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城市生活垃圾（municipal solid waste，MSW）是指在城市居民日常生活中或為城市日常生活提供服務的活動中產生的，在一定時間和地點無法利用而被丟棄的污染環境的固體、半固體廢棄物質。近十幾年來，我國城市生活垃圾年產量達1億多噸，且每年以8%-10％的速率增長。垃圾年處理率只有50%左右，實際垃圾無害化處理率僅有30%。
中國城市生活垃圾的處理方式主要為衛生填埋、焚燒和堆肥。2005年底統計的城市生活垃圾處理設施中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勢和特點，也具有技術本身的弊端。衛生填埋占地面積大，而且對于土壤、地下水和大氣都會造成現實的影響和潛在的危害；焚燒對于熱值低的廢物來說是對資源的極大浪費，而且在焚燒的過程中易產生煙塵及劇毒二惡英（dioxin）污染物而形成二次污染；好氧堆肥是一個耗能過程，需要輸入能量去曝氣，最后又產生溫室氣體CO2。
目前立法對環境的要求越來越嚴格，加上城市垃圾實現了分類收集，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收集有機部分的一種較好方式，它能最大程度地循環再用和富集廢物中的有用成分。采用厭氧消化技術（anaerobic digestion，AD）處理城市生活垃圾，不僅可以解決環境問題，減少溫室效應氣體的排放，還可以產生潔凈能源、有機肥料和土壤改良劑，能真正實現垃圾處理的“無害化、減量化和資源化”。
1城市生活垃圾厭氧消化技術概況
1.1城市生活垃圾厭氧消化原理及過程
厭氧消化是指在沒有溶解氧和硝酸鹽的條件下，微生物將有機物轉化為甲烷、氧化碳、無機營養物質、腐殖質等的過程。厭氧降解過程包括3個階段：水解／液化、產酸和產甲烷。具體過程如下：水解細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），再經產乙酸細菌的作用生成揮發性脂肪酸、氫氣、一氧化碳和乙酸，最后由產甲烷細菌將氫氣、一氧化碳和乙酸轉化為甲烷。主要反應如下：
MSW厭氧消化處理流程包括4個階段：預處理、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。大部分消化系統需要垃圾的預處理以獲得均質原料，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。進入反應器的城市生活垃圾可生物降解有機部分（biodegradable organic fraction of MSW，BOFM SW）有源頭分選（source separation，SS-BOFM SW）和機械分選（mechanical separation，MS-BOFM SW）兩種類型。根據發酵原料的濃度、溫度、消化級數和連續性，厭氧消化過程分為不同的工藝。厭氧發酵回收的氣體可作為燃料或集中發電資源，發酵殘余物主要是作為肥料應用。
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pH值極為敏感，pH值是監測厭氧消化過程的重要工藝參數，有機垃圾厭氧消化的最適pH值為6.4-7.20但也有研究表明當產甲烷穩定時，pH值應穩定在7.2-8.2。張光明等研究表明，有機垃圾厭氧消化容易造成揮發性有機酸的嚴重積累，引起“酸中毒”，抑制厭氧消化的進行，推薦采用NaOH或KOH來調節pH值。Nguyen等指出含有石灰石的砂礫是調節pH值較好的緩沖劑。
1.2.2溫度
影響厭氧微生物生長以及產甲烷活性的另一個重要因素是溫度。產甲烷菌有中溫型和高溫型兩類菌種，產甲烷的最佳溫度范圍分別為30-35℃和50-65℃。研究表明，溫度對發酵效率、產氣質量等有重要影響。溫度升高，發酵效率增大，產氣量增大，產氣質量下降。一般條件下，中溫發酵過程需要25-30d的停留時間，而高溫發酵只需要中溫消化的一半時間。高溫發酵的另外一個優點是對病原微生物有較高的殺滅率。但由于高溫發酵過程需要較高的加熱能耗，并且管理復雜，其應用中不如中溫發酵普遍。
1.2.3垃圾成分
垃圾成分相當復雜，垃圾的內容物決定了有機質含量口揮發性固體（voladle solid，VS）是衡量有機質含量的指標，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可以較好地評估垃圾的生物降解能力、生物氣產率、有機負荷和碳氮比（C/N）。木質素等是較難被微生物降解的復雜有機成分，構成了有機垃圾中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生物學因素
厭氧消化是一個復雜的過程，是由不同類型微生物群落參與完成的，厭氧發酵過程的微生物來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構對于厭氧消化的有效進行至關重要，垃圾成分中的營養結構對微生物的生長也非常重要。微生物對碳、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，產甲烷菌對氮的快速消耗會提高C/N，造成產氣減少；而較低的C/N會引起氨積累，使pH值超過8.5從而抑制產甲烷菌的活性。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（如污泥或動物糞便）進行聯合消化。磷主要用來合成生物核酸，50/1的碳磷比（C/P）是厭氧發酵比較合適的比值。
1.2.5總固體含量和有機負荷率
由于城市生活垃圾的成份和性質不同，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格，例如，氨、重金屬、硫酸鹽和揮發性有機酸等抑制物質的濃度就會升高，對細菌的活性產生影響。另外，很高的TS給攪拌裝置和過程帶來麻煩，反應啟動條件苛刻，菌種馴化任務艱巨且接種量大。
有機負荷率（organic Loading Rate，OLR）是衡量厭氧消化系統生物轉化能力的重要指標。增加反應器中的TS，即提高OLR可以相應地減少反應器體積，但OLR不是越高越好，過載后容易引起酸化，降低生物氣產率，最終導致消化失敗。因此在厭氧消化過程中應選擇合適的OLR。
1.2.6攪拌
攪拌的目的是使新鮮的物料與細菌混合、消泡，避免消化罐內溫度不均勻，還可以使反應產生的氣體迅速排出，但是過于頻繁的攪拌會破壞菌群的正常繁殖。因此攪拌頻率要依反應罐內混合物含量而定。對于固體狀態的物料，可以通過循環浸出液的方式來代替攪拌效果。對于不同類型的反應器和TS應該選擇相應的攪拌方式、攪拌強度和攪拌時間，美國環保署推薦的攪拌強度是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養成分，其應用非常廣泛，可用于農業生產的各個領域，沼液可以喂豬、浸種、滅蟲；沼渣可以喂魚、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型及應用實例
2.1城市生活垃圾厭氧消化工藝類型
根據消化級數和運行連續性，BOFW的厭氧消化分為：單級厭氧消化、兩級厭氧消化和間歇式厭氧消化。單級厭氧消化采用一個反應器，產酸相和產甲烷相均在這個反應器中完成。兩級厭氧消化是為了優化產酸和產甲烷菌各自的條件以提高整體消化效率，將兩個階段分別在不同的反應器中完成。第一個反應器用于水解／液化-產酸，其限速步驟是纖維素的水解；另一個反應器用于產甲烷，其限速步驟是產甲烷菌的生長。間歇式厭氧消化最早是以反應器填埋的形式出現，目前，有二種間歇式消化工藝：單級間歇式系統、序批式系統和組合式間歇-UASB系統，見圖二。
根據TS不同，有機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
2.2城市生活垃圾厭氧消化工藝應用實例
2.2.1單級厭氧消化
單級厭氧消化包括單級濕式厭氧消化和單級高固體厭氧消化。
單級濕式厭氧消化工藝簡單，采用的反應器主要是連續攪拌罐式反應器（continuously stirred tank reactor，CSTR），以一定的速率進出料，根據不同的原料類型和消化溫度，停留時間一般為14-28d。典型的工藝為芬蘭的Wassa工藝、德國的EcoTec工藝和佛羅里達州的SOLCON工藝等。Wassa工藝的TS為10%-15%，年處理量為3000-8500t：中溫消化的停留時間為20d，高溫消化的停留時間為10d。MS-BOFW SW的OLR（相對于VS）為9.7kg/（m3?d），而SS-BOFW SW的OLR（相對于VS）為6kg/（m3?d），每噸VS產甲烷率為170-320Nm3，VS去除率40%-75%。
單級高固體厭氧消化典型的工藝為比利時有機垃圾系統公司（Organic Write Systems）開發的的Dranco工藝、瑞士Kompogas AG公司開發的Kompogas工藝和法國Steimueller Valorga Sarl公司開發的Valorga工藝，見圖三。Dranco的主要單元為單級高溫反應器，原料從反應器頂部進入，從底部出料，反應器中一般沒有攪拌，垃圾以栓塞流方式垂直移動，一部分消化物作為接種劑再進入到新鮮垃圾中。該工藝進料固體濃度15%-40%，負荷10kgCOD/（m3?d），溫度50-58℃，消化時間15-20d，每噸垃圾生物氣產量為100-200m3。
高固體與濕式厭氧消化相比，從技術及成本都有較大的不同，見表一。
圖三不同的高固體厭氧消化系統設計示意圖
表一BOFM SW的濕式和高固體厭氧消化比較分析
2.2.2兩級厭氧消化
兩級厭氧消化包括兩級濕式厭氧消化和兩級高固體厭氧消化。
荷蘭的Pacques工藝、德國和加拿大的BTA工藝以及德國的Biocomp工藝都屬于兩級濕式厭氧消化。Pacques是中溫工藝，主要處理水果蔬菜垃圾（fruit and vegetal waste，FVW以及SS-BOFM SW。水解反應器TS為10％，采用氣流攪拌，消化物經過脫水，液體部分進入到上流式厭氧污泥床（up flow anaerobic sludge blanked，UASB）產甲烷，固體的一部分加到水解反應器中作為接種物，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。產甲烷反應器采用附著式生物膜反應器，保證足夠的微生物停留時間。為了防止附著式生物膜反應器的堵塞，僅有液體部分進入到產甲烷反應器。同時，為了維持水解反應器的pH值在6-7之間，產甲烷反應器中消化后的液體又循環回水解反應器。
典型的兩級高固體厭氧消化工藝為德國維爾利公司（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，微好氧水解反應器以及附著式生物膜產甲烷反應器可以將消化時間縮短為7d。與單級濕式系統相比，兩級系統具有較高的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間，增強了產甲烷菌對高濃度氨的耐受作用，提高生物穩定性。但1999年DE的研究報道指出，由于兩級系統較為復雜，兩級工藝的商業化應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個混泥土澆注的反應器組成，每個反應器的有效容積為480m3。進入非攪拌反應器的垃圾預先和接種物充分混合，從反應器中收集得到的滲濾液再循環到反應器頂部，垃圾在反應器中停留超過40d，直到停止產氣。處理相同量的垃圾，Biocel工藝與單級濕式工藝相比，產氣量低40%左右。
3城市生活垃圾厭氧消化處理技術的發展趨勢
近年來，在可持續發展原則指導下，歐洲國家紛紛立法，限制BOFM SW進入衛生填埋場，BOFM SW含量高于5%的垃圾即被禁止，垃圾分類收集得到廣泛推廣。這種情況下，BOFM SW處理和利用成為一個迫切的問題。由于堆肥存在缺陷問題，人們不斷探討BOFM SW處理和利用的新技術方法。近十年來，城市生活垃圾厭氧消化系統在德國、瑞士、奧地利、芬蘭、瑞典等國家發展尤其迅速，日本荏原公司也從歐洲引進技術，在日本建設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垃圾處理的一種新的趨勢。在美國，厭氧消化工藝也有一定的應用。目前，比較成熟的城市生活垃圾厭氧消化系統一般為日處理有機垃圾100噸左右，每日可以產生12000m3左右生物氣體，同時還可以產一生25噸左右的優質有機肥。
國內厭氧消化技術最近20多年開始有較大發展，主要仍然集中在污泥消化、糞便處理、高濃度有機廢水處理等領域，城市生活垃圾處理行業中應用厭氧產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技術，但生活垃圾可降解有機物的組成不同于污泥，其有機物含量高，其中蛋白質、脂肪、鹽分等物質的分解代謝和發酵條件等均有別于污泥消化，其微生物的種類、生長規律、菌群關系等還有待深入研究。尤其是我國城市生活垃圾可降解有機物對該技術的適用性必須予以研究開發。在基礎研究完善的情況下，篩選培育優良菌種，提高厭氧發酵的效率，也是一個新的課題。總體來看，高固體濃度厭氧處理技術在我國的基礎研究與產業化開發應用具有創新性。
4城市生活有機垃圾厭氧消化處理存在的問題及展望
采用厭氧消化技術，不僅能使MSW穩定化，還能獲得生物質能源，并產出優質的肥料，尤其在高溫條件下能有效去除病原菌。但目前有機垃圾的厭氧消化處理技術在流程的各個環節上還需要不斷完善。從工藝來看，未經預處理的垃圾，水解時間長。現有的預處理工藝成本較高，由于垃圾的固體含量較高，給攪拌裝置的選擇和動力配給帶來困難。從微生物學角度來看，由于固體含量較高，產酸階段的VFAs容易積累，造成酸中毒；缺乏適合垃圾厭氧發酵的高效微生物菌群，啟動困難，菌種較難馴化；氨、重金屬、硫酸鹽等抑制物含量較高，抑制細菌活性，運行中存在較高的不穩定性。因此，在機理以及工藝方面均需要進一步研究。
另一方面，垃圾分選效率將直接影響處理效率、成本以及產品質量，國內垃圾處理技術相對滯后的一個重要原因是沒有進行很好的分類。因此，作者認為城市生活固體垃圾的綜合處理應該從源頭抓起，建立合理的城市垃圾分類收集制度，但是這要求城市居民要有較好的素質，城市的經濟水平較發達。
厭氧消化技術應用于城市垃圾的處理中，經濟因素和技術因素同等的重要，在經濟上是否可行涉及很多的因素：能源價格、運行成本、消化產品質量以及市場需求等，只有在對這些因素進行系統分析的基礎上，才能得出確實可信的結論。目前，我國利用厭氧消化技術處理城市垃圾的實例較少，僅有幾個單位進行了實驗室規模的小試研究，而且垃圾成分單一，有的甚至是配比的模擬垃圾，通過這些還難以做出較為準確的經濟分析。國外厭氧消化處理城市垃圾的經驗對我國城市垃圾處理有很好的借鑒作用，但是由于各國的風俗習慣及消費結構不同，垃圾成分及物性也不同。因此應針對中國城市生活垃圾成分和產出量，開發合適的綜合處理技術，制定合理的政策和法律法規。
參考文獻略
