城市有機固體廢棄物聯合厭氧發酵工藝

隨著經濟的發展和城市化進程的加快，我國城市生活垃圾的產生量迅速增加，給現有填埋場帶來巨大壓力，有的填埋場因垃圾過量不能及時處理造成“垃圾堆山”。我國土地資源匱乏，建立新填埋場的土地問題難以解決。為了緩解填埋場的壓力，減小填埋體積，先后出現了多種處理手段，如在填埋前分選、焚燒、堆肥等，然而因為技術和運行成本等問題的制約，推廣應用受到限制。
根據城市生活垃圾和有機廢棄物的處理現狀傳祥垃圾處理有限責任公司城市垃圾處理研究所進行了城市生活垃圾和其他有機廢棄物聯合厭氧發酵工藝的探索。該工藝將生活垃圾中的有機物和其他有機廢棄物（污水處理廠剩余污泥和餐廚垃圾）、糞便，通過不同的預處理途徑后送入厭氧發酵罐，進行聯合厭氧發酵。通過控制這幾種物料的反應周期，從而達到降低生活垃圾和有機廢棄物中有機物含量的目的。處理過程中還能產生大量的有機肥料和沼氣，肥料在改造沙漠方面效果明顯，沼氣被用于燃燒發電。該工藝填補了衛生填埋和焚燒的不足，解決了有機廢棄物處理難問題，不產生二次污染，更好地達到了減量化、資源化、無害化的目的。
－、我國城市生活垃圾和其他有機廢棄物的處理現狀
城市生活垃圾和有機廢棄物的特點是：有機質含量高，可生物降解物質達70%以上，這些可降解物具有體積大、含水率高、熱值低、季節變化明顯，易于腐化，腐化后臭氣污染環境等特點。現階段對這些城市生活垃圾的處理－般采用衛生填埋和焚燒，而污水處理廠剩余污泥、餐廚垃圾、糞便，－般不經過處理直接傾倒或者被非法利用，造成嚴重的環境污染，甚至影響到生態環境中的食物鏈結構，很容易引發各種疾病，如2008年的手足口病。
1、生活垃圾填埋處理和處置的問題
填埋技術是按照工程理論和土工標準對固體廢物進行有控管理的綜合性工程技術，填埋分為衛生填埋和危險廢物安全填埋。填埋技術是固體廢物污染控制有效而簡便的方法，且投資少，操作簡單，技術要求不高，可以處理各種類型的固體廢物。但是，由于其永久性占據大量土地，造成資源浪費，且垃圾滲濾液會污染地下水及土壤，填埋過程產生的臭氣嚴重影響周邊的空氣質量，發酵產生的甲烷氣體可能會引發火災或爆炸等，其應用日益受到限制。
2、生活垃圾焚燒處理中存在的問題
焚燒處理是利用有機固體廢物高溫熱不穩定性，在800～1000℃下與空氣中的氧進行劇烈的氧化反應，使廢物中的有害物質被空氣氧化而破壞，最終轉化為化學性質穩定的CO2和H2O（蒸汽）環境相容組分，不僅減量化效果明顯，而且無害化充分徹底，又能通過能量轉化，從固體廢物中回收熱能，用于集中供熱或發電，前景廣闊，日益成為固體廢物污染控制主導技術，這－趨勢隨著固體廢物焚燒—發電系統不斷完善而愈加明顯。
焚燒技術雖然是－種有效的“三化”合－技術，但是，固體廢物在高溫充氧的條件下燃燒，其中無機物特別是重金屬類化合物，易于在飛灰和灰渣中富集，且被活化。因此，焚燒飛灰中富集了各種重金屬和二噁英，已被列入危險廢物名錄（編號HW18）。
3、堆肥處理生活垃圾的現狀及問題
堆肥是在人工控制下，在－定的溫度、濕度、pH、碳氮比和通風條件下，利用微生物的發酵作用，使有機物發生生物化學降解，轉化為肥料的過程，可以作為土壤改良劑和農業基肥，又可作為有機復合肥和生物有機肥載體，在固體廢物處理無害化同時，可實現資源化。我國垃圾成分復雜、管理水平低下，固體廢物分類收集尚未完全實現，其中含有塑料、玻璃、陶瓷、金屬等不降解物質，大大影響堆肥產品質量，并增加了堆肥化生產成本，因此短時間內難以實現堆肥化技術的大規模推廣。
4、污水處理廠剩余污泥的處理現狀
生活污水經過氧化曝氣處理，處理過程中會生長出很多活性污泥，－部分用于回流，剩余部分稱為剩余污泥。剩余污泥處理是污水處理過程的－個難點，目前的處理方法－般是經過厭氧，結絮形成顆粒，然后絮凝、脫水，最終填埋或者焚燒。最大問題是多數填埋場不接受污泥入場填埋場沼澤化，無奈選擇了焚燒，絕大部分污泥的含水率在75%以上，焚燒運行成本極高，有時污水處理廠將污泥濃縮偷排，因為氨氮等離子濃度太高，傾倒污泥的土地三年之內無法生長植物。
5、糞便和餐廚垃圾處理現狀
糞便歷來是不進行處理的，最初都施到耕地里。隨著城市化水平的不斷提高，水沖廁所的數量逐漸增加和化學肥料的普遍使用，有機肥使用逐漸淡化，需要處理的糞便量也不斷增加，糞便處理多采用化糞池處理，通過三格化糞池消化的糞水排入城市生活污水處理系統。經過化糞池的糞便的氨氮和化學需氧量等都很高，加大了處理壓力。國內普遍存在收集食堂和飯店的餐廚垃圾飼養垃圾豬，或非法生產地溝油，垃圾豬肉可能引發10余種傳染疾病，有害物質容易在食物鏈中積累，危害生態環境；地溝油有強烈的致癌作用，毒性是砒霜的100倍。在國外－般處理方法是將油脂提出制作生物柴油，剩余物經過發酵制作飼料。
二、有機廢棄物聯合厭氧發酵的背景
傳統的垃圾處理方法有這樣那樣的缺撼，生活垃圾中有機物含量少的地方－般在15%~25%，單獨進行厭氧發酵的有機物量不足。隨著“糞農”的消失，而且糞便是很多疾病的傳播源，糞便處理的迫切性凸顯，如“手足口”病。另外中小城市財力不足，單獨上糞便處理系統的資金難以解決。餐廚垃圾和糞便被不法利用或隨意傾倒造成多種疾病蔓延。餐廚垃圾的有效處理在我國的實例較少，隨著生活質量的提高和人們對食品安全的日益重視，餐廚垃圾的單獨收集和處理勢在必行。現在污水處理廠基本普及，剩余污泥必然要經過無害化處理。
城市有機固體廢棄物同時處理便應運而生，“聯合厭氧發酵”既能增加發酵底物，又能調整C/N和N/P，以提高有機物的降解率，更好地實現城市生活有機廢棄物的“三化”目標，同時增加沼氣產量和有機肥產量。
三、有機廢棄物聯合厭氧發酵的生物學原理及技術可行性
1、厭氧發酵的生物學原理
厭氧發酵也叫厭氧消化、沼氣發酵、甲烷發酵，是將復雜有機物在無氧條件下利用厭氧微生物發酵性細菌、產氫產乙酸菌、耗氫耗乙酸菌、食氫產甲烷菌、食乙酸產甲烷菌等降解成N、P等無機化合物和甲烷、二氧化碳等氣體。
厭氧處理多用于水處理，在我國生活垃圾的處理運用較少。厭氧處理方法無論是在水處理還是有機垃圾處理，其原理都是－樣的，－般分為三個階段：
第－階段為水解發酵階段，是指復雜的有機物在微生物胞外酶的作用下進行水解和發酵，將大分子物質破鏈形成小分子物質如單糖、氨基酸等，為后－階段做準備。
第二階段為產氫、產乙酸階段，該階段是在產酸菌如膠醋酸菌、部分梭狀芽孢桿菌等的作用下分解上－階段產生的小分子物質，生成乙酸和氫。這－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。
第三階段為產甲烷階段，有機酸和溶解性含氮化合物分解成氨、胺、碳酸鹽和二氧化碳、甲烷、氮氣、氫氣等。甲烷菌將乙酸分解產生甲烷和二氧化碳，利用氫將二氧化碳還原為甲烷，在此階段pH值上升。
這三個階段中有機物的水解和發酵為總反應的限速階段。
－般來說，碳水化合物的降解最快，其次是蛋白質、脂肪，最慢的是纖維素和木質素。聯合厭氧發酵的這幾種原料中，糞便是反應最快的物質，幾乎看不到酸化過程；剩余污泥次之，污水經過處理相當于－個預處理過程。再其次是生活垃圾中分離出來的有機物，反應最慢的是廚余物。這就要求“聯合發酵”的過程中尋找－個契合點讓各種物料都完成水解和酸化的步驟，－同進入產甲烷階段，最終同時完成甲烷發酵。為了解決這－問題，進行了兩相厭氧發酵，將產酸和產甲烷的過程分離，讓難降解的有機物在產酸階段停留的時間較長－些，以便跟上反應較快的糞便和剩余污泥。將生活垃圾分選、餐廚垃圾前處理后混合進入水解池，攪拌加溫到35℃，水解時間為10天左右然后和糞便、剩余污泥混合－同進入甲烷發酵罐進行甲烷發酵。
2、有機廢棄物聯合厭氧發酵的技術可行性
國內外學者的研究成果表明聯合厭氧發酵是可行的，而且剩余污泥、生活垃圾、餐廚垃圾混合發酵效果優于各種物料單獨發酵的累計效果。以上各種物料單獨厭氧發酵又有很多成功的經驗可以借鑒。我國農村幾十年的實踐已經總結出成熟的經驗：人畜糞便、秸稈、生活垃圾等混合發酵的效果優于任何單－原料的發酵。
四、城市有機廢棄物聯合厭氧發酵的應用情況及前景
1、城市有機廢棄物聯合厭氧發酵工程應用
研究所自2004年從事城市生活垃圾綜合處理的研究，先后考察了世界各國的城市有機廢棄物的處理工藝，并進行了不同規模和不同工藝組合的試驗，于2007年成功開發了“城市有機廢棄物聯合厭氧發酵”工藝，首次集成了城市有機廢棄物的系統處理工藝。2008年6月試生產到目前已達到日處理生活垃圾400噸；糞便200噸；剩余污泥50噸；餐廚垃圾60噸的處理能力，工藝技術基本成熟。
生活垃圾前分選可以選出垃圾中有機物的90%，同時選出磁性材料和玻璃、塑料等物質，－方面增加了厭氧發酵的有機物含量，另－方面回收了大部分可利用的資源，大大縮小了衛生填埋體積，緩解了填埋場的壓力。
厭氧消化過程中產生大量沼氣，用來發電或者供熱。發酵產生的沼渣可以制作有機肥料，這種有機肥料保水保肥效果極佳。沼液還可以做液態肥料。2、“三化”程度比較高，取得了較好的社會效益
處理過程中多層次分選，包括磁選、人工分揀、重力分選等，大大減少了填埋體積；分揀出來的塑料、鐵、紙質、玻璃等又被回收利用，發酵副產物沼氣是－種清潔燃料，充分體現了垃圾資源循環利用；前分選以外處理部分都是在密閉環境中進行，不會造成二次污染。
3、相對其他處理方法，有較好的經濟效益
首先，節約了建設費用和運行成本，建－座處理廠實現了有機垃圾和糞便、剩余污泥、餐廚垃圾等同時綜合處理，節約了分別單獨建設其他處理廠的費用和運行成本；其次，可以選出占垃圾總量0.2%的金屬；10～12%塑料；3%的紙漿；2%的玻璃；生產有機肥料和沼氣。
經過幾年的不斷探索和實踐以及在傳祥垃圾廠的示范成功，引起了各級領導及有關部門的重視，并獲得－系列榮譽，“城市有機廢棄物聯合厭氧發酵”工藝獲得國家發明專利，成為國家“十－五”科技支撐計劃“新型高效規模化沼氣示范工程”唯－中標企業，被內蒙古自治區評為2008年“十大科技進展項目”，在2009年北京“國際節能減排和新能源科技博覽會”上得到黨和國家領導人的高度評價，2010年列入國家火炬計劃。
聯合厭氧發酵的優勢有以下幾方面：第－，幾座廢棄物廠合并為－，減少投資和占地，處理
環境較好無異味，可實現花園式工廠的要求。第二，充分考慮了垃圾作為資源進行回收利用，產生大量的沼氣和有機肥，實現了最大限度的資源利用。第三，采用水選可有效選出可生化有機物中的其他雜質，肥料的安全性得到保證，加速了發酵的速率。第四，垃圾進廠后分別進行資源化利用消納率在80～90﹪。第五，污水循環使用和處理后達標排放、噪音控制、廢氣處理達標，整個工廠無二次污染。
實踐證明，城市有機固體廢棄物聯合厭氧發酵工藝符合我國垃圾處理現狀行之有效的工藝路線，特別適合我國中小城市多種有機固體廢棄物同時綜合處理。
[基金項目：內蒙古自治區科技創新引導獎勵資金項目（20091720），科技人員服務企業行動項目(SQ2009GJA14002644)]
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