城市生活垃圾厌氧消化处理工艺探讨-计算机在环境科学中的应用论文

城市生活垃圾厌氧消化处理工艺探讨-计算机在环境科学中的应用论文 计算机在环境科学中 的应用(论文) 题 目:城市生活垃圾厌氧消化处理工艺探讨 学 院: 市政与环境工程学院 专 业: 环境科学 姓 名: 学 号: 指导老师: 计算机在环境科学中的应用(论文) 摘要 摘要 随着人民生活水平的提高，城市垃圾的产生量日益增大，成为影响人类生存环境和社会发展的重大问题之一，许多城市已经陷入垃圾的包围之中。在垃圾的处理方式中，作为一种可回收能源的有机废物处理方法，厌氧消化在城市有机垃圾的处理方面越来越受到青睐。 本文首先对我国城市生活垃圾的来源、组成、特性、危害及常用的垃圾处理技术进行了简要概括，指出垃圾焚烧、垃圾填埋和堆肥处理的都不是可持续发展的要求。着重讨论了城市生活垃圾厌氧消化处理技术:厌氧消化技术的原理、发展历程、优势及工艺类型。通过详细分析垃圾成分、碳氮比、接种物、温度、PH值、总固含率、有机负荷率以及搅拌对厌氧消化的影响，并通过探讨典型的城市生活垃圾厌氧消化处理工艺，提出了适宜于我国城市生活垃圾厌氧消化处理技术--单相厌氧中温消化工艺。 关键词:城市生活垃圾，垃圾处理，厌氧消化，沼气 I 计算机在环境科学中的应用(论文) 目录 目录 摘要 ................................................................ I 目录 ............................................... 错误～未定义书签。 1城市生活垃圾的现状以及常用处理方法 ................................. 1 1.1城市生活垃圾的现状 ........................................... 1 1.1.1城市生活垃圾的产生量 ................................... 1 1.1.2生活垃圾的分类 ......................................... 2 1.1.3垃圾的危害 ............................................. 3 1.2城市生活垃圾的处理技术 ....................................... 4 1.2.1填埋处理 ............................................... 4 1.2.2 堆肥处理 ............................................... 5 1.2.3 焚烧处理 ............................................... 5 1.2.4技术比较 ............................................... 6 2城市生活垃圾的厌氧消化处理技术 ..................................... 7 2.1厌氧消化处理技术概况 ......................................... 7 2.1.1厌氧消化处理原理 ....................................... 7 2.1.2厌氧消化技术发展历程 ................................... 9 2.1.3厌氧消化处理的优势 .................................... 10 2.2厌氧消化处理工艺流程 ........................................ 11 2.2.1厌氧消化处理工艺的类型 ................................ 11 2.2.2厌氧消化过程的影响因素 ................................ 13 2.2.3典型工艺及流程 ........................................ 15 3.厌氧消化处理城市垃圾的应用趋势 ................................... 19 3.1城市生活垃圾厌氧消化技术潜力分析 ............................ 19 3.1.1垃圾成分的变化 ........................................ 19 3.1.2厌氧消化处理方法的多样性 .............................. 20 3.1.3国情下厌氧消化的实际效益 .............................. 21 3.2城市生活垃圾厌氧消化处理工艺选择 ............................ 21 3.2.1参数的优化 ............................................ 21 3.2.2发展趋势 .............................................. 25 4 .............................................................. 26 参考文献 ........................................................... 27 II 计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的现状以及常用处理方法 1城市生活垃圾的现状以及常用处理方法 进入20世纪90年代以来，全世界每年平均新增垃圾(不包括工业废渣)约17.85亿万吨，平均每天新增垃圾486.04万吨。在全球经济发展缓慢(年平均增长速度在3,5%)的情况下，垃圾却以年平均8.37%的速度增长。据此速度计算，到2100 [1]年，地球陆地表面将被垃圾包围，21世纪地球将成为垃圾的世界。我国城市生活垃圾随着我国经济的不断发展，城市化进程越来越快，人口的急速增长，城市生活垃圾问题愈发的严重。城市垃圾的产生量以每年8,9%的速度迅速增长，城市人 [2]均垃圾日产生量超过1kg/d，接近工业发达国家的水平，不完全统计资料显示， 2目前我国城市生活垃圾累积堆存量已达70亿吨，占地约5.3万hm且呈不断增长态势。全国668个城市中有约2/3处于垃圾包围之中。城市生活垃圾的产生及特点由于我国正处于发展之中，城市中除了常住居民外，还有大量的流动人口涌入，导致城市生活垃圾倍增。 1.1城市生活垃圾的现状 1.1.1城市生活垃圾的产生量 城市生活垃圾，是指在城市日常生活中或者为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物以及法律、行政法规规定视为城市生活垃圾的固体。它们是在一定时间和地点无法利用而被丢弃的污染环境的固体、半固体废弃物质。我国自1979年以来，我国城市生活垃圾的产生总量以每年8%,10%的速度增长，少数经济发达城市如北京则达到15%,20%。2000年我国城市生活垃圾清运总量为1.18亿吨。城市生活垃圾的快速激增主要由城市化进程加快，导致城市人口、城市规模增加所至。研究表明，城市生活垃圾的产生量一般随经济发展而增长, 当达到发达国家水平后垃圾产生量会趋向平稳增长。 1 计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的现状以及常用处理方法 表1.1 我国近年来人均垃圾产生量 人均产总产量(亿总产变化人均产生量年份 生量变变化率% 吨) 率% (dun/年) 化率% 1996 1.08 0.08 1998 1.13 0.029 0.74 -0.02 5 2000 1.18 0.035 0.71 -0.01 5 2002 1.36 0.013 0.74 -0.02 9 2004 1.55 0.044 0.74 0.007 2 2006 1.48 -0.05 0.7 -0.07 2008 2.2 0.048 2010 3.52 0.6 0.52 据有关资料报道，目前我国城市垃圾人均年产生量达到440kg，2010年我国城市生活垃圾量达到了3.52亿t，居世界第一，且每年以8%,10%的速度增长。中国近年来的“城中村改造”和“新农村”的建设，城镇化的加速发展，加上人民生活水平提高，人均消费水平的提高，使生活垃圾产生量急剧上升。 1.1.2生活垃圾的分类 根据垃圾不同的来源，城市垃圾可分为居民生活垃圾，街道保洁垃圾和集团 [3]垃圾三大类。不同规模的城市，其生活垃圾的组成成分也不尽相同。城市生活垃圾主要包括:?居民的生活垃圾;?清扫垃圾;?社会团体垃圾。居民的生活垃圾主要包括食品残渣、纸屑、布料、木材、金属、玻璃、塑料、橡胶、陶瓷、燃料灰渣、碎砖瓦、废弃具、杂品等。清扫垃圾中主要是指公共场所所产生的废弃物，包括泥沙、灰土、枯枝败叶、商品的包装等。而社会团体垃圾主要指的是商业、工业、事业单位所产生的废弃物，不同的单位产生的垃圾成分有较大的不同。三者比例大致为:60%、10%和30%。生活垃圾主要特点是含水率低、含有高热值废物、易燃物质较多。如表1.2所示:随着地域的变化，生活垃圾中各组分的比例也有较大的变化，城市垃圾的成分多以厨余垃圾为主。 2 计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的现状以及常用处理方法 表1.2 中国部分城市垃圾的组成成分 有机物(%) 无机物(%) 城塑料橡玻璃陶煤灰泥厨余 废纸 纤维 木材 金属 其他 市 胶 瓷 砖 北18.239.00 3.56 -- 10.35 13.02 2.96 10.93 2.00 京 0 天50.11 5.53 0.68 -- 4.81 -- -- -- -- 津 上70.00 8.00 2.80 0.89 12.00 4.00 2.19 2.19 -- 海 重38.79 1.04 0.97 1.58 9.10 9.03 37.99 37.99 1.00 庆 广63.00 4.80 3.60 2.80 14.10 4.00 3.80 3.80 -- 州 深58.00 7.90 2.80 5.19 13.70 3.20 8.00 8.00 -- 圳 南52.00 4.90 1.18 1.08 11.20 4.09 20.64 20.64 3.00 京 无41.00 2.90 4.98 3.05 9.83 9.47 25.29 25.29 2.58 锡 合44.97 3.57 2.98 2.52 10.22 4.24 28.40 28.40 2.30 肥 宜29.54 1.22 0.73 1.05 1.13 8.03 55.82 55.82 2.00 昌 1.1.3垃圾的危害 ?侵占土地 城市生活垃圾(MSW)的恶性累计，已成为世界性的环境灾难。据不完全统计， 982近年来我国城市固体废弃物堆放量已高达7.0×10t，侵占土地面积约6.0×10m。城市生活垃圾大量堆放，不仅侵占了大量的农田、滩涂、河道和山沟，甚至有的地区城乡交界处的道路两侧和自然风景区也随处可见大量生活垃圾。全国668座城 [4-6]市中约有200座城市处于垃圾污染重围之中。长期的堆放加上城市垃圾中有机物含量的提高，垃圾会因为自然发酵产生大量甲烷引起爆炸事故和火灾。1994年1月8日湖南省岳阳市羊角山垃圾填埋场发生了垃圾大爆炸。 ?污染大气 城市垃圾在城市和城市周围大量堆积，会严重污染着空气。生活垃圾中富含有机物，露天堆放时会自然发酵，产生大量的有害气体，周边臭气袭人。正常大气中二氧化碳浓度约为300ppm，即0.03%;当浓度达到0.05%时，会对人体产生危 3 计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的现状以及常用处理方法 害。空气中甲烷浓度达25%,30%时，会导致头晕乏力，不及时撤离会使人窒息死亡。硫化氢遇空气后氧化成二氧化硫，大气中二氧化硫浓度达到(1,3)ppm时多数人开始会感觉到刺激;在(400,500)ppm时人会出现肺水肿等症状直至窒息死亡。 ?污染水体 城市生活垃圾中含有病原微生物，在堆放腐败过程中会产生大量的酸性和碱性有机污染物，并会将垃圾中的重金属溶解出来，形成有机物、重金属和病原微生物三位一体的污染源。任意堆放的垃圾或简易填埋的垃圾，其所含水分和淋入垃圾中的降水产生的渗淋液流入其周围的地面水体和渗入土壤，会造成地面水体 [7-9]和地下水体的污染。 ?污染土壤危害农业生态 垃圾中的重金属污染元素，会直接破坏土壤结构和水质，从而破坏农业生产。金属在自然界中衰减缓慢，通过在作物、水生物或饮用水中积聚并通过食物链最终危害人体健康。 1.2城市生活垃圾的处理技术 目前，我国现有的城市生活垃圾主要处理方式有填埋、堆肥、焚烧、厌氧发酵。 1.2.1填埋处理 填埋又称土地填埋，即采用适当的方法，把垃圾掩埋到土地中去使之不再污染大气、水体、威胁人类健康。填埋用于最终处置，已有多年历史。以前是简单填埋，20世纪20年代起发展成科学填埋，分为卫生填埋与安全填埋两种。长期以来，大部分城市垃圾都是采用露天堆放、填坑和填沟等自然方式处理。随着城市化进程的加速、城市管理者环保理念的增强，近年来，许多大中型城市根据本地区垃圾成分特点，在考虑了环保因素的前提下，相继建成了一批具有较高环保水平的卫生填埋场。此种方式目前仍为我国最主要的垃圾处理方式。填埋方式具有处理量大，过程简单且成本较低的优点。虽然考虑到了一些制约因素，但缺点明显，容易造成二次污染，对垃圾填埋场周围空气造成严重污染。同时，垃圾渗滤液对地下水的影响严重。垃圾渗滤液具有三氮、总硬度、盐类浓度高的特点，工业垃圾还可能含有浓度高的有毒有害有机污染物，一旦渗漏进入地下水，将会对地下水造成严重污染。 4 计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的现状以及常用处理方法 1.2.2 堆肥处理 垃圾堆肥，将垃圾在在一定人工控制条件下，通过生物化学作用，是垃圾中的有机成分分解转化为比较稳定的腐殖质肥料的过程，其实质是一种发酵过程。根据发酵过程中微生物对氧的需求关系，又可分为好氧与厌氧。厌氧堆肥是将垃圾与空气隔绝的条件下堆积发酵，其机制与污水处理厂污泥厌氧消化过程相似。由于厌氧堆肥所需要时间较长，一般需要10个月，且环境恶劣，仅适用于小规模农家堆肥。好氧堆肥通过好氧微生物的作用使垃圾中有机物发生一系列分解反应，最终转化为简单而稳定的腐殖质的过程，并利用垃圾或土壤中存在微生物，在温度、水分和氧气等一定条件作用下，使垃圾中的有机物发生生物化学反应而降解(消化),形成一种类似腐蚀质土壤的物质，可改良土壤肥度。近年来，我国垃圾堆肥发展较快。许多城市建立适合本地特色的机械化垃圾堆肥处理生产线(如北京南宫堆肥厂)，还有相当一部分的简易垃圾堆肥厂。堆肥能够把垃圾再次利用，减少了资源的浪费，但是过程较长，且工艺复杂。 1.2.3 焚烧处理 焚烧是一种城市垃圾的高温热处理方法，即在800,1000?的高温下，使垃圾燃烧分解以达到稳定化、减量化，同时回收垃圾中的热能。焚烧法多用于热值较高的垃圾。焚烧法的主要优点有:占地面积少，处理周期短(几个小时即可);效果好，减量率可达到90%;残渣性质稳定;处理不受天气影响;而且可以回收 [10]热能;对热值高的垃圾，不但不需要补充辅助燃料，还可输出热能以供发电。其中主要缺点是:投资大、处理费用高、对垃圾热值有一定的要求(>800kcal/kg)、焚烧废气对大气有严重污染，在焚烧过程中所排烟气中存在一种二恶英的有毒有害气体，是能够引发癌症、皮肤病和生殖障碍的环境激素。为此，预防垃圾焚烧产生二次污染，加强排烟监测和控制二恶英产生量等，仍是制约此项技术广泛推广应用的重要因素。 5 计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的现状以及常用处理方法 1.2.4技术比较 表1.3 我国生活垃圾几种处理技术的比较 指标 卫生填埋 焚烧 好氧堆肥 4投资(10/d) 20-30 40-65 25-35 经济规模 >1000 50-150 投资风险 低 中等 较高 对垃圾的要求 无要求 热值 有机物含量高 二次污染 渗透液 烟气 渗透液 环境效益 低 较好 中 我国城市生活垃圾的处理方式主要有填埋、焚烧和堆肥。2005年底统计的城市生活垃圾处理设施中85.2%为填埋，5.6%为焚烧，9.2%为堆肥。这3种方式都具有各自的优势和特点，也具有技术本身的弊端。卫生填埋占地面积大，而且对于土壤、地下水和大气都会造成现实的影响和潜在的危害;焚烧对于热值低的废物来说是对资源的极大浪费，而且在焚烧的过程中易产生烟尘及剧毒二恶英(dioxin)污染物而形成二次污染;好氧堆肥是一个耗能过程，需要输入能量去曝气，最后 [11]又产生温室气体CO。由于目前立法对环境的要求越来越严格，加上城市垃圾实2 现了分类收集，这些都为垃圾的处理提供了条件。在各种处理方法中，生物方法是处理分类收集有机部分的一种较好方式，它能最大程度地循环再用和富集废物中的有用成分。采用厌氧消化技术处理城市生活垃圾，不仅可以解决环境问题，减少温室效应气体的排放，还可以产生洁净能源、有机肥料和土壤改良剂，能真正实现垃圾处理的“无害化、减量化和资源化”。 6 计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的厌氧消化处理技术 2城市生活垃圾的厌氧消化处理技术 2.1厌氧消化处理技术概况 厌氧消化处理废弃物已有多年历史，但工业化的大规模运用从二十世纪初才开始，由于运转不稳定，操作较复杂，运用一直不多，直道70年代，由于能源危机，许多国家开始寻找新能源，从而把目光转向了可产生沼气的厌氧消化技术。 特别是近二十年的发展。据统计，在德国大约有520座厌氧消化处理反应器。在欧美,固体废物的厌氧消化在研究和实际应用中都得到了很好的发展, 现在已经是一项很成熟的技术。根DeBaere的资料，在过去的10年中,欧洲固体垃圾总的厌氧 57处理量由1990的1.22×10t/a发展2000年的1×10t/a以上，即欧洲的有机垃圾量已有四分之一是经厌氧处理的。我国在厌氧消化处理生活垃圾的发展较晚，目前也兴建了一些生活垃圾综合处理厂，如采用湿式厌氧中温消化工艺技术的上海综合垃圾处理厂。 2.1.1厌氧消化处理原理 厌氧消化是生活垃圾的厌氧发酵是指微生物在无氧条件下分解有机物产生沼气的过程。复杂的有机物首先通过快速增值和对pH 敏感的酸化菌将其水解和发酵转化为挥发酸。挥发酸通过乙酸菌氧化为乙酸盐、分子氢和二氧化碳, 甲烷菌再将这些物质转化为甲烷. 一般厌氧消化可分为水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段 [12]和产甲烷阶段。厌氧消化是一种普遍存在与自然界的生物学过程，是一个复杂的过程。 工业化的厌氧消化工艺是指人工的控制厌氧消化所需要的环境条件和营养条件，使整个发酵过程快速、高效、稳态的进行。这可使自然厌氧发酵的时间降低几十倍。厌氧消化是在厌氧环境下(氧化还原电位为负值)有机质自然降解的过程。在这个过程中，有机物不断被几种微生物分解，最后将其中的碳以甲烷和二氧化碳的形式释放出来。决定甲烷生成的环境条件主要有温度(介质温度或热度)、pH 值(7.0 左右)、厌氧条件(氧化还原电位)、C/N(氨密度平衡)、微生物营养(如 Ni、Co、Mo)、有毒物质和抑制剂的多少、有机负荷率、含水率、搅拌 [13]装置、破碎程度等。 厌氧发酵是一个复杂的生物学过程，在自然界内厌氧发酵过程也广泛存在着。有机物在有水的地方，在无氧条件下，很容易发生厌氧发酵，产生厌氧发酵的代表产物 —甲烷和硫化氢。厌氧微生物，即能在无氧条件下分解有机物的微生物， 7 计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的厌氧消化处理技术 在地球上的分布是十分广泛，其中包括人和动物的肠胃、植物的木质组织、江河湖海的沉积物，另外在各种污泥、粪便、沼泽、生活垃圾和稻田土壤中，都有不同数量的厌氧微生物存在。项目开发的生活垃圾厌氧发酵工艺，是用人工的方法创造厌氧微生物所需要的营养条件和环境条件，使设备内积累高浓度的厌氧微生物，以加速发酵过程，使生活垃圾迅速转化为甲烷和二氧化碳。人工厌氧发酵的速度大大超过自然界中自发的厌氧发酵过程。与传统的卫生填埋相比，厌氧消化过程由几年缩短到15天左右;与好氧堆肥相比改变了占地大、处理时间长、管理复杂和有气味的问题，厌氧消化处理具有可控制、易操作、降解快、生产过程封闭，产量可计量和再利用等特点。 [14]以下四个阶段组成了厌氧消化的总过程,这四个阶段是依次连续发生的。 ?水解阶段 这个阶段的水解包括对蛋白质、脂类、碳水化合物的水解，是简单的溶解性单体或二聚体转化为复杂的非溶解性的聚合物的阶段大分子有机物是不能够被细菌直接利用的，这是因为它们的分子质量大，细胞膜对其有阻挡作用，因此，对于大分子有机物，或者是悬浮物废液，水解比较慢，这个阶段是厌氧降解的限速阶段。除此之外，影响水解速度的原因还有不少。 ?发酵阶段 这个阶段包括了糖、氨基酸、高级脂肪酸以及醇类的厌氧氧化。有机化合物既接受电子，又提供电子的生物降解过程就是发酵。在此过程中，之前水解时生成的小分子化合物，通过发酵菌细胞内的作用,成为简单的末端有机物，并且被排出细胞，因此，发酵阶段又叫做酸化阶段。发酵阶段会产生很多末端产物，比如二氧化碳、氢气、挥发性脂肪酸等等。除此之外，发酵菌会生成很多剩余污泥，为废物的厌氧提供资料，这个过程要依赖发酵菌结合部分物质，合成细胞质。 ?产乙酸阶段 在这个阶段，会产生为氢气、碳酸、乙酸以及新的细胞物质。这些都是由之前的发酵阶段的末端产物转化而来的，而高级脂肪酸的生物降解是依照氧化原理而来的。在这个过程中在此阶段,乙酸、二氧化碳和氢气是由发酵阶段末端产物转化而来。转化细菌是产氢产乙酸菌，这种菌能够把挥发性脂肪酸降解为氢气和乙酸产氢产乙酸菌可能是绝对厌氧菌，或者兼性厌氧菌在乙酸浓度较低，液体中的氢分压也低的情况下，这个过程就能顺利完成。 ?产甲烷阶段 这个阶段主要包括了，乙酸转化为甲烷、氢气和二氧化碳反应生成甲烷。在此阶段,产甲烷细菌有两条路径,使乙酸、碳酸、氢气、甲酸等转变为二氧化碳。第一条路径是有二氧化碳的时候,将二氧化碳和氢气反应生成甲烷，第二条路径是 8 计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的厌氧消化处理技术 用乙酸来产生甲烷，而一般情况下，只有三分之一的甲烷是来自于氢气和二氧化碳的作用，剩下三分之二来自于乙酸的分解。 除了这四个阶段的分类以外，还有一些资料中，将整个厌氧消化过程分为三个阶段，即水解和发酵阶段，产氢、产乙酸(酸化阶段)和产甲烷三个阶段。 2.1.2厌氧消化技术发展历程 厌氧消化处理废弃物在国外已经已经有很长的发展历史，最早产生于19世纪80年代。 在过去10-15年，欧盟利用生物能发电和产热技术每年以2-9%的速度增长。特别是1990-2000年期间，生物能生产的增加量是同时期8倍，相比于堆肥厂的装机容量。厌氧处理量还不算大。厌氧消化处理生活垃圾作为新生能源，在发达国家得以重视。在国外，厌氧消化法处理城市垃圾的比例不断增加。固体废物的厌氧消化技术已发展到相当成熟的地步，厌氧消化处理已经被证实具有广阔的发展前景。随着从源头分类收集的垃圾逐渐增加，收集的有机垃圾量也越来越大。这部分有机垃圾非常适合于进行厌氧消化处理。有机垃圾厌氧处理所占比例将快速增加，丹麦2000年厌氧处理废弃物量达111万吨;美国拥有世界上最大的垃圾 3甲烷工厂，日产气量达28.3万m;波特兰市的沼气工厂每天处理2000t以上的垃圾。近10年来欧洲生活垃圾的厌氧处理量不断增长，而且增长的幅度也不断上升，近5年的增长速度是前5年增长速度的5倍。2000年欧洲的有机垃圾量有10.37 7万t，其中1/4是用厌氧方法处理的。欧洲处理能力在500t/a-3×10t/a的厌氧消化工厂在世界上站的比例达到91%，其中德国占35%亚洲由于经济与科技的原因，其比例只占7%。近几年来，混合生活垃圾的处理量也有了一个比较大的增长。欧洲的有机垃圾量已有四分之一是经厌氧处理的。其中德国、瑞士、丹麦等西欧国家处于厌氧消化技术领先地位，并已经将此项技术成功地市场化。例如，在德国大约有520座厌氧消化反应器，其中用于城市垃圾处理的大约有49座。 厌氧消化技术最早应用于高浓度有机废水的处理中，在城市垃圾的处理所占 [15]的比例还小。自1920年英国农学家Albert Howard在印度发明了厌氧堆肥法以来经过了不断地技术革新。近年来，逐步形成了以湿式完全混合厌氧消化、厌氧干发酵、两相厌氧消化等为主的工艺形式。目前，全世界每年大约有100万吨的有机废物经过厌氧消化处理，一方面产生物气，另一方面实现了废物的稳定化。尤其在欧洲和美洲，固体废物的厌氧消化在研究和实际的应用中都得到了很好的发展，现在已经是一项很成熟的技术。厌氧技术在发达国家已经将其应用于实践并得到不断地发展。 9 计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的厌氧消化处理技术 我国农村和小城镇厌氧发酵处理有机垃圾已有100多年的历史。19世纪末广东沿海就出现了适合农村应用的制取沼气的简易发酵池。20世纪70年代末到80年代初，我国农村沼气建设在政府的关心和支持下，得到了空前发展，各种技术规范已相继出台。我国第一次沼气推广高潮发展形成了具有中国特色的农村水压 [16]式沼气池。在2001年我国已有家用沼气池800多万个，大中型沼气池1000多个[17]。 虽然厌氧消化技术在我国已有悠久历史，但应用于垃圾处理仍处于研究阶段，厌氧处理在城市垃圾处理方面的应用，除少量废水处理厂的污泥进行厌氧处理外，真正城市垃圾进行厌氧消化处理的很少。 2.1.3厌氧消化处理的优势 厌氧消化后产生的沼气是清洁能源，实现能量的回收利用;固体物质被消化以后产品中氮保存较多，可以得到高质量的有机肥料和土壤改良剂在有机物质转化成甲烷的过程中实现了垃圾的减量化厌氧消化过程不需要氧气，动力消耗小，因而运行成本较低;厌氧消化减少了温室效应气体的排放量。由此可见，厌氧消化技术可有效实现垃圾处理的无害化，减量化和资源化。 ?环保效益 厌氧消化技术能够最大限度的循环和再利用垃圾的成分, 在处理过程中避免了造成二次污染的有害有毒气体和液体的排放, Kuler(1999年)等报道, 每吨城市固体有机垃圾用分选+厌氧消化+填埋方式处理比用分选+堆肥+填埋的方式处理产生的二氧化碳的量要少0.2t。利用厌氧消化工艺可以有效改善农村生态环境，减少温室气体的排放，有效控制大气污染源。因此，此运用厌氧消化技术处理城市生活垃圾可以获得较好的环保效益。 ?经济效益 厌氧消化技术处理生活垃圾对垃圾中的有用物质及能量加以回收和利用, 使其无用部分达到无害化、减量化, 真正做到了物尽其用。以我国2000年的垃圾量 3来估算,大约可以获得25亿m左右的沼气, 其经济效益相当可观。另外, 城市生活垃圾进行厌氧消化处理的残留物无论是作肥料还是作饲料都可取得较好的经济效益。 10 计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的厌氧消化处理技术 2.2厌氧消化处理工艺流程 2.2.1厌氧消化处理工艺的类型 厌氧反应器一般由:密闭反应器、搅拌系统、加热系统和固液气三相分离系统。厌氧消化的主要工艺按照厌氧反应器的操作条件如进料的固含率、运行温度 [18，19]进料方式、反应级数等分为以下几类 ?按运行温度分类 按运行温度分为:常温消化、中温消化(35?左右)和高温消化(54?左右)。 ?按照固含率可分为湿式、干式 厌氧消化工艺根据废物中有机固体浓度大小可以分为干式厌氧消化工艺和湿式厌氧消化工艺。 湿式:垃圾固含率10%,15,。 干式:垃圾固含率20%,40%。 湿式单级发酵系统与在废水处理中应用了几十年的污泥厌氧稳定化处理技术相似，但是在实际设计中有很多问题需要考虑:特别是对于机械分选的城市生活垃圾，分选去除粗糙的硬垃圾、将垃圾调成充分连续的浆状的预处理过程非常复杂，为达到既去除杂质，又保证有机垃圾进入正常地处理，需要采用过滤、粉碎、筛分等复杂的处理单元。这些预处理过程会导致15%,25%的挥发性固体损失。 并 [20]且湿式厌氧工艺中有机固体废物通常要用水稀释到进料中TS低于15%。浆状垃圾并不能保持均匀的连续性，因为在消化过程中重物质沉降，轻物质形成浮渣层，导致在反应器中形成了三种明显不同密度的物质层。重物质在反应器底部聚集可能破坏搅拌器，因此必须通过特殊设计的水力旋流分离器或者粉碎机去除。 干式发酵系统的难点在于:其一，生物反应在高固含率条件下进行;其二，输送、搅拌固体流。但是在法国、德国已经证明对于机械分选的城市生活有机垃圾的发酵采用干式系统是可靠的。Dranco工艺中，消化的垃圾从反应器底部回流至顶部。垃圾固含率范围20%,50%。Kompogas工艺的工作方式相似，只是采用水平式圆柱形反应器，内部通过缓慢转动的桨板使垃圾均质化，系统需要将垃圾固含率调到大约23%。而Valorga工艺显著不同，同为在圆柱形反应器中水平塞式流是循环的，垃圾搅拌是通过底部高压生物气的射流而实现的。Valorg工艺优点是不需要用消化后的垃圾来稀释新鲜垃圾，缺点是气体喷嘴容易堵塞，维护比较困难。Valorga工艺产生的水回流使反应器内保持30%的固含率，且艺能单独处理湿垃圾，因为在固含率20%以下时重物质在反应器内发生沉降。 表2.1、2.1是湿式、干式发酵系统各自的优缺点。 11 计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的厌氧消化处理技术 表2.1 湿式发酵系统的优缺点 项目 优点 缺点 有已知的技术短流、有沉降和浮渣层、预处理技术 而来 复杂 反应用新鲜水对冲击负荷敏感、挥发性有机物生物反应 稀释 与惰性物质、塑料易损失 处理设施便宜 经济与环境 (因为垃圾经水得消耗大、加热量 过了预处理) 表2.2 干式发酵系统的优缺点 项目 优点 缺点 反应器内部没有移动湿垃圾(ts<20%不能单技术 部分、系统稳定、不会独处理) 短流 预处理中挥发性有机 生物反应 物损失较少、有机物负很少用新鲜水 荷高、抗冲击负荷 预处理便宜、反应器 经济与环境 小，安全卫生、用水量处理设备造价高 小、加热量小 根据1999年DeBaere的调查，20世纪80年代后建立的消化工艺过程多是干式发酵工艺。 ?按照阶段数可分为单级、多级。 目前，工业上一般用单级系统，因为设计简单、一般不会发生技术故障。并且对于大部分有机垃圾而言，只要设计合理、操作适当，单级系统具有与多级系统相同的效能。厌氧消化可以分为 单相厌氧消化工艺和两相厌氧消化工艺。单相厌氧消化工艺是指消化过程在一个反应器中进行，多种菌群在同一环境中生存。两相厌氧消化工艺过程的酸性发酵分别在两个单独的反应器中进行，为产酸菌和 12 计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的厌氧消化处理技术 产甲烷菌提供了各宗良好的生存环境，能够降低在有机负荷过高的情况下挥发有机酸积累对于后续加完产气的抑制，降低反应器中不稳定因素的影响，提高反应 [21]器的负荷和产气的效率。 在两相厌氧消化工艺中，可以根据实际需要在产酸相和产甲烷相应用高效的厌氧反应器如UASB。但事实上，在实际的市场运作中，两相消化并没有表现出优越性，在欧洲固体垃圾厌氧消化中，两相消化多占的比重比单项消化要小得多，普遍认为，从运行的稳定性考虑，两相厌氧生物处理工艺适合处理已酸化的可溶性有机废水。Hobson认为如果发酵的第一步是聚合物的水解如垃圾的水解，则两项工艺不可行，因为复杂有机物的发酵需要很长时间，限速步骤往往是产酸阶段。另外，两相消化系统 需要更多的投资，以及运转维护也更为复杂。目前，工业上一般用单相厌氧消化系统，因为设计简单，一般不会发生技术故障。并且对于大部分有机垃圾而言，只要设计合理，操作适当，单级系统具有与两相厌氧消化系统相同的效能。 ?按照进料方式分为序批式、连续式。 序批式是消化罐进料、接种后密闭直至完全降解,之后，消化罐清空，并进行下一批进料。连续式:消化罐连续进料，完全分解的物质连续从消化罐底部取出。 不同类型的厌氧反应器在市场中占的份额也不同:中温消化、高温消化都是 ,;湿式、干式系统各占一半;可行的技术，实际运行的处理厂，中温消化占62 而单级消化、两相消化的比重相差大，其中两相消化占10.6% 。 2.2.2厌氧消化过程的影响因素 ?预处理 在城市生活垃圾的厌氧消化过程中, 发酵底物的理化性质对发酵效率、发酵间、产气质量等有很大的影响。现有的预处理方法可分为物理预处理法、化学预处理法和生物预处理法。其中物理和化学预处理的应用较为广泛。物理预处理包括切碎、研磨、冲击碰撞和蒸汽爆破等方法, 几乎存在于所有厌氧消化工艺的预处理阶段。化学预处理普遍运用于难降解固体有机物的处理中, 针对不同的固体有机物, 通常采用酸、碱、碳酸氢盐等浸泡的方式进行处理, 热处理和臭氧处理对厌氧消化过程具有显著的优化作用。 ?PH值 PH对厌氧消化的影响较大，尤其是在启动阶段(酸化阶段)，合适的pH有利于产甲烷微生物的生长代谢，并建立产酸与产甲烷微生物群落之间的平衡。厌氧发酵微生物的正常生长、代谢适宜pH值为6.5 以上都会对产气产生抑制作用。如果 13 计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的厌氧消化处理技术 厌氧环境中pH值发生变化，将会改变细胞膜电荷，影响微生物对营养物质的吸收，在代谢过程中酶的活性降低;以及有害物质的毒性改变对pH值、微生物都有一个适应范围。一般而言,相比对温度变化的适应性,微生物对pH值变化的适应性要差一些,特别是产甲烷菌对pH值的变化比较敏感产甲烷菌的适宜范围是6.8到7.2之间。一般情况下，6.5到7.8是反应器的基本pH范围，如果超出这个范围，产甲烷菌就会受到抑制作用，而产酸菌对环境PH值的适应性就比较强，一些产酸菌在5.5到8.5内，有的甚至在pH值5.0以下环境中。 ?温度 温度是影响厌氧消化工艺的重要参数，对消化程度、启动时间、产沼气中甲烷体积分数等均有重要影响。厌氧发酵中产甲烷菌最佳生长温度为中温(30-35?)和高温(50-65?)。国内外也有许多研究探讨温度对发酵效率、产期质量的影响。在高温条件下, 微生物比生长速率和有机质降解速率都较高，能缩短发酵物的停留时间，提高生物气产率和病原微生物去除率，提高了沼肥质量和使用安全性。从工艺角度看，高温条件下需要消耗较多能量，管理复杂。温度的选择需要根据原料特性、当地气温、运转费用、管理费用等综合研究决定。 ?垃圾的组分和粒度 Saint-Joly等通过许多大型垃圾处理厂的实际运行数据证明了有机废物的组分强烈地影响着厌氧消化过程的性能。Palmowski等研究了有机废物粒度的减少对厌氧消化过程的影响:颗粒粒度减小能引起比表面积增大。一方面可以提高纤维素的可生化性，加大产气量，使垃圾的减量化程度提高;另一方面可以减少有机废物消化的时间。Kim等研究了厨房垃圾的颗粒粒度对基质利用率的影响，研究结果表明:当厨房垃圾颗粒尺寸由1.02mm增加到2.14mm的时候，基质的最大利用率 - 1-1由0.0033h降到了0.0015h。这证明了颗粒粒度在厨房垃圾的厌氧消化过程中是一个重要的影响因素。 ?接种物 厌氧消化过程是由多种相互依存的细菌来完成的复杂基质混合物最终转化为甲烷和二氧化碳的过程。有机垃圾厌氧消化涉及液化、酸化和产气等一系列的生 [22]化反应，由多菌群、多层次的发酵过程构成了一个复杂的生态系统。厌氧消化处理中菌种的多少和质量的好坏直接影响沼气的产生。当接种物适量且适当时, 可以缩短发酵时间, 防止酸积累。垃圾发酵对接种物(活性污泥)要求的相关研究并不多，垃圾本身的成分极为复杂，含有对微生物有不同程度毒害作用的物质。一些学者研究了不同来源的接种物对垃圾发酵产沼气的影响, 分别取河底、垃圾填埋场、沼气池的活性污泥，从生活垃圾的总固体和挥发性固体的降解率、池容产气量、沼气产气潜力4项指标进行比较，结果表明:垃圾填埋场污泥厌氧发酵产沼 14 计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的厌氧消化处理技术 气具有产气快、产气潜力较大、甲烷含量较高的优点，是理想的城市生活垃圾厌氧消化接种物。 ?搅拌 对反应器进行搅拌，可使反应器内搅拌是沼气发酵工艺中的重要操作单元， 温度均匀，使微生物与发酵原料充分接触，加快厌氧消化速度，提高产气量。搅拌装置是整个沼气发酵工艺中高能耗装置。搅拌工艺设计恰当与否，不仅关系到实际发酵效果，而且会影响整体工艺的经济性。 2.2.3典型工艺及流程 ?湿式连续单级发醉系统 JVVOY工艺,德国Bottrop处理厂 Ecotech公司在德国柏林建造了处理量30 000t/a的有机垃圾处理厂。工艺流程图2.1。气运行过程包括分类收集的垃圾经过预粉碎阶段和磁选后，进人滚筒筛筛分，分选出有机垃圾与可燃垃圾。可燃垃圾进入流化床焚烧炉，剩余的有机垃圾进入垃圾池，再加水调节固含率至15%。分离出惰性杂质后，通过泵将垃圾输送到厌氧消化器。 图2.1 湿式连续多级发酵系统流程图 系统包含两个平行生产线。厌氧消化温度为35?，固体停留时间15-20d。(此 3工艺也可以在55?进行高温消化)。单个消化器容积可达5000m。反应物质通过生物气混和搅拌。有机物质经发醉后，再进行巴斯德消毒(70?，30min )就得到 15 计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的厌氧消化处理技术 [23]了标准的肥料。 ?湿式连续多级发醉系统 在湿式连续多级厌氧发酵系统中，分类收集的垃圾运到工厂后被倒入垃圾池中，再开包后送到粉碎蹦打成浆状物，且去除塑料与惰性物质，可生化降解浆状物在70下预处理1h消毒，并加入NaOH以提高下一阶段的降解率。物料被分成轻液体和泥浆，液体被泵打入生物反应器，而泥浆则进入水解池转化为有机酸，经 [24]水解后的液体部分被泵打入生物反应器，工厂装有热交换器，这样从消化器中出来的热产物能用于加热预处理阶段的物料。通常，生物反应器排出的物料，在国外液体作为液体肥料直接出售，固体则通过一系列的制肥工艺，用于生产优质的有机肥。 多级工艺原理:有机垃圾分别在不同的反应器内进行酸化水解、产甲烷。首先将垃圾通过固液分离机分为固体和液体，液体部分直接进人产甲烷阶段反应器进行消化1,2d;固体部分进人水解池，2,4d以后垃圾再经过分离，再使液体进入产甲烷阶段反应器。经过消化，大约60%-70%的有机物质转化为生物气。 图2.2 湿式连续多级厌氧发酵系统 16 计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的厌氧消化处理技术 ?干式单级发醉系统 1)Dranco工艺,比利时Brecht处理厂 Dranco (Dry Anaerobic Composting)工艺是比利时有机垃圾系统公司(Organic Waste Systems)开发的，是一项成熟工艺。工艺的主要单元是单级高温反应器，负荷l0kgCOD/ (m3d)，温度50- 58，停留时间为20d(15,30d)，生物气产量100- 200m3/t垃圾，发电量170,350kwh/t垃圾。进料的固体浓度在15%,40%范围内。有机垃圾系统公司已开发出Dranco - Sep工艺，可在固含率5%,20%范围内操作。 欧洲现在至少有4座Dranco工艺大型垃圾处理厂，处理能力为11 000t/a到35 000t/a。在比利时北部Brecht的处理厂采用的就是本工艺，处理能力12 000t/a。有机垃圾先经过手工分选、切碎，筛分以去除大颗粒，用磁选分离金属物质，加 3水混和，接着送入808m的消化器中。消化器的新鲜物料投配率为5%。消化液经过好氧塘处理之后，排放到当地污水处理厂。消化后的垃圾利用脱水机脱水至固含率55%，而经过好氧稳定两周，即可得到卫生、稳定化的肥料。 图2.3 有机垃圾处理系统—Dranco工艺 17 计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的厌氧消化处理技术 2)瑞士Kompogas工艺 本工艺是干式、高温厌氧消化技术，由瑞士Kom-pogas AG公司开发，处于 发展阶段。目前，在瑞士、日本等国家建立大约18个垃圾处理厂，其中年处理量10 000t/a以上的有12个。 有机垃圾首先经过预处理达到以下要求:固含率(DS)30%,45%，挥发性固体含量(VS)55%,75%(of DS)。粒径<40mm，pH4.5,7，凯氏氮<4g/kg，C/N>18。然后进入水平的厌氧反应器进行高温消化。消化后的产物含水率高，首先进行脱水，压缩饼送到堆肥阶段进行好氧稳定化，脱出的水用于加湿进料或作为液态肥料。产生的生物气效益:10000吨有机垃圾可产生118万Nm3 KOMPO-GAS气体，其中蕴含的总能量为684万kwh，相当于71万升柴油，可供车辆行驶1000万km。 3)法国Valorga工艺 本工艺是由法国Steinmueller Valorga Sarl公司开发，采用垂直的圆柱形消化器，是一项成熟工艺。反应器内垃圾固含率25%-35%，停留时间14-28d，产气量80-180Nm3/t。消化后的固体稳定化需要进行14d的好氧堆肥。 目前已建成的处理厂有:法国Amiens处理厂(处理能力:85 000t/a);德国Engelskirchen处理厂(处理能力:35 000t/a)、Freiberg处理厂(处理能力:36，000t/a);比利时Mons处理厂(处理能力:58 700t/a);瑞士Geneva处理厂(处理能力:10 000t/a);西班牙CadiZ处理厂(处理能力:210 000t/a)等。 综上所述，厌氧消化技术在世界各地广泛应用，大部分处理城市生活有机垃圾的厂处理量在2500t/a以上。但目前在我国很少采用这样技术的大型处理厂，可能是因为厌氧消化的投资成本比好氧堆肥要高，一般多1.2,1.5倍。但考虑到有机垃圾厌氧消化处理的良好经济效益(生物气用来发电或供热以及优质卫生的肥料)，每吨垃圾的处理费用与传统的好氧堆肥相当。并且厌氧消化具有良好的环境效益:与好氧堆肥相比占地少，大大减少了温室气体(CO、CH)、臭气的排放等。24 从生命周期观点看，厌氧消化比其他的处理方式更经济。因此，在我国厌氧消化工艺是一项具有很有前景的有机垃圾处理技术。 18 计算机在环境科学中的应用(论文) 厌氧消化处理城市垃圾实例分析 3.厌氧消化处理城市垃圾的应用趋势 3.1城市生活垃圾厌氧消化技术潜力分析 3.1.1垃圾成分的变化 生活垃圾组成也发生着较大的变化，主要表现有机物含量增加、无机组分下降、可回收物含量增加、垃圾热值增加等，2008年厨余垃圾已达到66.2%，灰土含量由1989年的52.2%下降到2008年的3.5%，垃圾中可回收物由1989年的14.2%上升到2008年的26.6%。其中塑料废物的含量变化最大，1989年垃圾中的塑料废物为 [25]1.88%，2008 年上升为13.1%。塑料废物主要成分是商品包装物。由表3.2可知2008年垃圾低位热值已达到5083kJ/kg。 表3.1 北京市垃圾成分变化 年份 2008 2006 2005 2004 2002 1989 纸张/% 10.90 11.10 9.75 7.55 4.56 6.04 塑料/% 13.10 12.70 11.76 11.26 7.30 1.88 织物/% 1.20 2.46 1.69 1.83 1.83 1.74 玻璃/% 1.00 1.76 1.70 1.51 1.36 3.79 金属/% 0.40 0.27 0.33 0.54 0.63 0.76 厨余/% 66.20 63.40 63.80 54.55 47.78 32.60 草木/% 3.30 1.26 3.04 1.17 灰土/% 3.50 6.57 9.71 19.63 36.54 52.19 含水率/% 62.90 60.13 56.19 低位热值5083.00 4627.00 3710.00 /(kj/kg) 因此，在对垃圾做好分类回收的基础上，对于普通垃圾采用干式厌氧，而对于厨余垃圾采用湿式厌氧，但对于我国目前情况来说，干式设备投资大，且我国垃圾目前主要以厨余垃圾为主故采用湿式厌氧消化更适宜。 北京市2002年开始实行垃圾分类，截至2007年底已有2255个小区、大厦实行垃圾分类，垃圾分类人口覆盖率已达到52,。目前北京市居民区垃圾分成3类:厨余垃圾、可回收物、其他垃圾;其中厨余垃圾是进行厌氧消化的很好原料。以2008 19 计算机在环境科学中的应用(论文) 厌氧消化处理城市垃圾实例分析 年为例，北京市生活垃圾产生量为673万t，按厨余垃圾平均含量40,计，那么厨余垃圾量为269万t，折合7 370t/d，具有很高利用潜力。北京市目前已有、在建综合处理厂处理能力只有2 100t/d。仅与厨余垃圾产生量一项就相差甚远，处理能力严重不足。2015年北京市规划将新建综合处理厂8 座，处理能力达到 [26]8000t/d。北京市垃圾分类将以厨余垃圾分类为突破口，重点将厨余垃圾从其它垃圾中分离出来单独处理，这就为厌氧消化技术的发展提供了广阔空间。餐厨垃圾与普通垃圾相比，餐厨垃圾具有含水率高有机物含量高、油脂和盐分含量高的特点。餐厨垃圾适合湿法厌氧消化技术。以剩菜和剩饭为主的垃圾进行高温厌氧消化，调节适当的总固体含量和pH，产生沼气量比较可观，干垃圾产气量达到155 [27]L/kg。 3.1.2厌氧消化处理方法的多样性 前面已经介绍，根据不同的评价指标，厌氧消化有很多不同的方法。在实际应用中，通常根据待处理废物中有机固体含水率大小分为干法和湿法两大类。干 [28]法发酵要求垃圾的含固率一般24%,40%，基本上保持了经分选预处理后的生活垃圾的原始状态，因此对进料的预处理要求比湿法简单，一般不需要再给垃圾加水，所以干法发酵产生的废水量很少，废水处理所需费用较少。但干法为了满足废物高黏度需求，所需设备往往比湿法昂贵。湿法发酵垃圾的含固率一般10%-15%，需要往垃圾中加大量的水，所产生的废水比较多。由于湿法中的浆液处于完全混合的状态，因此更容易受到氨氮、盐分等物质的抑制。我国城市生活垃圾经分选后，需处理的垃圾中含有30%以上的干物质成分，因而更适于采用干法发酵工艺，而餐厨垃圾含水率较高，一般可达85%以上，故适于采用湿法发酵工艺。以北京市为例，北京生活垃圾产生量及成分变化2008年北京市年产生生活垃圾673万t，并以每年7%,8%的速度增长。 表3.2 2004-2008年北京市生活垃圾产生量 年份 垃圾产生量/万吨 年增长率/% 2004 495 -- 2005 537 8.5 2006 585 8.9 2007 619 5.8 2008 673 8.7 20 计算机在环境科学中的应用(论文) 厌氧消化处理城市垃圾实例分析 厌氧消化处理垃圾可以针对混合收集的城市生活垃圾，经分选预处理后的有机部分宜采用干法厌氧消化工艺;对于餐厨垃圾、粪便垃圾等高含水率的垃圾，宜采用湿法发酵工艺，具有污染小，处理新鲜垃圾及时，资源化利用率高和产品 另外可将生活垃圾、餐厨垃圾与粪便、污泥或高浓度有机废水适用性广的特点。 混合，提高其可发酵性。 3.1.3国情下厌氧消化的实际效益 ?就我国垃圾的特点，厌氧消化主要体现在，从我国城市垃圾的成分特点来看，我国城市垃圾高含水率、低热值、营养成分含量高等特点，符合一般厌氧消化处理固含量及其他方面的要求。 ?从能源回收的情况看，厌氧消化产生的沼气可以作为能源加以有效利用，具有巨大的市场潜力和应用前景，这是其他各种方法所不能及。 ?从环境影响来看，反应过程要求保持厌氧状态，则反应设备均为密闭状态，不会有更多地异味逸出，同时减少了CO、CH等温室气体的排放，对环境的影响较24 小。 ?从投资运行成本来看，尽管前期投资相对较大，但厌氧消化启动不需要外部投资，同时消化产生的沼气用来发电除了满足自身要求外，还可以并入电网，增加成本的回收，消化后产生的残渣数量较少，其后续处理及运输所需的成本也相对较低。 综上所述，进行厌氧消化工艺研究对城市垃圾的资源化处理意义重大。无论从能源的再利用还是从减量化的角度讲，厌氧消化处理都代表着垃圾的处理方向, 随着中国经济的发展, 必将引起中国垃圾处理的革命。 3.2城市生活垃圾厌氧消化处理工艺选择 3.2.1参数的优化 ?垃圾预处理 在预处理方面:不同的有机物产气量和产气速度不同, 一般气体发生量是由消化物的组成所决定的。固体废物厌氧消化最佳C:N:P=126:7:1。我国城市垃圾的特点是无机物含量高于有机物含量,不可燃成分高于可燃成分, 不可堆腐成分多于可堆腐成分。中小城市有机物含量一般在20%左右, 而一些大型城市有机物含量可达40%以上。我国城市垃圾有机成分中,以生物和厨房垃圾所占比例较高, 21 计算机在环境科学中的应用(论文) 厌氧消化处理城市垃圾实例分析 无机成分中则以灰土砖瓦所占比例较高.垃圾的颗粒越小,比表面积越大,越有利于发酵。 中科院成都生物研究所将人工分选的有机垃圾切碎成2cm直径后中温厌氧处 ，可获得较高的产甲烷量, 又可以理，证明比较合理的固体浓度(TS)是30%,40% [29]大大减少后脱水的困难。清华大学将手工分选的有机垃圾在进料粒径为2,3cm和5,7cm、固体含量在20%,30%、反应温度在中温和高温下做三组实验得出固体含量在30%左右比较合适,粒径2,3cm时, 产酸阶段需要19d，而粒径5,7cm时, 产酸阶段需35d，高温下的产酸时间比中温下快10d左右，并指出在单相厌氧消化中， [30]产酸阶段后经过一个休息期就可以转入产甲烷阶段;“暗河”式生活垃圾干发醉处理工艺采用埋在地下的管道消化器处理主要成分为蔬菜食物的生活垃圾,得 [31]出TS在25%,30%之间比较理想。 ?温度的影响 温度对发酵效率、产气质量等有重要影响。厌氧发酵最适范围是中温发酵 [32](37,38?)和高温发酵(53,54?)。温度高，发酵效率增大、产气率增大, 杀灭病原有机体效果增大，但产气质量下降、反应稳定性不好、容易产生丙酸盐积 [33]累，另有研究表明高温所需要的附加能量与它增加的产出相近。Ghosh等(1999)使用传统高效反应器，观察到5?的高温比35?的处理只使甲烷产量提高了7%。Cecchi认为高温消化有利于处理机械分选的垃圾，而对于源分选的垃圾中温消化更为合理，但是需要消化大量热能，要考虑经济问题的话不适合。总之，中温消化在目前的应用较高温消化还是占优势的，高温厌氧消化在近年来在欧洲呈增长趋势。 . 中国城市有机生活垃圾的厌氧消化是可行的，即使挥发性脂肪酸(VFA)很高使反应停止，但经过一定的停滞期反应可以转入产甲烷阶段，进料适宜固体浓度是30%左右，较小的粒径可以减少酸化时间。 ?干湿法比较 干式厌氧消化工艺对预处理要求比湿法简单，一般不需要对进料进行稀释，仅仅浓度特别高(>60%TS)的进料才用水进行稀释。难点在于生物反应在高含固率条件下进行，消化系统内部均匀性问题难以克服;干法为了满足废物高粘度的需要，所用的输送，搅拌设备要比湿法昂贵，导致造价很高。但是在对于机械分选的城市生活垃圾有机垃圾的发酵也是可行的。通常，干法处理比湿法处理具有更高的有机负荷率和产气率。在我国城市中实行垃圾分类的、经济比较发达的城市更适宜采用干式厌氧消化。 ?单双相工艺比较 厌氧消化工艺在反应级数上面分单相厌氧消化工艺和两相厌氧消化工艺，但 22 计算机在环境科学中的应用(论文) 厌氧消化处理城市垃圾实例分析 事实上，在实际的市场运作中，两相消化并没有表现出优越性，在欧洲固体垃圾厌氧消化中，两相厌氧消化所占的比重比单相消化要小得多，普遍认为，从运行的稳定性考虑，两相厌氧生物处理工艺适合于处理已酸化的可溶性有机废水。Hobson认为如果发酵的第一步是聚合物的水解如垃圾的水解，则两相工艺不可行，因为复杂有机物的发酵需要更长时间，限速步骤往往是产酸阶段。另外，两相消化系统需要更多的投资，以及运转维护也更为复杂。目前，工业上一般用单相厌氧消化系统，因为设计简单、一般不会发生技术故障。并且对于大部分有机垃圾而言，只要设计简单、操作适当，单机系统具有与两相厌氧消化系统相同的功效。 通过以上分析比较，对于我国城市生活垃圾建议采用中温单相湿式厌氧消化工艺或者干式的厌氧消化处理方法。由于我国垃圾分类还并没有普及，所以垃圾成分复杂，需要加上预处理。下图为是有预处理的城市垃圾综合处理工艺流程图。 23 计算机在环境科学中的应用(论文) 厌氧消化处理城市垃圾实例分析 图3.1 生活垃圾厌氧消化综合处理厂 24 计算机在环境科学中的应用(论文) 厌氧消化处理城市垃圾实例分析 3.2.2发展趋势 在欧洲，目前厌氧消化技术已经用于农业废弃物，城市生活垃圾甚至工业垃圾的处理中。2005年，对欧洲城市生活垃圾的工程进行调查统计(工程是指年处理能力大于3 000t的工程，包括现有工程以及签订预计投资的工程，处理量指实际现有处理量或是设计处理量)。统计结果表明，到2006年底，有城市生活垃 6圾厌氧消化处理工程124个，每年总处理量390.5×10t。1991,1995年，平均每年新增工程2.6个，1996,2000年,平均每年新增工程8.8个，2001,2005年，平均每年新增工程10.4个。从最近15年的发展趋势来看，主要采用的是中温、高固体、单级厌氧消化工艺，有将近10%的处理量采用综合中温、高固体、单级的联合厌氧消化，联合消化的辅助原料主要是富含氮的动物粪便和活性污泥。20世纪90年代初，主要处理的是混合垃圾，1997年欧洲许多国家实行垃圾分类后，新建的工程主要是处理源头分选的生物垃圾。但同时出现了第一个主要以剩余垃圾为处理对象的消化工程，剩余垃圾指生物垃圾分选剩下的混合垃圾。此后的许多工程不仅能在垃圾源头分选比较普遍的国家处理生物垃圾，而且能在像中国、西班牙等源头分选不普遍的国家处理混合垃圾。 通过以上分析得出厌氧消化技术未来的发展:中温、高固体、低杂质、低耗能、高效预处理、高产出、高甲烷含量的新工艺。 25 计算机在环境科学中的应用(论文) 总结 4总结 垃圾分选效率将直接影响处理效率、成本以及产品质量，国内垃圾处理技术相对滞后的一个重要原因是没有进行很好的分类。因此，作者认为城市生活固体垃圾的综合处理应该从源头抓起，建立合理的城市垃圾分类收集，但是这要求城市居民要有较好的素质，城市的经济水平较发达。 厌氧消化技术应用于城市垃圾的处理中，经济因素和技术因素同等的重要，在经济上是否可行涉及很多的因素:能源价格、运行成本、消化产品质量以及市场需求等，只有在对这些因素进行系统分析的基础上，才能得出确实可信的结论。目前，我国虽然建立了有一些大型垃圾综合处理厂，但是利用厌氧消化技术处理城市垃圾的实例还比较少，仅有几个单位进行了实验室规模的小试研究，而且垃圾成分单一，有的甚至是配比的模拟垃圾，通过这些还难以做出较为准确的经济分析。我国城市垃圾以厨余垃圾为主，因此厌氧消化处理应首先从餐厨垃圾做起, 再逐步扩展到其它的城市有机垃圾处理中。 国外厌氧消化处理城市垃圾的经验对我国城市垃圾处理有很好的借鉴作用，但是由于各国的风俗习惯及消费结构不同，垃圾成分及物性也不同，因此应针对中国城市生活垃圾成分和产出量，真正实现垃圾的分类回收，开发合适的综合处理技术，制定合理的政策和法律法规。 26 计算机在环境科学中的应用(论文) 参考文献 参考文献 [1]陆卫亚.厌氧发酵技术在有机垃圾处理的应用[J].城市环境与城市生态， 2002,15(6):55-57. 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