城市生活垃圾厭氧消化處理技術(shù)研究進(jìn)展

城市生活垃圾（municipal solid waste，MSW）是指在城市居民日常生活中或?yàn)槌鞘腥粘Ｉ钐峁┓?wù)的活動(dòng)中產(chǎn)生的，在一定時(shí)間和地點(diǎn)無(wú)法利用而被丟棄的污染環(huán)境的固體、半固體廢棄物質(zhì)。近十幾年來(lái)，我國(guó)城市生活垃圾年產(chǎn)量達(dá)1億多噸，且每年以8%-10％的速率增長(zhǎng)。垃圾年處理率只有50%左右，實(shí)際垃圾無(wú)害化處理率僅有30%。
中國(guó)城市生活垃圾的處理方式主要為衛(wèi)生填埋、焚燒和堆肥。2005年底統(tǒng)計(jì)的城市生活垃圾處理設(shè)施中85.2%為填埋，5.6%為焚燒，9.2％為堆肥。這3種方式都具有自己的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，也具有技術(shù)本身的弊端。衛(wèi)生填埋占地面積大，而且對(duì)于土壤、地下水和大氣都會(huì)造成現(xiàn)實(shí)的影響和潛在的危害；焚燒對(duì)于熱值低的廢物來(lái)說(shuō)是對(duì)資源的極大浪費(fèi)，而且在焚燒的過(guò)程中易產(chǎn)生煙塵及劇毒二惡英（dioxin）污染物而形成二次污染；好氧堆肥是一個(gè)耗能過(guò)程，需要輸入能量去曝氣，最后又產(chǎn)生溫室氣體CO2。
目前立法對(duì)環(huán)境的要求越來(lái)越嚴(yán)格，加上城市垃圾實(shí)現(xiàn)了分類(lèi)收集，這些都為垃圾的處理提供了條件。在各種處理方法中，生物方法是處理分類(lèi)收集有機(jī)部分的一種較好方式，它能最大程度地循環(huán)再用和富集廢物中的有用成分。采用厭氧消化技術(shù)（anaerobic digestion，AD）處理城市生活垃圾，不僅可以解決環(huán)境問(wèn)題，減少溫室效應(yīng)氣體的排放，還可以產(chǎn)生潔凈能源、有機(jī)肥料和土壤改良劑，能真正實(shí)現(xiàn)垃圾處理的“無(wú)害化、減量化和資源化”。
1城市生活垃圾厭氧消化技術(shù)概況
1.1城市生活垃圾厭氧消化原理及過(guò)程
厭氧消化是指在沒(méi)有溶解氧和硝酸鹽的條件下，微生物將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷、氧化碳、無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、腐殖質(zhì)等的過(guò)程。厭氧降解過(guò)程包括3個(gè)階段：水解／液化、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷。具體過(guò)程如下：水解細(xì)菌分泌胞外酶將聚合物水解為單體化合物（如葡萄糖和氨基酸），再經(jīng)產(chǎn)乙酸細(xì)菌的作用生成揮發(fā)性脂肪酸、氫氣、一氧化碳和乙酸，最后由產(chǎn)甲烷細(xì)菌將氫氣、一氧化碳和乙酸轉(zhuǎn)化為甲烷。主要反應(yīng)如下：

MSW厭氧消化處理流程包括4個(gè)階段：預(yù)處理、垃圾消化、氣體回收和消化殘余物處理，厭氧消化流程示意圖如圖一所示。大部分消化系統(tǒng)需要垃圾的預(yù)處理以獲得均質(zhì)原料，包括垃圾破碎及非消化性原料（玻璃、金屬和碎石等）的分離等。進(jìn)入反應(yīng)器的城市生活垃圾可生物降解有機(jī)部分（biodegradable organic fraction of MSW，BOFM SW）有源頭分選（source separation，SS-BOFM SW）和機(jī)械分選（mechanical separation，MS-BOFM SW）兩種類(lèi)型。根據(jù)發(fā)酵原料的濃度、溫度、消化級(jí)數(shù)和連續(xù)性，厭氧消化過(guò)程分為不同的工藝。厭氧發(fā)酵回收的氣體可作為燃料或集中發(fā)電資源，發(fā)酵殘余物主要是作為肥料應(yīng)用。

圖一MSW厭氧消化流程示意圖
1.2城市生活垃圾厭氧消化影響因素
1.2.1 pH值
厭氧微生物的活性對(duì)pH值極為敏感，pH值是監(jiān)測(cè)厭氧消化過(guò)程的重要工藝參數(shù)，有機(jī)垃圾厭氧消化的最適pH值為6.4-7.20但也有研究表明當(dāng)產(chǎn)甲烷穩(wěn)定時(shí)，pH值應(yīng)穩(wěn)定在7.2-8.2。張光明等研究表明，有機(jī)垃圾厭氧消化容易造成揮發(fā)性有機(jī)酸的嚴(yán)重積累，引起“酸中毒”，抑制厭氧消化的進(jìn)行，推薦采用NaOH或KOH來(lái)調(diào)節(jié)pH值。Nguyen等指出含有石灰石的砂礫是調(diào)節(jié)pH值較好的緩沖劑。
1.2.2溫度
影響厭氧微生物生長(zhǎng)以及產(chǎn)甲烷活性的另一個(gè)重要因素是溫度。產(chǎn)甲烷菌有中溫型和高溫型兩類(lèi)菌種，產(chǎn)甲烷的最佳溫度范圍分別為30-35℃和50-65℃。研究表明，溫度對(duì)發(fā)酵效率、產(chǎn)氣質(zhì)量等有重要影響。溫度升高，發(fā)酵效率增大，產(chǎn)氣量增大，產(chǎn)氣質(zhì)量下降。一般條件下，中溫發(fā)酵過(guò)程需要25-30d的停留時(shí)間，而高溫發(fā)酵只需要中溫消化的一半時(shí)間。高溫發(fā)酵的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)病原微生物有較高的殺滅率。但由于高溫發(fā)酵過(guò)程需要較高的加熱能耗，并且管理復(fù)雜，其應(yīng)用中不如中溫發(fā)酵普遍。
1.2.3垃圾成分
垃圾成分相當(dāng)復(fù)雜，垃圾的內(nèi)容物決定了有機(jī)質(zhì)含量口揮發(fā)性固體（voladle solid，VS）是衡量有機(jī)質(zhì)含量的指標(biāo)，VS由易生物降解部分（biodegradable volatile solid，BVS）和難生物降解部分（refractory volatile solid，RVS）組成。BVS可以較好地評(píng)估垃圾的生物降解能力、生物氣產(chǎn)率、有機(jī)負(fù)荷和碳氮比（C/N）。木質(zhì)素等是較難被微生物降解的復(fù)雜有機(jī)成分，構(gòu)成了有機(jī)垃圾中RVS的主要部分。具有高VS低RVS含量特征的垃圾最適合厭氧消化。

1.2.4生物學(xué)因素
厭氧消化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，是由不同類(lèi)型微生物群落參與完成的，厭氧發(fā)酵過(guò)程的微生物來(lái)源于垃圾本身和接種物。適合的接種劑以及接種量能提高消化效率。合理的微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)于厭氧消化的有效進(jìn)行至關(guān)重要，垃圾成分中的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)微生物的生長(zhǎng)也非常重要。微生物對(duì)碳、氮、磷、硫、鉀以及微量元素的比例都有一定的要求。厭氧消化合適的C/N為（20-30）/1，產(chǎn)甲烷菌對(duì)氮的快速消耗會(huì)提高C/N，造成產(chǎn)氣減少；而較低的C/N會(huì)引起氨積累，使pH值超過(guò)8.5從而抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。為了獲得適宜的C/N，可以將高C/N原料（如BOFM SW）和低C/N原料（如污泥或動(dòng)物糞便）進(jìn)行聯(lián)合消化。磷主要用來(lái)合成生物核酸，50/1的碳磷比（C/P）是厭氧發(fā)酵比較合適的比值。
1.2.5總固體含量和有機(jī)負(fù)荷率
由于城市生活垃圾的成份和性質(zhì)不同，其總固體含量（total solids content，TS）也不同。TS太高，許多影響微生物活性的條件就變得更為嚴(yán)格，例如，氨、重金屬、硫酸鹽和揮發(fā)性有機(jī)酸等抑制物質(zhì)的濃度就會(huì)升高，對(duì)細(xì)菌的活性產(chǎn)生影響。另外，很高的TS給攪拌裝置和過(guò)程帶來(lái)麻煩，反應(yīng)啟動(dòng)條件苛刻，菌種馴化任務(wù)艱巨且接種量大。
有機(jī)負(fù)荷率（organic Loading Rate，OLR）是衡量厭氧消化系統(tǒng)生物轉(zhuǎn)化能力的重要指標(biāo)。增加反應(yīng)器中的TS，即提高OLR可以相應(yīng)地減少反應(yīng)器體積，但OLR不是越高越好，過(guò)載后容易引起酸化，降低生物氣產(chǎn)率，最終導(dǎo)致消化失敗。因此在厭氧消化過(guò)程中應(yīng)選擇合適的OLR。
1.2.6攪拌
攪拌的目的是使新鮮的物料與細(xì)菌混合、消泡，避免消化罐內(nèi)溫度不均勻，還可以使反應(yīng)產(chǎn)生的氣體迅速排出，但是過(guò)于頻繁的攪拌會(huì)破壞菌群的正常繁殖。因此攪拌頻率要依反應(yīng)罐內(nèi)混合物含量而定。對(duì)于固體狀態(tài)的物料，可以通過(guò)循環(huán)浸出液的方式來(lái)代替攪拌效果。對(duì)于不同類(lèi)型的反應(yīng)器和TS應(yīng)該選擇相應(yīng)的攪拌方式、攪拌強(qiáng)度和攪拌時(shí)間，美國(guó)環(huán)保署推薦的攪拌強(qiáng)度是5.26-7.91W/m3。
1.3城市生活垃圾厭氧消化殘余物的利用
城市生活垃圾進(jìn)行厭氧消化處理后剩余的是沼液和沼渣。沼液和沼渣中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，其應(yīng)用非常廣泛，可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，沼液可以喂豬、浸種、滅蟲(chóng)；沼渣可以喂魚(yú)、育菇、作生化飼料，還可以作為土壤改良劑。
2城市生活垃圾厭氧消化工藝的類(lèi)型及應(yīng)用實(shí)例
2.1城市生活垃圾厭氧消化工藝類(lèi)型
根據(jù)消化級(jí)數(shù)和運(yùn)行連續(xù)性，BOFW的厭氧消化分為：?jiǎn)渭?jí)厭氧消化、兩級(jí)厭氧消化和間歇式厭氧消化。單級(jí)厭氧消化采用一個(gè)反應(yīng)器，產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相均在這個(gè)反應(yīng)器中完成。兩級(jí)厭氧消化是為了優(yōu)化產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷菌各自的條件以提高整體消化效率，將兩個(gè)階段分別在不同的反應(yīng)器中完成。第一個(gè)反應(yīng)器用于水解／液化-產(chǎn)酸，其限速步驟是纖維素的水解；另一個(gè)反應(yīng)器用于產(chǎn)甲烷，其限速步驟是產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)。間歇式厭氧消化最早是以反應(yīng)器填埋的形式出現(xiàn)，目前，有二種間歇式消化工藝：?jiǎn)渭?jí)間歇式系統(tǒng)、序批式系統(tǒng)和組合式間歇-UASB系統(tǒng)，見(jiàn)圖二。
根據(jù)TS不同，有機(jī)垃圾的厭氧消化還可以分為濕式厭氧消化（TS低于10%）、中固體厭氧消化（TS為10%-20%）和高固體厭氧消化（TS為20%-40%）。

圖二間歇式厭氧消化系統(tǒng)
2.2城市生活垃圾厭氧消化工藝應(yīng)用實(shí)例
2.2.1單級(jí)厭氧消化
單級(jí)厭氧消化包括單級(jí)濕式厭氧消化和單級(jí)高固體厭氧消化。
單級(jí)濕式厭氧消化工藝簡(jiǎn)單，采用的反應(yīng)器主要是連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器（continuously stirred tank reactor，CSTR），以一定的速率進(jìn)出料，根據(jù)不同的原料類(lèi)型和消化溫度，停留時(shí)間一般為14-28d。典型的工藝為芬蘭的Wassa工藝、德國(guó)的EcoTec工藝和佛羅里達(dá)州的SOLCON工藝等。Wassa工藝的TS為10%-15%，年處理量為3000-8500t：中溫消化的停留時(shí)間為20d，高溫消化的停留時(shí)間為10d。MS-BOFW SW的OLR（相對(duì)于VS）為9.7kg/（m3?d），而SS-BOFW SW的OLR（相對(duì)于VS）為6kg/（m3?d），每噸VS產(chǎn)甲烷率為170-320Nm3，VS去除率40%-75%。

單級(jí)高固體厭氧消化典型的工藝為比利時(shí)有機(jī)垃圾系統(tǒng)公司（Organic Write Systems）開(kāi)發(fā)的的Dranco工藝、瑞士Kompogas AG公司開(kāi)發(fā)的Kompogas工藝和法國(guó)Steimueller Valorga Sarl公司開(kāi)發(fā)的Valorga工藝，見(jiàn)圖三。Dranco的主要單元為單級(jí)高溫反應(yīng)器，原料從反應(yīng)器頂部進(jìn)入，從底部出料，反應(yīng)器中一般沒(méi)有攪拌，垃圾以栓塞流方式垂直移動(dòng)，一部分消化物作為接種劑再進(jìn)入到新鮮垃圾中。該工藝進(jìn)料固體濃度15%-40%，負(fù)荷10kgCOD/（m3?d），溫度50-58℃，消化時(shí)間15-20d，每噸垃圾生物氣產(chǎn)量為100-200m3。
高固體與濕式厭氧消化相比，從技術(shù)及成本都有較大的不同，見(jiàn)表一。

圖三不同的高固體厭氧消化系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖
表一BOFM SW的濕式和高固體厭氧消化比較分析

2.2.2兩級(jí)厭氧消化
兩級(jí)厭氧消化包括兩級(jí)濕式厭氧消化和兩級(jí)高固體厭氧消化。
荷蘭的Pacques工藝、德國(guó)和加拿大的BTA工藝以及德國(guó)的Biocomp工藝都屬于兩級(jí)濕式厭氧消化。Pacques是中溫工藝，主要處理水果蔬菜垃圾（fruit and vegetal waste，F(xiàn)VW以及SS-BOFM SW。水解反應(yīng)器TS為10％，采用氣流攪拌，消化物經(jīng)過(guò)脫水，液體部分進(jìn)入到上流式厭氧污泥床（up flow anaerobic sludge blanked，UASB）產(chǎn)甲烷，固體的一部分加到水解反應(yīng)器中作為接種物，剩下部分用于堆肥。BTA工藝的TS含量要求為10%左右，中溫厭氧消化。產(chǎn)甲烷反應(yīng)器采用附著式生物膜反應(yīng)器，保證足夠的微生物停留時(shí)間。為了防止附著式生物膜反應(yīng)器的堵塞，僅有液體部分進(jìn)入到產(chǎn)甲烷反應(yīng)器。同時(shí)，為了維持水解反應(yīng)器的pH值在6-7之間，產(chǎn)甲烷反應(yīng)器中消化后的液體又循環(huán)回水解反應(yīng)器。
典型的兩級(jí)高固體厭氧消化工藝為德國(guó)維爾利公司（Wehrle Werk Aktiengesel Lschaft，WWAG）的Biopercolat工藝，它與Pacques工藝相似，但水解是在較高TS含量以及微好氧條件下完成，微好氧水解反應(yīng)器以及附著式生物膜產(chǎn)甲烷反應(yīng)器可以將消化時(shí)間縮短為7d。與單級(jí)濕式系統(tǒng)相比，兩級(jí)系統(tǒng)具有較高的OLR。比如BTA工藝Biopercolat工藝的OLR分別為10和15kgVS/（m3?d），這主要由于附著式生物膜能夠提高微生物停留時(shí)間，增強(qiáng)了產(chǎn)甲烷菌對(duì)高濃度氨的耐受作用，提高生物穩(wěn)定性。但1999年DE的研究報(bào)道指出，由于兩級(jí)系統(tǒng)較為復(fù)雜，兩級(jí)工藝的商業(yè)化應(yīng)用只占到城市垃圾處理總量的10%。
2.2.3間歇式厭氧消化
典型間歇式厭氧消化工藝是荷蘭的Biocel對(duì)每年能處理源頭分選的生物垃圾35000t，該工藝采用中溫厭氧消化，由14個(gè)混泥土澆注的反應(yīng)器組成，每個(gè)反應(yīng)器的有效容積為480m3。進(jìn)入非攪拌反應(yīng)器的垃圾預(yù)先和接種物充分混合，從反應(yīng)器中收集得到的滲濾液再循環(huán)到反應(yīng)器頂部，垃圾在反應(yīng)器中停留超過(guò)40d，直到停止產(chǎn)氣。處理相同量的垃圾，Biocel工藝與單級(jí)濕式工藝相比，產(chǎn)氣量低40%左右。
3城市生活垃圾厭氧消化處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
近年來(lái)，在可持續(xù)發(fā)展原則指導(dǎo)下，歐洲國(guó)家紛紛立法，限制BOFM SW進(jìn)入衛(wèi)生填埋場(chǎng)，BOFM SW含量高于5%的垃圾即被禁止，垃圾分類(lèi)收集得到廣泛推廣。這種情況下，BOFM SW處理和利用成為一個(gè)迫切的問(wèn)題。由于堆肥存在缺陷問(wèn)題，人們不斷探討B(tài)OFM SW處理和利用的新技術(shù)方法。近十年來(lái)，城市生活垃圾厭氧消化系統(tǒng)在德國(guó)、瑞士、奧地利、芬蘭、瑞典等國(guó)家發(fā)展尤其迅速，日本荏原公司也從歐洲引進(jìn)技術(shù)，在日本建設(shè)了首座厭氧消化示范工程。城市生活垃圾厭氧消化處理成為有機(jī)垃圾處理的一種新的趨勢(shì)。在美國(guó)，厭氧消化工藝也有一定的應(yīng)用。目前，比較成熟的城市生活垃圾厭氧消化系統(tǒng)一般為日處理有機(jī)垃圾100噸左右，每日可以產(chǎn)生12000m3左右生物氣體，同時(shí)還可以產(chǎn)一生25噸左右的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥。
國(guó)內(nèi)厭氧消化技術(shù)最近20多年開(kāi)始有較大發(fā)展，主要仍然集中在污泥消化、糞便處理、高濃度有機(jī)廢水處理等領(lǐng)域，城市生活垃圾處理行業(yè)中應(yīng)用厭氧產(chǎn)沼并回收利用則還處于起步階段。厭氧處理用于污泥消化雖然是一種成熟的傳統(tǒng)技術(shù)，但生活垃圾可降解有機(jī)物的組成不同于污泥，其有機(jī)物含量高，其中蛋白質(zhì)、脂肪、鹽分等物質(zhì)的分解代謝和發(fā)酵條件等均有別于污泥消化，其微生物的種類(lèi)、生長(zhǎng)規(guī)律、菌群關(guān)系等還有待深入研究。尤其是我國(guó)城市生活垃圾可降解有機(jī)物對(duì)該技術(shù)的適用性必須予以研究開(kāi)發(fā)。在基礎(chǔ)研究完善的情況下，篩選培育優(yōu)良菌種，提高厭氧發(fā)酵的效率，也是一個(gè)新的課題。總體來(lái)看，高固體濃度厭氧處理技術(shù)在我國(guó)的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)應(yīng)用具有創(chuàng)新性。
4城市生活有機(jī)垃圾厭氧消化處理存在的問(wèn)題及展望
采用厭氧消化技術(shù)，不僅能使MSW穩(wěn)定化，還能獲得生物質(zhì)能源，并產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的肥料，尤其在高溫條件下能有效去除病原菌。但目前有機(jī)垃圾的厭氧消化處理技術(shù)在流程的各個(gè)環(huán)節(jié)上還需要不斷完善。從工藝來(lái)看，未經(jīng)預(yù)處理的垃圾，水解時(shí)間長(zhǎng)?，F(xiàn)有的預(yù)處理工藝成本較高，由于垃圾的固體含量較高，給攪拌裝置的選擇和動(dòng)力配給帶來(lái)困難。從微生物學(xué)角度來(lái)看，由于固體含量較高，產(chǎn)酸階段的VFAs容易積累，造成酸中毒；缺乏適合垃圾厭氧發(fā)酵的高效微生物菌群，啟動(dòng)困難，菌種較難馴化；氨、重金屬、硫酸鹽等抑制物含量較高，抑制細(xì)菌活性，運(yùn)行中存在較高的不穩(wěn)定性。因此，在機(jī)理以及工藝方面均需要進(jìn)一步研究。

另一方面，垃圾分選效率將直接影響處理效率、成本以及產(chǎn)品質(zhì)量，國(guó)內(nèi)垃圾處理技術(shù)相對(duì)滯后的一個(gè)重要原因是沒(méi)有進(jìn)行很好的分類(lèi)。因此，作者認(rèn)為城市生活固體垃圾的綜合處理應(yīng)該從源頭抓起，建立合理的城市垃圾分類(lèi)收集制度，但是這要求城市居民要有較好的素質(zhì)，城市的經(jīng)濟(jì)水平較發(fā)達(dá)。
厭氧消化技術(shù)應(yīng)用于城市垃圾的處理中，經(jīng)濟(jì)因素和技術(shù)因素同等的重要，在經(jīng)濟(jì)上是否可行涉及很多的因素：能源價(jià)格、運(yùn)行成本、消化產(chǎn)品質(zhì)量以及市場(chǎng)需求等，只有在對(duì)這些因素進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，才能得出確實(shí)可信的結(jié)論。目前，我國(guó)利用厭氧消化技術(shù)處理城市垃圾的實(shí)例較少，僅有幾個(gè)單位進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小試研究，而且垃圾成分單一，有的甚至是配比的模擬垃圾，通過(guò)這些還難以做出較為準(zhǔn)確的經(jīng)濟(jì)分析。國(guó)外厭氧消化處理城市垃圾的經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)城市垃圾處理有很好的借鑒作用，但是由于各國(guó)的風(fēng)俗習(xí)慣及消費(fèi)結(jié)構(gòu)不同，垃圾成分及物性也不同。因此應(yīng)針對(duì)中國(guó)城市生活垃圾成分和產(chǎn)出量，開(kāi)發(fā)合適的綜合處理技術(shù)，制定合理的政策和法律法規(guī)。
參考文獻(xiàn)略