我國城市生活垃圾厭氧消化處理的初探

我國城市生活垃圾厭氧消化處理的初探

【摘要】文章分析了我國城市生活垃圾處理現狀及存在題目，簡述了當前廣泛使用的填埋、堆肥和焚燒處理技術及其局限性，厭氧消化技術成為處理有機廢物最為理想的方法，先容了城市生活垃圾厭氧消化工藝、研究進展，并對制約厭氧消化技術的因素進行了討論。
【關鍵詞】厭氧消化；城市生活垃圾；綜合利用；有機質垃圾
　
　　
　　一、前言
　　城市垃圾已成為當今世界的一至公害，也成為我國環境污染的突出題目之一。近幾年來，我國城市生活垃圾產量達1億多噸，且每年以10％的速率增長。而且隨著城鎮化進程的加快，垃圾產量將持續增長。傳統的垃圾處理，填埋、堆肥和焚燒是最常用的方法，但由于垃圾衛生填埋和焚燒處理的環保要求較高，焚燒和填埋本錢也隨之增加，且這些方式本身存在一定的弊端，對土壤、地下水和大氣都會造成嚴重污染局面。由于環境立法的日益嚴格和垃圾的分類收集，為垃圾處理提供了條件。在各種處理方法中，生物方法成為處理分類收集有機部分的一種有效方式，它能最大程度地循環利用有用成分。在生物處理方法中，利用微生物將有機物轉化為甲烷、二氧化碳、無機營養物和腐殖質的厭氧技術逐漸引起人們的重視。
　　二、我國垃圾處理現狀及存在題目
　　解決垃圾題目的目標是將垃圾減容、減量、資源化、能量化及無害化。目前主要有填埋、堆肥及焚燒處理三種方法。填埋是目前我國大多數城市解決生活垃圾出路的主要方法，到2003年底全國共有559座生活垃圾填埋場，近85％的城市生活垃圾采用填埋處理。利用微生物分解垃圾有機成分的填肥處理，雖在我國具有悠久歷史，但由于各種原因目前堆肥處理的效率不高，限制了該處理方法的發展。垃圾焚燒技術在我國的研究和應用起步于八十年代中期，隨著我國東南部沿海地區和部分大中城市的經濟發展和生活垃圾低位熱值的進步，不少城市已將建設生活垃圾焚燒廠提到了議事日程，目前正處于快速發展階段。
　　各種方法都具有自身的局限性。填埋處理不僅填埋掉了廢物，也埋掉了可回收利用的資源，填埋場占地面積大，且存在嚴重的二次污染，如地下水污染，土壤污染，堆放場產生的臭氣嚴重影響場地周邊的空氣質量等。堆肥周期長，占地面積大，衛生條件差，堆肥處理產生的肥料肥效低、本錢高，與化肥比銷售困難，經濟效益差。而焚燒處理對垃圾低位熱值有一定要求，且垃圾焚燒對垃圾具有選擇性，焚燒不僅使垃圾中的可利用資源被銷毀，產生的大量煙氣，造成熱能損失。產生的煙氣必須凈化，凈化技術難度大，運行本錢高，焚燒設備一次性投資大，焚燒產生的殘渣還必須消化。
　　當前，我國城市生活垃圾處理存在的題目主要表現在以下幾個方面：（1）城市生活垃圾資源利用水平低下，與發達國家相比存在較大差距；（2）固然我國各地均設有城市垃圾收集、運輸、處理的專門機構，但垃圾處理的整體水平較低，大部分城市垃圾采用混合回收方式，加大了垃圾出來難度，垃圾資源化未能引起相關部分的重視；（3）在我國垃圾處理的經費主要來自國家和地方財政，資金主要用于垃圾的清運和掩埋處置，難以滿足資源化需求。
　　三、厭氧消化處理技術
　　（一）厭氧消化處理工藝
　　城市生活垃圾中的紙類、塑料、織物、金屬等被分揀回收利用后，剩余的主要是廢棄的動植物有機物質，其含水量高達80％左右極易腐爛，除了其中的木質素外都可進行厭氧消化降解。若利用傳統的填埋等方法進行處理，可能增加處理本錢，造成二次污染。針對我國現行垃圾處理方式的弊端，應用厭氧消化技術處理城市生活垃圾，實現垃圾無害化，資源化和減量化的目標是可行的。
　　生活垃圾的厭氧發酵是指在無氧條件下，微生物分解有機物，其中的C、H、O轉化為沼氣－甲烷和二氧化碳，而N、P、K等微量元素存于殘留物中并轉化為易被動植物吸收利用的過程。有機物首先通過快速增值和對PH敏感的酸化菌將其水解和發酵轉化為揮發酸，揮發酸通過乙酸菌氧化為乙酸鹽、分子氫和二氧化碳,甲烷菌再將這些物質轉化為甲烷，一般厭氧消化可分為水解酸化階段、產氫、產乙酸階段和產甲烷階段。
　�。ǘ�）厭氧消化工藝研究進展
　　厭氧消化處理城市垃圾，主要集中處理城市垃圾中廚房剩余垃圾以及庭院垃圾，德國、丹麥等歐洲國家已建成一批消化處理廠，利用廚房垃圾產沼氣的研究較為成熟。早在20世紀80年代厭氧消化技術已成為日本等國的研究課題，近年來，在引進歐洲技術的同時，地方政府支持進行了產業規模生產。厭氧消化技術最早應用于高濃度有機廢水處理，在城市垃圾處理中占的比例還小。1920年，英國農學家Albert Howard發明了厭氧堆肥法，而后通過不斷的技術革新，逐步形成了以濕式完全混合厭氧消化、厭氧干發酵、兩步厭氧消化等為主的工藝形式。
　　1．濕式完全混合厭氧消化。濕式完全混合厭氧消化（簡稱濕式工藝）應用最早也最廣泛，其液化、酸化和產氣3個階段在同一反應器內進行，工藝過程簡單、投資小、運行和治理方便。早期消化工藝中沒有攪拌裝置，易引起分層現象，反應器中較輕的部分上升成浮渣層，較重的部分下沉成為底層，這樣在反應器中形成3個濃度不同的物理層，不但影響混合效果，而且損傷發酵設備。自上世紀90年代以來，攪拌器應用研究的快速發展，利用機械沼氣混合攪拌取得了很好的效果。但由于酸化、水解、產甲烷均在同一反應器中同時進行，通常以為在這個系統中各階段反應都不能達到各自最佳的反應條件，處理效率低。與其他工藝相比，濕式工藝含水量高，可以稀釋抑制物的濃度（固體濃度達15％），在一定程度上也加大了系統的抗抑制能力。
　　2．一步厭氧干發酵。濕式工藝的廣泛應用，為進步其處理能力，提出了一步厭氧干發酵系統。厭氧干發酵系統的固體濃度可以維持在20％－50％，大大進步了處理能力。干發酵系統中只有含水率非常低的原料需要進行稀釋，且用水量小。同時，厭氧干發酵系統對進料的分選要求不高，原料進進處理系統前，只需用滾筒篩將大的顆粒物往除即可。然而，從投資角度看，干發酵工藝比濕式工藝要高得多，另外，由于固體濃度的加大，需要設計能夠抗酸、抗腐蝕性強的發酵反應器。
　　3．兩步厭氧消化工藝。在濕式工藝和干發酵工藝中，垃圾中的有機質轉化為沼氣的過程是在一個連續的生化反應中完成，各個不同的反應階段難以達到其各自的最佳反應條件。例如酸化階段會導致PH值的下降，產甲烷階段要求接近中性或偏堿的環境，而兩步厭氧消化工藝即是要創造兩個不同的生物和營養環境條件如：溫度和PH等。典型的兩步工藝，在第一階段進行反應物的酸化和水解，第二個階段進行產甲烷。在微生物環境方面，水解產酸菌和產甲烷菌對厭氧環境的要求不同，只有在產甲烷階段，由于甲烷菌是嚴格的厭氧菌，才需要嚴格的厭氧環境。
　　4．制約厭氧消化處理工藝發展應用的因素。厭氧消化處理城市垃圾是一種古老的方法，其消化過程是一個動態、多相、多介質的物理、化學和生物反應緊密相關的復雜過程。其中有機物的生物、化學轉化及物質的傳輸與分布不易監控，在城市垃圾分選、厭氧發酵工藝、二次污染的處理等方面都存在很多題目。制約厭氧消化處理技術在城市垃圾處理應用中的制約因素主要表現在：（1）城市垃圾的分選需投進大量的人力物力，系統工程復雜�，F階段要對城市垃圾作較系統的分選很難，城市垃圾分選效率將直接影響到堆肥生產的本錢和產品的質量，故垃圾收集分區、分類收集和建立垃圾收費制度將是影響今后我國垃圾厭氧發酵產業進一步發展的關鍵因素；（2）厭氧微生物對垃圾中復雜有機物降解能力對發酵過程起決定性作用，選用優良的厭氧菌種是厭氧消化技術的核心。因此，發酵厭氧微生物的篩選、培養和鑒定也成為制約因素之一；（3）厭氧過程中溫度、PH值、營養物質和底物毒性對發酵過程有較大的影響，操縱職員要不斷監視發酵過程、判定和調整各種參數，很難實現實時監控；（4）消化過程中產生的廢水和廢氣由于處理效果不佳，已成為嚴重的環境污染源。廢氣的產生量和濃度隨垃圾的不同而改變，輕易對處理系統造成沖負荷，從而導致處理系統的失��；（5）消化產品的腐熟度是衡量厭氧消化過程的終極指標。未經腐熟的產品中有機物和毒性物質會造成植物生長的缺氧和間接毒性，危害作物生長。目前，對堆肥產品的腐熟檢測缺乏同一的標準，且檢測過程相對復雜，無法進行現場檢測。
　　四、垃圾厭氧消化處理的環保效益和經濟效益
　　厭氧消化技術能最大限度的循環利用垃圾中的可用成分，采用“分選＋厭氧消化＋堆肥”的方式處理可明顯減少溫室氣體的排放，抑制有毒氣體和液體的排放可避免二次污染。另外，使用厭氧消化技術處理生活垃圾，對垃圾中有用物質及能量加以回收和利用，使垃圾處理無害化、減量化。以我國2000年的垃圾量來計算，大約可以獲得25億立方米左右的沼氣，其經濟效益相當可觀。同時，厭氧消化處理的殘留物無論是做肥料還是飼料，都可取得較好的經濟效益。
　　五、結語
　　隨著經濟的發展和人民生活水平的進步，城市垃圾日益增多，和資源、能源愈漸短缺的矛盾越來越突出。傳統的填埋、堆肥和焚燒處理方法的局限性限制了我國城市生活垃圾處理的發展。而目前垃圾整體處理水平低，規模小，技術落后，垃圾分選程度低，很大程度上限制了厭氧技術的使用。因此，必須認真研究和總結國內外生活垃圾資源化綜合利用的經驗，開拓厭氧消化處理技術，結合適合我國國情的城市生活垃圾資源化綜合利用的途徑，盡快解決我國城市生活垃圾題目，進步資源利用水平�！緟⒖嘉墨I】
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