古巴垃圾处理-投稿-定稿.doc

项目来源：联合国工业发展组织项目（US/URT/02/117,FC/URT/04/118,SF/URT/05/119）作者简介：闫志英（1980），男，安徽砀山人，助理研究员，主要从事环境微生物、生物质能及固体废弃物综合处理方面的研究，电话：02885229904，E-mail：通讯作者：刘晓风，E-mail：，电话：02885352958古巴哈瓦那城市生活垃圾沼气发电工程技术分析闫志英1， 刘晓风1 ， Tong Boitin 2， 廖银章1， 袁月祥1（1中国科学院成都生物研究所， 成都 610041； 2BEB BioEnergy Berlin GmbH Berlin 12555）摘要：本文从工艺流程、技术参数以及效益分析等方面对古巴哈瓦那城市生活垃圾沼气发电示范工程进行了技术分析。结果表明，通过贮气发酵一体化全混式厌氧湿发酵（CSTR）工艺，每天可消纳处理有机质含量为50%生活垃圾30m3，产气1200m3，发电1920kWh，有机肥（沼液和沼渣）30t。运行结果表明，利用城市生活垃圾进行沼气发电是切实可行的，该项目的成功为古巴城市生活垃圾治理，环境卫生的净化提供了一条有效途径。关键词：生活垃圾；沼气发电；工艺流程；CSTR工艺 中图分类号：S216.4 文献标识码：AThe analysis for UNIDO Demonstration Biogas Project for the treatment of municipal solid waste (MSW) in Havana, Cuba/ YAN Zhi-ying1, LIU Xiao-feng1, Tong Boitin2, LIAO Yin-zhang1, YUAN Yue-xiang1/ (1. Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041,China; 2.BEB BioEnergy Berlin GmbH, Berlin 12555, Germany)Abstract: The biogas project for the treatment of municipal solid waste (MSW) in Havana, Cuba was analyzed in technological process and parameters and benefit analysis, and the results showed that 30m3 of MSW in which the content rate of organic matter is 50% was treated, 1200 m3 of biogas was produced, 1920 kWh of electricity was generated by using biogas and 30 t of bio-fertilizer was provided by continuous-flow stirred tank reactor (CSTR) wet fermentation process integrated with biogas storage per day in the biogas plant. So it was practicable using sisal waste to produce biogas for generating electricity. Therefore, a effective way was provided for solving pollution of MSW and purifying environment and sanitation with the success of this project.Key words: municipal solid waste; biogas generating; process flowing; CSTR城市生活垃圾(municipal solid waste, MSW)指在城区内通过各种方法收集的人类生活中产生的综合废弃物,按照其来源可分为：厨余垃圾、街道清扫物、市场垃圾、商业垃圾1。城市生活垃圾的处理一直是各国研究的热点，目前，MSW的处理方法较多，主要采用填埋、堆肥、焚烧等三种。由于城市生活垃圾中含有大量的有机物质，是优质的沼气发酵原料，采用厌氧消化技术处理垃圾中的有机物质，能利用其可腐与高有机质含量的特性，在回收能源，生产有机肥料的同时，又治理了有机垃圾引起的环境污染24。已成为城市生活垃圾综合处理的热点。联合国工业发展组织资助的古巴哈瓦那城市生活垃圾沼气发电工程以城市生活垃圾为发酵原料，采用贮气发酵一体化全混式厌氧湿发酵（CSTR）工艺，工程每天产气约1200m3，发电约1920kWh，该工程的成功实施，实现了垃圾废弃资源的再生利用，治理污染的同时回收了能源，具有经济、环保、社会等多重效益。目前，古巴城市生活垃圾基本都是简单填埋和焚烧处理，资源化利用率极低，因此，该项目对古巴今后城市垃圾的治理、环境卫生的净化提供了一条有效途径。该项目运行一年来，已带动古巴很多单位慕名前来考察学习，已有古巴其它城市准备采用该发酵工艺进行沼气发电示范，为该工程技术的推广应用打下了坚实基础。通过以上的论述，作者认为很有必要对该工程进行分析评价，以便为城市生活垃圾的综合治理找出一条切实可行的路子。1 沼气发电工程的工艺流程与技术参数1.1 基本情况工程位于古巴哈瓦那市垃圾处理厂，垃圾来源于哈瓦那市城市生活垃圾，主要成份为果皮、树叶、剩饭等有机垃圾和一些砖块、石头等无机垃圾。其中有机成份鲜重含量约50%，有机成份TS为1520，每天处理生活垃圾量约30m3，沼气发酵后的沼渣沼液作为有机肥喷施到附近农田。1.2 工艺流程与技术参数 工艺流程见图1 酸化罐一体化发酵罐垃圾人工分选固液分离机缓冲罐贮液罐脱硫塔发电机组用户或厂房火炬图1 古巴哈瓦那城市生活垃圾沼气发电工艺流程图发电余热沼气附近农田泥饼清液粉碎收集池图3工程自动监控系统图2工程现场1.2.1垃圾分选粉碎部分 该部分主要包括原料输送机和机械粉碎机两部分。垃圾运至该处理厂后，首先通过人工分选，把砖块、铁块、塑料等不可腐垃圾挑出除去，随后通过输送机把可腐有机垃圾送入粉碎机进行机械粉碎至10-15mm左右，送入收集池，加水稀释调配TS约为5%。1.2.2 原料收集池用于收集和调配粉碎后垃圾原料，该池容积50m3，池内安装一台7.5kW的搅拌器、一台2kW的切割机和一台4kW的螺杆泵。在收集池内原料通过搅拌混匀调配至TS约为5%后，进入切割机，原料进一步切短后，通过螺杆泵把料液输送至酸化罐。1.2.3 酸化罐该罐为地上罐，容积120m3，用于对原料酸化，为后续甲烷发酵提供优质原料，加快甲烷发酵的进程。罐内设有二台4kW搅拌器和一液位控制装置，罐壁设计有取样管，池外设5.5kW进料螺杆泵，超声波流量计，螺杆泵根据工艺要求定时定量向发酵罐输送原料。1.2.4 贮气发酵一体化发酵罐该罐为地上罐，集贮气和发酵于一体，罐体上部为贮气部分，下部为沼气发酵部分，用弓形钢板焊接而成，圆柱形，容积1280m3，是该沼气工程主体罐，用于原料沼气发酵，通过连续进料出料和搅拌，实现连续全混发酵产气。罐内设有热交换系统，利用发电余热对罐体加热，实现中温发酵；二台15kW搅拌器，对原料充分搅拌混匀；罐顶设有观察孔和消泡装置，保护罐体和防止管道堵塞；罐壁设计有取样管，用于料液发酵状况分析。1.2.5缓冲罐该罐为地上罐，容积50m3，用弓形钢板焊接而成，圆柱形，发酵过后的料液暂存在该罐中进行缓冲后，泵入螺旋压榨机进行浓缩脱水。罐内设有一套4kW的搅拌器和一套高位溢流装置，罐壁设计有取样管。1.2.6 贮液罐 该罐为地上罐，容积75m3，用弓形钢板焊接而成，圆柱形，料液经螺旋压榨机压缩脱水后的清液贮存在该罐中。罐顶设置一台2.2kW的螺旋压榨机，用于固液分离。1.2.7 生物脱硫塔 地上式，容积15 m3，塔内填充载体原料，塔壁设有液位计，塔底和塔顶分别设有沼气进出管道及下人孔、上人孔，同时在塔壁中部和塔底设有空气管道、水回流管道、回流泵和曝气泵。1.2.8 发电机组该发电机组为沼气专用发电机组，额定功率为60 kW，进气压力要求为20003000 Pa，CH4含量要求大于50。经脱硫塔净化脱硫后的气体通过一台抽气泵输送至发电机组，实际运行过程中，工作功率与进气压力和甲烷含量具有极大相关性。发电机产生的预热通过热交换系统对贮气发酵一体化发酵罐加热。1.2.9 控制系统 控制系统由手动可调定时控制和自动控制两部分组成，手动可调定时控制包括现场控制和远端控制两种方式，同时手动控制可以通过计算机监控程序显示数据记录曲线图和各装置工作动态画面。自动控制通过计算机远端控制系统，可实现整个沼气工程的自动监控运行，出现故障可自动停止并报警。2 工程运行状况2.1 工程启动2.1.1发酵菌种的培养在收集池中倒入TS为10，pH值为7.5发酵过的牛粪约10m3，加入TS为3的垃圾料液约2m3和清水，混合至30m3，每天测定混合液的pH和产气情况，一周后，pH值为7.5左右，水面可观察到大量气泡涌出，CH4的含量达45左右；继续加入TS为3的垃圾料液约3m3和清水，混合至 50m3，一起泵入酸化池。往酸化池添加TS为5牛粪约50m3，同时分批添加垃圾料液，每次加入量约为培养物的5,TS为3，至酸化池的最大许可量120m3，观察和测定发酵液的pH和产气情况，培养发酵2d后，沼气即可点燃，火焰呈火红色，CH4含量达40左右，pH 值为7.5；在第6d时，点燃火焰呈蓝色，CH4的含量达50左右，pH 值为7.5，表明菌种生长良好，菌种培育结束。2.2 启动产气效果把培育好的发酵菌种泵入发酵罐，密封，每天定时计量进料，发酵罐即进入发酵产气阶段，每2d检测沼气含量和容积产气率，结果如图1、图2所示。由图1可知，沼气中甲烷含量随运行时间的延伸而逐渐升高，在第22d时，甲烷含量达到61.9，随后甲烷含量基本趋于平衡，在60.5附近浮动。图2可知，容积产气率在运行初期较低，从第8天后，容积产气率迅速增加，在第18d时，容积产气率到达1.2m3M-3d-1，随后容积产气率基本趋于平衡，在1.2m3M-3d-1附近浮动。图3启动后甲烷含量变化图4启动后容积产气率变化3 效益分析3.1 能源效益本项目实施后，日均产气1200m3，年产沼气44万m3，每m3发电约1.6 kWh，年发电约70.4万kWh。因此该工程利用垃圾进行沼气发电后，可以实现废弃资源的充分利用，变害为利，能源效益非常显著。3.2 经济效益本工程年发电约70.4万kWh，按当地供应价0.13美元kWh-1计算，共获利9.15万美元；在古巴甘蔗亩产量约3.6吨，使用沼渣、沼液后，按每亩增产10计算，每亩可增收0.36吨，该工程大约可满足150公顷甘蔗田使用，共计增收甘蔗540吨，按国际市场价40美元/吨计算，可新增利润约2.16万美元。管理人员工资100美元/人.月5人12月6000美元；折旧费（按30年计）1.5万美元/年。本工程年利润为：（9.15万美元2.16美元）（1.5万美元6000美元）9.21万美元，工程8年左右即可回收成本。3.3 环保效益工程运行后，每天可处理30m3的生活垃圾，同时每年减排CO2约2600吨。该项目的实施，解决了垃圾出路问题，有效抑制了垃圾、废液肆意横流，蚊蝇孳生的脏乱现象。有效治理了垃圾对周边天然河流和饮用水的污染。该工程的实施，对保护水源，提高当地环境质量，保护当地群众的身体健康起到了不可估量的作用。3.4 社会效益项目实施后，垃圾得到了有效治理，减少了环境污染。同时通过沼气发电，解决了厂区用电的问题，还可以提供一定的炊事能源，减少柴薪砍伐。工程每天可产生约30m3有机肥，促进了当地农业的发展。该工程还可解决35人就业问题，并且为垃圾综合治理利用提供了一条有效的途径。 3.5 综合效益该项目中，以沼气厌氧技术为中间起纽带，把垃圾处理和当地种植业有机结合起来，因而形成了“垃圾处理能源种植业”的良性循环，因此该项目的实施把环境治理和经济发展有效连接起来，为今后古巴城市生活垃圾治理提供了借鉴。4 结论该工程的技术关键是：新鲜垃圾经分选和粉碎后，利用贮气发酵一体化全混式厌氧湿发酵（CSTR）工艺对垃圾进行沼气发酵，1000m3 CSTR发酵罐每天可消纳处理有机质含量为50%生活垃圾30m3，产气1200m3，发电1920kWh，有机肥（沼液和沼渣）30t。工程实现了以城市生活有机垃圾为原料的连续湿式发酵；采用新型生物脱硫技术实现了沼气高效脱硫，通过生物脱硫塔后，H2S含量低于200ppm；利用热电联产技术实现了沼气中温发酵；利用计算机控制技术和现代传感器技术实现了沼气工程的自动化运行。运行结果表明，利用城市生活垃圾进行沼气发电是切实可行的。从本工程的五大效益(能源、经济、环保、社会、综合)分析，该项目有很大的发展前途，项目预期实现了以垃圾为原料的沼气发电，解决了垃圾出路问题，实现了废弃资源的再生利用，促进了种植业良性发展，保护了生态环境。因此本项目