城市生活垃圾厌氧消化处理技术研究进展

城市生活垃圾（municipal solid waste，MSW）是指在城市居民日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动中产生的，在一定时间和地点无法利用而被丢弃的污染环境的固体、半固体废弃物质。近十几年来，我国城市生活垃圾年产量达1亿多吨，且每年以8%-10％的速率增长。垃圾年处理率只有50%左右，实际垃圾无害化处理率仅有30%。
中国城市生活垃圾的处理方式主要为卫生填埋、焚烧和堆肥。2005年底统计的城市生活垃圾处理设施中85.2%为填埋，5.6%为焚烧，9.2％为堆肥。这3种方式都具有自己的优势和特点，也具有技术本身的弊端。卫生填埋占地面积大，而且对于土壤、地下水和大气都会造成现实的影响和潜在的危害；焚烧对于热值低的废物来说是对资源的极大浪费，而且在焚烧的过程中易产生烟尘及剧毒二恶英（dioxin）污染物而形成二次污染；好氧堆肥是一个耗能过程，需要输入能量去曝气，最后又产生温室气体CO2。
目前立法对环境的要求越来越严格，加上城市垃圾实现了分类收集，这些都为垃圾的处理提供了条件。在各种处理方法中，生物方法是处理分类收集有机部分的一种较好方式，它能最大程度地循环再用和富集废物中的有用成分。采用厌氧消化技术（anaerobic digestion，AD）处理城市生活垃圾，不仅可以解决环境问题，减少温室效应气体的排放，还可以产生洁净能源、有机肥料和土壤改良剂，能真正实现垃圾处理的“无害化、减量化和资源化”。
1城市生活垃圾厌氧消化技术概况
1.1城市生活垃圾厌氧消化原理及过程
厌氧消化是指在没有溶解氧和硝酸盐的条件下，微生物将有机物转化为甲烷、氧化碳、无机营养物质、腐殖质等的过程。厌氧降解过程包括3个阶段：水解／液化、产酸和产甲烷。具体过程如下：水解细菌分泌胞外酶将聚合物水解为单体化合物（如葡萄糖和氨基酸），再经产乙酸细菌的作用生成挥发性脂肪酸、氢气、一氧化碳和乙酸，最后由产甲烷细菌将氢气、一氧化碳和乙酸转化为甲烷。主要反应如下：

MSW厌氧消化处理流程包括4个阶段：预处理、垃圾消化、气体回收和消化残余物处理，厌氧消化流程示意图如图一所示。大部分消化系统需要垃圾的预处理以获得均质原料，包括垃圾破碎及非消化性原料（玻璃、金属和碎石等）的分离等。进入反应器的城市生活垃圾可生物降解有机部分（biodegradable organic fraction of MSW，BOFM SW）有源头分选（source separation，SS-BOFM SW）和机械分选（mechanical separation，MS-BOFM SW）两种类型。根据发酵原料的浓度、温度、消化级数和连续性，厌氧消化过程分为不同的工艺。厌氧发酵回收的气体可作为燃料或集中发电资源，发酵残余物主要是作为肥料应用。

图一MSW厌氧消化流程示意图
1.2城市生活垃圾厌氧消化影响因素
1.2.1 pH值
厌氧微生物的活性对pH值极为敏感，pH值是监测厌氧消化过程的重要工艺参数，有机垃圾厌氧消化的最适pH值为6.4-7.20但也有研究表明当产甲烷稳定时，pH值应稳定在7.2-8.2。张光明等研究表明，有机垃圾厌氧消化容易造成挥发性有机酸的严重积累，引起“酸中毒”，抑制厌氧消化的进行，推荐采用NaOH或KOH来调节pH值。Nguyen等指出含有石灰石的砂砾是调节pH值较好的缓冲剂。
1.2.2温度
影响厌氧微生物生长以及产甲烷活性的另一个重要因素是温度。产甲烷菌有中温型和高温型两类菌种，产甲烷的最佳温度范围分别为30-35℃和50-65℃。研究表明，温度对发酵效率、产气质量等有重要影响。温度升高，发酵效率增大，产气量增大，产气质量下降。一般条件下，中温发酵过程需要25-30d的停留时间，而高温发酵只需要中温消化的一半时间。高温发酵的另外一个优点是对病原微生物有较高的杀灭率。但由于高温发酵过程需要较高的加热能耗，并且管理复杂，其应用中不如中温发酵普遍。
1.2.3垃圾成分
垃圾成分相当复杂，垃圾的内容物决定了有机质含量口挥发性固体（voladle solid，VS）是衡量有机质含量的指标，VS由易生物降解部分（biodegradable volatile solid，BVS）和难生物降解部分（refractory volatile solid，RVS）组成。BVS可以较好地评估垃圾的生物降解能力、生物气产率、有机负荷和碳氮比（C/N）。木质素等是较难被微生物降解的复杂有机成分，构成了有机垃圾中RVS的主要部分。具有高VS低RVS含量特征的垃圾最适合厌氧消化。

1.2.4生物学因素
厌氧消化是一个复杂的过程，是由不同类型微生物群落参与完成的，厌氧发酵过程的微生物来源于垃圾本身和接种物。适合的接种剂以及接种量能提高消化效率。合理的微生物群落结构对于厌氧消化的有效进行至关重要，垃圾成分中的营养结构对微生物的生长也非常重要。微生物对碳、氮、磷、硫、钾以及微量元素的比例都有一定的要求。厌氧消化合适的C/N为（20-30）/1，产甲烷菌对氮的快速消耗会提高C/N，造成产气减少；而较低的C/N会引起氨积累，使pH值超过8.5从而抑制产甲烷菌的活性。为了获得适宜的C/N，可以将高C/N原料（如BOFM SW）和低C/N原料（如污泥或动物粪便）进行联合消化。磷主要用来合成生物核酸，50/1的碳磷比（C/P）是厌氧发酵比较合适的比值。
1.2.5总固体含量和有机负荷率
由于城市生活垃圾的成份和性质不同，其总固体含量（total solids content，TS）也不同。TS太高，许多影响微生物活性的条件就变得更为严格，例如，氨、重金属、硫酸盐和挥发性有机酸等抑制物质的浓度就会升高，对细菌的活性产生影响。另外，很高的TS给搅拌装置和过程带来麻烦，反应启动条件苛刻，菌种驯化任务艰巨且接种量大。
有机负荷率（organic Loading Rate，OLR）是衡量厌氧消化系统生物转化能力的重要指标。增加反应器中的TS，即提高OLR可以相应地减少反应器体积，但OLR不是越高越好，过载后容易引起酸化，降低生物气产率，最终导致消化失败。因此在厌氧消化过程中应选择合适的OLR。
1.2.6搅拌
搅拌的目的是使新鲜的物料与细菌混合、消泡，避免消化罐内温度不均匀，还可以使反应产生的气体迅速排出，但是过于频繁的搅拌会破坏菌群的正常繁殖。因此搅拌频率要依反应罐内混合物含量而定。对于固体状态的物料，可以通过循环浸出液的方式来代替搅拌效果。对于不同类型的反应器和TS应该选择相应的搅拌方式、搅拌强度和搅拌时间，美国环保署推荐的搅拌强度是5.26-7.91W/m3。
1.3城市生活垃圾厌氧消化残余物的利用
城市生活垃圾进行厌氧消化处理后剩余的是沼液和沼渣。沼液和沼渣中含有丰富的营养成分，其应用非常广泛，可用于农业生产的各个领域，沼液可以喂猪、浸种、灭虫；沼渣可以喂鱼、育菇、作生化饲料，还可以作为土壤改良剂。
2城市生活垃圾厌氧消化工艺的类型及应用实例
2.1城市生活垃圾厌氧消化工艺类型
根据消化级数和运行连续性，BOFW的厌氧消化分为：单级厌氧消化、两级厌氧消化和间歇式厌氧消化。单级厌氧消化采用一个反应器，产酸相和产甲烷相均在这个反应器中完成。两级厌氧消化是为了优化产酸和产甲烷菌各自的条件以提高整体消化效率，将两个阶段分别在不同的反应器中完成。第一个反应器用于水解／液化-产酸，其限速步骤是纤维素的水解；另一个反应器用于产甲烷，其限速步骤是产甲烷菌的生长。间歇式厌氧消化最早是以反应器填埋的形式出现，目前，有二种间歇式消化工艺：单级间歇式系统、序批式系统和组合式间歇-UASB系统，见图二。
根据TS不同，有机垃圾的厌氧消化还可以分为湿式厌氧消化（TS低于10%）、中固体厌氧消化（TS为10%-20%）和高固体厌氧消化（TS为20%-40%）。

图二间歇式厌氧消化系统
2.2城市生活垃圾厌氧消化工艺应用实例
2.2.1单级厌氧消化
单级厌氧消化包括单级湿式厌氧消化和单级高固体厌氧消化。
单级湿式厌氧消化工艺简单，采用的反应器主要是连续搅拌罐式反应器（continuously stirred tank reactor，CSTR），以一定的速率进出料，根据不同的原料类型和消化温度，停留时间一般为14-28d。典型的工艺为芬兰的Wassa工艺、德国的EcoTec工艺和佛罗里达州的SOLCON工艺等。Wassa工艺的TS为10%-15%，年处理量为3000-8500t：中温消化的停留时间为20d，高温消化的停留时间为10d。MS-BOFW SW的OLR（相对于VS）为9.7kg/（m3•d），而SS-BOFW SW的OLR（相对于VS）为6kg/（m3•d），每吨VS产甲烷率为170-320Nm3，VS去除率40%-75%。

单级高固体厌氧消化典型的工艺为比利时有机垃圾系统公司（Organic Write Systems）开发的的Dranco工艺、瑞士Kompogas AG公司开发的Kompogas工艺和法国Steimueller Valorga Sarl公司开发的Valorga工艺，见图三。Dranco的主要单元为单级高温反应器，原料从反应器顶部进入，从底部出料，反应器中一般没有搅拌，垃圾以栓塞流方式垂直移动，一部分消化物作为接种剂再进入到新鲜垃圾中。该工艺进料固体浓度15%-40%，负荷10kgCOD/（m3•d），温度50-58℃，消化时间15-20d，每吨垃圾生物气产量为100-200m3。
高固体与湿式厌氧消化相比，从技术及成本都有较大的不同，见表一。

图三不同的高固体厌氧消化系统设计示意图
表一BOFM SW的湿式和高固体厌氧消化比较分析

2.2.2两级厌氧消化
两级厌氧消化包括两级湿式厌氧消化和两级高固体厌氧消化。
荷兰的Pacques工艺、德国和加拿大的BTA工艺以及德国的Biocomp工艺都属于两级湿式厌氧消化。Pacques是中温工艺，主要处理水果蔬菜垃圾（fruit and vegetal waste，FVW以及SS-BOFM SW。水解反应器TS为10％，采用气流搅拌，消化物经过脱水，液体部分进入到上流式厌氧污泥床（up flow anaerobic sludge blanked，UASB）产甲烷，固体的一部分加到水解反应器中作为接种物，剩下部分用于堆肥。BTA工艺的TS含量要求为10%左右，中温厌氧消化。产甲烷反应器采用附着式生物膜反应器，保证足够的微生物停留时间。为了防止附着式生物膜反应器的堵塞，仅有液体部分进入到产甲烷反应器。同时，为了维持水解反应器的pH值在6-7之间，产甲烷反应器中消化后的液体又循环回水解反应器。
典型的两级高固体厌氧消化工艺为德国维尔利公司（Wehrle Werk Aktiengesel Lschaft，WWAG）的Biopercolat工艺，它与Pacques工艺相似，但水解是在较高TS含量以及微好氧条件下完成，微好氧水解反应器以及附着式生物膜产甲烷反应器可以将消化时间缩短为7d。与单级湿式系统相比，两级系统具有较高的OLR。比如BTA工艺Biopercolat工艺的OLR分别为10和15kgVS/（m3•d），这主要由于附着式生物膜能够提高微生物停留时间，增强了产甲烷菌对高浓度氨的耐受作用，提高生物稳定性。但1999年DE的研究报道指出，由于两级系统较为复杂，两级工艺的商业化应用只占到城市垃圾处理总量的10%。
2.2.3间歇式厌氧消化
典型间歇式厌氧消化工艺是荷兰的Biocel对每年能处理源头分选的生物垃圾35000t，该工艺采用中温厌氧消化，由14个混泥土浇注的反应器组成，每个反应器的有效容积为480m3。进入非搅拌反应器的垃圾预先和接种物充分混合，从反应器中收集得到的渗滤液再循环到反应器顶部，垃圾在反应器中停留超过40d，直到停止产气。处理相同量的垃圾，Biocel工艺与单级湿式工艺相比，产气量低40%左右。
3城市生活垃圾厌氧消化处理技术的发展趋势
近年来，在可持续发展原则指导下，欧洲国家纷纷立法，限制BOFM SW进入卫生填埋场，BOFM SW含量高于5%的垃圾即被禁止，垃圾分类收集得到广泛推广。这种情况下，BOFM SW处理和利用成为一个迫切的问题。由于堆肥存在缺陷问题，人们不断探讨BOFM SW处理和利用的新技术方法。近十年来，城市生活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，日本荏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。城市生活垃圾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，比较成熟的城市生活垃圾厌氧消化系统一般为日处理有机垃圾100吨左右，每日可以产生12000m3左右生物气体，同时还可以产一生25吨左右的优质有机肥。
国内厌氧消化技术最近20多年开始有较大发展，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，城市生活垃圾处理行业中应用厌氧产沼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。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。
4城市生活有机垃圾厌氧消化处理存在的问题及展望
采用厌氧消化技术，不仅能使MSW稳定化，还能获得生物质能源，并产出优质的肥料，尤其在高温条件下能有效去除病原菌。但目前有机垃圾的厌氧消化处理技术在流程的各个环节上还需要不断完善。从工艺来看，未经预处理的垃圾，水解时间长。现有的预处理工艺成本较高，由于垃圾的固体含量较高，给搅拌装置的选择和动力配给带来困难。从微生物学角度来看，由于固体含量较高，产酸阶段的VFAs容易积累，造成酸中毒；缺乏适合垃圾厌氧发酵的高效微生物菌群，启动困难，菌种较难驯化；氨、重金属、硫酸盐等抑制物含量较高，抑制细菌活性，运行中存在较高的不稳定性。因此，在机理以及工艺方面均需要进一步研究。

另一方面，垃圾分选效率将直接影响处理效率、成本以及产品质量，国内垃圾处理技术相对滞后的一个重要原因是没有进行很好的分类。因此，作者认为城市生活固体垃圾的综合处理应该从源头抓起，建立合理的城市垃圾分类收集制度，但是这要求城市居民要有较好的素质，城市的经济水平较发达。
厌氧消化技术应用于城市垃圾的处理中，经济因素和技术因素同等的重要，在经济上是否可行涉及很多的因素：能源价格、运行成本、消化产品质量以及市场需求等，只有在对这些因素进行系统分析的基础上，才能得出确实可信的结论。目前，我国利用厌氧消化技术处理城市垃圾的实例较少，仅有几个单位进行了实验室规模的小试研究，而且垃圾成分单一，有的甚至是配比的模拟垃圾，通过这些还难以做出较为准确的经济分析。国外厌氧消化处理城市垃圾的经验对我国城市垃圾处理有很好的借鉴作用，但是由于各国的风俗习惯及消费结构不同，垃圾成分及物性也不同。因此应针对中国城市生活垃圾成分和产出量，开发合适的综合处理技术，制定合理的政策和法律法规。
参考文献略