（环境科学专业论文）城市有机垃圾厌氧消化及其营养调控技术研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo ft h eq u a n t i t yo fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) ，t h et r e a t m e n t o fm s wh a sb e c o m ea n i m p o r t a n te n v i r o n m e n t a lc h a l l e n g e a n a e r o b i cd i g e s t i o n t r e a t m e n ti sag o o da p p r o a c hf o rr e s o u r c eu t i l i z a t i o no fm u n i c i p a lo r g a n i cr e f u s e s ( m o r ) d u r i n gm o r a n a e r o b i cd i g e s t i o no r g a n i cf r a c t i o no fr e f u s e si sc o n v e r t e dt o m e t h a n eb yf e r m e n t a t i o n t h i st h e s i si sb a s e du p o nm i c r o b i a ln u t r i e n tt h e o r ya n d f o c u s e so ne n h a n c i n gc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fm o ra n dm e t h a n e p r o d u c t i v i t y t h r o u g ha d d i n gt r a c em e t a li o n sa n da d j u s t i n gt h ec nr a t i oo fm o rb ya d d i n g s e w a g eb i o s o l i d s t h ei n f l u e n c eo fc o a la s hr e s i d u e st om o ra n a e r o b i cd i g e s t i o ni s s t u d i e ds e q u e n t i a l l y c o n s i d e r i n go fe c o n o m i c a l a n ds a f e a s p e c t sc o m p r e h e n s i v e l y ，t h eo p t i m a l a d d i t i o n q u a n t i t yo ft r a c e m e t a li o n s f e 2 + ，c 0 2 + a n dn i 2 + i s0 9 1 2 m g ( l d ) ， o 0 9 0 1 2m g ( l d ) a n d0 18 - 0 2 4m g ( l d ) c o r r e s p o n d i n g l y ，a c c o r d i n gt or e s u l t so f c o m p a r a t i v ee x p e n r i m e n t sa n ds i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t so fc o d i g e s t i o nf o rm o r a n d s e w a g eb i o s o l i d s t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h eb i o g a sp r o d u c t i v i t y ，t h ec o n v e r s i o n e f f i c i e n c yo fo r g a n i cf r a c t i o n ，t h em a x i m u ms p e c i f i cr a t eo fb i o g a sp r o d u c t i o na n d m e t h a n ec o n t e n ti nb i o g a si n c r e a s eb y4 0 ，15 ，5 0 a n d5 c o r r e s p o n d i n g l y ，a n d t h es t a b i l i t yo fd i g e s t i o ns y s t e mi se n h a n c e d ，t h ed i g e s t i o np e r i o di ss h o r t e n e da n dt h e p r o b l e mo ft h ev o l a t i l ef a t t ya c i da c c u m u l a t i o ni ss o l v e de f f e c t i v e l y i na d d i t i o n ，f e ”， c 0 2 + a n dn i 2 + c a na c t i v a t eb a c t e r i ao n l yi nm e t h a n ep h a s e n o ti nh y d r o l i z a t i o n a c i d i f i c a t i o np h a s e i ti sa ne f f i c i e n tp a t ht oe n h a n c ea n a e r o b i cd i g e s t i o nb ya d j u s t i n g n u t r i t i v ep r o p o r t i o na n da d d i n gt r a c em e t a li o n s t h es i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t sw i t ht h er e f u s ec o n t a i n i n gc o a la s hr e s i d u ew e r e c a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb i o g a sp r o d u c t i v i t y ，t h em e t h a n ec o n t e n ti n b i o g a s ，t h em a x i m u ms p e c i f i cr a t eo fb i o g a sp r o d u c t i o ni n c r e a s e ，a n dd i g e s t i o np e r i o d i ss h o r t e n e dw i t ht h ei n c r e a s eo fc o a la s hr e s i d u ec o n t e n ti nr a wm a t e r i a l so fd i g e s t i o n f r o m5 t o2 5 ，h o w e v e r ，t h ew a t e rc o n s u m p t i o ni n c r e a s e st or e a c ht h ec e r t a i nw a t e r c o n t e n ta n dt h ev o l u m el o a dr a t ed e c r e a s e sb y2 t o5 t h et r a c em e t a le l e m e n t si n i i 硕士学位论文 c o a la s hr e s i d u e su t i l i z e db ym i c r o b e sc a n i m p r o v et h ea n a e r o b i cd i g e s t i o ne f f i c i e n c y ， a n dt h ec a l c i u mo x i d ea n dc a l c i u mc a r b o n a t ei nc o a la s hr e s i d u e sc a nb u f f e rt h e s o l u t i o n ，i nt h em e a n w h i l e ，c o a la s hr e s i d u e si sag o o dc a r r i e ro fb a c t e r i a c o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t so fc o d i g e s t i o no fm o ra n ds e w a g eb i o s o l i d s b e t w e e nm e s o p h i l i ca n a e r o b i cd i g e s t i o na n dt h e r m o p h i l i ca n a e r o b i cd i g e s t i o na r e c a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb i o g a sp r o d u c t i v i t y ，t h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c y o fo r g a n i cf r a c t i o n ，t h em a x i m u ms p e c i f i cr a t eo fb i o g a sp r o d u c t i o ni nt h e r m o p h i l i c a n a e r o b i cd i g e s t i o ns y s t e mi n c r e a s eb y3 5 8 1 ，2 0 7 7 a n d6 0 ，c o r r e s p o n d i n g l y h o w e v e r ，t h ec o n c e n t r a t i o no fc o da n dv f ai sh i g h e rt h a nt h o s ei nm e s o p h i l i c a n a e r o b i cd i g e s t i o n k e yw o r d s ：m u n i c i p a lo r g a n i cr e f u s e s ；s e w a g eb i o s o l i d s ；c o d i g e s t i o n ；n u t r i e n t a d j u s t m e n ta n dc o n t r o l ；t r a c em e t a li o n s ；c a r b o n n i t r o g e nr a t i o ；c o a l a s hr e s i d u e s i i i 城市有机垃圾厌氧消化及其营养调控技术研究 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图2 1 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图3 - 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 _ 8 图3 9 图3 1 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 】0 图4 1 1 插图索弓 有机垃圾的好氧堆肥分解过程9 厌氧消化两阶段示意图15 厌氧消化的生化过程1 6 甲烷丝状菌和甲烷八叠球菌扫描电镜图2 3 垃圾分选及有机垃圾厌氧消化处理工艺流程3 4 德国b o t t r o p 垃圾处理厂3 5 丹麦h e l s i n g o r 生活垃圾处理厂3 6 比利时b r e c h t 处理厂3 7 a 型小试实验装置图4 0 b 型小试实验装置图4 0 氮磷钙测定仪4 2 反应器累积产甲烷量与消化时间关系曲线5 0 反应器消化液v f a 随时间变化曲线5 0 1 6 社反应器日产气量曲线5 3 1 6 萍反应器累积产气量与消化时间关系曲线5 4 1 6 萍反应器总产气量5 4 1 6 社反应器内p h 值随时间变化曲线5 4 1 6 群反应器消化液v f a 随时间变化曲线5 5 l 一6 拌反应器消化液c o d e r 随时问变化曲线5 5 1 6 f 反应器最大比产气速率5 5 1 6 # 反应器单位可挥发性固体产气率5 6 某市垃圾中煤灰渣的年变化趋势6 0 1 6 舟反应器日产气量曲线6 3 1 6 撑反应器同累积产气量与消化时间关系曲线6 4 1 6 撑反应器总产气量比较图6 4 1 6 撑反应器最大日产气量比较图6 4 1 6 拌反应器消化液p h 值随消化时间变化曲线6 5 1 6 撑反应器消化液v f a 浓度随时问变化曲线6 5 1 6 撑反应器消化液c o d e r 随时间变化曲线6 5 1 6 撑反应器最大比产气速率比较6 6 1 6 拌反应器单位v s 产气率比较6 6 中高温消化对比试验日产气量曲线7 0 i v 硕士学位论文 图4 1 2 中高温消化对比试验累积产气量与消化时间关系曲线7 1 图4 1 3中高温消化对比试验v f a 变化曲线7 1 图4 1 4 中高温消化对比试验c o d 变化曲线7 1 v 城市有机垃圾厌氧消化及其营养调控技术研究 表1 1 表1 2 表1 3 表1 4 表1 5 表1 6 表1 7 表1 8 表1 ，9 表1 1 0 表1 1 1 表1 1 2 表1 1 3 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 6 附表索弓 1 9 9 8 年中国城市生活垃圾清运量2 部分城市生活垃圾的组成3 几种有机垃圾的热值5 垃圾中几种物质厌氧消化产气量6 各国城市垃圾处理处置概况7 生活垃圾几种处理技术的比较1 2 不同物质厌氧消化水解一级反应动力学常数2 0 产酸菌和产甲烷菌的特性参数2 5 几种常见病菌与寄生虫的死亡温度2 8 各种废物的碳氮比2 9 对厌氧消化有抑制作用的物质3 1 湿式发酵系统的优缺点3 2 干式发酵系统的优缺点3 3 微量激活剂添加量4 9 消化原料性质分析5 2 单因素六水平试验微量激活剂添加量表5 3 微量激活剂添加量实验降解效率分析5 6 煤灰渣中微量元素含量6 1 消化原料性质分析6 2 含煤灰渣生活垃圾中温消化实验配料表6 3 含煤灰生活垃圾中温消化实验1 6 拌反应器降解效率分析6 6 消化原料性质分析7 0 含煤灰生活垃圾中高温消化对比实验降解效率分析7 2 v i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：p 震轴奇毫日期：蚶年j 月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：律树亭甚 别醛轹彬歹r v， 日期：埘年j 月，n 日 日期：2 0 啦年r 月c o 日 硕士学位论文 第1 章绪论 城市垃圾是指在城市日常生活中或者为城市日常生活提供服务的活动中产生 的固体废物以及法律、行政法规规定视为城市生活垃圾的固体废物。城市有机垃 圾是指城市生活垃圾中有机质含量很高而含水量低的固态废物，一般具有可生化 降解性。 庞大的垃圾量废弃于环境中，既超过了环境自然消纳能力，严重危害生态环 境和人民的健康，又造成了资源的极大浪费。中国目前6 6 8 座城市中有2 3 的城市 被垃圾所包围，且有1 4 的城市已无适合场所堆放垃圾。垃圾污染事故频出，严重 破坏了城市生态环境系统的平衡，已成为制约城市社会经济发展的主要因素之。 在城市生活垃圾的处理已成为世界性的十大要害问题的今天，能否正确的认识垃 圾处理问题，并确实的采取合理的方法处理和处置垃圾问题已成为世界可持续发 展战略的重要内容之一，受到世界各国的普遍关注，对垃圾处理进行科学的探索， 更是引起各国的广泛重视【卜2 1 。 近几年来，随着我国经济及技术水平的提高，固体废物尤其是城市生活垃圾 的治理得到我国政府的大力关注。在2 0 0 1 年资源环境领域国家首批8 6 3 计划1 7 个研究课题中，就有3 个大的课题是研究城市生活垃圾的治理，这三个课题分别 是：城市生活垃圾生态填埋成套化技术及设备；城市生活垃圾资源化利用技术及 设备；城市生活垃圾焚烧成套技术及设备。 1 1 我国城市生活垃圾的产量及其组成 1 1 1 城市生活垃圾的产生量 城市生活垃圾的产生量主要与城市地理环境、城市规模、人口密度、人口增 长、城市工业发展、经济发展水平、居民生活水平、城市能源结构及季节变化等 诸多因素有关，但直接影响因素是城市人口和垃圾人均日产生量。 随着我国社会经济的发展，城市规模的扩大和城市化进程的加速，城市人口 日益增加，生活垃圾的产生量和堆积量逐年增加。自1 9 7 9 年以来，中国城市生活 垃圾平均以每年近1 0 的速度增长，少数城市的增长率高达1 5 2 0 。据建设部 2 0 0 0 年1 2 月建设行业重大技术装备研制与国产化工作“十五”计划和1 5 年规 划统计，全国6 6 8 座城市1 9 9 8 年生活垃圾清运量达到1 1 3 1 0 s t ，但其处理率 仅5 7 ，且大多数为简易堆放。1 9 9 8 年各省的垃圾清运量见表1 1 。 城市有机垃圾厌氧消化及其营养调控技术研究 表1 11 9 9 8 年中国城市生活垃圾清运量 地区夏镒生鬻篙量地区黼生嗽篙量 我国城市人均年产生活垃圾4 4 0 k g ，是人均粮食占有量的1 1 6 倍。中国经济 的高速增长，尤其是大规模的工业化推动了城市化的快速发展。1 9 7 8 1 9 9 7 年1 9 年问增加的城市数量是改革开放前3 0 年增加的8 1 倍，1 9 9 7 年城市数量是1 9 7 8 年的3 6 7 倍，平均每年新增加2 5 6 个城市。这段时间里，我国城镇人口增长了1 9 7 4 4 万人，年均增长率达到4 1 。根据目前我国城市化趋势预测的结果，到2 0 1 0 年、 2 0 3 0 年和2 0 5 0 年，我国城镇人口比重将分别达到4 3 、6 0 和7 6 左右。今后 5 0 年是我国人口和城市化的高峰期。根据前述城市化水平推算，2 0 1 0 年、2 0 3 0 年和2 0 5 0 年我国将分别有6 亿、9 3 亿和1 1 9 9 亿人口居住在城市。按照目前我国 城市人均年产4 4 0 k g 生活垃圾的水平推算，将分别产生生活垃圾2 6 4 x1 0 s t 、4 0 9 硕士学位论文 1 0 8 t 和5 2 8 1 0 8 t 。与日俱增的生活垃圾已成为困扰经济发展和环境治理的重大 问题。城市生活垃圾若得不到妥善处理，“垃圾围城”的局势将日趋严重【3 l 。 1 1 2 城市生活垃圾的组成 城市生活垃圾的组成成分是直接影响到垃圾处理方法选择和处理设施设计规 划的关键性参数之一。城市垃圾的组成分为有机物、无机物、可回收物和其它垃 圾四大类。有机物分为植物垃圾和动物垃圾两类，主要来自厨余废物和庭院垃圾。 无机物包括灰土、砖瓦和陶瓷等回收利用价值较低，而又不会对自然环境造成严 重危害的废物。可回收物垃圾主要有纸类、塑料、纺织物、木竹、玻璃、金属等 类型。垃圾的组成成分受能源结构、经济发展程度、生产水平、地理环境、居民 生活习惯、气候特点和废品回收等诸多因素的影响。表1 2 是我国几个有代表性的 城市的生活垃圾组成。 表1 2 部分城市生活垃圾的组成( ) 从总体上看，我国生活垃圾成分总的变化趋势是有机易腐败的垃圾成分( 厨房 垃圾) 和可燃成分( 纸张、塑料橡胶、织物等) 逐渐增多，城市生活垃圾的热值和 总有机值含量不断提高，而无机垃圾成分持续下降。但与国外发达国家相比，中 城市有机垃圾厌氧消化及其营养调控技术研究 国城市垃圾的水分和灰分仍较高、热值较低。不过，随着我国经济的不断发展， 城市化水平的提高和人民的生活水平的不断提高，与发达国家垃圾成分的差别将 不再明显。从这种角度说，现在发达国家的垃圾成分可以大体上反映出未来我国 城市生活垃圾成分的变化方向。 1 1 ：3 城市生活垃圾的危害 城市生活垃圾的恶性累积，已成为世界性的环境灾难。它的危害主要表现在 以下几个方面：侵占土地、污染水体和土壤、污染大气、传播疾病等。 据不完全统计，近年来中国城市固体废物堆放量已高达7 0 1 0 9 t ，侵占土地面 积约6 0 1 0 8 m 2 。城市生活垃圾大量堆放，侵占了大量的农田、滩涂、河道和山沟， 有的地区甚至在城乡交界处的道路两侧和自然风景区也随处可见大量自然堆放的 生活垃圾。全国6 6 8 座城市中约有2 0 0 座城市处于垃圾污染重围之中 4 - 5 1 。 城市生活垃圾中含有病原微生物，在堆放腐败过程中还会产生大量的有机污 染物，并会将垃圾中的重金属溶解出来，从而形成有机物、重金属和病原微生物 三位一体的污染源。有机污染物会溶解在雨水和地表水中，这些渗滤液成分复杂， 从某些填埋场渗滤液中检出的主要有机污染物有7 7 种，其中芳烃2 9 种、烷烃烯 烃1 8 种、酸类8 种、脂类5 种、酚醇类6 种、酮醛类4 种、酰胺类2 种、其他5 种。渗滤液流入其周围的地面水体和地下水体，对水体造成很大的污染【6 。1 ；渗滤 液渗入土壤，造成土壤污染，危害农业生念峭o “。 城市生活垃圾在适宜的温度和湿度下被微生物分解，能释放出有害气体，危 害周围大气环境，即使是垃圾填埋场也会产生大量的填埋气体造成大气污染。填 埋气体的主要成分是c h 4 和c 0 2 ，二者均为温室气体。垃圾堆放场和垃圾填埋场 产生的c h 4 约占人类c h 4 排放总量的1 0 2 0 ，c h 4 的密度为o 7 2 ，在正常情况 下会很快升空并造成臭氧层的耗损，其对臭氧层的破坏是c 0 2 的2 0 倍 1 ”。 垃圾堆放场是大量蚊蝇、老鼠、病原体的滋生传播源。另外，有些地方将生 活垃圾筛分后直接施于农田，由于寄生虫卵等未经杀灭，会通过作物、蔬菜返回 人体传播疾病。 另外，随着城市垃圾中有机物含量的提高和由露天分散堆放变为集中堆存， 只采用简单覆盖易造成产生甲烷气体的厌氧环境，使垃圾产生的沼气量增加，危 害日益突出。例如，1 9 9 4 年1 月8 日，湖南省岳阳市羊角山垃圾填埋场就发生了 较大的垃圾大爆炸。其次，由于缺乏无害化处理处置设施，大量的城市垃圾只能 运往郊区农村直接堆放或进行简单填埋处理，对环境污染严重，引起周围居民的 强烈不满。这种“清洁了城市，污染了农村”的污染转嫁做法开始遇阻，郊区农 民拒收垃圾和反对在当地建垃圾填埋场引发事件已屡见不鲜，有时候甚至演化为 硕士学位论文 激烈的社会问题。一些城市已经很难找到处置城市垃圾的地方，造成清运成本上 升，对政府压力越来越大。 1 2 城市生活垃圾的能源利用 1 2 1 城市生活垃圾的能源潜力 有机垃圾中蕴含大量的生物质能，有效利用这类生物质能源，对实现环境和 经济的可持续发展具有重要意义。自8 0 年代以来，世界各国都开始研究开发垃圾 能源，并成为了垃圾处理处置研究的热点，进而形成了新的能源研究分支一城 市垃圾能源学。 生活垃圾中有机质是主要成分，达5 0 以上，这是生物质能利用的基础。测 定表明，生活垃圾的热值与褐煤相似，大约2 t 垃圾相当于n 煤，每公斤生活垃圾 含有的热量大约5 0 0 0 5 9 0 0 k j i l ，各种有机垃圾的热值见表1 3 。生活垃圾含水量 大，有机物含量高，采用厌氧消化进行处理是一种理想的处理方式。将城镇生活 垃圾经厌氧消化后，每公斤垃圾可产生0 3 3 l m 3 的沼气，其甲烷含量为5 0 7 0 ， 有机垃圾中几种物质厌氧消化沼气产气量见表1 4 ，沼气可作为一种清洁的能源加 以利用。如果将我国城市有机垃圾作为厌氧消化原料，每年可获得9 1 0 9 m 3 沼气， 相当于7 1 0 6 t 标准煤。这对于中国这个人均资源占有量居世界1 0 0 多位之后的发 展中国家来说，垃圾的影响不仅仅是造成环境的污染、资源的浪费，更威胁着其 经济和社会的发展。由于有机垃圾厌氧消化对环境的影响相对焚烧与填埋而言要 小得多，城市垃圾的厌氧消化已被列为美国能源部的重点项目。日本近年来城市 垃圾厌氧消化处理所占的比重也逐年上升i h 】。 表1 3 几种有机垃圾的热值 城市有机垃圾厌氧消化及其营养调控技术研究 表1 4 垃圾中几种物质厌氧消化产气量 1 2 2 城市生活垃圾生物质能利用政策 城市生活垃圾蕴含大量生物质能，国家大力鼓励其开发利用。我国能源节约 法( 1 9 9 8 1 1 实施) 第三条规定：国家鼓励开发、利用新能源和可再生能源。我国农 业法( 1 9 8 3 7 2 实施】第五十四条规定：发展农业必须合理利用资源，保护生态环境。 农业生产中的秸杆资源是中国最丰富的可再生能源，属于生物质能范畴，如果能 充分利用，既可以提供新能源，解决农村的能源不足的问题，同时还可以减少温 室气体的排放，保护生态环境。因此，农业法也是确定可再生能源法律地位的重 要依据。国务院批准发布国家计委“当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术 目录”、“外商投资产业指导目录”( 1 9 9 8 1 1 试行) 规定鼓励发展的技术包括：垃圾、 生物质能发电；固体废物综合利用。 1 2 3 城市生活垃圾生物质能利用途径 从目前的技术角度，对生活垃圾生物质能的利用集中在生物质能发电技术方 面，主要途径包括： 1 沼气发电技术：包括垃圾填埋发电和通过厌氧消化工艺将生活垃圾转换为 气体后发电。垃圾填埋发电是将垃圾填埋，使垃圾中的有机成份在密闭状态下分 解为气体( 主要是c h 4 和c 0 2 ) ，然后收集起来发电。生活垃圾通过厌氧消化工艺转 换为气体而后发电，有利于提高生活垃圾转换为能源的价值，以治理污染、改善 环境； 2 气化发电：这是一种正在发展的技术，尤其是在环境压力增大的今天，利 用热解气化等技术将生活垃圾进行资源化处理，既保护了环境又获得了能源，无 疑是一种较理想的选择。我国很早就开始了生物质气化发电的研究，6 0 年代就开 发成功6 0 k w 谷壳气化发电技术。但该技术对成分复杂的生活垃圾来说成本偏高； 3 焚烧发电：焚烧发电是垃圾经过一定预处理后直接进入焚烧炉产生蒸气推 动透平发电，目前这种技术在国外发展很快，技术日趋成熟完善，得到了广泛应 用。目前美国有1 1 4 座垃圾焚烧发电厂，总容量达2 6 5 0 m w ；德国有5 0 多鹰，总 容量1 0 0 0 m w ；同本垃圾焚烧发电最多，达1 4 9 座，装机容量占总发电量的9 。 硕士学位论文 1 3 城市生活垃圾处理技术及其比较 城市生活垃圾处理的目的是控制、减少垃圾造成的危害，改变垃圾特有的肮 脏面貌，减少垃圾占地数量，控制垃圾对环境的污染，防治疾病的传播，开展综 合利用，最终实现无害化、减量化、资源化的目标。从世界范围来看，目前解决 日益增长的城市生活垃圾问题的方法主要是卫生填埋、焚烧、堆肥化处理，这三 种方法在各国城市生活垃圾处理中所占比重见表1 5 。在我国，对城市生活垃圾的 处理处置方式中填埋约占垃圾全部处理量的7 0 ，堆肥约占2 0 ，焚烧及其他方 法占1 0 。 填埋法占地广、投资大，尤其是生物质能难以得到有效利用。填埋场渗沥水 多数未经必要的收集与净化处理，或者由于防渗层的破坏，稍有不慎便会使分散 污染变成集中污染，对土壤、地下水和大气造成直接影响。焚烧法实现了能源化， 节约了土地，但它投资高，以及高毒性的二恶英类气体排放是该法的致命弱点。 好氧堆肥与厌氧消化能使有机垃圾处理达到无害化、资源化和减量化的效果，已 在国内外日益引起重视并得到迅速发展。 表1 5 各国城市垃圾处理处置概况( ) 随着环境工程技术的发展，垃圾处理已由过去的耗资费时的单一收运堆存消 纳，转向垃圾减量化、无害化与资源化方向发展。在废物的综合利用及其资源化 研究中，最为突出的就是有机物的能源回收技术。厌氧消化克服了好氧堆肥占地 大、处理时间长、管理复杂等问题，具有过程可控制、易操作、降解快、生产过 程全封闭，产物可计量和能量再利用等特点。欧洲近十年来积极开发这一新的垃 圾处理技术，并己取得生产实验成功1 1 5 。1 引，每年大约有1 0 6 t 的垃圾通过厌氧消化 城市有机垃圾厌氧消化及其营养调控技术研究 得到处理。尽管目前在欧洲垃圾厌氧消化的处理量只有好氧堆肥的5 。但我们注 意到有些国家正通过立法来限制填埋和好氧处理以减少温室气体的排放。随着源 分选垃圾的逐渐增加，分选出的有机垃圾量也越来越大，这部分有机垃圾非常适 合于厌氧消化处理，有机垃圾厌氧处理所占比例必将快速增加。 1 - 3 1 生活垃圾卫生填埋技术 卫生填埋是有控制地处理城市生活垃圾的一种方法。卫生填埋法的优点是投资较 小，方法简单，处理量大；缺点是占地多并容易造成二次污染。填埋1 t 垃圾需占 地3 m 3 ，如同处理垃圾4 0 0 t ，一年占地约4 4 1 0 5 1 t 1 3 ，造成渗漏液污染水资源。 哈佛大学研究人员的实验证明，填埋场周围地表水及附近水溪沉积中c r 、c d 、a i 、 c u 、z n 、p b 、c o 、h g 等含量明显升高，有的超标上百倍，在填埋场区上空h g 含 量是背景值的1 0 - 15 倍；不能杀死有害细菌；处理周期长；没有投资收益；产生 的有害气体搜集外排困难，甚至有引发气体爆炸的危险等。垃圾中有机质含量达 2 0 时，1 t 垃圾约产生甲烷1 0 0 m 3 。若处理不当，会发生火灾、爆炸事故，我国北 京、上海、重庆、广州等地几个垃圾场都发生过爆炸，有的还造成人员伤亡。同 时，甲烷气还是重要的温室气体，其影响甚至超过c 0 2 。为严格防止周围环境被污 染，必须设有一个淋滤液收集和处理系统，还要提供气体( 主要为c h 4 和c 0 2 ) 的排除或 回收通道，并对填埋过程中产生的水、气和附近的地下水进行监测，还需要能抵御百年 + 遇以上洪水。 我国目前处理城市生活垃圾的方式以填埋为主，很多城市都建设了垃圾填埋 场，这些填埋场虽然在缓解垃圾污染方面起到了一定的作用，但也因填埋而占用 了大量宝贵的耕地。而且多数填埋场采用的是简易的填埋方式，没有很好地压实 ( 有的甚至未作任何处理，垃圾直接露天堆放) ，也没有彻底解决渗漏问题，造成土 地被占领后几乎是永远丧失了耕种的价值，并且对地下水造成了严重污染。 1 3 2 生活垃圾堆肥化技术 堆肥是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，在一定的人为 控制条件下，利用微生物的生化作用，将垃圾中可降解的成分在微生物作用下转 化为稳定的腐殖质，且在发酵时的高温下杀死垃圾中的病菌、虫卵等，成为可施 用作农田的土壤改良剂或肥料的生物化学过程中。在堆肥化过程中起重要作用的 微生物是细菌和真菌。这些微生物以废物中的有机物为养料，通过生物化学作用， 使之分解为简单的无机物，并释放出微生物生长所需要的能量。其中一部分有机 物转化为新的细胞物质，即微生物的繁殖，另一部分则作为能量释放出来 1 9 - 2 1 】， 如图1 1 。 硕士学位论文 厨余垃 圾等易 分解有 机物1 纸木屑 布等难 分解性 有机物 图1 1 有机垃圾的好氧堆肥分解过程 按堆肥过程中需氧量的不同，垃圾制肥工艺可分为两种：厌氧堆肥和好氧堆 肥。厌氧堆肥是依靠专性和兼性厌氧细菌的作用降解有机物的生化过程，此法有 机物的分解速度缓慢、发酵周期长、占地面积大；好氧堆肥是依靠专性和兼性好 氧细菌的作用降解有机物的生化过程，此法有机物的分解速度快、堆肥所需天数 短、臭气发生量少。由于好氧堆肥的堆体温度高，可以最大限度地杀灭病原菌体、 虫卵和垃圾中的植物种籽，使堆肥达到无害化，同时好氧堆肥对垃圾中的有机物 降解速度快速，且环境卫生条件好，因此，目前，采用的堆肥工艺大多都为高温 好氧堆肥【2 2 。2 4 】。 堆肥化过程中发生的生物化学反应极其复杂，目前还难以对所有细节进行精 确的描述。在实际的设计和操作过程中，通常根据温度的变化情况分为以下几个 阶段2 5 2 8 】： 潜伏阶段：这一阶段是指堆肥化开始时微生物适应新环境的过程，即驯化阶 段； 中温增长阶段：这一阶段嗜温性微生物最为活跃，主要利用物料中的溶解性 有机物大量繁殖，并释放出热量，使温度不断上升； 高温阶段：当温度上升至4 5 。c 以上是称为高温阶段，这时，嗜热性微生物大 量繁殖，有机物被快速的分解。在该阶段的后期，可降解有机物耗尽，微生物的 内源呼吸起主要作用； 熟化阶段：在这一阶段温度逐渐降，并最终过渡到环境温度。由于有机物大 部分为难降解物质，腐殖质大量形成。在温度下降的过程中，一些嗜温性微生物 刚 城市有机垃圾厌氧消化及其营养调控技术研究 重新开始活动，对残余有机物作进一步的分解，腐殖质更趋于稳定化。生物分解 过程中产生的氨在这一阶段通过硝化细菌转变成硝酸盐，其反应式可表示为： 2 2 n h 4 + 3 7 0 2 + 4 c 0 2 + h c 0 3 一2 1 n 0 3 + c 5 h 7 n 0 2 + 2 0 h 2 0 + 4 2 h +( 1 1 ) 由于硝化细菌生长缓慢，且只有4 0 以下才活动，所以硝化反应通常是在有 机物分解完成后才开始进行。氨在转化为硝酸盐以后才容易被植物吸收，因此熟 化阶段对于生产优质堆肥是一个很重要的过程。 影响有机垃圾堆肥效果的因素很多，主要影响因素有：粒度、碳氮比、含水 率、温度、p h 值 2 9 3 7 1 。小的粒度可以提高废物与微生物及空气的接触面积，加快 生物化学反应速率：好氧堆肥一般控制c n 比在2 5 ：l 5 0 ：1 之间；含水率最佳的范 围应该是5 0 7 0 ，若含水率过高，水就会阻碍空气的流通，使营养物质和病原微 生物随水流出，若含水率过低，会使分解速率降低；为了保证有机物得到有效的 分解和使病原体灭活，堆肥化温度控制在5 0 5 5 。c ；在堆肥化过程中，p h 值随时 间和温度发生变化，一般认为p h 值在7 5 8 5 时，堆肥化效率最高。 堆肥的优点是投资成本小，操作简单；缺点是杂质、金属和重金属有害物不 能有效分离，长期施用堆肥产品，容易造成杂质在土壤表层沉积。而且堆肥过程 中发出难闻的气味，产品有机含量不稳定，堆肥过程中养分被大量释放降解，有 效成份低，对垃圾中的病原体杀灭不彻底，容易造成二次污染。而且，堆肥受到 垃圾含水量高的限制，需要添加固形物。目前国内堆肥产品由于肥效不高，因此 销路不畅。这方面的技术还有待研究和工程实践。 1 3 3 生活垃圾焚烧技术 垃圾焚烧处理是将垃圾中分捡出来的可燃成分在高温条件下与空气中的氧进 行燃烧反应，最终成为稳定的惰性残渣的过程。可燃性固体物质的燃烧是一个复 杂的过程，它通常由传热、传质、热分解、蒸发、气相化学反应和多相化学反应 等组成。 垃圾燃烧法有很多优点：它能使垃圾迅速、大比例减容，一般可使垃圾减容 9 0 ；无害化彻底，细菌、病源菌在高温下能较彻底的被杀死；余热可发电供热， 占地面积小等。随着社会经济的发展和生活水平的提高，城市垃圾中有机物含量 越来越高，热值也逐年升高。在能源短缺的现代社会，城市垃圾作为一种新的能 源开发途径，也日益受到人们的重视。在一些欧美工业发达国家，已将垃圾焚烧 提到“废物能源工厂”的高度进行评价。所以焚烧技术作为固体废物无害化、减量 化和资源化的重要手段，在许多国家都得到广泛的应用。在日本、瑞士、丹麦、 卢森堡等国土狭小的国家，其垃圾处理都己焚烧为主。 生活垃圾的焚烧处理和其它处理处置方式一样也存在诸多缺点，主要是投资 硕士学位论文 和运行费用高、操作运行复杂、容易产生二次污染【3 8 讲1 。采用垃圾焚烧法的前提 是垃圾的可燃成分含量要高，即垃圾要有一定的低位热值，有资料要求焚烧垃圾 的热值大于3 3 0 0 k j k g ，否则，必须添加助燃烧剂，这将大大提高运行费用，一般 城市难以接受。同时，焚烧过程中会产生含有各种有害成分的尾气的排放、焚烧 残渣，最常见的是产生大量的二恶英。二恶英为脂溶性物质，毒性很大，是目前 发现的最有毒的化学物质之一，易积累于生物体内的脂肪组织中，不易被降解和 排出，即使是微量，人类长期摄取也会引起癌症、胎儿畸形、导致遗传基因突变 以及影响生殖机能、机体免疫功能等危害。垃圾焚烧过程中还释放出几十种乃至 上百种的金属“飞灰”和酸性气体，影响人体健康。基于上述这些原因，大多数 国家对焚烧技术仍采取敬而远之的态度，其使用比例远远低于土地填埋处置。 近年来，随着我国人口的增加和城市规模的迅速扩大，许多大中城市的填埋 用地越来越紧张，各地市政部门也开始把眼光转向减量化成程度较大的焚烧后填 埋的方式上来。1 9 8 8 年深圳市首家引进了日本的两台处理能力为1 5 0 t d 的马丁式 焚烧炉，随后全国各地相继建起了各种形式的小型垃圾焚烧炉，北京、上海、广 州等大城市正在积极筹建大规模垃圾焚烧设施，我国也在垃圾焚烧处理迈出了第 一步。 1 3 4 生活垃圾其它处理技术 由于城市生活垃圾的成分很复杂，采用单一的方式处理垃圾，垃圾往往不能 得到充分处理，易形成二次污染。垃圾的资源化综合处理则是针对垃圾内的不同 物质，分别采用不同的方法进行处理。首先对垃圾进行充分分选，主要可分成三 类物质：类是可回收利用的物质如废纸、废金属、废玻璃等；二是厨余物等有 机物；三是砂石、渣土等无机物。把分离出的有机物经过生物处理后可制成高效 有机复合肥；将废纸、废金属、废玻璃等可再生利用的物质分别回收；剩下的砂 石、渣土等无机物可以填埋，也可用来作建筑用材或制砖等。该方法的缺点是对 垃圾实现充分分选比较困难。2 0 0 3 年1 0 月，国家出台了城市生活垃圾分类标志， 有利于城市生活垃圾的分选，为资源化综合处理提供的条件。 城市生活垃圾处理的方法还有垃圾热解、垃圾燃料法、垃圾投海法、垃圾 筑路法以及垃圾制砖法等。 1 3 5 城市生活垃圾几种处理技术的比较 生活垃圾三种主要的处理技术的比较见表1 4 。从表1 4 可以看出，对城市生 活垃圾进行资源化综合处理，不仅费用较低，而且对垃圾的各类物质均实现了资 源化的利用或再生，达到了彻底治理垃圾污染，实现了减量化、无害化和资源化 处理的目的。所以，如果我国生活垃圾的源分选能做得比较好，采用资源化处理 城市有机垃圾厌氧消化及其营养调控技术研究 将是我国垃圾的一个良好的发展方向 4 5 1 。 表1 6 生活垃圾几种处理技术的比较 城市生活垃圾处理及污染防治技术政策( 2 0 0 0 7 1 3 发布) 规定“卫生填埋、焚 烧、堆肥、回收利用等垃圾处理技术及设备都有相应的适用条件，在坚持因地制 宜、技术可行、设备可靠、适度规模、综合治理和利用的原则下，可以合理选择 其中之一或适当组合。在具备卫生填埋场地资源和自然条件适宜的城市，以卫生 填埋作为垃圾处理的基本方案；在具备经济条件，垃圾热值条件和缺乏卫生填埋 场地资源的城市，可发展焚烧处理技术；积极发展适宜的生物处理技术，鼓励采 用综合处理方式。” 1 4 城市有机垃圾的厌氧消化处理技术 厌氧生物处理技术至今已有一百多年的历史，在十九世纪术，出现了第一座 用于处理生活污水的厌氧消化池。在随后的半个世纪中，厌氧技术发展缓慢，普 通厌氧消化池是唯一的实用反应装置。随着环境污染日益严重，同时人类面临能 源短缺的危机，这使厌氧技术作为能节省能源和回收能源的处理技术日益受