城市生活垃圾厌氧消化处理

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【摘要】文章分析了我国城市生活垃圾处理现状及存在问题，简述了当前广泛使用的填埋、堆肥和焚烧处理技术及其局限性，厌氧消化技术成为处理有机废物最为理想的方法，介绍了城市生活垃圾厌氧消化工艺、研究进展，并对制约厌氧消化技术的因素进行了讨论。

【关键词】厌氧消化；城市生活垃圾；综合利用；有机质垃圾

一、前言

城市垃圾已成为当今世界的一大公害，也成为我国环境污染的突出问题之一。近几年来，我国城市生活垃圾产量达1亿多吨，且每年以10％的速率增长。而且随着城镇化进程的加快，垃圾产量将持续增长。传统的垃圾处理，填埋、堆肥和焚烧是最常用的方法，但由于垃圾卫生填埋和焚烧处理的环保要求较高，焚烧和填埋成本也随之增加，且这些方式本身存在一定的弊端，对土壤、地下水和大气都会造成严重污染局面。由于环境立法的日益严格和垃圾的分类收集，为垃圾处理提供了条件。在各种处理方法中，生物方法成为处理分类收集有机部分的一种有效方式，它能最大程度地循环利用有用成分。在生物处理方法中，利用微生物将有机物转化为甲烷、二氧化碳、无机营养物和腐殖质的厌氧技术逐渐引起人们的重视。

二、我国垃圾处理现状及存在问题

解决垃圾问题的目标是将垃圾减容、减量、资源化、能量化及无害化。目前主要有填埋、堆肥及焚烧处理三种方法。填埋是目前我国大多数城市解决生活垃圾出路的主要方法，到2003年底全国共有559座生活垃圾填埋场，近85％的城市生活垃圾采用填埋处理。利用微生物分解垃圾有机成分的填肥处理，虽在我国具有悠久历史，但由于各种原因目前堆肥处理的效率不高，限制了该处理方法的发展。垃圾焚烧技术在我国的研究和应用起步于八十年代中期，随着我国东南部沿海地区和部分大中城市的经济发展和生活垃圾低位热值的提高，不少城市已将建设生活垃圾焚烧厂提到了议事日程，目前正处于快速发展阶段。

各种方法都具有自身的局限性。填埋处理不仅填埋掉了废物，也埋掉了可回收利用的资源，填埋场占地面积大，且存在严重的二次污染，如地下水污染，土壤污染，堆放场产生的臭气严重影响场地周边的空气质量等。堆肥周期长，占地面积大，卫生条件差，堆肥处理产生的肥料肥效低、成本高，与化肥比销售困难，经济效益差。而焚烧处理对垃圾低位热值有一定要求，且垃圾焚烧对垃圾具有选择性，焚烧不仅使垃圾中的可利用资源被销毁，产生的大量烟气，造成热能损失。产生的烟气必须净化，净化技术难度大，运行成本高，焚烧设备一次性投资大，焚烧产生的残渣还必须消化。

当前，我国城市生活垃圾处理存在的问题主要表现在以下几个方面：（1）城市生活垃圾资源利用水平低下，与发达国家相比存在较大差距；（2）虽然我国各地均设有城市垃圾收集、运输、处理的专门机构，但垃圾处理的整体水平较低，大部分城市垃圾采用混合回收方式，加大了垃圾出来难度，垃圾资源化未能引起相关部门的重视；（3）在我国垃圾处理的经费主要来自国家和地方财政，资金主要用于垃圾的清运和掩埋处置，难以满足资源化需求。

三、厌氧消化处理技术

（一）厌氧消化处理工艺

城市生活垃圾中的纸类、塑料、织物、金属等被分拣回收利用后，剩余的主要是废弃的动植物有机物质，其含水量高达80％左右极易腐烂，除了其中的木质素外都可进行厌氧消化降解。若利用传统的填埋等方法进行处理，可能增加处理成本，造成二次污染。针对我国现行垃圾处理方式的弊端，应用厌氧消化技术处理城市生活垃圾，实现垃圾无害化，资源化和减量化的目标是可行的。

生活垃圾的厌氧发酵是指在无氧条件下，微生物分解有机物，其中的C、H、O转化为沼气－甲烷和二氧化碳，而N、P、K等微量元素存于残留物中并转化为易被动植物吸收利用的过程。有机物首先通过快速增值和对PH敏感的酸化菌将其水解和发酵转化为挥发酸，挥发酸通过乙酸菌氧化为乙酸盐、分子氢和二氧化碳,甲烷菌再将这些物质转化为甲烷，一般厌氧消化可分为水解酸化阶段、产氢、产乙酸阶段和产甲烷阶段。

（二）厌氧消化工艺研究进展

厌氧消化处理城市垃圾，主要集中处理城市垃圾中厨房剩余垃圾以及庭院垃圾，德国、丹麦等欧洲国家已建成一批消化处理厂，利用厨房垃圾产沼气的研究较为成熟。早在20世纪80年代厌氧消化技术已成为日本等国的研究课题，近年来，在引进欧洲技术的同时，地方政府支持进行了工业规模生产。厌氧消化技术最早应用于高浓度有机废水处理，在城市垃圾处理中占的比例还小。1920年，英国农学家AlbertHoward发明了厌氧堆肥法，而后通过不断的技术革新，逐步形成了以湿式完全混合厌氧消化、厌氧干发酵、两步厌氧消化等为主的工艺形式。

1．湿式完全混合厌氧消化。湿式完全混合厌氧消化（简称湿式工艺）应用最早也最广泛，其液化、酸化和产气3个阶段在同一反应器内进行，工艺过程简单、投资小、运行和管理方便。早期消化工艺中没有搅拌装置，易引起分层现象，反应器中较轻的部分上升成浮渣层，较重的部分下沉成为底层，这样在反应器中形成3个浓度不同的物理层，不但影响混合效果，而且损伤发酵设备。自上世纪90年代以来，搅拌器应用研究的快速发展，利用机械沼气混合搅拌取得了很好的效果。但由于酸化、水解、产甲烷均在同一反应器中同时进行，通常认为在这个系统中各阶段反应都不能达到各自最佳的反应条件，处理效率低。与其他工艺相比，湿式工艺含水量高，可以稀释抑制物的浓度（固体浓度达15％），在一定程度上也加大了系统的抗抑制能力。

2．一步厌氧干发酵。湿式工艺的广泛应用，为提高其处理能力，提出了一步厌氧干发酵系统。厌氧干发酵系统的固体浓度可以维持在20％－50％，大大提高了处理能力。干发酵系统中只有含水率非常低的原料需要进行稀释，且用水量小。同时，厌氧干发酵系统对进料的分选要求不高，原料进入处理系统前，只需用滚筒筛将大的颗粒物去除即可。然而，从投资角度看，干发酵工艺比湿式工艺要高得多，另外，由于固体浓度的加大，需要设计能够抗酸、抗腐蚀性强的发酵反应器。

3．两步厌氧消化工艺。在湿式工艺和干发酵工艺中，垃圾中的有机质转化为沼气的过程是在一个连续的生化反应中完成，各个不同的反应阶段难以达到其各自的最佳反应条件。例如酸化阶段会导致PH值的下降，产甲烷阶段要求接近中性或偏碱的环境，而两步厌氧消化工艺即是要创造两个不同的生物和营养环境条件如：温度和PH等。典型的两步工艺，在第一阶段进行反应物的酸化和水解，第二个阶段进行产甲烷。在微生物环境方面，水解产酸菌和产甲烷菌对厌氧环境的要求不同，只有在产甲烷阶段，由于甲烷菌是严格的厌氧菌，才需要严格的厌氧环境。

4．制约厌氧消化处理工艺发展应用的因素。厌氧消化处理城市垃圾是一种古老的方法，其消化过程是一个动态、多相、多介质的物理、化学和生物反应紧密相关的复杂过程。其中有机物的生物、化学转化及物质的传输与分布不易监控，在城市垃圾分选、厌氧发酵工艺、二次污染的处理等方面都存在许多问题。制约厌氧消化处理技术在城市垃圾处理应用中的制约因素主要表现在：（1）城市垃圾的分选需投入大量的人力物力，系统工程复杂。现阶段要对城市垃圾作较系统的分选很难，城市垃圾分选效率将直接影响到堆肥生产的成本和产品的质量，故垃圾收集分区、分类收集和建立垃圾收费制度将是影响今后我国垃圾厌氧发酵产业进一步发展的关键因素；（2）厌氧微生物对垃圾中复杂有机物降解能力对发酵过程起决定性作用，选用优良的厌氧菌种是厌氧消化技术的核心。因此，发酵厌氧微生物的筛选、培养和鉴定也成为制约因素之一；（3）厌氧过程中温度、PH值、营养物质和底物毒性对发酵过程有较大的影响，操作人员要不断监视发酵过程、判断和调整各种参数，很难实现实时监控；（4）消化过程中产生的废水和废气由于处理效果不佳，已成为严重的环境污染源。废气的产生量和浓度随垃圾的不同而改变，容易对处理系统造成冲负荷，从而导致处理系统的失败；（5）消化产品的腐熟度是衡量厌氧消化过程的最终指标。未经腐熟的产品中有机物和毒性物质会造成植物生长的缺氧和间接毒性，危害作物生长。目前，对堆肥产品的腐熟检测缺乏统一的标准，且检测过程相对复杂，无法进行现场检测。

四、垃圾厌氧消化处理的环保效益和经济效益

厌氧消化技术能最大限度的循环利用垃圾中的可用成分，采用“分选＋厌氧消化＋堆肥”的方式处理可明显减少温室气体的排放，抑制有毒气体和液体的排放可避免二次污染。另外，使用厌氧消化技术处理生活垃圾，对垃圾中有用物质及能量加以回收和利用，使垃圾处理无害化、减量化。以我国2000年的垃圾量来计算，大约可以获得25亿立方米左右的沼气，其经济效益相当可观。同时，厌氧消化处理的残留物无论是做肥料还是饲料，都可取得较好的经济效益。

五、结语

随着经济的发展和人民生活水平的提高，城市垃圾日益增多，和资源、能源愈渐短缺的矛盾越来越突出。传统的填埋、堆肥和焚烧处理方法的局限性限制了我国城市生活垃圾处理的发展。而目前垃圾整体处理水平低，规模小，技术落后，垃圾分选程度低，很大程度上限制了厌氧技术的使用。因此，必须认真研究和总结国内外生活垃圾资源化综合利用的经验，开拓厌氧消化处理技术，结合适合我国国情的城市生活垃圾资源化综合利用的途径，尽快解决我国城市生活垃圾问题，提高资源利用水平。

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