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(xiàn)狀及存在題目，簡述了當(dāng)前廣泛使用的填埋、堆肥和焚燒處理技術(shù)及其局限性，厭氧消化技術(shù)成為處理有機(jī)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(jìn)展，并對制約厭氧消化技術(shù)的因素進(jìn)行了討論。
【關(guān)鍵詞】厭氧消化；城市生活垃圾；綜合利用；有機(jī)質(zhì)垃圾
　
　　
　　一、前言
　　城市垃圾已成為當(dāng)今世界的一至公害，也成為我國環(huán)境污染的突出題目之一。近幾年來，我國城市生活垃圾產(chǎn)量達(dá)1億多噸，且每年以10％的速率增長。而且隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，垃圾產(chǎn)量將持續(xù)增長。傳統(tǒng)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(wèi)生填埋和焚燒處理的環(huán)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(huì)造成嚴(yán)重污染局面。由于環(huán)境立法的日益嚴(yán)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(jī)部分的一種有效方式，它能最大程度地循環(huán)利用有用成分。在生物處理方法中，利用微生物將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳、無機(jī)營養(yǎng)物和腐殖質(zhì)的厭氧技術(shù)逐漸引起人們的重視。
　　二、我國垃圾處理現(xiàn)狀及存在題目
　　解決垃圾題目的目標(biāo)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(shù)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(jī)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(fā)展。垃圾焚燒技術(shù)在我國的研究和應(yīng)用起步于八十年代中期，隨著我國東南部沿海地區(qū)和部分大中城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活垃圾低位熱值的進(jìn)步，不少城市已將建設(shè)生活垃圾焚燒廠提到了議事日程，目前正處于快速發(fā)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(yán)重的二次污染，如地下水污染，土壤污染，堆放場產(chǎn)生的臭氣嚴(yán)重影響場地周邊的空氣質(zhì)量等。堆肥周期長，占地面積大，衛(wèi)生條件差，堆肥處理產(chǎn)生的肥料肥效低、本錢高，與化肥比銷售困難，經(jīng)濟(jì)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(chǎn)生的大量煙氣，造成熱能損失。產(chǎn)生的煙氣必須凈化，凈化技術(shù)難度大，運(yùn)行本錢高，焚燒設(shè)備一次性投資大，焚燒產(chǎn)生的殘?jiān)�還必須消化。
　　當(dāng)前，我國城市生活垃圾處理存在的題目主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）城市生活垃圾資源利用水平低下，與發(fā)達(dá)國家相比存在較大差距；（2）固然我國各地均設(shè)有城市垃圾收集、運(yùn)輸、處理的專門機(jī)構(gòu)，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(guān)部分的重視；（3）在我國垃圾處理的經(jīng)費(fèi)主要來自國家和地方財(cái)政，資金主要用于垃圾的清運(yùn)和掩埋處置，難以滿足資源化需求。
　　三、厭氧消化處理技術(shù)
　�。ㄒ唬﹨捬跸�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(dòng)植物有機(jī)物質(zhì)，其含水量高達(dá)80％左右極易腐爛，除了其中的木質(zhì)素外都可進(jìn)行厭氧消化降解。若利用傳統(tǒng)的填埋等方法進(jìn)行處理，可能增加處理本錢，造成二次污染。針對我國現(xiàn)行垃圾處理方式的弊端，應(yīng)用厭氧消化技術(shù)處理城市生活垃圾，實(shí)現(xiàn)垃圾無害化，資源化和減量化的目標(biāo)是可行的。
　　生活垃圾的厭氧發(fā)酵是指在無氧條件下，微生物分解有機(jī)物，其中的C、H、O轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為易被動(dòng)植物吸收利用的過程。有機(jī)物首先通過快速增值和對PH敏感的酸化菌將其水解和發(fā)酵轉(zhuǎn)化為揮發(fā)酸，揮發(fā)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(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷，一般厭氧消化可分為水解酸化階段、產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。
　�。ǘ�）厭氧消化工藝研究進(jìn)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(chǎn)沼氣的研究較為成熟。早在20世紀(jì)80年代厭氧消化技術(shù)已成為日本等國的研究課題，近年來，在引進(jìn)歐洲技術(shù)的同時(shí)，地方政府支持進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。厭氧消化技術(shù)最早應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢水處理，在城市垃圾處理中占的比例還小。1920年，英國農(nóng)學(xué)家Albert Howard發(fā)明了厭氧堆肥法，而后通過不斷的技術(shù)革新，逐步形成了以濕式完全混合厭氧消化、厭氧干發(fā)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(yīng)用最早也最廣泛，其液化、酸化和產(chǎn)氣3個(gè)階段在同一反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，工藝過程簡單、投資小、運(yùn)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(xiàn)象，反應(yīng)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(yīng)器中形成3個(gè)濃度不同的物理層，不但影響混合效果，而且損傷發(fā)酵設(shè)備。自上世紀(jì)90年代以來，攪拌器應(yīng)用研究的快速發(fā)展，利用機(jī)械沼氣混合攪拌取得了很好的效果。但由于酸化、水解、產(chǎn)甲烷均在同一反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行，通常以為在這個(gè)系統(tǒng)中各階段反應(yīng)都不能達(dá)到各自最佳的反應(yīng)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(dá)15％），在一定程度上也加大了系統(tǒng)的抗抑制能力。
　　2．一步厭氧干發(fā)酵。濕式工藝的廣泛應(yīng)用，為進(jìn)步其處理能力，提出了一步厭氧干發(fā)酵系統(tǒng)。厭氧干發(fā)酵系統(tǒng)的固體濃度可以維持在20％－50％，大大進(jìn)步了處理能力。干發(fā)酵系統(tǒng)中只有含水率非常低的原料需要進(jìn)行稀釋，且用水量小。同時(shí)，厭氧干發(fā)酵系統(tǒng)對進(jìn)料的分選要求不高，原料進(jìn)進(jìn)處理系統(tǒng)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(fā)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(shè)計(jì)能夠抗酸、抗腐蝕性強(qiáng)的發(fā)酵反應(yīng)器。
　　3．兩步厭氧消化工藝。在濕式工藝和干發(fā)酵工藝中，垃圾中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣的過程是在一個(gè)連續(xù)的生化反應(yīng)中完成，各個(gè)不同的反應(yīng)階段難以達(dá)到其各自的最佳反應(yīng)條件。例如酸化階段會(huì)導(dǎo)致PH值的下降，產(chǎn)甲烷階段要求接近中性或偏堿的環(huán)境，而兩步厭氧消化工藝即是要?jiǎng)?chuàng)造兩個(gè)不同的生物和營養(yǎng)環(huán)境條件如：溫度和PH等。典型的兩步工藝，在第一階段進(jìn)行反應(yīng)物的酸化和水解，第二個(gè)階段進(jìn)行產(chǎn)甲烷。在微生物環(huán)境方面，水解產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌對厭氧環(huán)境的要求不同，只有在產(chǎn)甲烷階段，由于甲烷菌是嚴(yán)格的厭氧菌，才需要嚴(yán)格的厭氧環(huán)境。
　　4．制約厭氧消化處理工藝發(fā)展應(yīng)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(gè)動(dòng)態(tài)、多相、多介質(zhì)的物理、化學(xué)和生物反應(yīng)緊密相關(guān)的復(fù)雜過程。其中有機(jī)物的生物、化學(xué)轉(zhuǎn)化及物質(zhì)的傳輸與分布不易監(jiān)控，在城市垃圾分選、厭氧發(fā)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(shù)在城市垃圾處理應(yīng)用中的制約因素主要表現(xiàn)在：（1）城市垃圾的分選需投進(jìn)大量的人力物力，系統(tǒng)工程復(fù)雜�，F(xiàn)階段要對城市垃圾作較系統(tǒng)的分選很難，城市垃圾分選效率將直接影響到堆肥生產(chǎn)的本錢和產(chǎn)品的質(zhì)量，故垃圾收集分區(qū)、分類收集和建立垃圾收費(fèi)制度將是影響今后我國垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素；（2）厭氧微生物對垃圾中復(fù)雜有機(jī)物降解能力對發(fā)酵過程起決定性作用，選用優(yōu)良的厭氧菌種是厭氧消化技術(shù)的核心。因此，發(fā)酵厭氧微生物的篩選、培養(yǎng)和鑒定也成為制約因素之一；（3）厭氧過程中溫度、PH值、營養(yǎng)物質(zhì)和底物毒性對發(fā)酵過程有較大的影響，操縱職員要不斷監(jiān)視發(fā)酵過程、判定和調(diào)整各種參數(shù)，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控；（4）消化過程中產(chǎn)生的廢水和廢氣由于處理效果不佳，已成為嚴(yán)重的環(huán)境污染源。廢氣的產(chǎn)生量和濃度隨垃圾的不同而改變，輕易對處理系統(tǒng)造成沖負(fù)荷，從而導(dǎo)致處理系統(tǒng)的失��；（5）消化產(chǎn)品的腐熟度是衡量厭氧消化過程的終極指標(biāo)。未經(jīng)腐熟的產(chǎn)品中有機(jī)物和毒性物質(zhì)會(huì)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(chǎn)品的腐熟檢測缺乏同一的標(biāo)準(zhǔn)，且檢測過程相對復(fù)雜，無法進(jìn)行現(xiàn)場檢測。
　　四、垃圾厭氧消化處理的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益
　　厭氧消化技術(shù)能最大限度的循環(huán)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(shù)處理生活垃圾，對垃圾中有用物質(zhì)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(jì)算，大約可以獲得25億立方米左右的沼氣，其經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。同時(shí)，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(jīng)濟(jì)效益。
　　五、結(jié)語
　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的進(jìn)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(tǒng)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(fā)展。而目前垃圾整體處理水平低，規(guī)模小，技術(shù)落后，垃圾分選程度低，很大程度上限制了厭氧技術(shù)的使用。因此，必須認(rèn)真研究和總結(jié)國內(nèi)外生活垃圾資源化綜合利用的經(jīng)驗(yàn)，開拓厭氧消化處理技術(shù)，結(jié)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(jìn)步資源利用水平�！緟⒖嘉墨I(xiàn)】
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