摘要：本文介紹了利用厭氧消化技術處理城市生活垃圾在歐美等發(fā)達國家的應用經驗，結合百瑪士環(huán)?？萍加邢薰驹趪鴥葞讉€厭氧消化處理生活垃圾的工程實例，闡述了利用厭氧消化工藝處理城市生活垃圾的應用前景以及制約因素。

前言

隨著經濟的發(fā)展和城市化進程的加快，我國城市生活垃圾產生量迅速增加，而且城市生活垃圾存在大量的生物質垃圾，具有易生物降解和高含水的特點，其形成的惡臭是固體廢物污染環(huán)境的主要污染源。與此同時，城市生物質垃圾中蘊含著大量生物質能，其高含水特性又為生物質能的轉化提供了有利條件，針對生物質垃圾的“高固體厭氧消化（High Solid Anaerobic Digestion）技術”成為世界環(huán)?？萍嫉难芯繜狳c。采用厭氧消化技術處理城市生活垃圾，并產生綠色能源“沼氣”，特別是在能源日益緊張，CO₂減排的呼聲越來越高的情況下，該技術越來受到各國政府接受和推廣，歐美等發(fā)達國家通過立法等手段大力推廣該技術的應用，我國“十一”規(guī)劃明確提出大力推廣使用生物質能源，根據國家“十一五再生能源發(fā)展規(guī)劃”，到2010年，建成沼氣發(fā)電裝機容量100萬千瓦。“十一五”時期，加快建設規(guī)?；託夤こ?，年產沼氣約40億立方米。

一、厭氧消化工藝原理

厭氧消化是無氧環(huán)境下有機質的自然降解過程，在自然界內廣泛存在。在此過程中微生物分解有機物，最后產生甲烷和二氧化碳。影響反應的環(huán)境因素主要有溫度、pH值、厭氧條件、C/N、微量元素（如Ni、Co、Mo等）以及有毒物質的允許濃度等。厭氧消化是在厭氧微生物作用下的一個復雜的生物學過程，厭氧微生物是一個統稱，包括厭氧有機物分解菌（或稱不產甲烷厭氧微生物）和產甲烷菌。在一個厭氧反應器內，有各種厭氧微生物存在，形成一個與環(huán)境條件、營養(yǎng)條件相對應的微生物群體。這些微生物通過其生命活動完成有機物厭氧代謝過程。

厭氧消化工藝處理有機垃圾，是人為創(chuàng)造厭氧微生物所需要的營養(yǎng)與環(huán)境條件，使反應器內積累高濃度的厭氧微生物，因此，人工厭氧消化的速度大大超過自然界中自發(fā)的厭氧消化過程。

生活垃圾的厭氧消化過程可以分為水解、酸化和產甲烷三個階段，每個階段都由一定種類的微生物完成有機物的代謝過程。三個階段的情況介紹如下：

水解

有機物厭氧菌產生胞外酶水解有機物。參與細菌的種類和數量隨著有機物種類而變化，通常按原料種類分為纖維素分解菌、脂肪分解菌和蛋白質分解菌。在這些細菌作用下，多糖分解成單糖；蛋白質轉化成肽和氨基酸；脂肪轉化成甘油和脂肪酸。

酸化

產酸菌，例如膠醋酸細菌、某些梭狀芽孢桿菌等，分解前一步產生的較高級的脂肪酸并生成醋酸和氫。此外，有機物厭氧分解菌在分解脂肪時，也產生長鏈脂肪酸，如硬脂酸；分解蛋白質時產生芳族酸，如苯基醋酸和吲哚醋酸。這些酸也為第二階段細菌所分解，產生醋酸和氫。在此階段產酸速率很快，致使料液pH值迅速下降，使料液具有腐爛氣味。

產甲烷

有機酸和溶解的含氮化合物分解成氨、胺、碳酸鹽和少量的CO₂、N₂、CH₄和H₂，在此階段pH上升，副產物還有H₂S、吲哚、糞臭素和硫酸。

甲烷菌將醋酸轉化成為CH₄和CO₂，利用H₂ 將CO₂還原成CH₄，或利用其他細菌產生的甲酸生成甲烷與水。典型的厭氧消化過程可以下面公式來表示：

有機物質+H₂O+營養(yǎng)物質→新細胞+惰性有機物質+CO₂+CH₄+NH₃+H₂S+熱

二、厭氧消化工藝分類

厭氧消化工藝根據工藝參數不同分成不同的類型：1）發(fā)酵天數；2)發(fā)酵含固率；3)發(fā)酵溫度和4)級數(單級對多級)。工藝參數的決定最終取決于現場的實際情況和工程目標，關鍵工藝參數分述如下：

濕法和干法: 濕法反應器對比干法反應器，含固率低，可以應用不同的前處理工藝，清除掉塑料等雜質，同時分離出細玻璃、石子等雜質。但是濕法反應器容易造成揮發(fā)份的流失，導致產氣率較低。同時濕法相對于干法內部能耗大，一般達到總產能的50％，而干法內部能耗只占總產能的20％～30％。

中溫和高溫: 中溫厭氧反應器反應溫度較低，所以降解相同水平的有機物，一般停留時間要長（15天至30天）. 中溫厭氧反應器產氣率低，盡管生物反應過程比較穩(wěn)定，但長停留時間需要更大的容積和更高的成本。高溫厭氧反應器產氣率高，停留時間短（12至14天），反應器容積小，但維修成本高。

單級與多級: 單級是第一階段和第二階段反應都集中在一個反應器內進行。多級是兩個階段分成兩個不同的反應器內進行以優(yōu)化操作環(huán)境。單級反應器是一種簡單式設計，歷史比較長，成本較低，技術難度少。兩級系統由于每段設計優(yōu)化，停留時間短。產氣潛力高，但投資成本高。

反應器產生的沼氣甲烷含量一般在55％至60％。其余成份主要為 CO₂. 沼氣通常通過在鍋爐中燃燒產生熱和蒸汽，或者通過燃氣輪機產生電能。有些厭氧消化工廠將沼氣轉化為燃料用于公司內部消耗。沼氣產生量隨原料不同而不同。

三、生活垃圾的厭氧消化處理在歐洲的應用

厭氧消化工藝用來穩(wěn)定廢水中有機生物體將近100多年。廢水行業(yè)的工程師對厭氧消化工藝的設計概念都很熟悉。但廢水處理中的生物質是相對均勻的廢棄物。利用厭氧消化處理種類不同的和季節(jié)性分類的有機垃圾和其它生活垃圾還是有一定的技術難度，但這項技術在近15年得到迅速發(fā)展。 同期，采用厭氧消化技術處理固體廢棄物在歐洲得到穩(wěn)定發(fā)展。

一方面因為歐盟填埋標準要求歐盟成員國在垃圾填埋之前必須對有機物穩(wěn)定化處理并達到以下穩(wěn)定化指標 (允許填埋的未穩(wěn)定垃圾量): 2006年達到1995年標準的75％; 2010年達到1995年標準的50％; 2016年達到1995年標準的35％。垃圾可通過焚燒（能量利用、堆肥和厭氧發(fā)酵達到穩(wěn)定化處理。因為歐盟填埋標準的導向作用，采用不同穩(wěn)定化工藝的垃圾處理設施建設非常踴躍。包括厭氧發(fā)酵、堆肥、機械生物處理廠、對生物有機質成份或采用堆肥或采用厭氧發(fā)酵工藝處理。為達到歐盟填埋標準，在歐洲國家厭氧發(fā)酵處理廠的收費最高達到35～50歐元/噸垃圾，正與焚燒和填埋形成競爭，由于歐盟國家有綠色能源的激勵政策，厭氧發(fā)酵產生的所有綠色能源必須由當地政府以至少15 cents/kwhr（歐元）的價格收購[1]，在高的處理費用和能源收益雙重作用下，厭氧消化工藝在歐洲許多國家具有可靠的經濟性。

為滿足填埋標準，單獨處理有機生活垃圾在歐盟比較普遍。同時許多國家利用生活垃圾和動物糞便或污水處理廠的有機污泥聯合發(fā)酵。

在過去的5－10年時間里，歐洲城市生活垃圾的厭氧發(fā)酵市場正在以幾何級數的增長。據統計，1999年，歐盟有53個厭氧消化工廠年處理100萬噸混合或分類的有機生活垃圾。到2005年，約有74個工廠在歐洲運行，用于處理分類的有機生活垃圾或混裝垃圾。2006年商業(yè)運行的或正在建設的工廠數量達到124,垃圾處理量達到400萬噸/年[1]。

很多正在運轉的厭氧消化工廠特別是那些超過五年運轉經驗的工廠處理能力大部分規(guī)模比較小, 考慮規(guī)模效益，現在建設的工廠趨勢向大型化方向發(fā)展，使厭氧消化工藝成為垃圾綜合處理的一部分。傳統的厭氧消化系統供應商開始與那些掌握堆肥技術包括中轉站或填埋設施的大型垃圾處理供應商合作，這種合作隨著再生能源和垃圾無害化以及歐盟填埋規(guī)范的要求得以持續(xù)發(fā)展。垃圾綜合處理的優(yōu)勢是有機垃圾無須源頭分類，通過機械分選可以分選出有機物進入厭氧發(fā)酵系統中，達到高的產氣率。

四、厭氧消化工藝處理有機垃圾在國內的應用

我國目前城市生活垃圾處理仍然采用填埋為主的處理方式，近年來焚燒技術得到迅速發(fā)展，堆肥由于肥料出路問題比例很小。按2006年的統計，填埋、堆肥和焚燒處理比例分別占14.5%、12.9%和5.1%[ 2 ]。采用厭氧消化技術處理有機垃圾在國內正處于起步階段，其中處于領先地位百瑪士環(huán)?？萍加邢薰?，從歐洲引進全套厭氧消化處理技術，包括干法和濕法、高溫和中溫、臥式和立式各種不同類型反應器，可以針對不同的有機垃圾類型，通過上述幾種模式的組合達到最佳的處理效果，以高起點、高環(huán)保要求，有效處理有機廢棄物并實現大型化和工業(yè)化，生產沼氣用作熱源或發(fā)電上網，技術水平保持與歐洲同步。目前不同工藝類型的技術均有工程在國內實施中。

有機垃圾干式厭氧消化工藝主要針對含水率低的有機物，如農業(yè)垃圾或生活垃圾中有機物部分，主要特點是在厭氧消化工藝過程中，由于進料垃圾的含水率較低，消化物料的含固率在20～40％之間。因此干式厭氧消化反應器具有容積小、處理量大的特點。典型技術有VALORGA干法厭氧消化工藝和BRV干法厭氧消化工藝。

4.1VALORGA干法厭氧消化工藝

本工藝是由法國Steinmueller Valorga Sarl公司開發(fā)，采用垂直的圓柱形消化器，是一項成熟工藝。反應器內垃圾固含率25%-35%，停留時間22-28天，產氣量80-180Nm3/噸。消化后的固體穩(wěn)定化需要進行10～21天的好氧堆肥。針對城市生活垃圾厭氧消化中存在的攪拌難、固體含量高抑制反應活性等特點，上世紀80年代后期Valorga工藝朝面向全部種類的垃圾發(fā)展。該工藝采用滲濾液部分回流與沼氣壓縮攪拌技術，具有比較好的經濟與環(huán)境效應。中溫（如Amien垃圾處理廠）或高溫消化（如Freiburg垃圾處理廠）在該工藝中均有采用，垃圾平均產氣量110Nm3/噸進料垃圾。目前歐洲有十幾個采用該工藝的垃圾處理廠，相關業(yè)績如下表：

目前國內由百瑪士環(huán)境投資公司投資建設的普陀生活垃圾綜合處理廠和北京董村生活垃圾綜合處理采用該工藝技術，兩個項目正在建設中，預計2009年初投產。

4.2 BRV干法厭氧消化工藝

BRV厭氧消化工藝最早是由瑞士的一家環(huán)保公司研制開發(fā)的，并于1994年在瑞士的Baar成功建設了第一個利用該工藝的有機垃圾處理廠，年處理有機垃圾18,000噸。由于該工藝具有很高的生態(tài)環(huán)保性，其先進的工藝技術具有較大的市場潛力，符合歐洲對有機垃圾處理日益嚴格的環(huán)保標準。德國Linde公司根據市場的發(fā)展需要，收購了該公司并對該專利工藝進行了整合。當時的厭氧技術還不是很成熟，Linde公司對其采取了嚴謹的完善措施，并于1996年首先在德國的Eurasburg Quarzbichl進行了處理規(guī)模為4噸/天的小試，1997年在德國的Ravensburg進行了處理規(guī)模為1,500噸/年的中試，以進一步完善工藝并確保該技術的適用性。

在該工藝的干式消化過程中，有機垃圾經過分揀破碎等預處理后，與部分已經消化的物料混合，通過進料系統送入消化反應器內。消化物料的含固率在20～35％之間，消化反應器內的物料可通過氣體或機械攪拌等方式進行攪拌，物料經過25～30天的厭氧消化后，由出料系統排出罐體，送入脫水系統進行脫水。在消化期間大約有60％左右的有機物被轉化為生物氣，可進行能源利用。BRV臥式厭氧消化工藝成為德國目前最新的厭氧消化工藝，已經在歐洲多個垃圾處理廠實施，并取得了良好的運行效果，表4-2是幾個實施范例。

目前國內由百瑪士環(huán)境投資公司投資建設的上海金山生活垃圾綜合處理廠采用該工藝技術。該項目正在建設中，預計2009年年底投產。

4.3 LINDE濕法處理工藝

百瑪士公司引進的Linde濕式厭氧消化技術屬于單級厭氧消化技術，是典型的完全混合消化反應器。該工藝最早于1968年開發(fā)，好氧消化，好氧處理工業(yè)污水、糞便。自1975，開始進行糞便的厭氧處理，食品工業(yè)廢水的好氧和厭氧處理，復雜的多級污水處理；自1991年對居民分類生物垃圾的濕法消化工藝，包括消化殘渣的脫水和濾液的處理；從1993起應用糞便與工農業(yè)有機垃圾的聯合消化工藝；1996年應用于剩余污泥與工業(yè)/市政有機垃圾的聯合消化；1999年開始形成最終廢棄物的機械生物處理工藝、有機殘渣的生物穩(wěn)定化和熟化工藝。垃圾處理的配套工藝包括：機械預處理，堆肥，廢氣和廢水的處理。消化罐內總固體濃度在8% - 15%,可以進行高溫或中溫消化反應。其特征是在反應器中心設有一個用于氣體循環(huán)的管道；消化殘渣的污染物已于前處理環(huán)節(jié)分離，因此殘渣可以用于生產高質量的有機肥。主要適用于處理泔水、生活污水處理廠的污泥、園林綠化垃圾以及有機垃圾等。在國外的主要業(yè)績見表4-3：

目前國內由百瑪士環(huán)境投資公司投資建設的北京董村生活垃圾綜合處理廠采用該工藝技術。該項目正在建設中，估計2009年年初投產。

五、厭氧消化處理有機垃圾技術的制約因素

盡管厭氧消化的方法處理城市生活垃圾是一個發(fā)展方向，但目前在國內垃圾處理市場實施和推廣厭氧消化處理項目比較緩慢。主要存在的問題和制約因素有：

1）由于目前國內生活垃圾基本上采用混裝收集，雖然個別城市推進分類收集，但實施效果比較差，所以實施厭氧消化技術處理有機生活垃圾，勢必要配置一整套前分線系統，以滿足進厭氧消化系統進料的要求。造成整個投資偏高。

2）厭氧消化處理城市生活垃圾在國內剛剛起步，系統內關鍵設備大部分依賴進口設備。特別是大功率氣體內燃機發(fā)電機。引進成本比較高。示范工程由于沒有類似工程經驗，依靠國外專家調試指導，技術服務費比較高。所以造成投資耗費比較大，這樣就使得發(fā)展中國家厭氧消化處理城市固體廢棄物的比重占的很低。尤其是當要提高厭氧反應效率而設計兩相消化、高溫消化、源分選有機垃圾消化時，經濟投入更大；

3）由于國內正在施工的幾個厭氧消化處理項目還沒有正式投產，運行效果未知，從市場推廣的角度看，大部分用戶都處于觀望態(tài)度，如果實際運行效果比較好，估計在國內將會得到快速發(fā)展。

4）由于一些地區(qū)土壤營養(yǎng)富足而且焚燒技術比較高，厭氧處理所產生的能源化和肥料化的優(yōu)點都不能突出體現，應用不是太廣泛；

5）國內對厭氧聯合消化的研究不太系統，對各種廢棄物配比的定性研究較少；

6）由于我國垃圾分類還不太普及，源分選垃圾需要耗費大量的人力、物力與財力，這樣導致垃圾中無機成分多，厭氧發(fā)酵效果差。

六、厭氧消化工藝處理有機垃圾的應用前景

目前厭氧消化技術在世界各地廣泛應用，大部分處理城市生活有機垃圾的廠處理量在2500噸/年以上。而在我國尚無采用這樣的大型處理廠，是因為厭氧消化的投資成本比好氧堆肥一般要高出1.2-1.5倍。但考慮到有機垃圾厭氧消化處理的良好經濟效益（生物氣用來發(fā)電或供熱以及優(yōu)質衛(wèi)生的肥料），且具有良好的環(huán)境效益：與好氧堆肥相比占地少，大大減少了溫室氣體(CO₂、CH₄)、臭氣的排放等。從生命周期觀點看，厭氧消化比其他的處理方式更經濟。因此，在我國厭氧消化工藝是一項具有很有前景的有機垃圾處理技術。

隨著城市生活垃圾有機成分的逐漸增加以及經濟水平與技術水平的提高，將含有大量有機質的垃圾填埋將會造成能源的極大浪費且產生大量的溫室氣體，歐洲國家都采取了限制填埋政策以及對厭氧工廠產生的沼氣銷售的優(yōu)惠政策。另外，一些城市的生活垃圾中含有大量的水果蔬菜等含水量高的廚余物質將不再適合焚燒（熱值低，經濟效益不合算）以及好氧堆肥（不滿足氧堆肥的適宜固體含量55%-60%），用厭氧法處理上述類型的生活垃圾將會是一個發(fā)展方向。隨著國內再生能源法的推進實施，城市垃圾分類收集政策的推廣，厭氧消化工程在國內的投產運行取得經驗，厭氧消化技術處理有機生活垃圾勢必會得到飛快發(fā)展。尤其是兩相消化與聯合消化（有機物與污泥等）技術的應用，高固體厭氧消化反應器的應用，在處理蔬菜水果垃圾時具有明顯優(yōu)勢；加上垃圾分選、預處理技術的成熟，利用厭氧消化技術處理有機廢棄物在國內的推廣勢必有廣闊的前景。

參考文獻：

[1]Maria KelleherANAEROBIC DIGESTION OUTLOOK FOR MSW STREAMSBioCycle August 2007, Vol. 48, No. 8, p. 51;

[2]中國統計年鑒2007
 

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