（环境工程专业论文）生物质垃圾产出液的资源化利用研究.pdf

摘要 本文针对城市生活垃圾组成成分的特征，提出将城市生活垃圾中可以厌氧 分解的生物质部分进行分类收集，采用厌氧发酵技术进行处理，将其各种产物 分别收集，进行资源化利用。通过实验，探索生物质垃圾厌氧分解特性、产出 液性质以及资源化利用途径。 ( 1 ) 为分析生物质垃圾厌氧过程中脱液特性，设置在中温( 3 8 ) 、高温 ( 4 5 ) 和超高温( 7 0 ) 3 个恒温阶段下实现生物质垃圾厌氧反应过程，实 验发现生物质垃圾厌氧反应效率随温度升高而增加，厌氧反应达到稳定的时间 随温度升高而逐渐减少，其产出液中的可溶性有机物浓度随温度升高也呈快速 增加趋势。 ( 2 ) 采用磷酸铵镁( m a p ) 沉淀法探讨对产出液氨氮的去除，经过实验 发现，当p h 值= 9 5 ，n ：m g = i 3 ，n ：p = i 2 时处理效果最好，去除率可达到7 0 。 ( 3 ) 以产出液为添加水，以精煤为原料配制垃圾液煤浆。实验发现，单峰 最佳粒度级配d l o o 刎目：d 2 0 0 日以下为3 ：7 ，最佳煤液比为1 7 ：1 ，此时液煤浆浓度值 为6 5 3 ，粘度值为9 1 5 6 m p a s ，稳定性为一级，热值为3 2 1 2 4 1 4 k j k g ，灰分 为1 0 2 0 。双峰最佳粒度级配：d1 0 0 - 2 0 0 日：d 2 0 0 目以下为3 ：7 ，d 2 0 们5 0 目：d 2 5 0 目以下为 5 ：5 ，煤液比为1 7 ：1 ，此时液煤浆浓度值为6 6 7 4 ，粘度值为1 0 8 7 4 m p a s ，稳 定性为一级，热值为3 4 7 4 7 3 4 k j k g ，灰分为1 0 3 6 。 关键字：生物质垃圾厌氧消化产出液磷酸镁铵液煤浆 t h es t u d yo f u t i l i z i n gt h eo u t p u tl i q u i da sr e s o u r c e a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，c o n t r a p o s i n gt h ee o m p o n e n t i a lc h a r a c t e r so fe i 够s o l i dw a s t e ，t h ev i e w t h a tc o l l e c t i n g s o l e l yt h eb i o l o g yw a s t ew h i c hc a nb ed e c o m p o s e db ya n a e r o b ew a sp u t f o r w a r d a n dt h eb i o l o g yw a s t ew a sd i s p o s e db yt h et e c h n i q u eo fa n a e r o b i cz y m o s i s t h e n t h ee v e r yp r o d u c t i o nw a sc o l l e c t e dl o n e l yt ou t i l i z ea sr e s o u r c e t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ， t h ea n a e r o b i cz y m o s i sc h a r a c t e ro ft h eb i o l o g yw a s t e ，t h ep r o p e r t ya n dt h ea p p r o a c ho f u t i l i z i n ga sr e s o u r c ef o rt h el e a c h a t e ( 1 ) f o ra n a l y z i n gt h ea n a e r o b i cz y m o s i sc h a r a c t e ro ft h eb i o l o g yw a s t e ，t h ea n a e r o b i c r e a c t i o nw o u l db ec a r r i e dt h r o u g hi nt h r e ec o n s t a n tt e m p e r a t u r ep h a s e s m e d i a l t e m p e r a t u r e ( 38 。c ) ，h i g ht e m p e r a t u r e ( 4 5 。c ) a n ds u p e rh i g ht e m p e r a t u r e t h e ni nt h e d i s p a r a t et e m p e r a t u r e ，t h el a ww o u l db ef o u n db e t w e e nt h eq u a n t i t yo fl e a c h a t e ，c o d c r a n dn h 3 - no fl e a c h a t ea n dr e a c t i o nt i m e si na n a e r o b i cz y m o s i so f b i o l o g yw a s t e ( 2 ) u s eo fm a g n e s i u ma m m o n i u mp h o s p h a t e ( m a p ) f o rr e m o v i n ga m m o n i ai nt h e o u t p u tl i q u i d ，t h ee x p e r i m e n tf o u n dt h a tw h e nt h ep hv a l u e29 5 ，n ：m g 。1 3 ，n ：p = 1 2 ， t h e t r e a t m e n te f f e c ti st h eb e s t r e m o v a lr a t ec a nr e a c h7 0 ( 3 ) a u t h o rr e g a r dt h eo u t p u tl i q u i da sa d d i n gw a t e r , c o a la sr a wm a t e r i a lt oc o n f e c t w a s t ec o a ls l u r r y i tw a sf o u n dt l l a tt h eb e s ts i n g l e s i z ec l a s sw i t hd l o o - 2 0 0 ：d 2 0 02 3 ：7 ，t h e b e s tc o a la n dw a t e rr a t i o = 1 7 ：1 ，a tt h i st i m ec o a ls l u r r yo ft h ec o n c e n t r a t i o nv a l u ew i l l r e a c h6 5 3 ，v i s c o s i t yv a l u e r e a c h915 6m p a s ，t h es t a b i l i t yr e a c ht h ef i r s tc l a s s ，t h e r m a l v a l u e r e a c h3 212 4 14 k j k g ，a s hr e a c h l0 2 0 a n dt h eb e s tb i m o d a ls i z ec l a s sw i t h ：d l o o - 2 0 0 ： d 2 0 0 = 3 ：7 ，d 2 0 0 - 2 5 0 ：d 2 5 0 = 5 ：5 ，t h ec o a la n dw a t e rr a t i o = 1 7 ：1 ，a tt h i st i m ec o a ls l u r r yo f c o n c e n t r a t i o nr e a c h6 6 7 4 ，t h ev i s c o s i t yv a l u er e a c h10 8 7 4 m p a s ，t h es t a b i l i t yr e a c h t h ef i r s tc l a s s ，t h e r m a lv a l u er e a c h3 4 7 4 7 3 4k j k g ，a s hr e a c h10 3 6 k e yw o r d ：b i o l o g i cg a r b a g e ；a n a e r o b i cr e a c t i o n ；o u t p u tl i q u i d ；m a g n e s i u ma m m o n i u m p h o s p h a t e ；l e a c h a t ec o a ls l u r r y 插图清单 图3 1 实验装置图1 3 图3 2 ：产液量随时间的变化规律1 6 图3 3 累计产液量随时间的变化规律。1 7 图3 - 4c o d 浓度随时间的变化规律1 8 图3 5n h 3 - n 浓度随时间的变化规律18 图3 - 6 纳氏试剂标准曲线2 1 图3 7p h 值的变化对n h 3 - n 去除率的影响2 2 图3 8n ：p 的变化对n h 3 - n 去除率的影响2 3 图3 - 9n ：m g 的变化对n h 3 - n 去除率的影响2 3 图3 1 0 沉淀物x r d 图谱2 4 图4 1 生物质垃圾液煤浆制备工艺2 8 插图清单 表3 1 实验试剂14 表3 2 实验仪器及设备15 表3 3 实验数据记录表。1 6 表3 4 ：产出液与渗滤液的水质对比。1 9 表3 5 生物质垃圾减量分析2 5 表4 1 水煤浆特征参数标准值3 0 表4 2 生物质垃圾产出液特征参数表3 1 表4 3 淮北选煤厂精煤煤质分析结果3 1 表4 4 单峰液煤浆配比3 2 表4 5 液煤浆浓度测定表3 2 表4 6 计算结果分析表3 3 表4 7 双峰液煤浆配比3 3 表4 8b 1 一b 5 液煤浆浓度测定结果3 4 表4 9 粘度测定表3 5 表4 1 0 单峰a 1 一a 1 5 液煤浆粘度值3 5 表4 1 1 粘度测定表3 6 表4 1 2 双峰级配液煤浆粘度计算值。3 6 表4 1 3 单峰级配液煤浆稳定性测定表3 8 表4 1 4 双峰级配液煤浆稳定性测定表3 8 表4 15 液煤浆热值测定表3 9 表4 1 6 垃圾液煤浆灰分测定表3 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：办七荔签字日期：p o 矿年f 月霸罔 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些去堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金坦王些太 兰兰一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 扣吒t 签字日期：) 脚厂月日 学位论文作者毕业后去向： 【作单位： 瞪讯地址： 名：锄膨 签字日期易棚车f 恩够日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师彭书传教授和许为义副教授的悉心指导和关怀下完成的， 同时也得到了陈天虎教授的大力支持。几位导师的广博学识、丰富经验以及在 研究生阶段对我的严格要求与精心教导，使我无论是在业务知识、科学研究上， 还是在生产实践上都学到了很多书本上没有的本领，可谓受益匪浅。在此对三 位老师表示衷心的感谢! 在我论文期间，我们这一课题组的成员一直相互帮助，相互学习，培养了团 队合作精神。其中本实验组苏宇同学给了我很大的支持，在此感谢苏宇以及曾 经帮助过我的同学。 在完成论文的过程中，参阅了许多文献，谨对这些文献的作者、编者表示感 谢。同时，也对评审本稿的各位老师的辛勤劳动表示衷心的谢意。 最后，感谢家人对我的支持和鼓励。你们是我学习的动力、精神的支柱、快 乐的源泉! 孙士杰 2 0 0 8 年4 月2 7 日 第一章绪论 根据固体废物污染环境防治法定义，城市生活垃圾为“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废物”。根据目前我国环卫部门的工作范围，城 市生活垃圾还包括部分小型企业产生的具体废物和少量危险废物( 如废打火机、 废油漆、废日光灯管等1 。 随着社会经济的发展，城市化进程的加快，城市人口的增加，人民生活水 平的提高，城市生活垃圾的生产量也在不断的增加。自1 9 7 9 年以来，中国城市 生活垃圾平均以每年近1 0 的速度增长，少数城市的增长率高达1 5 2 0 ；1 9 9 8 年，经国务院批准的6 6 8 座城市共产生生活垃圾1 2 1 0 8 t ，其处理量仅5 7 ，且 大多数为简易堆放【l 】；至2 0 0 5 年，全国生活垃圾的产生量已经超过了1 5 亿吨， 如此庞大的垃圾量废弃于环境中，既超过了环境自然消纳能力，严重危害生态 环境和人民的健康，又造成了资源的极大浪费。 从资源学的观点看，城市生活垃圾也是资源，而且是目前世界上唯一不断 增长的潜在资源。法国一位哲人说：“垃圾是摆错了位置的财富”。垃圾中确实 蕴藏着巨大的潜能。如果用1 4 x 1 0 8 t 垃圾发电，可以节约2 3x l o 7 t 煤炭。如果将 1 4 l o s t 生活垃圾进行处理，可成为高速公路路基填料，比普通路基材料使用寿 命延长2 倍。据有关测算，充分利用中国目前的城市垃圾，每年可以创造2 5 亿元 的财富。对中国这个人均资源占有量居世界l0 0 多位之后的发展中国家来说，垃 圾的影响不仅仅是造成环境的污染、资源的浪费，更威胁着经济和社会的发展。 因此，在城市生活垃圾的处理已成为世界性的十大要害问题的今天，能否正确 的认识垃圾处理问题，并确实的采取合理的方法处理和处置垃圾问题己成为世 界可持续发展战略的重要内容之一，受到世界各国的普遍关注，对垃圾处理进 行科学的探索，更是引起各国的广泛重视【3 。6 】。 1 1 城市生活垃圾的危害 1 1 1 侵占土地 城市生活垃圾( m s w ) 的恶性累积，已成为世界性的环境灾难。据不完全统 计，近年来中国城市固体废物堆放量己高达7 o 1 0 9 t ，侵占土地面积6 o x l 0 8 r n 2 。 2 0 0 0 年，全国6 6 8 座城市年清运生活垃圾1 5 1 0 s t ，并且城市生活垃圾每年还将 以8 1o 的增长率逐年递增。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。近年来，全国6 6 8 座城市中约有2 0 0 座城市处于垃圾污染重 围之中 7 - s 】。 1 1 2 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，其所含水份 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 地面水体和地下水体的污染1 9 d 。 1 1 3 污染大气 城市生活垃圾在适宜的温度和湿度下被微生物分解，能释放出有害气体， 危害周围大气环境，即使是垃圾填埋场也会产生大量的填埋气体( l f g ) 造成大 气污染。通常有机固体垃圾降解的产气量为o 0 1 3 0 0 4 7 m 3 k g ，l f g 的主要成 分是c h 4 和c 0 2 ，c h 4 的含量一般在5 0 6 5 ，c 0 2 的含量一般在4 0 ，两者均 为温室气体。垃圾堆放场和垃圾填埋场产生的c h 4 约占人类c h 4 排放总量的 1 0 2 0 。c h 4 的密度为0 7 2 ，在正常情况下会很快升空并造成臭氧层的耗损， 其对臭氧层的破坏是c 0 2 的2 0 倍【l 。 1 2 城市生活垃圾特性 1 2 1 城市生活垃圾的产生量 城市生活垃圾的产生量是直接影响到从垃圾清运到其最终处理处置整个过 程决策的关键性参数之一，其数值的变化主要与城市地理环境、发展程度、人 口增长、城市工业发展、经济发展水平、居民生活水平城市规模、人口密、城 市能源结构及季节变化等诸多因素有关，但直接影响因素是城市人口和垃圾人 均日产生量。中国城市垃圾人均日产生量的特点是： ( 1 ) 城市垃圾人均日产生量逐年上升的趋势比较明显，年增长率为8 1 0 ； ( 2 ) 南北差异比较突出，中国南方地区城市垃圾的人均日产生量比北方要 低； ( 3 ) 大城市的垃圾人均日产生量的变化与发达国家的发展趋势大致相同，即 在某一阶段以前呈上升势头，到了这一段以后逐渐稳定，并稍有下降的趋势出 现。 近几年来，中国城市垃圾的产生总量大幅度增加，其主要原因为： ( 1 ) 由于城市规模、数量和城市人口的增加所造成的。至2 0 0 0 年，中国城市 人均年产生活垃圾4 4 0 k g ，已经超过2 0 世纪8 0 年代中期亚洲最发达国家日本的 水平( 人均4 0 0 k g ) ； ( 2 ) 由于人口的密集，直辖市和省会等城市在垃圾产生量方面占有重要比 例。生活垃圾产生量的6 0 集中在全国5 0 万以上人口的5 2 座重点城市。其中以 北京、上海和沈阳所占比例最大，分别为4 1 2 ，3 4 9 和2 18 。三个城市的垃 圾产生总量之和约占全国垃圾产生总量的1 0 ； ( 3 ) 中小城市垃圾产生量的比例呈增加趋势，特别是经济水平发展较快的中 小城市。 1 2 2 城市垃圾的组成成分 城市生活垃圾的组成成分是一个直接影响到垃圾处理方法选择和处理设施 2 设计规划的关键性参数之一，是一个受地理环境、能源结构、经济发展程度、 居民生活习惯、生产水平、气候特点和废品回收等许多因素影响而变化的因变 量。 根据我国有关标准，城市垃圾的构成成分为有机物、无机物、可回收物和 其它垃圾四大类。有机物分为植物垃圾和动物垃圾两类，对居民生活垃圾而言， 主要是蔬菜、肉食和水产品等厨余废物。无机物包括灰土、砖瓦和陶瓷等回收 利用价值较低，而又不会对自然环境造成严重危害的废弃物。可回收物的分类 主要考虑回收后材料利用和资源再生过程中的工艺要求，将其分为纸类、塑料、 纺织物、木竹、玻璃、金属等类型，以便于废品的综合利用。 由于城市生活垃圾是一种非均质的混合物，不像单一物质那样具有自己特 定的内部结构和外部特征，故其就不存在特定的物理性质。它的物理性质常随 其构成物的性质和比例的改变而变化。在城市垃圾的管理和处理过程中，常涉 及到的物理特性有容重、空隙率和含水率三个物理量。 城市垃圾在自然状态下，单位体积的质量称为垃圾的容重。垃圾容重随着 垃圾的不同构成，压实程度和生化降解的不同过程，以及清运方式的不同而变 化。因此垃圾容重又分为自然容重、垃圾车装载容重和填埋容重。 ( 1 ) 大城市与中小城市的垃圾构成有明显的差别。大城市生活垃圾构成中有 机物成分占总量的3 0 3 6 ，无机成分约占6 0 ，废品约占4 6 ；中小城市生活 中有机物成分约占总量的2 0 ，无机物成分约占7 5 。 ( 2 ) 在地理环境影响方面，南方城市垃圾中有机物与可燃物比例高于北方城 市。主要原因有：气候差异导致北方城市生活能源中燃煤比例及使用期均高于 或长与南方城市，因而垃圾中灰渣增加，有机物比例相对减少；饮食结构差异 导致南方城市居民的瓜果、蔬菜的食用期大于或长于北方城市，因而其垃圾中 有机物成分的比例相对较大：就整体经济水平而言，南方城市高于北方城市，因 此，其垃圾中的纸张、塑料橡胶等可燃物，可回收物的比例相对较大。 有关分析表明，中小城市的垃圾构成与地理环境的关系较为密切，北方城 市里中有机成分约占1 6 2 4 ，南方城市中有机物成分明显高于北方城市为 2 8 5 4 。但相对于大城市而言，虽然其地理环境等基础条件有所不同，但由于 城市居民的消费水平都比较高，所以城市垃圾中的有机物的含量差距相对较小。 因此，随着经济的发展，城市这一人工环境的发展将愈加完善，城市居民生活 受自然环境的影响也将越来越小，城市垃圾的构成受自然环境的影响也将随之 减弱。 ( 3 ) 无论南方还是北方，经济发达区域城市的垃圾中可燃物的比例较大。如 经济发达的大城市垃圾中的厨余、纸张、塑料、橡胶的含量均较高。以厨余垃 圾为例：上海7 0 广州6 3 ，深圳5 8 ，南京5 2 ，天津5 0 。而居民消费水平及 能源气化率都较低的中小城市，其生活垃圾中的有机物成分仅占垃圾总量的 3 2 2 4 8 ，无机物成分约占6 5 ，可回收物占的比例较小。 ( 4 ) 燃料结构对垃圾的产生量和构成有明显的影响。随着城市集中供热和煤 气化的普及，民用燃料结构发生了重大变化，同时带来了城市垃圾组成的变化。 主要表现在对垃圾中无机物成分，即煤灰渣量的影响。对于燃煤区，其垃圾中 煤灰渣比例可高达7 0 8 0 ；对于燃气区，煤灰渣比例理论上趋于零，但由于 灰渣土的存在，其无机物成分在3 0 左右。有关资料表明，燃料结构在一定程 度上影响有机物人均日产生量，这样也会影响垃圾的构成。 ( 5 ) 季节的变化对易腐垃圾的比例有一定影响，由于蔬菜、水果季节性上市 导致垃圾中易腐垃圾的比例增加1 6 】。 1 3 城市生活垃圾的主要处理方式及优缺点 城市生活垃圾处理的目的是控制、减少垃圾造成的危害，改变垃圾特有的 肮脏面貌，减少垃圾占地数量，控制垃圾对环境的污染，防治疾病的传播，开 展综合利用，最终实现无害化、减量化、资源化的目标。即消除垃圾的污染危 害，又为社会创造财富，在环境、社会、经济三方面的效益兼而得之。 城市生活垃圾处理方法按性质不同分为物理方法、化学方法及生物化学方 法三种。就处理对象而言，可分为混合垃圾处理、单一成分垃圾处理、垃圾与 粪便处理、垃圾与城市下水污泥混合处理等方法。卫生填埋法、好氧堆肥法和 焚烧法是目前应用最为广泛的三种方法。 1 3 1 卫生填埋技术 现代卫生填埋工程是有控制地处理城市固体废物的一种方法。城市固体废 物一般包括生产垃圾、商业垃圾及生活垃圾。一个现代化城市的固体废物每天 可高达数十吨以上，经过分选以后，大部分均要集中堆放到某一场地。该方法 具有运行管理方便、投资节省、处理量大等优点。 中国自6 0 年代以后，特别是近几年来，固体废物填埋技术有了很大发展， 固体废物的处置方法从简单的倾倒、分散的堆放向集中处置、卫生填埋方向发 展。部分城市建成了卫生和安全的填埋场，如杭州天子岭垃圾填埋场，北京阿 苏里、北神树、安定三个垃圾填埋场，深圳下坪废物填埋场，上海的老港填埋 场和江镇堆场，佛山市五峰山卫生填埋场等，它们大多均设有防渗的压实粘土 衬垫和淋滤液及气体收集系统，还有气、水污染的检测设备。但总的看来，国 内大部分已建的填埋场在设计理论和方法，高性能防渗材料和排水材料的开发 等方面与国外还有较大差距，设计人员对填埋场设计还缺乏足够的知识和经验， 所设计的填埋场不仅耗资大，而且其安全性也不理想。【1 2 】 而且随着经济的发展，垃圾总量逐年增加，其弊端逾加明显地显现出来。 一个敞开的、没有严格控制措施的垃圾堆，将是一个巨大的污染源，其淋滤液 会污染地下水或附近的水源；排出的气体会污染空气，还会孽生蚊蝇，引来昆 虫、鼠类和鸟，严重影响甚至破坏周边生态环境。 4 1 3 2 堆肥技术 将城市生活垃圾收集成堆、保温储存、发酵，在人工控制条件下，利用微 生物的生化作用，将垃圾中的有机物降解转化为稳定的腐殖质的生物化学过程 称为垃圾的堆肥处理一一堆肥化。其产品( 堆肥) 可以成为施于农田、果园、苗 圃的土壤改良剂，改良贫瘠土地的土质，给作物提供生长所需的营养元素【l 3 。 1 3 3 焚烧技术 垃圾焚烧处理是使垃圾中分捡出来的可燃成分在高温条件下与空气中的 氧进行燃烧反应，最终成为稳定的惰性残渣的过程。可燃性固体物质的燃烧是 一个复杂的过程，它通常由传热、传质、热分解、蒸发、气相化学反应和多相 化学反应等组成。 最早的固体废物焚烧装置是18 7 4 年和l8 8 5 年分别建于英国和美国的间歇 式固体床垃圾焚烧炉。随后，德国( 18 9 6 ) 、法国( 18 9 8 ) 、瑞士( 19 0 4 ) 也相继建成。 二十世纪初，欧美一些工业发达国家开始建造较大规模的连续式垃圾焚烧炉。 垃圾焚烧技术有着明显的优点，减容效果好，焚烧处理可以城市生活垃圾 的体积减少8 0 9 0 ；消毒彻底，可以使废物中的有害成分得到完全的分解，并 能彻底杀灭细菌。可以减轻或消除后续处置过程对环境的影响，并可回收资源 和能量。但也存在很多问题：投资和运行费用高，操作运行复杂，尤其是当废 物成分变化较大时，对设备和运行条件要求严格，往往导致稳定性差等后果； 存在二次污染的问题，排放出含有各种有害成分的尾气、焚烧残渣及污水，目 前还没有很好的解决办法【l 引。 1 3 4 城市垃圾厌氧消化技术 城市生活垃圾含有大量的有机垃圾，有机垃圾的固含量在3 0 4 0 ，含有 溶解性物质( 如糖、淀粉、氨基酸等) 、纤维素、脂肪、蛋白质等，因此可采用 厌氧生化方法进行降解。厌氧反应是指在没有溶解氧和硝酸盐氮的条件下，微 生物将有机物转化为c h 4 ，c 0 2 、无机营养物和腐殖质的过程i l 引。 厌氧消化技术具有如下特点：可以将潜在于废弃有机物中的低品位生物能 转化为可直接利用的高品位沼气：与好氧法相比，厌氧消化不需要通风动力， 设施简单，运行成本低，属于节能型处理方法；经厌氧消化后的废物基本得到 稳定，可以用作农肥、饲料或堆肥化原料。 但也存在一些缺点，厌氧微生物的生长速度慢，常规方法的处理效率低， 停留时间长，设备体积大：厌氧过程会产生h 2 s 等恶臭气体，导致沼气利用前 必须做脱硫处理，提高了利用成本。 1 4 垃圾厌氧消化技术发展现状及趋势 随着人们环保意识的增强，垃圾的源头分类收集已经成为必然的发展趋 势，进行分类收集后，最直接的问题就是有机垃圾的处理与资源化利用。国内 外研究与开发应用的技术主要有堆肥处理、厌氧消化处理技术等i l 5 j 5 堆肥可以处理分类收集的有机垃圾，但是，完全依靠堆肥也存在很大问题。 一方面，在有机物含量较高的情况下，由于湿度加大，好氧堆肥难度增大，容 易形成厌氧状态；另一方面，由于堆肥产品体积较大，运输成本较高，堆肥效 益较差，影响了堆肥处理的经济性。目前在国内，堆肥处理的大多是未经分类 收集的混合垃圾，生产出的产品质量低，堆肥市场更难以保证l l 3 。 从理论上看，厌氧消化处理技术则具有更大的优越性。厌氧消化产生的沼 气可以作为能源加以有效利用，同时也减少了c 0 2 ，c h 4 等温室气体的排放； 反应过程要求保持厌氧状态，则反应设备均为密闭状态，不会有更多异味逸出； 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：对于含 水率较高的厨余垃圾，尤其是餐馆饭店产生的浴水等，很难进行堆肥化的处理， 最宜厌氧消化。从投资和运行成本的角度来看，厌氧消化也更为经济。进行厌 氧消化工艺研究，对有机垃圾的资源化处理意义重大1 1 6 , 1 8 j 。 1 4 1 国外应用状况及发展趋势 近年来，欧洲国家纷纷将目光投向厌氧消化【7 9 , 8 0 , 8 1 , 8 2 1 ，在可持续发展原则 指导下，欧洲国家纷纷立法，限制有机垃圾进入卫生填埋场，有机物含量高于 5 的垃圾即被禁止，垃圾分类收集得到广泛推广【8 3 , 8 4 , 8 5 】。这种情况下，有机垃 圾的处理和利用成为一个迫切的问题由于堆肥存在这样那样的问题，人们不断 探讨有机垃圾处理和利用的新技术方法。近十年来，有机垃圾厌氧消化系统在 德国、瑞士、奥地利、芬兰、瑞典等国家发展尤其迅速，日本在原公司也从欧 洲引进技术，在日本建设了首座厌氧消化示范工程【8 引。有机垃圾的厌氧消化处 理成为有机垃圾处理的一种新的趋势。在美国，厌氧消化工艺也有一定的应用。 目前，比较成熟的厌氧消化系统一般为日处理有机垃圾10 0 吨左右，每日可以产 生1 2 0 0 0 m 3 左右生物气体，同时还可以产生2 5 吨左右的优质有机, q 巴 8 7 , 8 8 , 8 9 】，产 生的生物气体有多种用途，使用最多的方式是利用沼气发电机发电，或净化处 理后加压装罐，生产天然气汽车燃料，也可以输入城市燃气管网用于民用燃气 4 3 , 4 4 】，沼气发电受到上网和电力需求、电价等的限制，因此，欧洲国家还对生 物气体进行净化处理，甲烷含量由6 0 提高至u 9 5 t 9 0 , 9 1 】，送加气站压缩后作为 汽车燃料，提高其利用附加值。 1 4 2 国内应用状况及发展趋势 国内的厌氧消化技术也是最近2 0 多年才又开始有较大发展【19 1 。主要仍然集 中在污泥消化、粪便处理、高浓度有机废水处理等领域，垃圾处理行业中应用 厌氧产沼气并回收利用则还处于起步阶段。厌氧处理用于污泥消化虽然是一种 成熟的传统技术，但生活垃圾可降解有机物的组成不同于污泥，其有机物含量 高，其中蛋白质、脂肪、盐分等物质的分解代谢和发酵条件等均有别于污泥消 化，其微生物的种类、生长规律、菌群关系等还有待深入研究。尤其是我国城 市生活垃圾可降解有机物对该技术的适用性必须予以研究开发。在基础研究完 6 善的情况下，筛选培育优良菌种，提高厌氧发酵的效率，也是一个新的课题【2 们。 总体来看，高固体浓度厌氧处理技术在我国的基础研究与产业化开发应用具有 创新性。 填埋场的生物降解过程主要是厌氧分解，国内直到近年来才开始进行垃圾 填埋场沼气的回收利用。这一方面是由于近年来大型填埋场的兴建和形成，为 沼气收集利用提供了条件，另一方面是人们环境意识的提高，要求减少温室气 体的排放，尽可能回收利用再生能源。1 9 9 5 年开始，当时的加拿大e t i 环境技 术公司开始在中国开展垃圾填埋场沼气收集利用项目，而后，该公司为美国亚 洲惠民环境技术有限公司收购，并于19 9 8 年在杭州天子岭垃圾填埋场建成国内 第一个填埋气体发电厂。目前，建设部城市建设研究院正在深圳玉龙坑垃圾填 埋场进行我国第一个垃圾填埋场封场项目的设计，其填埋气体用于内燃机组发 电【2 。但目前国内外对填埋场的沼气利用一般都是基于自然发酵，很少进行发 酵过程的人工控制。 随着我国有机垃圾污染问题的逐渐突出，以及国内外技术交流与合作的进 一步加强国内一批科研单位已开始对有机垃圾厌氧消化进行研究。建设部城市 建设研究院在“八五”攻关中就进行了有机垃圾固态厌氧消化的研究，积累了丰 富的经验。由联合国工业发展组织( u n i d o ) 援助的中国二十一世纪议程项目中 国城市垃圾管理体系、技术标准和能力建设，项目方组织项目执行单位建设 部城市建设研究院研究人员进行数月的国外现场培训，调研了国外关于有机垃 圾厌氧消化领域发展的第一手资料，并援建了研究实验室，以开展基础实验研 究【2 2 1 。 同济大学在城市污水厂污泥厌氧消化处理方面有大量的研究基础和工程实 例，同时在城市生活垃圾好氧堆肥技术处理领域也属国内领先地位。在微生物 应用于城市生活垃圾和污水处理方面同济大学也具有良好的研究条件和成果。 这些都为城市生活垃圾厌氧消化处理技术的开发研究提供了良好基础【2 3 1 。 7 第二章生物质垃圾厌氧反应微生物原理 2 1 厌氧消化微生物学 厌氧消化是一种普遍存在与自然界的生物学过程，是二个复杂的过程。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。【2 4 】 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) 、 p h 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 h i ，c o ，m o ) 、有毒物质和抑制剂的多少、有机负荷率、含水率、搅拌装置、破 碎程度等 2 4 , 2 5 】。 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，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1 2 5 , 2 6 】。 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，将厌氧消化过程由几年 缩短到1 5 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【2 7 1 。 厌氧发酵过程可分为四个阶段： 第一阶段水解阶段；在一定温度下，借厌氧生物菌群的作用，将不溶 性大分子的有机物( 蛋白质、纤维素、脂肪、淀粉等) 分解为小分子水溶性的低 脂肪酸( 葡萄糖、甘油、脂肪酸、氨基酸等) 。 第二阶段酸化阶段；不溶性大分子有机物经过水解溶入水中。发酵细 菌将有机单体转化为h 2 、c h 3 c 0 0 h 、c h 3 c h 2 0 h 等。酸化阶段产酸过程进行的 很快，致使料液p h 值迅速下降，发出腐霉性的气味。 第三阶段产氢产乙酸阶段( 又叫酸性衰退阶段) ；专性产氢产乙酸菌对 还原性有机物的氧化作用，生成h 2 、h c 0 3 ，c h 3 c 0 0 h 。同型产乙酸细菌将h 2 、 h c 0 3 转化为c h 3 c o o h ，同时伴随少量的c h 4 、c 0 2 、n 2 生成。此阶段会产生硫 8 化氢、硫酸、粪臭素等副产物。在此阶段，由于大量有机酸的分解导致p h 值上 升。 第四阶段甲烷化阶段；产甲烷菌将乙酸转化为c h 4 和c 0 2 ，利用h 2 把c 0 2 还原成甲烷，或利用其他细菌产生甲酸形成甲烷。 表2 1 有机垃圾厌氧消化过程【刎 t a b2 - 1t h ea n a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s so fo r g a n i cg a r b a g e 生化阶段一 二 三 物态变化水解酸化酸性衰退甲烷化 生化过程 不溶毒查，子k 溶解毒? ：? 子有j 2 + c h 3 c o o h _ c h 4 + c 0 2 机物机物 菌群发酵细菌产氢产乙酸菌产甲烷菌 厌氧消化虽然是一种普遍存在于自然界的微生物过程，但是对于参与这一 过程的微生物的研究却很难深入【2 7 1 。原因如下：( 1 ) 厌氧消化是一种多菌种多层 次的厌氧发酵过程，种群多，关系复杂，难于弄清楚；( 2 ) 有些菌种群之间存在 互营共生性，分离鉴定难度大：( 3 ) 厌氧条件下培养分离和鉴定细菌的技术复杂。 就厌氧消化的作用阶段来说，可将其微生物菌种划分为产酸菌群和产甲烷茵群。 2 2 基质利用及动力学 2 2 1 基质的利用与微生物生长 在厌氧消化器中，基质和营养物的浓度与细菌的增长速度有着密切的关系， 由于各种细菌群体的多少与反应器系统中特定的基质成正比，所以通常用营养 物或中间产物的通量c o d 来表示【2 8 1 。c o d 的减少导致甲烷的生成。 基质的利用可用在纯培养恒化皿中细菌生长的m o n o d 动力学来表示【2 9 】： d x d t = u x( 2 1 ) 其中：x 微生物浓度 u 微生物比增长率 u _ - u m a x s ( k s + s ) s 残留限制性基质浓度 u m a x 最大微生物比增长率 k 。半速系数，表示基质被生物同化的程度。 在稀释比d 为稳态的情况下： s = d k s ( u m a x d ) ( 2 - 2 ) 用于细菌同化的基质浓度在一定程度上支配着系统中细菌的生长率。一般 认为被利用的基质量与产生细菌量存在关系3 0 1 ： y _ - 形成细菌量去除的基质量 9 y 越大，污泥的积累量越大，但反应器对负荷的冲击也越迟钝；反之则越 敏感。 2 2 2 水解动力学 水解是生物多聚体同化作用的第一步。在一定温度下，借厌氧生物菌群的 作用，将不溶性大分子的有机物( 蛋白质、纤维素、脂肪、淀粉等) 分解为小分 子水溶性的低脂肪酸( 葡萄糖、甘油、脂肪酸、氨基酸等) 【3 。这一过程以胞外 酶做媒介，其反应速度受p h 值和温度恒定时，其颗粒物有机酸的液化过程对于 残留的颗粒状可生物降解基质近似为一级反应【3 2 】： dxdt=cx(2-3) 式中：x 颗粒物浓度 c 比降解速率 用一级反应动力学只能大致的描述水解过程，不能描述水解过程各基质的 降解过程。 2 2 3 产甲烷动力学 产甲烷菌将乙酸转化为c h 4 和c 0 2 ，利用h 2 还原c 0 2 成甲烷，或利用其他细 菌产生甲酸形成甲烷。甲烷的主要来源是发酵过程中的乙酸，其反应是脱梭反 应【3 3 】： c h 3 c o o - i - h 2 0 c h 4 + h c 0 3 该反应可分为四个不同阶段： 1 ) 伴随乙酸产量增加，产甲烷速率迅速增加； 2 ) 随时间呈指数增长，反映了产甲烷细菌的指数增长； 3 ) 产甲烷速率近于恒定； 4 ) 随乙酸产量的下降，甲烷产量迅速下降。 甲烷发酵阶段对外界的变化比较敏感，氧的溶入、重金属离子介入、温度、 酸碱度等的变化都将对其造成显著影响【3 4 1 。 2 3 厌氧消化的控制条件 2 3 1 工艺条件： 2 3 1 1 有机物负荷率 这里用容积负荷率来表示有机物负荷率，容积负荷率是指反应器单位有效 容积在单位时间内接纳的有机物量。负荷率过大甲烷细菌受到的酸抑制就越明 显，气化速率大大降低，因而有机物的去除率就大大降低；反之，当负荷率较 小时，有机物的去除率就相对较高。试验表明去除率相同时，温度高的负荷率 大于温度低的负荷率3 5 1 。 2 3 1 2 搅拌方式 分为气体搅拌和机械搅拌两种。气体搅拌多用于规模化生产中，用高压将 沼气反吹，从而达到充分混合的目的； 1 0 机械搅拌多用于试验室中，在电机的带动下利用螺旋桨进行循环搅拌。 2 3 1 3 发酵原料粒度 发酵是在可溶性有机物中进行，所以粒度越小，发酵程度越好。但是原料 预处理工艺所需动力也会越大1 3 6 1 。 2 3 1 4 营养成分的配比 为使甲烷发酵有效的进行，适宜的营养是重要因素。碳为微生物提供能源， 氮是形成微生物的氨基酸，蛋白质的重要营养源。产生沼气的最佳碳氮比是 1 2 1 6 0 ，碳氮比过小，过剩的氮将变成游离氨，抑制甲烷菌的活动【37 1 。 2 3 1 5 水力停留时间 在连续发酵槽中，水力停留时间小于菌体的最小倍增时间时，由反应器流 出的菌体增大，相应的有机负荷增加，菌体维持困难；而水力停留时间过长， 反应器处理能力降低。因此选择适宜的水力停留时间是非常重要的。 2 3 2 物理化学控制条件： 2 3 2 1 氧化还原电位一厌氧消化进行的前提 厌氧消化试验对于环境条件的要求是非常严格的，不仅要求与外界空气隔 绝，还要求有很低的氧化还原电位( o x i d a t i o nr e d u c t i o np o t e n t i a l 简称o r p ) 。氧 化还原电位是化学物质由其还原态向氧化态流动时的电位差。因为我们需要的 是厌氧环境，所以体系中所含有的氧化态物质比例就要小，氧化态物质越少， 氧化还原电位越低，越适合厌氧微生物的生长；否则就会影响到厌氧消化的