厌氧消化工艺处理城市生活垃圾的应用及前景

厌氧消化工艺处理城市生活垃圾的应用及前景

来源：百玛士环保科技有限公司阅读：310更新时间：2009-03-26 17:22

摘要：本文介绍了利用厌氧消化技术处理城市生活垃圾在欧美等发达国家的应用经验，结合百玛士环保科技有限公司在国内几个厌氧消化处理生活垃圾的工程实例，阐述了利用厌氧消化工艺处理城市生活垃圾的应用前景以及制约因素。

前言

随着经济的发展和城市化进程的加快，我国城市生活垃圾产生量迅速增加，而且城市生活垃圾存在大量的生物质垃圾，具有易生物降解和高含水的特点，其形成的恶臭是固体废物污染环境的主要污染源。与此同时，城市生物质垃圾中蕴含着大量生物质能，其高含水特性又为生物质能的转化提供了有利条件，针对生物质垃圾的“高固体厌氧消化（High Solid Anaerobic Digestion）技术”成为世界环保科技的研究热点。采用厌氧消化技术处理城市生活垃圾，并产生绿色能源“沼气”，特别是在能源日益紧张，CO2减排的呼声越来越高的情况下，该技术越来受到各国政府接受和推广，欧美等发达国家通过立法等手段大力推广该技术的应用，我国“十一”规划明确提出大力推广使用生物质能源，根据国家“十一五再生能源发展规划”，到2010年，建成沼气发电装机容量100万千瓦。“十一五”时期，加快建设规模化沼气工程，年产沼气约40亿立方米。

一、厌氧消化工艺原理

厌氧消化是无氧环境下有机质的自然降解过程，在自然界内广泛存在。在此过程中微生物分解有机物，最后产生甲烷和二氧化碳。影响反应的环境因素主要有温度、pH值、厌氧条件、C/N、微量元素（如Ni、Co、Mo等）以及有毒物质的允许浓度等。厌氧消化是在厌氧微生物作用下的一个复杂的生物学过程，厌氧微生物是一个统称，包括厌氧有机物分解菌（或称不产甲烷厌氧微生物）和产甲烷菌。在一个厌氧反应器内，有各种厌氧微生物存在，形成一个与环境条件、营养条件相对应的微生物群体。这些微生物通过其生命活动完成有机物厌氧代谢过程。

厌氧消化工艺处理有机垃圾，是人为创造厌氧微生物所需要的营养与环境条件，使反应器内积累高浓度的厌氧微生物，因此，人工厌氧消化的速度大大超过自然界中自发的厌氧消化过程。

生活垃圾的厌氧消化过程可以分为水解、酸化和产甲烷三个阶段，每个阶段都由一定种类的微生物完成有机物的代谢过程。三个阶段的情况介绍如下：

水解

有机物厌氧菌产生胞外酶水解有机物。参与细菌的种类和数量随着有机物种类而变化，通常按原料种类分为纤维素分解菌、脂肪分解菌和蛋白质分解菌。在这些细菌作用下，多糖分解成单糖；蛋白质转化成肽和氨基酸；脂肪转化成甘油和脂肪酸。

酸化

产酸菌，例如胶醋酸细菌、某些梭状芽孢杆菌等，分解前一步产生的较高级的脂肪酸并生成醋酸和氢。此外，有机物厌氧分解菌在分解脂肪时，也产生长链脂肪酸，如硬脂酸；

分解蛋白质时产生芳族酸，如苯基醋酸和吲哚醋酸。这些酸也为第二阶段细菌所分解，产生醋酸和氢。在此阶段产酸速率很快，致使料液pH值迅速下降，使料液具有腐烂气味。

产甲烷

有机酸和溶解的含氮化合物分解成氨、胺、碳酸盐和少量的CO2、N2、CH4和H2，在此阶段pH上升，副产物还有H2S、吲哚、粪臭素和硫酸。

甲烷菌将醋酸转化成为CH4和CO2，利用H2将CO2还原成CH4，或利用其他细菌产生的甲酸生成甲烷与水。典型的厌氧消化过程可以下面公式来表示：

有机物质+H2O+营养物质→新细胞+惰性有机物质+CO2+CH4+NH3+H2S+热

二、厌氧消化工艺分类

厌氧消化工艺根据工艺参数不同分成不同的类型：1）发酵天数；2)发酵含固率；3)发酵温度和4)级数(单级对多级)。工艺参数的决定最终取决于现场的实际情况和工程目标，关键工艺参数分述如下：

湿法和干法: 湿法反应器对比干法反应器，含固率低，可以应用不同的前处理工艺，清除掉塑料等杂质，同时分离出细玻璃、石子等杂质。但是湿法反应器容易造成挥发份的流失，导致产气率较低。同时湿法相对于干法内部能耗大，一般达到总产能的50％，而干法内部能耗只占总产能的20％～30％。

中温和高温: 中温厌氧反应器反应温度较低，所以降解相同水平的有机物，一般停留时间要长（15天至30天）. 中温厌氧反应器产气率低，尽管生物反应过程比较稳定，但长停留时间需要更大的容积和更高的成本。高温厌氧反应器产气率高，停留时间短（12至14天），反应器容积小，但维修成本高。

单级与多级: 单级是第一阶段和第二阶段反应都集中在一个反应器内进行。多级是两个阶段分成两个不同的反应器内进行以优化操作环境。单级反应器是一种简单式设计，历史比较长，成本较低，技术难度少。两级系统由于每段设计优化，停留时间短。产气潜力高，但投资成本高。

反应器产生的沼气甲烷含量一般在55％至60％。其余成份主要为 CO2. 沼气通常通过在锅炉中燃烧产生热和蒸汽，或者通过燃气轮机产生电能。有些厌氧消化工厂将沼气转化为燃料用于公司内部消耗。沼气产生量随原料不同而不同。

三、生活垃圾的厌氧消化处理在欧洲的应用

厌氧消化工艺用来稳定废水中有机生物体将近100多年。废水行业的工程师对厌氧消化工艺的设计概念都很熟悉。但废水处理中的生物质是相对均匀的废弃物。利用厌氧消化处理种类不同的和季节性分类的有机垃圾和其它生活垃圾还是有一定的技术难度，但这项技术在近15年得到迅速发展。同期，采用厌氧消化技术处理固体废弃物在欧洲得到稳定发展。

一方面因为欧盟填埋标准要求欧盟成员国在垃圾填埋之前必须对有机物稳定化处理并达到以下稳定化指标 (允许填埋的未稳定垃圾量): 2006年达到1995年标准的75％; 2010年达到1995年标准的50％; 2016年达到1995年标准的35％。垃圾可通过焚烧（能量利用、堆肥和厌氧发酵达到稳定化处理。因为欧盟填埋标准的导向作用，采用不同稳定化工艺的垃圾处理设施建设非常踊跃。包括厌氧发酵、堆肥、机械生物处理厂、对生物有机质成份或采用堆肥或采用厌氧发酵工艺处理。为达到欧盟填埋标准，在欧洲国家厌氧发酵处理厂的收费