，需要添加氢氧化钙等碱性制剂，将 pH 调整至 7.0~8.0。
为控制和优化罐内物料性质，运行中需要持续添加辅料。辅料通过混料箱进行添加，实现辅料和原料接种调质，辅料投加配比见图 11。添加含碳量较高的辅料 （绿植、牛粪等），不但提高 C/N、降低厌氧发酵负荷，而且可以较好地改善罐内物料的均匀性，提高发酵物料的黏滞力，有效避免发酵物料酸化分层。同时，为了更有效完成进料接种，改善进料生物菌群种类，适量投加厂区内湿式厌氧的细沼渣。在厨余垃圾进料量 100 t/d 的条件下，实际运行中辅料投加量通常不大于 8 t/d。
图11 干式厌氧发酵罐辅料投加配比 （2024 年）
4.4.1 脱水残渣产生量和含固率
干式厌氧出料进入脱水单元，脱水单元采用振动筛-螺旋挤压机-离心脱水机工艺，实现了沼渣和沼液的有效分离。螺旋挤压机和离心脱水机沼渣产生量和含固率数据见图 12。螺旋挤压机沼渣的日均产生量为 26.54t，离心脱水机沼渣的日均产生量为12.19t，干式厌氧发酵系统脱水残渣日均产生总量为 38.72t。螺旋挤压机沼渣的平均含固率为 38.05%，离心脱水机沼渣的平均含固率为 35.93%。
图 12 脱水沼渣产生量和含固率 （2024 年）
螺旋挤压机出渣和离心脱水机出渣混合外运，根据图 12 数据核算总体脱水残渣的含固率 （图13）。由图 13 可知，脱水残渣含固率绝大部分工况下大于35%，实际运行平均值为37.38%，保证了罐内有机质的有效降解。
图13 总体脱水残渣的含固率 （2024 年）
4.4.2 脱水残渣量与进料量比值
为了提高干式厌氧系统的处理效率，在各项指标达到设计要求的前提下，有效控制脱水残渣的产生量，脱水残渣量与进料量比值变化见图 14。脱水残渣量/进料量始终控制在 40% 以下，平均值为 36.87%。
图14 脱水残渣量与进料量比值 （2024 年）
4.4.3 沼液产生量和沼液含固率
干式厌氧发酵减少了对新鲜水的需求，从而有效降低了沼液的产生量。干式厌氧发酵技术不仅降低了沼液处理的复杂性及有机废水处理系统的投资和运行成本，而且提高了能源利用效率和处理效果。实际运行中，日均沼液产生量为 64.16 t，在离心脱水工艺中投加适量的助凝剂 PAM，有效降低沼液的含固率，日均沼液含固率为 0.74% （图15）。沼液物料性质最关键的指标是悬浮物，会影响污水处理系统的正常运行，故其他各项指标并未连续监测，第三方检测的沼液物料性质如下：pH 为 7.54，悬浮物含量为 7 522 mg/L，COD 为 35 382mg/L，总溶解性固体含量为 12 385 mg/L。
图 15 沼液产生量和沼液含固率 （2024 年）
4.5.1 发酵罐进料挥发性固体负荷 （a）
挥发性固体负荷是决定反应池容积的重要参数，其计算见式 （1）。a 过低会需要较大的发酵罐容积，从而增加建设和运行费用。相反，a 过高则可能引发氨抑制现象，影响发酵效率和系统稳定性。
进料 TS 直接影响进料物料可利用性和微生物的活性，中温干式厌氧在较高 TS 的条件下加快了水解阶段的速率，提高了干式厌氧发酵整体的消化速率，能够显著提高 a，提高甲烷产量。菌种的培养十分关键，中温干式厌氧产甲烷菌的代谢能力强，在高 NH3-N 和高 VFA 环境下表现出较高的稳定性和适应性，使得系统能够维持较高的 a，有效提升了系统的挥发性固体去除效率。
在本项目条件下，挥发性固体负荷变化情况见图 16。由图 16 可知，其可以显著高于常规厌氧消化的标准值，平均挥发性固体负荷 （以 VS 计）为 10.50 kg/（m3·d），达到国内行业领先水平。
图 16 干式厌氧发酵系统进料挥发性固体负荷 （2024 年）
4.5.2 挥发性固体分解率 （η1）
挥发性固体分解率是指可降解的有机质在发酵罐转换成沼气的能力，是反映发酵罐内菌种活性及厌氧发酵工艺能力的重要指标，其计算见式 （2）。
维持较高的挥发性固体负荷，可以实现有机质的高效降解。干式厌氧发酵过程中，罐内发酵物料的温度、pH、ALK、VFA、有毒物质、罐内物料停留时间、辅料投配比、C/N 等因素都会影响挥发性固体分解率。
在稳定的运行条件下，驯化的微生物能够较好地适应物料性质的变化，有效保证微生物群落的活性和多样性，提供更丰富的微生物种类和更高的代谢能力，从而更有效地降解挥发性固体，提高 η1。根据统计数据计算的日均挥发性固体分解率为 77.39%（图 17）。
图 17 干式厌氧发酵罐挥发性固体分解率 （2024 年）
4.5.3 单位分解的挥发性固体产甲烷量 （M1）
单位分解的挥发性固体产甲烷量是指单位质量的挥发性固体能够产生的甲烷量，其计算见式（3）。M1因进料种类和处理条件的不同会有明显差异。例如，脂肪类物质通常具有较高的甲烷产量，而碳水化合物相对较低。此外，适当的处理条件也会影响甲烷的产出效率，如添加木屑等辅料和调节回混比例可以优化 C/N 和罐内发酵物料成分，提高甲烷产量。
M1会受到进料 TS、进料 VS、发酵温度、微生物活性等运行条件的影响，在实际运行中，需要根据运行参数进行调整和优化，以促进微生物的传质传热，加快有机质的分解速率，提高产气量。根据统计数据计算的日均 M1（以 VS 计） 为472.58 L/kg （图 18）。
图 18 干式厌氧发酵罐单位分解的挥发性固体产甲烷量（2024 年）
目前我国在运行的干式厌氧系统运行成本约为 55~75 元/t，本项目干式厌氧系统的运行成本为46.52 元/t，具有明显的成本优势。
5.1.1 主要消耗品费用
干式厌氧和脱水系统运行的消耗品主要包括新鲜水、电能、蒸汽、絮凝剂和辅料等，其消耗量见图 19，根据运行数据统计的处理单位垃圾消耗品费用为 32.82 元/t （表 2）。辅料是指运行中投加的木屑和牛粪，细沼渣为厂区内湿式厌氧系统的发酵废弃物，未计入运行成本。
图 19 处理单位垃圾的新鲜水、电能、蒸汽、絮凝剂的消耗量 （2024 年）
表 2 干式厌氧厨余垃圾处理设施的直接运行成本
5.1.2 运行维护费用维护恢复生产，系统管理和机修人员共配置 3 人。干式厌氧单元的人力费用约 8.5 元/t。
设备维修维护费用很低，绝大部分设备实现免维护。关键设备需要定期更换易磨损件和设备备件，如螺旋挤压机筛网、水泵机封等。易磨损件和备件的费用约 5.2 元/t。
干式厌氧发酵系统可以产生大量沼气，处理规模 100 t/d 的干式厌氧系统年产沼气约 4.346×106m3，沼气净化后用于发电和供热，为居民和工业企业提供清洁能源，可增加企业收入。干式厌氧发酵产生的残渣富含有机质、氮、磷、钾等营养元素，可制作优质的有机肥料和土壤改良剂，销售给农业种植户、园艺场等，实现资源的循环利用和附加值提升。
干式厌氧发酵技术在处理有机废弃物的同时，减少了污染物的排放。相对于湿式厌氧发酵，干式厌氧发酵产生的沼液较少，可减轻沼液处理成本。而且，地方政府会给予项目一定程度的环保奖励或税收优惠等，降低了企业的运营成本。
重庆某厨余垃圾处理项目是我国干式厌氧发酵技术的优秀示范，高效的卧式推流单轴搅拌干式厌氧发酵技术得到成功应用，通过 2024 年连续稳定运行，得出干式厌氧发酵关键技术参数：日均容积产气率为 5.44 m3/m3，日均单位垃圾产气量为119.06 m3/t，沼气中甲烷含量稳定在 55%~65%；罐内 pH 应控制在 7.0~8.0；发酵罐物料的 NH3-N 指标稳定低于3500 mg/L 警戒值，日均值为2795mg/L，未出现明显的氨氮抑制；监测并控制 α 在0.3 的安全限值以下，其实际运行平均值为 0.23；通过连续添加辅料提高 C/N，保证了干式厌氧系统的稳定运行；有效控制脱水残渣的产生量和含固率，脱水残渣量与进料量比值始终控制在 40% 以下；沼液量少，沼液的含固率稳定低于 1.0%。
同时，对数据进行分析，得到干式厌氧发酵在厨余垃圾处理中的关键控制指标：进料挥发性固体负荷 （以 VS 计） 平均值为 10.50 kg/（m³·d）；挥发性固体分解率平均值为 77.39%；单位分解的挥发性固体产甲烷量 （以 VS 计） 平均值为 472.58L/kg，干式厌氧发酵技术的关键技术参数控制良好，保证了厨余垃圾干式厌氧发酵处理系统的稳定和高效。干式厌氧系统运行成本为 32.82 元/t，具有明显的成本优势和经济效益。
目前国内外对高含固率多物料混合的干式厌氧发酵理论研究尚不完备，技术装备、工艺适应性等方面也存在诸多问题，需要通过科学研究进一步探索干式厌氧发酵技术在垃圾物料性质地域性差异中的适应性和应用方法。
来源：环境卫生工程
作者：刘彬、张森、王立彤
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