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]。
4.4加利福尼亚大学工艺由于厌氧消化后产物中含有一定量的可生物降解的物质以及一些细菌等微生物不能保证全部杀死,所以20世纪90年代初加利福尼亚大学开发了先厌氧发醉再好氧堆肥处理的技术。
垃圾破碎分选后,有机成分进入厌氧反应器,高温(55一60℃)停留25一30d,厌氧消化产生沼气;再进入好氧反应器,在55℃下腐熟,彻底杀死各种病菌等微生物;最终产物性质稳定,化学组成合理,有很高的肥效和热值,可用做肥料或电厂燃料。
垃圾产气量为800m3/t;经两级处理后,固体去除率为55%一65%(Kayhanian1992)。
该工艺的特点是:(l)产气量高,是前几种方法的5倍左右;(2)最终产品生物化学性质稳定,是很好的有机肥料或燃料;(3)产物对体和环境无害,完全符合环境标准。
该工艺目前尚处于中试阶段。
5 厌氧消化处理的影响因素5.1高固体厌氧消化与低固体厌氧消化目前，厌氧消化处理主要应用于污水处理方面。
这主要是应为目前厌氧消化的技术还有一定局限性，不能很好地处理固体废物，只能大规模用于处理一些液体或固体含量低的泥状废物，在处理固体含量高的废物时,需加大量的水稀释，这大大增加了处理量和处理成本。
高固体厌氧消化也称为干发酵。
在传统的厌氧消化工艺中固体含量通常低于8%,而高固体消化中固体含量可达到20%一35%。
这一技术目前主要用于垃圾处理。
相对于低固体厌氧消化,高固体厌氧消化不仅可以节约水的用量还能提高单位容积的处理量，大大节约了成本。
但是其研究进展一直很慢。
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如[13]:(1)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;(2)很高的固体含量给搅拌装置的选择带来了困难，动力配给要求很高;(3)反应的启动条件苛刻;(4)运行中存在着很高的不稳定性。
5.2单相消化与两项消化根据反应的级数, 厌氧消化工艺可以分为单相厌氧消化工艺和两相厌氧消化工艺：单相厌氧消化是指水解酸化阶段与产甲烷阶段都在一个反应器中进行。
两相厌氧消化工艺将厌氧消化过程在两个单独的反应器中进行, 为产酸菌和产甲烷菌提供了各自的生存环境, 能够降低在有机负荷过高的情况下挥发有机酸的积累对于后续甲烷产气的抑制, 降低反应器中不稳定因素的影响, 提高反应器的负荷和产气的效率。
在产甲烷阶段前设里产酸阶段,可以控制产酸速率,避免产甲烷阶段超负荷,另一方面还可以避免复杂、多变、有毒的物质对整个系统造成冲击,提高了系统运行的稳定性。
但事实上, 由于单相消化研究比较早、运行管理比较简单,有些实验结果表明两种工艺的运行并没有明显区别[3]。
在实际的市场运作中, 两相消化并没有表现出优越性,原因是两相消化系统需要更多的投资, 以及运转维护也更为复杂[11]。
单相消化还是主流的处理技术。
5.3中温消化和高温消化温度是影响微生物生命活动过程的重要因素之一。
在中温厌氧系统中,优势种群为嗜温厌氧微生物,高温厌氧系统中起决定作用的是嗜热厌氧微生物。
在特定种群温度范围内,温度通过影响微生物的酶活性,从而影响生物化学反应速率(其规律符合Arrhenius定律),因而与有机质的分解速率有关。
对有机废物厌氧发酵过程而言,由于其有机质含量高,为了提高反应进程,缩短反应周期,常采用中温或高温发酵来进行速度补偿[10]。
发酵的速率、产气的效率与温度有很大的关系。
厌氧发酵最适范围是中温发酵(37一38℃),和高温发醉(53一54℃)[7]。
在一定范围内，温度越高，发酵效率增大、产气率增大，杀灭病原有机体效果增大，但同时高温也使产气质量下降、反应也趋于不稳定、容易产生丙酸盐积累。
且高温消化比中温条件更高的NH3浓度,毒性抑制就更为显著，同时高温需要外界供给更多的能量。
中温厌氧消化(37℃)的运行费用较低，因此在实际中应用较多，大约60%的厌氧消化工程均采用中温消化工艺[10]。
所以中温消化在目前的应用较高温消化还是占优势的，但高温厌氧消化在近年来在欧洲呈增长趋势。
吴昌满[9]等人合理的控制了厌氧消化的实验条件，他们的研究表明，其他条件相同，随着温度升高，生活垃圾发酵的产气量、产期速率也随之上升，相应的消化的时间也缩短了。
城市生活垃圾厌氧处理的较佳温度为55℃，不但消化长度比较彻底，产气率高，启动时间快，而且有利于病毒的灭火作用，满足城市生活垃圾处理后资源化应用的卫生要求。
由此可见，高温厌氧消化的优势是明显的，这也是未来的发展趋势，而如何控制好反应条件以降低其不良的副作用则是未来主要的研究方向。
5.4普通消化与联合消化联合消化对提高固体垃圾厌氧消化的沼气产量很有意义。
联合消化可以在消化物料间建立起一种良性互补，在许多情况下都可以有效提高产沼气量。
同时，仪器设备的共享也能提高经济效益。
在城市垃圾联合处理方面，研究得最多的是城市有机垃圾和污水污泥的联合厌氧消化。
