城市有機(jī)固體廢棄物聯(lián)合厭氧發(fā)酵工藝

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，我國城市生活垃圾的產(chǎn)生量迅速增加，給現(xiàn)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(xiàn)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(shù)和運行成本等問題的制約，推廣應(yīng)用受到限制。
根據(jù)城市生活垃圾和有機(jī)廢棄物的處理現(xiàn)狀傳祥垃圾處理有限責(zé)任公司城市垃圾處理研究所進(jìn)行了城市生活垃圾和其他有機(jī)廢棄物聯(lián)合厭氧發(fā)酵工藝的探索。該工藝將生活垃圾中的有機(jī)物和其他有機(jī)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(yù)處理途徑后送入?yún)捬醢l(fā)酵罐，進(jìn)行聯(lián)合厭氧發(fā)酵。通過控制這幾種物料的反應(yīng)周期，從而達(dá)到降低生活垃圾和有機(jī)廢棄物中有機(jī)物含量的目的。處理過程中還能產(chǎn)生大量的有機(jī)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(fā)電。該工藝填補(bǔ)了衛(wèi)生填埋和焚燒的不足，解決了有機(jī)廢棄物處理難問題，不產(chǎn)生二次污染，更好地達(dá)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(jī)廢棄物的處理現(xiàn)狀
城市生活垃圾和有機(jī)廢棄物的特點是：有機(jī)質(zhì)含量高，可生物降解物質(zhì)達(dá)70%以上，這些可降解物具有體積大、含水率高、熱值低、季節(jié)變化明顯，易于腐化，腐化后臭氣污染環(huán)境等特點。現(xiàn)階段對這些城市生活垃圾的處理－般采用衛(wèi)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(jīng)過處理直接傾倒或者被非法利用，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，甚至影響到生態(tài)環(huán)境中的食物鏈結(jié)構(gòu)，很容易引發(fā)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(shù)是按照工程理論和土工標(biāo)準(zhǔn)對固體廢物進(jìn)行有控管理的綜合性工程技術(shù)，填埋分為衛(wèi)生填埋和危險廢物安全填埋。填埋技術(shù)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(shù)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(jù)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(chǎn)生的臭氣嚴(yán)重影響周邊的空氣質(zhì)量，發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷氣體可能會引發(fā)火災(zāi)或爆炸等，其應(yīng)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(jī)固體廢物高溫?zé)岵环€(wěn)定性，在800～1000℃下與空氣中的氧進(jìn)行劇烈的氧化反應(yīng)，使廢物中的有害物質(zhì)被空氣氧化而破壞，最終轉(zhuǎn)化為化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的CO2和H2O（蒸汽）環(huán)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(zhuǎn)化，從固體廢物中回收熱能，用于集中供熱或發(fā)電，前景廣闊，日益成為固體廢物污染控制主導(dǎo)技術(shù)，這－趨勢隨著固體廢物焚燒—發(fā)電系統(tǒng)不斷完善而愈加明顯。
焚燒技術(shù)雖然是－種有效的“三化”合－技術(shù)，但是，固體廢物在高溫充氧的條件下燃燒，其中無機(jī)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(xiàn)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(fēng)條件下，利用微生物的發(fā)酵作用，使有機(jī)物發(fā)生生物化學(xué)降解，轉(zhuǎn)化為肥料的過程，可以作為土壤改良劑和農(nóng)業(yè)基肥，又可作為有機(jī)復(fù)合肥和生物有機(jī)肥載體，在固體廢物處理無害化同時，可實現(xiàn)資源化。我國垃圾成分復(fù)雜、管理水平低下，固體廢物分類收集尚未完全實現(xiàn)，其中含有塑料、玻璃、陶瓷、金屬等不降解物質(zhì)，大大影響堆肥產(chǎn)品質(zhì)量，并增加了堆肥化生產(chǎn)成本，因此短時間內(nèi)難以實現(xiàn)堆肥化技術(shù)的大規(guī)模推廣。
4、污水處理廠剩余污泥的處理現(xiàn)狀
生活污水經(jīng)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(jīng)過厭氧，結(jié)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(shù)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(nèi)無法生長植物。
5、糞便和餐廚垃圾處理現(xiàn)狀
糞便歷來是不進(jìn)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(shù)量逐漸增加和化學(xué)肥料的普遍使用，有機(jī)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(tǒng)。經(jīng)過化糞池的糞便的氨氮和化學(xué)需氧量等都很高，加大了處理壓力。國內(nèi)普遍存在收集食堂和飯店的餐廚垃圾飼養(yǎng)垃圾豬，或非法生產(chǎn)地溝油，垃圾豬肉可能引發(fā)10余種傳染疾病，有害物質(zhì)容易在食物鏈中積累，危害生態(tài)環(huán)境；地溝油有強(qiáng)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(jīng)過發(fā)酵制作飼料。
二、有機(jī)廢棄物聯(lián)合厭氧發(fā)酵的背景
傳統(tǒng)的垃圾處理方法有這樣那樣的缺撼，生活垃圾中有機(jī)物含量少的地方－般在15%~25%，單獨進(jìn)行厭氧發(fā)酵的有機(jī)物量不足。隨著“糞農(nóng)”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(tǒng)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(zhì)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(xiàn)在污水處理廠基本普及，剩余污泥必然要經(jīng)過無害化處理。
城市有機(jī)固體廢棄物同時處理便應(yīng)運而生，“聯(lián)合厭氧發(fā)酵”既能增加發(fā)酵底物，又能調(diào)整C/N和N/P，以提高有機(jī)物的降解率，更好地實現(xiàn)城市生活有機(jī)廢棄物的“三化”目標(biāo)，同時增加沼氣產(chǎn)量和有機(jī)肥產(chǎn)量。
三、有機(jī)廢棄物聯(lián)合厭氧發(fā)酵的生物學(xué)原理及技術(shù)可行性
1、厭氧發(fā)酵的生物學(xué)原理
厭氧發(fā)酵也叫厭氧消化、沼氣發(fā)酵、甲烷發(fā)酵，是將復(fù)雜有機(jī)物在無氧條件下利用厭氧微生物發(fā)酵性細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、耗氫耗乙酸菌、食氫產(chǎn)甲烷菌、食乙酸產(chǎn)甲烷菌等降解成N、P等無機(jī)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(jī)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(fā)酵階段，是指復(fù)雜的有機(jī)物在微生物胞外酶的作用下進(jìn)行水解和發(fā)酵，將大分子物質(zhì)破鏈形成小分子物質(zhì)如單糖、氨基酸等，為后－階段做準(zhǔn)備。
第二階段為產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸階段，該階段是在產(chǎn)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(chǎn)生的小分子物質(zhì)，生成乙酸和氫。這－階段產(chǎn)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(chǎn)甲烷階段，有機(jī)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(chǎn)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(jī)物的水解和發(fā)酵為總反應(yīng)的限速階段。
－般來說，碳水化合物的降解最快，其次是蛋白質(zhì)、脂肪，最慢的是纖維素和木質(zhì)素。聯(lián)合厭氧發(fā)酵的這幾種原料中，糞便是反應(yīng)最快的物質(zhì)，幾乎看不到酸化過程；剩余污泥次之，污水經(jīng)過處理相當(dāng)于－個預(yù)處理過程。再其次是生活垃圾中分離出來的有機(jī)物，反應(yīng)最慢的是廚余物。這就要求“聯(lián)合發(fā)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(jìn)入產(chǎn)甲烷階段，最終同時完成甲烷發(fā)酵。為了解決這－問題，進(jìn)行了兩相厭氧發(fā)酵，將產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷的過程分離，讓難降解的有機(jī)物在產(chǎn)酸階段停留的時間較長－些，以便跟上反應(yīng)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(jìn)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(jìn)入甲烷發(fā)酵罐進(jìn)行甲烷發(fā)酵。
2、有機(jī)廢棄物聯(lián)合厭氧發(fā)酵的技術(shù)可行性
國內(nèi)外學(xué)者的研究成果表明聯(lián)合厭氧發(fā)酵是可行的，而且剩余污泥、生活垃圾、餐廚垃圾混合發(fā)酵效果優(yōu)于各種物料單獨發(fā)酵的累計效果。以上各種物料單獨厭氧發(fā)酵又有很多成功的經(jīng)驗可以借鑒。我國農(nóng)村幾十年的實踐已經(jīng)總結(jié)出成熟的經(jīng)驗：人畜糞便、秸稈、生活垃圾等混合發(fā)酵的效果優(yōu)于任何單－原料的發(fā)酵。
四、城市有機(jī)廢棄物聯(lián)合厭氧發(fā)酵的應(yīng)用情況及前景
1、城市有機(jī)廢棄物聯(lián)合厭氧發(fā)酵工程應(yīng)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(jī)廢棄物的處理工藝，并進(jìn)行了不同規(guī)模和不同工藝組合的試驗，于2007年成功開發(fā)了“城市有機(jī)廢棄物聯(lián)合厭氧發(fā)酵”工藝，首次集成了城市有機(jī)廢棄物的系統(tǒng)處理工藝。2008年6月試生產(chǎn)到目前已達(dá)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(shù)基本成熟。
生活垃圾前分選可以選出垃圾中有機(jī)物的90%，同時選出磁性材料和玻璃、塑料等物質(zhì)，－方面增加了厭氧發(fā)酵的有機(jī)物含量，另－方面回收了大部分可利用的資源，大大縮小了衛(wèi)生填埋體積，緩解了填埋場的壓力。
厭氧消化過程中產(chǎn)生大量沼氣，用來發(fā)電或者供熱。發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣可以制作有機(jī)肥料，這種有機(jī)肥料保水保肥效果極佳。沼液還可以做液態(tài)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(zhì)、玻璃等又被回收利用，發(fā)酵副產(chǎn)物沼氣是－種清潔燃料，充分體現(xiàn)了垃圾資源循環(huán)利用；前分選以外處理部分都是在密閉環(huán)境中進(jìn)行，不會造成二次污染。
3、相對其他處理方法，有較好的經(jīng)濟(jì)效益
首先，節(jié)約了建設(shè)費用和運行成本，建－座處理廠實現(xiàn)了有機(jī)垃圾和糞便、剩余污泥、餐廚垃圾等同時綜合處理，節(jié)約了分別單獨建設(shè)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(chǎn)有機(jī)肥料和沼氣。
經(jīng)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(lǐng)導(dǎo)及有關(guān)部門的重視，并獲得－系列榮譽(yù)，“城市有機(jī)廢棄物聯(lián)合厭氧發(fā)酵”工藝獲得國家發(fā)明專利，成為國家“十－五”科技支撐計劃“新型高效規(guī)模化沼氣示范工程”唯－中標(biāo)企業(yè)，被內(nèi)蒙古自治區(qū)評為2008年“十大科技進(jìn)展項目”，在2009年北京“國際節(jié)能減排和新能源科技博覽會”上得到黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人的高度評價，2010年列入國家火炬計劃。
聯(lián)合厭氧發(fā)酵的優(yōu)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(huán)境較好無異味，可實現(xiàn)花園式工廠的要求。第二，充分考慮了垃圾作為資源進(jìn)行回收利用，產(chǎn)生大量的沼氣和有機(jī)肥，實現(xiàn)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(jī)物中的其他雜質(zhì)，肥料的安全性得到保證，加速了發(fā)酵的速率。第四，垃圾進(jìn)廠后分別進(jìn)行資源化利用消納率在80～90﹪。第五，污水循環(huán)使用和處理后達(dá)標(biāo)排放、噪音控制、廢氣處理達(dá)標(biāo)，整個工廠無二次污染。
實踐證明，城市有機(jī)固體廢棄物聯(lián)合厭氧發(fā)酵工藝符合我國垃圾處理現(xiàn)狀行之有效的工藝路線，特別適合我國中小城市多種有機(jī)固體廢棄物同時綜合處理。
[基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)科技創(chuàng)新引導(dǎo)獎勵資金項目（20091720），科技人員服務(wù)企業(yè)行動項目(SQ2009GJA14002644)]
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