有机垃圾厌氧发酵工艺设备腐蚀分析、防腐选材与涂装方案

一、厌氧发酵工艺在有机垃圾处理中的先进性

有机垃圾主要包括城市生活垃圾中的有机成分、各类农作物秸秆、禽兽的排泄物以及常见的餐饮垃圾等。近年来统计显示，我国城市生活垃圾的清运量约1.5亿吨/年，并以接近10%的速度迅猛增加，且随着餐饮外卖的发展，城市生活垃圾中餐饮垃圾成分占比逐渐增大；我国作为农业大国，农作物秸秆资源丰富，总产量约7亿吨/年，并且以每年6%的速度增加；禽兽养殖粪便每年产量超过20亿吨；我国餐饮垃圾总量约2000吨/天。

目前处理这些有机垃圾的方法主要有卫生填埋、焚烧、堆肥（好氧发酵）以及厌氧发酵工艺等。卫生填埋的优点是填埋量大且成本较低，不足是浪费大量的土地资源且没有经济效益产生，可供填埋的土地也越来越少；焚烧的优点是短时间内减量幅度大，同时可以回收部分能源，但是初期投资和运行成本较高，而且对环境污染严重；堆肥的资源化程度较高，但减量较少且堆肥过程中容易产生恶臭，影响空气质量。厌氧发酵工艺处理有机垃圾是通过厌氧微生物的作用，将有机垃圾降解为甲烷。氢气和二氧化碳的生化过程，该方法最终产物恶臭味小，并且产生的甲烷气体可以作为能源回收，同时达到较少垃圾容积，达到“减量化，资源化、无害化”的目的，具有巨大的经济效益和环境效益，是未来处理有机垃圾的新趋势和主要发展方向。

一套日处理有机垃圾800吨的厌氧发酵系统，每日可产生10万立方米的生物气体，其中氢气含量20%以上，可发电16万度，处理后的沼渣可以产出100吨优质有机肥。可见，厌氧发酵工艺不仅处理了大量有机废物，且不对周围环境产生影响，还得到了巨大的经济效益，因此，该工艺也得到了国家的大力扶持。

二、厌氧发酵工艺及其腐蚀性介绍

厌氧发酵工艺分类：1、根据发酵阶段所处的反应器不同可分为单相发酵工艺和两相发酵工艺；2、按照固含率不同分为湿式工艺和干式工艺；3、按照运行温度可分为高温发酵、中温发酵和常温发酵；4、按进料方式分为间歇式工艺和连续式工艺。

厌氧发酵的过程一般是由酸性发酵阶段和碱性发酵阶段组成，在酸性发酵阶段，复杂的有机物（糖类、脂肪和蛋白质等）在产酸菌（厌氧和兼性厌氧菌）的作用下被分解为低分子的中间产物，主要是一些低分子有机酸（乙酸、丙酸、丁酸等）和醇类（甲醇、乙醇等），并有氢、二氧化碳、氨氮、硫化氢等气体产生。由于该阶段有大量的脂肪酸产生，使得发酵液PH值降低，所以此阶段被成为酸性发酵阶段，又称为产酸阶段或水解酸化阶段。在碱性发酵阶段产甲烷菌（专性厌氧菌）将第一阶段产生的中间产物继续分解为甲烷和二氧化碳等，由于有机酸在不断被转化为甲烷和二氧化碳，同时由于产氨细菌活动使氨态氮浓度增高，发酵液的PH值升高，因此该阶段被称为碱性发酵阶段，又称为产甲烷阶段。

在上述工艺中，厌氧发酵罐中复杂的有机物及氯离子对钢制罐体的剧烈腐蚀成为近年来行业内的焦点和难点，由于发酵罐运行时整个动态过程中PH值在不断变化，有机物组成复杂也在不断变化，再加上氯离子腐蚀的特殊性，使得罐内电化学腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀都呈几何倍数增加。

三、项目举例腐蚀分析

（1）水解酸化罐，罐体至于露天环境中，内部盛装餐厨垃圾发酵物料，罐体内部主要为氯离子腐蚀及氯离子造成的穿孔腐蚀和缝隙腐蚀，以及少量的脂肪酸腐蚀；罐体外设置保温层，罐体外部主要考虑防锈性和耐候性。

水解罐物料参数表

（2）厌氧发酵罐，罐体至于露天环境中，内部盛装餐厨垃圾发酵物料，顶部储存有少量的含硫化氢的沼气，罐体内部主要为氯离子腐蚀、硫化氢还原腐蚀及氯离子造成的穿孔腐蚀和缝隙腐蚀，以及少量的脂肪酸腐蚀；罐体外设置保温层，罐体外部主要考虑防锈性和耐候性。

厌氧罐物料参数表

沼气成分

四、氯离子腐蚀详细分析

a．电化学腐蚀：

氯离子浓度越高，水溶液的导电性就越强，电解质的电阻就越低，氯离子就越容易到达金属表面，加快局部腐蚀的进程。氯离子具有离子半径小、穿透能力强、能够被金属表面吸附的特点。氯离子容易吸附在钝化膜上，把氧原子挤掉，然后和钝化膜中的阳离子结合形成可溶性氯化物，使钢铁新机体裸露在电解质中会促使钢铁形成电化学腐蚀。钢铁中的铁元素的电位较低，渗碳体的电位较高，在电解质溶液的作用下，构成了以铁为阳极，渗碳体为阴极的微电池网络。在阳极区，铁原子失去电子，以自由状态的铁离子进入溶液，金属铁被溶解。在阴极区，阳极区的电子经钢铁本体流到阴极，溶液pH值＜4，溶液中氢离子获得电子，被还原为氢气。阳极产物铁离子与阴极产物氢氧根离子先生成氢氧化亚铁，再进一步被溶液中的氧气氧化为氢氧化铁( 即铁锈)。

b、点腐蚀（坑蚀、穿孔腐蚀）

氯离子容易吸附在钝化膜上，把氧原子挤掉，然后和钝化膜中的阳离子结合形成可溶性氯化物，结果在露出来的机体金属上腐蚀了一个小坑，这些小坑被成为点蚀核。酸性溶液会继续溶解氧化膜，造成多余的金属离子，为了平衡腐蚀坑内的电荷，外部的氯离子不断向坑内迁移，使坑内金属又进一步水解。如此循环，腐蚀越来越快，并且向孔的深度方向发展，直至形成穿孔。

c、缝隙腐蚀

氯离子对缝隙腐蚀具有催化作用。腐蚀开始时，铁在阳极失去电子。随着反应的不断进行，铁不断的失去电子，缝隙内Fe2+大量的聚积，缝隙外的氧不易进入，迁移性强的氯离子进入缝隙内与Fe2+形成高浓度、高导电的FeCl2，FeCl2水解产生H+，使缝隙内的pH值下降到3～4，从而加剧腐蚀。

五、厌氧发酵罐内防腐配套选材

由于我国采用厌氧发酵工艺进行有机垃圾处理起步较晚，很多厂家和工程技术人员没有意识到厌氧罐内腐蚀的严重性，防腐选材往往草草了事，尤其是采用低价中标的工程，后期出事故的几率接近100%。

有不少厂家选择了常规的环氧涂料、聚氨酯涂料、氟碳涂料或者氯磺化聚乙烯涂料，经过实践检验，这些材料都无法满足厌氧发酵工况的腐蚀，一般有四种失效模式：1、键能不足被解链或不够致密，涂层出现微孔；2、导静电性不好，被剧烈的电化学腐蚀镂空基底而出现涂层空鼓；3、耐酸碱交替腐蚀抗疲劳性差，被酸碱多次循环浸泡而分解，融入有机废物中；4、抗溶胀性差，被有机小分子渗入涂层结构中，涂层变得疏松成发泡状。

还有的厂家选择了搪瓷工艺进行防护，结果发现，搪瓷涂层浸酸时间太长会产生大量氢气泡，此外，瓷釉膨胀系数过低，与金属基体膨胀系数相差太大，冷热温差大了容易崩瓷或者局部虚脱，再加上柔韧性低，受到局部应力容易脱瓷，并且容易粘附有机物，很难清理。

志盛威华集团多次应邀到现场取样分析，并对厌氧工艺腐蚀与防护进行理论研究和试验论证，经过三年多的探索，终于得到了该工况正确的防腐理论根基，并试验出了多种原材料进行优化配套的合适防腐配套材料，材料必须具备的特点有：a、涂层导电率低，不高于10的8次方；b、成膜物要经过三种以上树脂进行接枝融合并缩链螯合，然后用氟原子进行加密；c、加入多种同时耐酸碱的两性化合物，并对填料进行表面改性，使其与聚合物主链无缝结合。

志盛威华最终给出的防腐配套是：采用特制的ZS-711无机防腐涂料作为底漆，然后选取ZS-1033耐氢氟酸防腐涂料作为耐酸碱面漆，底漆和面漆各涂刷2道。该配套已成功应用于多个厌氧发酵工程，包括粪便厌氧发酵罐、餐厨垃圾厌氧发酵罐、有机秸秆厌氧发酵罐等。

六、配套防腐涂料产品介绍

ZS-711无机防腐涂料作为罐体内部底漆使用，经过无机聚合物螯合成膜溶液和高度活化的防腐颜料形成的涂料涂层能与物体表面材料原子或是离子快速反应结合，生成具有物理、化学、电子三重保护防护作用，通过化学键、离子键与基体表面牢固结合。对于物理防腐、化学防腐、电子防腐有很好的保护基体作用。经过石墨炔和石墨烯填充后的涂层导静电非常好，让基体表面无法形成原电池效应，电化学腐蚀遇到它简直是束手无策。

ZS-1033耐氢氟酸（HF）防腐涂料作为罐体内部面漆使用，以酚醛树脂嫁接氟离子改性而成为成膜溶液，以重晶石、鳞片状石墨烯等为填料。涂层固化后，惰性高，涂层致密性高，耐温可达150℃。涂料中成膜溶液与无机填料混合固化后，聚改性酚氟树脂较稳定，不容易失去电子，耐溶胀性较好。重晶石、石墨烯等材料在涂层中化学稳定较好，硬度较高，形成较致密的涂膜，即使再小粒径的离子也不能透过涂膜。耐强酸，特别是耐氟离子（F-）、氯离子（Cl-）、氢离子（H+）腐蚀防护效果好。

七、总结

综上所述，发酵罐内部以及沉降系统内腐蚀性很强，是防腐的重中之重，需要专业的防腐涂料加以保护，并且防腐涂层需要有一定的耐磨性。志盛威华ZS特种防腐涂料具有三重技术防渗透：a、致密的饱和F植入树脂膜；b、石墨鳞片结构颜填料；c、极化共价键层叠结构。志盛威华ZS特种防腐涂料具有五大独特技术优势：1、多种具有优异的化学、物理性能原材料优化配合：2、极端惰性涂层系统；3、极化后趋于平衡的电位差；4、化学锚结构的优异附着力；5、光滑耐磨的表层结构。

该技术的成功运用，大大提高了厌氧发酵罐的运行稳定性和应用价值，帮助厌氧发酵工艺解决了关键的设备腐蚀难题，也为垃圾处理行业的腐蚀与防护指明了一条新的技术方向。该技术具有很广阔的推广前景，比如危废降解设备、化工废弃物化学处理设备，以及有机废气净化转化设备等。