城市生活垃圾厌氧处理技术及存在问题

2012年10月第10期城市道桥与防洪
城市生活垃圾厌氧处理技术及存在问题
刘昆
（天津市市政工程设计研究院，天津市300051）
摘要：阐述了生活垃圾微生物厌氧发酵（消化）的原理及工艺，分析近年来城厌氧处理技术的研究发展，介绍了厌氧处理技术的新工艺，有关经验可供相关专业人员参考。

关键词：生活垃圾；厌氧；微生物；新工艺
中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：1009-7716（2012）10-0167-04
０前言
有人类生活的地方就有固体废物产生。

在一千多年前，古希腊人就把生活中产生的废物倒入深坑填埋。

随着社会生产力的不断发展，废物的种类在不断扩大，废物的量也呈指数级上升[1]。

城市垃圾通常是指居民生活、商业活动、旅游、市政维护、企事业、机关单位办公等过程中产生生活废弃物，如厨余物、餐饮残余物、废纸、织物、家具、玻璃陶瓷碎片、废旧塑料制品、煤灰渣、废交通工具等。

近年来，我国城市生活垃圾的产量有了较大幅度的增加，据估计，自1979年以来，我国城市生活垃圾产量以每年近9％的速度增长，少数城市增长率更高达l5％～20％；由于燃气率的提高，城市生活垃圾中的有机物含量也有较大幅度的增长，近年来，经济比较发达的珠江三角洲地区，有机垃圾的含量已达到城市生活垃圾的一半以上，如广州市1996年生活垃圾中有机物与无机物之比为3.7：1。

但由于我国南方地区雨量充沛，城市生活垃圾中含水率很高，致使有机垃圾的热值偏低。

这给城市生活垃圾的资源化、减量化、无害化处理既提供了条件，也提出了挑战和新的要求。

在垃圾的三大处理方法(卫生填埋、焚烧、堆肥)中，卫生填埋和堆肥都是在微生物作用下，对有机成份实现转化的过程[2]。

城市生活垃圾的厌氧消化处理是发达国家，特别是欧洲近10a来积极开发并获得应用的一项新的垃圾生物处理技术。

据统计，在过去的9a中，采用厌氧消化技术处理城市生活垃圾的处理厂增加了750％。

德国、瑞士等西欧国家处于技术领先地位，并已将此项技术成功地市场化，有超过50个以上的工厂正在运行中。

处理有机生活垃圾的能力由1990年的122000t/a发展到2000年的1 037000t/a。

厌氧消化技术与传统的卫生填埋相比，将厌氧消化过程由几年缩短到30d以内；与好氧堆肥相比，改变了占地大和管理复杂等问题[3]。

１厌氧发酵原理
厌氧发酵主要依靠各种厌氧菌和兼性菌的共同作用，进行有机物的降解。

由于厌氧发酵的原料来源复杂，参加反应的微生物种类繁多，这一过程是极其复杂的过程。

虽然很多学者进行了大量的研究，但仍有许多问题有待进一步探讨。

厌氧发酵一般可以分为酸性发酵和碱性发酵两个阶段，而酸性发酵又可以分为水解阶段和产酸阶段；碱性发酵又可分为酸性衰减阶段（产乙酸阶段）和产甲烷阶段，或者作为一个产甲烷阶段。

这就是厌氧发酵的二阶段、三阶段和四阶段理论的由来。

同型产乙酸细菌在多数情况下不很重要。

最符合目前认识实际的仍以三阶段理论为主[1]。

三阶段理论由布莱恩1979年提出，理论见图1。

水解、发酵性细菌群有专性厌氧的水解、发酵性细菌群有专性厌氧的梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、真细菌、双歧杆菌属、革兰氏阴性杆菌，兼性厌氧的有链球菌、肠道菌，它们将纤维素、淀粉等碳水化合物水解成单糖类，蛋白质水解成氨基酸，再经脱氨基作用形成有机酸和氨。

脂肪水解后形
收稿日期：2012-03-07
作者简介：刘昆（1981-），男，天津人，工程师，从事市政给排水管网、泵站及水处理技术的设计工作。

图1三阶段理论图
相关专业167
城市道桥与防洪2012年10月第10期
成甘油和脂肪酸，脂肪酸类进一步降解形成各种
低级的有机酸如乙酸、丙酸、丁酸、长链脂肪酸和
乙醇、二氧化碳、氢、氨等。

产氢和产乙酸菌群把上述水解发酵产物进一
步分解，丙酸和链更长的脂肪酸、醇、若干芳香族
酸分解为乙酸、氢、二氧化碳。

产甲烷菌群，它们有两种类型：一类用H
2
还原
CO2生成CH4;另一类乙酸脱羧生产甲烷和二氧化
碳。

２厌氧发酵工艺
厌氧发酵工艺按分类方法不同，可以有各种
类型。

按操作状态分，有间歇发酵、连续发酵和半
连续发酵；按温度分，有常温发酵（自然发酵）、中
温发酵和高温发酵；按发酵阶段分有二相发酵和
混合发酵；按原料含固量分有湿发酵、干发酵和高
浓度发酵；按负荷分有标准负荷和高负荷；按装置
类型有普通消化池、厌氧流化床和厌氧生物转盘
等。

各种方法都有各其特点和运用范围。

如间歇发
酵，物料是一次投入，发酵完成后排出，多用于小
型发酵设备；连续或半连续发酵主要用于大中型
发酵设备。

高温发酵反应速度大，但易受温度变化
等的影响，稳定性较差；中温发酵速度虽较慢但稳
定；自然发酵，温度随气候变化，大多处于20℃以
下，反应速度低，不易达到卫生上杀灭病原菌的目
的。

二相发酵是根据厌氧发酵分阶段进行的理论，
让水解酸化过程和甲烷化过程在两个反应器内进行，使两阶段都能在其最佳反应条件下进行，但也有人认为厌氧发酵的各阶段各类群细菌的有效代谢均相互密切连贯、相互制约、相互促进，各个阶段不能全然孤立分开。

将产酸阶段和产沼阶段断然分开，产酸阶段，氢浓度增长到一定含量将影响产酸细菌。

此外，产酸细菌微生物会产生甲烷菌所需的营养，而甲烷菌则又依次产生产酸菌所需要的痕量营养，因此，分相消化不可能比在单一反应器中消化更优化。

要做到优化的系统设计和高效的运转，必须重视厌氧消化的微生物学和生物化学，要保持产酸菌，产氢产乙酸菌和产甲烷菌之间的平衡，否则就将产生高的有机酸浓度（乙酸、丙酸）和高的氢含量，使pH下降而阻碍甲烷菌的活力，最后抑制所有的细菌而导致停止消化。

几种厌氧处理工艺的比较见表1。

３厌氧发酵的工艺参数及控制
3.1发酵原料
厌氧发酵的原料必须含有厌氧细菌生存和增殖所必需的C、N、P等养分，为了有效进行厌氧发酵，碳氮比和碳磷比成为重要的因素。

碳是微生物细胞构成和能量的供给源，氮、磷是微生物体的氨基酸、蛋白质、核酸的构成元素，也是重要的营养源。

大量的研究表明，厌氧发酵时碳氮比以（20～30）：1为宜。

碳氮比过小，碳不足，菌体增殖量降低，氮不能被充分利用。

过剩的氮变成游离NH
3
，抑制了甲烷菌的活动。

污水厂剩余污泥的碳氮比是5左右，厌氧消化不容易进行，而初沉淀池污泥碳氮比在10左右，消化比剩余污泥更容易些。

碳氮比过高，反应速度降低，碳氮比为35:1时产气量明显下降。

3.2温度
温度是影响微生物生存及生物化学反应最重要的因素之一。

在不用的温度下厌氧发酵过程中的微生物种类会发生变迁，同一种微生物在不同温度下的活性也不一样。

一般温度范围内，温度高时，微生物活跃、分解速度快，使产品量增加，众多学者研究表明，厌氧分解过程存在有两个最适温度范围，一个是中温发酵范围，即30℃～39℃；另一个是50℃～55℃的高温发酵范围。

表1几种厌氧处理工艺的比较
方法或
反应器
特点优点缺点
传统消化法
在一个消化池内
进行酸化、甲烷
化合固液分离
设备简单
反应时间长，池
容积大。

污泥
易随水流带走
厌氧生
物滤池
微生物固着生
长在滤池表面。

适用于悬浮物
量低的废水
设备简单。

能
承受较高负荷。

出水悬浮固体
低。

能耗小
底部易发生堵
塞。

填料费较
贵
厌氧接触法
用沉淀池分离
污泥并进行回
流。

消化池中
进行适当搅拌，
池内呈完全混
合。

能适应高
有机物浓度和
高悬浮物的废水
能承受较高负
荷。

有一定抗
冲击负荷能
力，运行较稳
定，不受进水
悬浮物的影
响。

出水悬浮
固体低
负荷高时，污泥
会流失。

设备
较多，操作上要
求较高
上流式厌氧
污泥床反应
器
消化和固液分离
在一个池内。

微
生物量特高
负荷率高。

总
容积小。

能耗
低，不需搅拌
如设计不善，污
泥会大量消失。

池的构造复杂
两段厌氧
处理法
酸化和甲烷化在
两个反应器进
行。

两个反应器
内可采用不同反
应温度
能承受较高负
荷，耐冲击。

运行稳定
设备较多，运行
操作较复杂
相关专业168
2012年10月第10期城市道桥与防洪
3.3pH
氢离子浓度与微生物的生存有密切的关系，每种微生物可在一定的pH范围内活动，但它们的最适温度pH是不同的。

微生物细胞对底物的吸收也受介质pH的影响。

在不同的pH条件下，底物在溶液中存在的形式可能不同，如乙酸在pH<7的溶液中呈分子状态，在pH>7时，以离子状态存在，乙酸分子能透过细菌细胞壁，而乙酸离子则不能，所以pH直接影响到微生物对底物的吸收作用。

厌氧发酵的产酸和产气两个阶段的最适pH。

酸性发酵最适pH是5.8，而甲烷发酵是7.8，酸性发酵对基质的分解是多种兼性厌氧菌的菌群，pH 的允许范围较宽，即使在低pH范围，酸生成菌增殖仍是活跃的，而甲烷发酵过程中仅是产甲烷单一菌群，对环境pH变化的适应性很差，甲烷菌绝对需要碱性环境，最适pH范围是7.3～8。

产酸菌和产甲烷菌共存的发酵槽最适pH范围是6.5～7.5。

3.4发酵槽的搅拌
发酵槽内的生化反应是基于微生物和有机质之间传质的。

发酵槽内要保持好的传质条件及微生物生存的优良环境才能使厌氧发酵过程很好进行。

发酵槽的搅拌，可使槽内温度均匀，防止局部酸累积，使生化反应生存的硫化氢、甲烷等对厌氧菌活动有阻碍的气体迅速排出，使发酵槽控制在微生物的一个良好的生存环境之中；可使进入的原料与槽内的熟料混合，使产生的浮渣破碎，即让原料中的有机质与厌氧生物密接接触，在发酵槽内造成一个良好的传质环境。

搅拌时提供厌氧发酵均匀环境，促进厌氧发酵的关键。

3.5抑制物和促进剂
在生物处理中，某些物质是微生物细胞合成所必需的，适当的含量可以加速细胞的合成；还有些物质，可以促进生物化学反应的过程，起到催化作用，如活性炭、硫酸亚铁、三氧化铁、氧化镁和磷矿粒等。

也有许多物质能抑制发酵微生物的生命活力，对厌氧反应有毒害作用，一种物质对系统是否有毒害与该物质的性质、浓度有关，许多物质在低浓度时能促进反应，当浓度增高时则起抑制作用。

此外，还与微生物对毒物的驯化作用有关，特别是当毒物的浓度缓慢增长时，驯化作用更为明显。

有时由于生物的驯化作用，使有毒的变为无毒。

也有些物质是不可驯化的。

在处理工业废物时应特别注意有毒有害物质，其容许浓度不得超出相关专业规范要求。

3.6生物量
厌氧发酵处理中有机物的降解与厌氧活性污泥量有关，厌氧活动污泥量高，反应器的转化效率及允许的处理负荷就高。

厌氧活性污泥是由兼性厌氧菌和专性厌氧菌与废水中的有机杂质交织在一起形成的颗粒污泥。

厌氧活性污泥中的微生物组成及其作用已在厌氧发酵原理中详细叙述。

专性厌氧的产甲烷菌生长速度较慢，世代时间长，所以，厌氧活性污泥的驯化、培养时间较长。

在废水处理中，常因废水中含有的产甲烷菌数量比较少，在开始时必须接种。

在厌氧发酵槽中，增加提高污泥浓度就可以提高发酵槽的处理量，因此，在厌氧处理中以回流厌氧活性污泥和相继开发的上流式厌氧污泥床、厌氧生物滤池、厌氧接触法等工艺均以具有高的污泥量为特点。

４高温干式厌氧消化技术［４］
4.1工艺简介
干式厌氧消化技术是一种相对新的技术，它在M SW的有机成分的能量回收方面的应用还没有得到充分的发挥。

干式厌氧消化也是一种生物反应，总固体浓度大约在22％或更高的工况下产生消化反应。

工艺流程见图2。

对本工艺的研究结果表明，在固含率TS(Total Solid)20％～50％的浓度下，采用厌氧消化污泥作接种物，TS与接种物之比为10：1，可保证有机垃圾厌氧消化过程的正常运行。

这时垃圾的生物降解量，产沼气量和产甲烷量均随TS浓度的增高而降低。

TS浓度在50％时降低幅度最大。

产甲烷过程、挥发酸量和单位质量的挥发性固体VS(Volatile Solid)的产气量均与TS浓度有关。

4.2温度影响
温度是厌氧生物处理工艺的重要工艺参数。

厌氧消化的温度与有机物的厌氧分解过程有密切的关系，不同的温度范围内存在不同类型的微生物。

通常研究者将50℃～65℃称高温发酵；20℃～45℃称为中温发酵；25℃以下称低温发酵；而一般农村沼气发酵罐随着自然环境的温度变化而变化，称为常温发酵。

众多的研究者对中温厌氧生物处理工艺已经进行了大量的研究和应用。

但驯化良好的高温厌氧细菌的代谢速率可以比35℃中温
图2工艺示意图
相关专业169
城市道桥与防洪2012年10月第10期
厌氧细菌提高50％～100％。

高温厌氧工艺已经被成功地应用于多种废水的处理，特别是针对原废水温度已经在55℃左右的废水来说，处理效果比中温要好。

中低温消化的滞留时间长，VS去除率和对大肠杆菌等致病微生物的杀灭率低。

而高温消化可以提高代谢速率，并对VS和致病细菌的杀灭率均比较高，尤其应用于向城市生活垃圾等复杂组分的降解具有极大的优势。

对于高固体垃圾的厌氧消化由于其有机负荷较高，一般采用高温发酵。

4.3MSW工艺存在问题
M SW干式厌氧消化技术的研究进展一直很慢，其主要原因是随着固体含量的增高，许多影响微生物活性的条件变得更为严格。

干式发酵系统的难点在于：（1）生物反应高温固体含率的条件下进行；（2）很高的固体含量给搅拌装置的选择和动力配给带来了困难，反应的启动条件苛刻，菌种驯化任务艰巨；（3）需要让进料与接种物充分混合，防止反应器局部有机负荷超高以及消化物质的酸化；（4）氨、重金属、硫酸盐挥发性有机酸等抑制物的含量可能会提高，对细菌活性产生不利影响，需要有效的措施来降低原料中对细菌有毒性的物质含量，运行中存在着较高的不稳定性。

因此，这一技术的机理与工艺条件方面均有许多领域需要进一步研究。

５结语
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。

尽管存在以上问题，但随着研究的深入，环境工作者的努力很多改进工艺不断推出了改进工艺，并实验投产，厌氧发酵技术的诸多优点证明它是对城市生活垃圾减量化、资源化、无害化处理，发展循环经济的较佳思路。

相信在不久的将来，厌氧技术将是城市垃圾处理的重要一员。

参考文献
[1]李国建,赵爱华,张益.城市垃圾处理工程[M].北京:科学出版社,
2003.
[2]刘晓风,廖银章,刘克鑫.城市有机垃圾厌氧干发酵研究[J].太阳
能学报,1993,16(2):170-173.
[3]杨玉楠,熊运实,杨军,等.固体废物地处理处置工程与管理[M].
北京:科学出版社,2004.
[4]吴满昌,孙可伟,李如燕.有机生活垃圾高温干式厌氧处理技术
探讨[J].能源研究与信息,2005,21(4):187-191.
[5]张光明.高固体厌氧消化法处理城市垃圾[J].农村生态环境,
1996,12(3):46-49.
[6]M AIBAUMC,KUEHN V.Thermophilic and mesophilic together with
organic residual substances[J].Wat SciTechnol,1999,40(1):231-236.
[7]BOLZONELLAD,INNOCENTIL,PAVAN P,et.Semi-dry thermophilic
anaerobic digestion of the organic fraction of municipal solid waste：focus on the start-up phase[J].Bioresource Technol,2003(86):123-129.
相关专业170
APPLICATION OF ACHIEVEMENTS
Application of Tube Wave Detecting Method in Pile Foundation Survey of Grade Separations in Foshan and ShunnanWave!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Yuan Xuedong（164）Abstract:The article introduces the application and validation of tube wave detecting method in the pile foundation survey of grade separations in Foshan and Shunnan.The relative experience can be referred for the relative technical members and the similar projects.
Keywords:tube wave detecting method,grade separation,bearing stratum,application,validation
THE RELATIVE SPECIALITIES
Anaerobic Treatment Technology of Urban Domestic Garbage and Existing Problems!!!!Liu Kun（167）Abstract:The article sets forth the principle and technology of microorganism anaerobic processing of urban domestic garbage,analyzes the research and development of anaerobic treatment technology in recent years,and introduces the new technology of anaerobic treatment.The relative experience can be referred for the relative technical members.
Keywords:domestic garbage,anaerobic,microorganism,new technology
t Lin Jun（171）Application of Space Trusses with Bolted Spherical Joints in Large Awning Projec!!!!!
Abstract:The article introduces the advantages of the space trusses with bolted spherical joints fully utilized in the engineering design and construction by the comparison and selection of the design,erection and construction methods of the large awning system in a project,which makes this project completed on time with the good quality,and create a certain degree of social and economic benefits.
Keywords:bolted spherical joints,space trusses,structural types,fabrication and erection
Discussion on Structural Design of Stone Waste Dam!!!!!!!!!!!!!!!Zeng Zepeng（174）Abstract:Combined with the engineering practices,the article puts forward some viewpoints and opinions for the division of structural security level and seismic grade,choosing of structural security coefficient, guide drainage of water level in the front of dam,and selection of design calculation parameters in design process of stone waste dam for the valley-type waste landfill ground.
Keywords:valley-type waste landfill ground,stone waste dam,guide drainage,structure stability
l Tong Jingsheng（177）Design and Construction Gist of Double-curve Tunne!!!!!!!!!!!!!!
Abstract:The article introduces the design and construction gist of double-curve tunnel.The double-curve tunnel is designed on the loading structure process.The article introduces the use of intelligent optimization system,and calculates the practical arch and lining thickness not only satisfying the security coefficient requirements,but also being economic and reliable.The arch optimization and the five-step security construction ensure the joint bearing of surrounding rock and lining,prevent common faults of tunnel,improve the engineering construction quality and decrease the engineering accidents.
Keywords:double-curve tunnel design,security construction gist
s Multiple Index Dynamic Control of Reconstruction and Reinforcement of Historically Protected Building!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Wang Jian（180）Abstract:Aiming at the reconstruction and reinforcement of historically protected buildings,especially the。