固废大作业—城市生活垃圾的厌氧消化处理

城市生活垃圾的厌氧消化处理

1 前言

随着经济的发展和惹您生活水平的提高，垃圾量也以惊人的速度日益增长。北京市最近将北京生活垃圾分为可回收物、厨余垃圾、纸类、瓶罐、电池、其余垃圾六大类。据中国环境报告测算，城市生活垃圾污染占城市总污染的一半[1]。近十几年来,城市生活垃圾的年增长率在8%~10%，北京等大城市垃圾年增长率达15%~17%[2]。目前中国有1/3的城市被垃圾所包围，垃圾累积堆存量达60多亿吨，侵占土地75万亩，严重污染了地下水[3]。

如何处理城市生活垃圾，已经成为城市建设中所面临的一个重要的问题。世界各国为处理城市生活垃圾主要采用的手段有：填埋、焚烧、好氧堆肥和厌氧消化。

填埋法因其投资少、易操作等特点，被广泛应用，可是这个方法占地大、浪费资源，存在渗滤液污染地下水以及沼气引发爆炸的危险，尽管如此，这个方法还是现今使用最广泛的方法。焚烧法处理垃圾体积可减少90%，周期短、占地少、还能有效消除病原菌，但由于目前中国城市垃圾中含水量大，这就需要添加其它辅助燃料，而且燃烧法一次性投资大，运行费用高且产生大量有害气体造成二次污染[4]，所以这个方法是并不广泛。而好氧堆肥法处理城市生活垃圾体积可减少50%~70%，可产生大量肥料，但其存在能耗大，占地大，肥效低卫生条件差等缺点。而且好氧堆肥的适宜固体含量在55%~60%之间[3]，像含水率大的如厨余垃圾就不适合好氧堆肥。目前，我国城市生活垃圾用于填埋、堆肥、焚烧的比例分别是79.2%、18.8%、2%[2]。

相比较这三种方法，厌氧消化技术的优势就显而易见了，它既可以很好地处理垃圾污染，又能有效地产生可利用的能源。垃圾只是放错了位置的资源，它蕴含了大量的生物质能，在资源能源紧缺、垃圾量很大的我国这个方法非常实用，同时具有良好的发展前景。

2 厌氧消化的原理

有机废物的厌氧消化过程就是有机物质在特定的厌氧条件下,微生物将有机质进行分解,其中一部分碳素物质转化为甲烷和二氧化碳。在这个转化作用中,被分解的有机碳化物中的能量大部分储存在甲烷中,仅一小部分有机碳化物氧化成二氧化碳,释放的能量作为微生物生命活动的需要[5]。

厌氧消化主要分为三个部分：

第一阶段为水解发酵阶段，有机物在微生物的作用下水解，多糖先水解为单糖，再进一步发酵成乙醇和脂肪酸，蛋白质先水解为氨基酸，再经脱氨作用产生脂肪酸和氨，脂类转化为脂肪酸和甘油，再转化为醇类，对于未经预处理的城市生活垃圾，水解发酵为限速步[6]；

第二阶段为产氢产、乙酸阶段，把除甲酸、乙酸、甲胺、甲醇外第一阶段中间产物转化为乙酸、氢气和二氧化碳；

第三部分为产甲烷阶段。厌氧消化过程约有70%甲烷来自乙酸分解，少量来源于氢和二氧化碳的合成。

3 城市生活垃圾厌氧消化的发展现状

废水的厌氧处理已经广泛应用，然而城市生活垃圾的厌氧处理的应用范围却很小。这主要是应为与液体相比，有机固体废物的厌氧消化技术还存在一些问题：

1)适量的含水率对固体废物的厌氧处理非常重要。理论上高固体消化处理要优于低固体消

化处理，然而城市生活垃圾中如厨余垃圾等含水量过高，控制水分会增加成本。但是固体含量过高也不好，厌氧发酵的过程中还是需要适量水份的。如何低成本有效控制含水率是一大问题；

2)厌氧发酵需要适当的搅拌，而固体搅拌比液体搅拌困难得多；

3)固体废物单位体积所含有机质量远大于液体废物，产酸阶段易造成有机酸的积累，一直

产甲烷菌的活性；

4)未经处理的固体废物水解时间较长，现有预处理技术成本较高，与其他工艺相比无明显

优势[6]；

5)中国的城市垃圾未进行分类回收，也给厌氧消化技术的推广应用带来困难[6]。

现阶段城市生活垃圾的厌氧消化处理技术还存在许多不足，应用并不广泛。但这一技术有着独特的优点，必将引领固废处理的未来发展之路。

4 厌氧处理技术方案比较

4.1美国实验工厂工艺

这是美国1979年建立的第一座年处理5000t垃圾厂采用的工艺。

所收集垃圾经破碎分选后,去除无机成分和塑料等;调节固体含量25%左右,在55℃下高温消化,机械搅拌,在反应器中停留一个月;所产生沼气处理利用,渗滤液处理后排放,残余固体物质加工成肥料或土壤调节剂[3]。

垃圾平均产气量为130m3/t,甲烷含量大于50%,固体去除率约52%。该垃圾处理厂虽然由于经济的原因只运行了四年就停止运转了,但是该工艺为有机废弃物的厌氧处理提供了实践基础。

4.2法国Valorga工艺

针对城市生活垃圾厌氧消化中存在的搅拌难、固体含量高抑制反应活性等特点,20世纪80年代后期,Valorga工艺首先由法国提出。

垃圾经破碎分选后,有机组分与反应器回流液混合,调成浆状。在中温(35一40℃)或高温(55一60℃)下连续消化17一25d;出料压缩后,进一步加工成肥料出售;渗滤液部分回流,调节进料浓度,并起一定的接种作用,多余的渗滤液处理后排放;所产生沼气一部分压缩后回流,起搅拌作用,另一部分输出利用[13]。

垃圾产气量为149.6m3/t,其中甲烷含量54%;COD去除率为58%。该工艺最主要的特征是:用压缩沼气来进行搅拌,从而避免了机械搅拌带来的泄漏、机械磨损、消耗动力高等缺点。

4.3丹麦Carl Bro工艺

CarlBro工艺由丹麦CarlBro公司开发研制,已有了工业运用。

垃圾破碎分选,有机组分进入一级反应器;中温（35一37℃)停留2一3d,进行酸化,pH6.5左右;酸化后,固液分离,固体部分进一步加工成肥料;液体部分进入二级反应器;中温下停留1一2d产沼气,气液分离。

垃圾产气量150一175m3/t;固体去除率60%。该工艺主要特点是:(l)两阶段消化,把酸化阶段和产沼阶段分离开来,可以节约用地,并便于管理;(2)处理时间短,仅3一sd,因此可充分利用有限的设备,降低了投资和成本;(3)渗滤液加工成液肥出售,不但减少了废水处理量,还有一定收入[13]。