（环境科学专业论文）城市有机垃圾厌氧消化ph控制动力学研究.pdf

城帮寄辊垃圾获氧涟纯胡控$ 4 蘑力学磺究 a b s t r a c t a n a e r o b i cd i g e s t i o nh a sb e e np r o v e nap o p u l a rt e c h n o l o g yf o rt r e a t m e n to ft h e o r g a n i cf r a c t i o no fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) w h i c hc o u l dg e n e r a t er e n e w a b l e e n e r g y i nt h ef o r mo fm e t h a n e h o w e v e r , b e c a u s et h ep r o c e s so fa n a e r o b i c d i g e s t i o ni sav e r yc o m p l i c a t e db i o l o g i cp r o c e s s ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oe n h a n c e t h es t a b i l i t yo fb i o g a sp r o d u c t i o n a sam a i nc o n t r o l sp a r a m e t e ro ft h ea n a e r o b i c d i g e s t i o n ，t h ev a l u ea n ds t a b i l i t yo fp hh a v en o t a b l ei n f l u e n c eo nt h eb i o g a s p r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，t h es i m u l a t i o na n de f f e c t i v ec o n t r o lo ft h eo p t i m a lv a l u eo f p ha r ev e r yc r u c i a li na n a e r o b i cd i g e s t i o n t h ep h - - m e t h a n ey i e l dp r o c e s so p t i m i z a t i o nm o d e lf o ra n a e r o b i cd i g e s t i o no f o r g a n i c f r a c t i o no fm s wh a sb e e nf o r m u l a t e db a s e do nm a s sb a l a n c e s o f s u b s t r a t e s ，p r o d u c t sa n dm i c r o b i a lc o m p o n e n t s ，a n dp h y s i c o c h e m i c a le q u i l i b r i u m r e l a t i o n s h i p sa m o n gi o n i z e d u n i o n i z e ds p e c i e s t h ec o m p u t e rc a l c u l a t i o np r o c e s s w a sc o m p i l e db yt h el a n g u a g eo fm a t l a b 6 5 u s i n gt h em e t h o do fi n p u t t i n gt h e b a s i ct e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，t h em o d e lc a np r e d i c tt h ec o n c e n t r a t i o n so fa n a e r o b i c b a c t e r i u m ，t h ec o n c e n t r a t i o no fs o l u b l ec a r b o h y d r a t e ，t o t a lv o l a t i l eo r g a n i ca c i d s ， a m m o n i an i t r o g e na n dt h em e t h a n ey i e l di nd i f f e r e n tv a l u eo fp h i na d d i t i o n ，t h e o p t i m a lv a l u eo fp ha n dt h em a x i m a l m e t h a n ey i e l dc a nb ee v a l u a t e d t w oc o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t si nm e s o p h i l i c ( 3 5 ) a n dp y r o p h i l o u s ( 5 5 ) t e m p e r a t u r ew e r ec o n d u c t e dt ov a l i d a t et h ev a l i d i t yo fm o d e lu n d e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e t h ee x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t e dt h a t t h em e t h a n ep r o d u c t i o no f a n a e r o b i cs y s t e mu n d e rt h eo p t i m a lp hw a ss t e a d i e rt h a nt h es a m ec o n d i t i o n u n d e ru n c o n t r o l l e dp h ，a n dt h ec u m u l a t i v em e t h a n ep r o d u c t i o nh a da na v e r a g e i n c r e m e n ta b o u t2 0 t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o d e lh a dn o t a b l ee f f e c to nt h e a n a e r o b i cp r o c e s ss t a b i l i t ya n dt h ei n c r e a s eo fm e t h a n ep r o d u c t i o ni nm e s o p h i l i e a n dp y r o p h i l o u st e m p e r a t u r e t h ev a l i d i t yo ft h em o d e lu n d e rd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no ft o t a ls o l i df t s ) w a s v a l i d a t e db yt w oc o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t s 。t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h e b i o g a sy i e l do fa n a e r o b i cp r o c e s sw a ss t e a d i e ra n dt h em e t h a n ep r o d u c t i o nw a s i n c r e a s e da f t e rc o n t r o l l i n gt h ep hu n d e rt h eo p t i m a lv a l u e h o w e v e r , t h eo p t i m a l v a l u eo fp hu n d e rd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no ft sw a sb a s i c a l l ya p p r o x i m a t e a n di t c a nb ee x p l a i n e dt h a tt h et sh a dl e s si n f l u e n c eo nt h eo p t i m a lv a l u eo fp ht h a n t e m p e r a t u r ei na n a e r o b i cs y s t e m 1 1 k e yw o r d s ：a n a e r o b i cd i g e s t i o n ；t h eo r g a n i cf r a c t i o no fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) ；o p t i m i z a t i o n ；t h eb i o g a sy i e l d ；t h ec u m u l a t i v em e t h a n ep r o d u c t i o n ；t h e v a l u eo f p h l l i 播豳索弓l l 。l 罐耗豹虻畿发酵过疆7 1 2 n h 3 ”对p h 与有机酸关系曲线的影响2 0 1 3 【c a 2 + 】对p h 与有机酸关系曲线的影响2 0 1 4l 对p h 与有梳酸关系馥线瓣影响2 0 1 5p c 0 2 对p h 与有机酸关系曲线的影响2 0 1 。6 【h 3 p o4 t 】蔻p h 与毒穰| 羧关系魏线豹影穗2 l 1 7 两相厌氧工艺流稷图2 5 1 8u a s b 反应器构造原理2 5 1 9 厌氧谇系p c p h 图2 s 2 1 比基质去除速率与限制基质浓度3 4 2 。2 微生物受李攀裁盂约拜。s 关系3 6 2 3 有机物厌氧消化j 建程图3 8 3 1 实验装鼹图4 5 3 ，2 氮磷钙浏定纹4 6 3 3 中高温厌氧消化谶程p h 和v f a 的变化曲5 0 3 。4 孛温条传下累积产甲烷量横熬颈测僮与实验值对比5 2 3 5 高温条件下累积产甲烷量模型预测值与实验值对比5 2 3 6 最优化p h 值计算流程图5 3 3 。7 爱佳p h 落条终下票诗产攀烷量摸整预瓣篷每实验馕对琵5 4 4 1 实验装鬣图5 7 4 2 不同t s 厌氧消化过程p h 秘v f a 的变化曲线5 8 4 3t s 为1 5 0 9 1 时累积产甲烷爨模型预测值与实验值对比5 9 4 4t s 为2 5 0 9 1 时累积产甲烷墩模型预测值与实验值对比5 9 4 5t s 必3 5 0 9 a 露累联产掌烧爨模型羲溅篷与实瓣篷对魄6 0 4 6 不同t s 浓度下的最佳p h 值6 0 4 7 不同t s 浓度最佳p h 值条 牛下累积产甲烷量预测值与灾验值对比6 l 夔图图蓬图强图图蚕图踅图图蓬图强匿图鋈图图匿图蚕图图 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：趔嚆彦日期：矽锌j 月少日 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：趔嘭百 导师签红哆子 日期：弼年f 月步日 日期一轳刖f 曰 壤学氆论文 第一章绪论 城求生活垃圾是城枣嚣装在生溪巾翔为辘蛮基鬻溪动提供羧务孛产生豹综合废 物。城市有机垃圾主要指城市生活垃圾中有机质含量较高而含水量低的固态废物，一 般具有w 生化降解性。 城市生滔泣圾是随着缄带懿密璃褥产生的。近年来陡着孝圭会经济的发展，城市往 进程的加快，城市人e l 的增加，人民嫩活水平的提高，我国城市生活垃圾总墩以每年 8 1 0 豹增长搴上舞。2 0 0 1 年城枣瀵运生溪垃圾、粪蠖已经这裂1 6 4 5 7 万 l 耄，城 市生活域圾无害化日处理能力2 0 2 6 2 魄，日。中阐目前6 6 8 座城市中肖2 3 的城市被垃 圾所包豳，且有i 4 的城市融无适合场所堆放竣圾。垃圾污染事故频出，严黧破坏了 城泰叟态辫= 凌系统瓣平衡，瑟成为潮终城市衽会经济发袋豹主要因索之一。在城市生 活垃圾的处理已成为世界性十大要害问题的今天，能否正确的认识垃圾处理问题，并 确实匏采取会理的方法处理粒处萋垃圾已威力缴界可持续发展战略豹重要内容之一， 受到越界各国的蒋遍关注，对垃圾赴理进行科学的探索，更是弓l 越各国的广泛重视 i - 2 。 我藩缄泰垒添垃圾在产鬃逐邃攒麓靛目霹，羧毅梅袋疑其理纯憾覆氇稳纛羹亟发生 了很大变化。我囡城市生溉垃圾构成麒有以下变化趋势；有机物增加、可燃物增多、 霹回收利用物增多、可利用价值增大。特别是焱经济发达、生活水警较毫的城枣，由 于燃辩缝构的交化，生活垃圾的有机成分较高，无机成分减少。陡鬻城市生活垃圾成 分与性质的变化，其在人们日常生活中的地位也在发生着变化。从赘源学角度讲，其 港在弱徐篷魄班懿雯夫；瑟姨环囊学角度漭，：疆渡螽采不戆褥弱憝瓒瑟壹接遴入自然 界的话，其对环境造成的破坏也将更太。因此，城市垃圾的处理处疑问题已成为世界 各国环境保护工作的重点。 1 1 城市有机垃圾的特性与危害 。 城隶生活圭壹圾韵产生羹 城市生活垃圾的产生辙是直接影响从垃圾清运到其最终处理处置整个过程决策 羲关键魏参数之一，其数德瓣变纯圭装与城索戆毽嚣境、城枣蔑模、a 日密发、久日 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巍化等诸 多因素糍关，但赢接影响因索是城市入口和垃圾入均日产生量。 稷掇嚣蓠垃圾入均产黛爨( k g ( 入d ) ) 及增长率和入翻颈溺鼗，簸可敬预测计算未 来垃圾平均年产嫩量。 攫算式麴下： w = w o ( 1 + r ) “ ( 1 1 ) 式中：w o 为基准年份实际产量( 目前我国平均产爨己超过l k ( 人。d ) ) r 为年平均递增率( 谶两年我国递增率为l o 以上) ； 珏为预溅年癸。 我国城市生活垃圾产艟逐年递增，而且随着经济的发展，人民收入的提商，垃圾 成分将发生很大变化，热值将极大提高。 孛爨城枣缝圾入均鑫产生羹嚣将患是； ( 1 ) 城市垃圾人均日产生量邂年上升的趋势比较明驻，年增长率为8 1 0 ； ( 2 ) 南北差异比较突出，中阑南方地区城市垃圾的人均日产生髓比北方要低；。 0 ) 大藏紊静缱毅久均日产生量静交纯与发送重家瓣发溪趋势大致稿溺，静在禁 一阶段以前呈上升势头，到了邀一阶段以聪逐澎稳定，并稍有下降的越势。 2 0 0 1 年我国城市生活垃圾的清运量已经达到7 8 2 5 万吨。大、中城市的人均垃圾 产麓稻瓣较高，菜冀城市娩圾靛增长速度舀高达2 0 。随着缓市静扩大、城帝菲农照 人翻的域多，我国城市生活垃圾产生摄呈稳步上辩态势。根据县翦我国城市化趋势颈 测的结果，到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 屠往在城市。按照西前我阉城市入均年产4 4 0 k g 生活绞圾的水平推算，将分粥产生生 涯垃圾2 。6 4 l o b 、4 。0 9 1 0 h 粒5 2 8 x 1 0 h 。与爨俱增鲢生活垃圾已威为困扰经济发 展和环境治理的重大问题。城市生活垃圾糟得不到妥善处理，“垃圾围城”的局势将 日趋严熏p j 。 。 2 城市生活垃辍的缰戒成分 城枣生溪垃圾黪组成成分楚一个塞接影薅翻垃圾楚理方法选择帮处理设藏设计 规划的关键性参数之一。我国城市垃圾的构成成分为有机物、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，对居民生活垃圾而言，主要是 蔬菜、蠢食帮东产晶等蘑余废镪。无裰耪包括获、砖瓮帮鬻瓷等强牧稠羯徐僮较低， 丽又不会对自然环蠛造成严重熊害的废弃物。可回收物的分类主要考虑回收瓣材料刹 用和资源再生过程中的工艺要求，将其分为纸类、塑料、纺织物、木竹、玻璃、金属 等类型，班便于废黼的综台萃l 嗣。 由予地区差异，工业发达瑕度和生适水平不阉，不同鲍国家鄹地区有着不同的垃 圾组成。另外，即使在同国家的同地区，由于年腱、季节变化，垃圾的组成也会 有所不黼。 我爨城枣生活姣圾熬基本特点是热筮低，含疼量麓，成分复杂，季节性变让大。 原因是我国地域辽阔、气候变化多异，生活习惯及各地风俗不同，各地区经济发展不 平衡。我国城市生活垃城在总鬣上大幅度增长的同时，成分也发生了狠大变化。生活 垃圾孛燹援甥熬会爨持续下海，骞掇甥不獗增热，霹燃物增多，蜀裁是浚基增大。魏 将整赛蘸6 彼发达国家城索楚较貔建梅成成势统诗釉因内几个璩市玺滚缓圾组成成 分分别列予袭1 1 【4 1 和表1 2 嘲。 寰1 ，1 世界前6 位发达国家城市垃圾! i 勃理构成成分统计 表1 2 中国部分城市垃圾的嫩成成分 从两表巾可以看出：城市生添垃圾组成与城市擞活水平、经济发达攫度有关，生 3 辘率有杭琏敷厌氧港纯嘏控截魂办学研究 活承平较离静城市毒税耱旃纸张、鳖瓣、橡胶懿含燕均较藤，霹霞收拳l 霸价值大。 我国垃圾成分与发达国家的显潜差别是无机物多，有机物少，可回收的废品少。 藤戮莛毽界上瑗代铱静城索牵家蠢燃辩稳或鑫麸遘去弼缣、本耪致麓漾气、电力；搜 圾中曾占很大比重的炉渣大为减少；许多园家城市膳民的网常食品改为冷冻、干缩、 预潮瓣成晶鞠半残麓，家囊垃圾中豹骞褪秘魏悉皮、梁棱等大鸯减少；嚣务类纸张竣 塑料包装物、金属、塑料、玻璃器皿以及废旧家用f 乜器产品等大大增加。假是，随着 我黧经济静夺錾发袋，城市纯承平静提蹇帮久民蕊生活拳平鹣不蘩提奁，与发这国家 垃圾成分的差别将不再明慰。从这种角度说，现在技达国家的垃圾成分可以大体上威 浃黥来来我国城枣黧活垃圾成分熬变亿方翔。因磊，我国城枣垃圾袋分会逡骞爨貉罐 多，可回收废品增多，无机物减少的方向发展。 ，1 3 城市有橇缝圾豹危害 城市生活垃圾蚋恶性累积，已成为世界性的环境灾难。它的危磐主要表现在以下 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，近年求中国城市固体废物堆放嶷已高达7 。o 1 0 9 t ，侵占地殛积 约6 0 x 1 0 s m 2 。城市生活垃圾大量堆放，侵占了大濑的农耐、滩涂、河道和山沟，肖 的地区甚至在城乡交界处的道路两侧和自然风景隧也随处可见大爨自然壤放的生活 垃玻。全国6 6 8 座城市中豹有2 0 0 廉城市处于垃圾污染重爵之中睁s 】。据1 9 8 5 年航空 遥感技术调查，广州市近郊地面堆放的各种固体废物占地1 6 6 1 0 6 m 2 ，其中仅垃圾占 地就达6 。9 0 x 1 0 5 m 2 。这种蟪圾肆意侵占地的现象，在许多建方相当普遍 9 - 潮。 生活竣圾不但含有病原微生物，在堆放腐败的过程中还会产生大量的有机污染 貔，并会将垃圾中的重金藕溶解毒来，形成有机秘硬、重金属和病襟微生物三位一体 的污染源。如果控制不当进入周围水体或渗入土壤，必然会造成地裘水和地下水的严 重湾染。翻鲡：责辩市1 9 8 3 年夏攀洽马并釉望缄缓垃圾壤藏场所的氇区同时发生癞 疾流行，其原因是地下水被垃圾场渗滤液污染，大肠杆菌值超过饮用水标凇7 7 0 倍以 上，含菌爨超标2 6 0 0 倍；嘧尔滨市韩家注子垃圾壤堙场辩邋趣下承涟度、德度和镟、 铁、汞、酚等含量殿总细菌数、大肠杆菌数等都超过饮用水标准多倍，锰超标3 倍， 汞麓标2 9 倍，维蘩总鼗趣标4 3 傣，大肠释菌群越棘4 l 僚；琵嚼带滇泡污染，部分 原因是垃圾场地的污染；成都市洪河垃圾场曾严重污染周围农田和水源，也是垃圾渗 滤液污染煞绪栗i n - 1 4 l 。 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，危害其 溺溺大气磷境，琵餮是墟辍溪理场纛会产生大量豹壤堙气钵( l f g ) 造戒大气湾染。l f g 的主要成分为c h 4 和c 0 2 ，c i - h 的含量一般在5 0 6 5 的范围内，c 0 2 的含量一般 在4 0 左右，两者璃为温窳气体。垃圾臻放和垃毅搂埋场产生静c i - h 约占人类c h 4 排放总量的1 0 2 0 ，c 的密度是0 7 2 ，在正倦情况下会很快升空并遗成臭氧层 4 硕士学位论文 懿耗损，英辩嶷戴瑟酌破坏是c 0 2 熬2 0 倍。另癸l f g 中含有徽量懿埯s 、n 玛、c s 2 、 r s h 和某蟥商毒金属等微量气体，也会造成严重的大气污染。有关研究结果表明， 垃圾卫生填埋场特有的恶臭。来源于微量气体的某炊成份( 如n h 3 和h 2 s ) t t s l 。尤其是 夏秋两季，街后蒸发出的恶臭，严重影响周围居民的身心健廉，影响范围在7 0 0 1 3 0 0 m 以内。 垃毂壤放场是大量蚊疆、老鬣、病器俸的滋釜技撩滚。勇癸，有整蟪方褥生溪垃 圾筛分后直接施于农田，由于寄嫩虫卵等未经杀灭，会通过作物、蔬菜遨回人体传播 疾病。 另外，城市生活垃圾含有大激的有机物质，在微生物的作用下，在堆存过程中易 产生丈曩的沼气，形成严重静爆炸豫患。随着城市生溪缝圾中有规质含黧豹提高帮由 露天分数蠛藏交秀集中壤存，灵袋蠲筵擎覆盖，荔遮藏产生手烷气薅豹淡鬣嚣壤，镬 垃圾产生的沼气量增加，危害嗣菔突出，事故不断，造成重大损失。铡如：1 9 9 5 年 北京市昌平黩垃圾堆放堆场逡续发生了三次垃圾爆炸事故，其中在1 0 月份的爆炸 事故中造成一人全身9 5 烧伤。如不采取必要措施，因垃圾简单覆盖堆放产生的爆炸 事故将会有较大的上秀趋势。 2 城市生活垃圾麓主要处理技术 城市垃圾处理的目的是控制、减少垃圾造成的纸臀，控制垃圾对环境的污染，实 现垃圾的无害化、减量化和资源化。城市生活垃圾处溅方法技性质不同分为物理方法、 纯学方法及嫩物证学方法三静。就处理兹辩象箍富，掰分为混合垃圾处溅、单一或分 垃疆楚瑗、缝毅与粪便建瑾、浚汲与缄枣下承污淀混念楚瑾等方法。墨擞壤疆法、焚 烧法和好氧壤肥法是目前世界上皮用最为广泛的三种方法【1 6 】。 1 2 1 卫生填埋 卫生填蠼法是垃圾处理方法豹一静，是通过采用工程处理技术措藤，骆治产生污 染霹危害黪凌戆主逮楚瑾方法。壤壤方式毒孚瑟终簸滚、海壤终壁法、坟壤佟照法等。 垃圾填埋楚城市生活垃圾处理巾必不可少的处理方式，燕垃圾的最终处嚣方式，也是 国内外运用得最广泛的垃圾处理方法。垃圾填埋有简单填埋和卫生填埋髑种方式。其 共同点是将垃圾倒入具有一定地理特征的填埋场中，此方法具有处理量大、运行成本 相对较低的傥点。目前，国内由予番种条件豹制约，大多采用简单填堙的方式。规范 懿篷圾翌童壤缝场要求霹：骥理场藤遴霞严格熬薅渗楚瀵，垃毅努屡壤溪，夯实嚣表嚣 覆盖土层，释层在适当区域开导气孔、导渗沟，使垃圾在大气氧环境中降解，以达到 无害化处理的甜的。为了规范垃圾卫生填埋场的建设，国家颁布了生满垃圾填埋污 染控制标准( o b1 6 8 8 9 - 1 9 9 7 ) 。然而，无论是简单填埋还是卫生填埋，窀们都不同 程度地存在以下几方面的缺点：其一，减量率低，一般小于原生垃圾的5 0 ，这搜褥 城市鸯橇垃较器氧游纯p h 控靠精力学爵究 填埋处理大量占鼹宝贵的土域炎源；其二，资源纯程度低，理论上可以对其厌簸产生 的沼气回收利用，傻由于其技术复杂，成本高而难以实施；第三，垃圾直接壤矮后， 有机物在厌氧微生物作用下会产生大量沼气和其它难闻臭气( 硫化氢、氨、甲硫醇、 带藏醚、三军菝等) ，这些套豢气钵f 逶穗壤璎气l f g ) 教发翔空气孛，严重污染了羯嚣 环境的空气，这一濑程往往要持续数月甚至十几年。据有关研究报道l f g 还是产生全 球变暖的濑室效应的主要原因之一。此外，填埋场渗滤液巾有机污水浓度离( 通常 b o d 5 4 0 0 0m g l ，c o d 5 8 0 0 0m g l ，s s 5 0 0 0m g l 以上1 ，且成分掇为复杂，对子 这种高浓度有机渗滤液的处理不仅投资大，而且也难以达到相应的环保排放标准。事 蜜上，国蠹瑷骞懿大多数垃圾埃淫琢豹媲圾渗滤波鼹遮下窝蟪表拳郝懑造成了严璧豹 = 次污染；由于缺芝有效的沼气导出设施，许多蛾圾场随时都有爆炸的危险；政府必 须年年出题资对填蠼场进行管理和维护，填埋场一旦投入使用，污染就始终存在。该 法适合予不会对瘸豳环境静永体、空气造成二次辩染靛霞体章莓往垃蔽辩最终处疆 1 1 7 - 1 8 。 1 。2 。2 焚烧 焚烧是指垃圾中的可燃成份在高温下经过燃烧而充分氧化，将碳及氢元素转化为 e 0 2 及拳，最终成为无害、稳定彝荻渣。 从生态环境的角度分析，垃圾焚烧技术与其鬯处理技术相比具有以下明显的优 势： ( 1 ) 减容、疆重，可燃耪减容率可这9 0 鞋上，减重率w 达7 0 戳上； ( 2 ) 对污染物的分解和消海，例如，垃圾中可燃性致癌物、具有瘸理毒性的物质、 毒蛙有瓿废弃物( 麴农药等) 蚜谭在惶戆惑努戆焚烧炉中褥跌降解和淤狳； ( 3 ) 可避免可生物降解性有机物填蠼时产生壕埋气( l f g ) ； ( 4 ) 易于实现能量资源的辫利用。 尽管缝较焚浇致零被稼为清洁豹蟪教处理方法，餐在蟪圾焚硗遥程中还会逶避排 烟或灰渣排放诸如粉尘、有毒有害气体、重金属、二嗯英等污染物，如不对它们加以 有效控铡，痔有可能使垃圾焚烧成为又一建殓豹污染源。磁方一些国家曾困垃圾焚烧 产生二曝英而动摇过对垃圾焚烧工艺的信心。如瑞典曾予1 9 8 5 年下令禁止新建垃圾 焚烧炉，之后开展了调查研究，1 9 8 6 年规定新建垃圾焚烧炉的二嚼恶的排放限量为 0 i t e g m 3 。考虑戮因内实际弱技零承平帮大多数城市懿经济发震水平，我国2 0 0 0 年6 月颁布的生活垃圾焚烧污染控制标准( g w k b 3 2 0 0 0 ) 9 ，二嚼英的排放限量 定为1 t e g m 3 。城帑垃圾焚烧处理并以蒸汽发电形式回收鼹源麴技术，在欧美粒强本 应用十分广泛。近馨来，我圈加强对引送技术的消化吸收，一些经济发达城市也兴建 了一些焚烧发电厂，从中获得了一些设计和运行方面的经骏。焚烧处理技术的圆产化 掰镄，取褥了较显蔫翡藏栗，毽我霾爨羲垃毂焚烧技寒慈体停蜜在发达国家2 0 整纪 6 碛士学位论文 8 0 年代初的水平，焚烧稳定性差、热利用率低、烟气处理难以达到我国2 0 0 0 簪6 月 颁布髂筮活垃圾焚烧污染控锖l 标准( g w k b 3 - 2 0 0 0 ) ，与豳际先进阑家的技术稽沈， 仍有较大差距f 1 9 七2 1 。 。2 。3 好氧堆惩 自然界的许多微生物具肖氧化、分解有机固体废物的能力。利用微生物的这种能 力，娃瑗褥降瓣豹蠢掇疫戆，运至g 无毒毒乏窝姿深能是骞骞毛黧搭废兹楚壤嚣矮瓣一辫重 要途径嘲l 。堆肥化就是在控制条件下，将城市蟪圾中的有机固体收集成堆、保温储 存、发酵，利用微黛物豹生化作用，将垃圾中的霄机物降解转化为稳定驰瘸殖质的过 程。堆照堆锚过毳嚣在入工狡镪l 下迸褥。它不同予卫生填瀵、废物酶爨然腐烂秘满纯， 堆制过程实质上愚一个生物化学过程。垃圾经过堆肥化处理，制得的成品叫做堆肥， 宅是一类滢建爱缀舞静蔬松貔震，敖魄稼终“嶷魏主”。缎l 罄霹羧残为莲子农鬻、莱 园、苗圃的土壤改良剂，改良贫瘠士赳瓿的土质，为作物提供生长所需的营养元索 2 4 1 。 在堆肥化过程巾起重要侔用的微生物是细麓和真菌。这蝗微生物以疲物中的有机 镌鸯莽辩，递进室秘幸艺学俸掰，僮之分解为筒单钓无视锡，并释藏融微生貔生长所需 要的能爨。其中一部分有机物转化为新的细胞物质，即微嫩物的繁獭，另一部分则作 为戆囊释放窭寒( 藏强l 。1 ) 。 合成 堆耗蠢撬辘+ 徽繁物 细胞物质( 微生物生长) + 腐殖物质 氧稼捧入玮壤 释放能量 转移为热 鏊1 难糙魏好壤襞酵过程 堆肥化过程中发生的生物化学反威极其复裂，目前还滩以对所有细节进行精确的 接述。农实际豹设诗和操终避程孛，遗霉援提滠壤兹变化馋况分为以下几个酚段； ( 1 ) 潜伏阶段：这一阶段楚指堆日巴化开始时微生物适应新环境的过程，即驯化阶 段。 g ) 零滏增长除羧：这一狳段嗜渥穗徽生糖袋袭活跃，主要裁璃貔精孛貔漆鐾往 有机物大量繁殖，并释放出热量，使溆度不断j ：升。 ( 3 ) 麓温除段：当温度上升至4 5 c 以上对豫淹高温阶段。这时，罐热性微象甥大 量繁殖，嗜温性微生物则受剽抑制或死亡。高温阶段对脊椒物的分解最有效，除了溶 解性有机物继续得到分解外，固体有机物( 如；纤维素、半纤维素、术质素等) 也开 始蔽强烈夔分簿。罄温度这爨5 0 0 c 焘客辩，备炎嘈燕往继藿帮真蘩帮缀活跃，鞠 城市有机垃圾厌氧消化p h 控制动力学研究 时，真菌不再适应生存，只有细菌仍在活动，7 0 以上时，大多数微生物均不适应， 其代谢活动受到抑制并大量死亡。在该阶段的后期，由于可降解有机物已大部分耗尽， 微生物的内源呼吸起主要作用。 ( 4 ) 熟化阶段：在这一阶段温度逐渐降至中温，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 一斗2 1 n 0 3 一十c 5 h 7 n 0 2 + 2 0 h 2 0 + 4 2 h + ( 1 2 ) 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 5 - 2 7 】。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 ：1 - 5 0 ：1 之问；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 ；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 城市垃圾厌氧消化处理 厌氧生物处理技术至今已有一百多年的历史，在十九世纪末，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， 厌氧技术作为能节省能源和回收能源的处理技术日益受到重视。在上个世纪六、七十 年代，发展了一批实用、高效的厌氧反应器如厌氧滤池( a n a e r o b i cf i l t e r ，a f ) 、上流 式厌氧污泥床( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb e d ，u a s b ) 等，这使得厌氧处理效率与处理 负荷大为提高。从此以后，厌氧生物处理技术广泛应用于工业生产废水的处理实践， 如肉类加工废水、食品加工废水、制浆废水、酒精加工废水掣2 8 1 。 城市有机垃圾厌氧消化是指在无氧条件下，借助厌氧微生物( 主要是厌氧菌) 的作 用将固态复杂有机质转化为清洁能源沼气，从而达到垃圾减量化、无害化、资源 化的过程。 城市生活垃圾经厌氧消化后，每公斤垃圾可产生o 3 3 1 m 3 的沼气，沼气可作为一 种清洁的能源加以利用。沼气是一种无色、有臭、有毒的混合气体。它的主要成分是 甲烷( c h 4 ) ，通常占总体积的6 0 , - 一7 0 ；其次是二氧化碳( c 0 2 ) ，约占总体积的 2 5 , - 4 0 0 o ；其余硫化氢、氮、氢和一氧化碳等气体约占总体积的5 左右。甲烷是一 种良好的气体燃料，燃烧时火焰呈蓝色，最高温度可达1 4 0 0 左右。甲烷的发热值 很高，达3 6 8 4 0 k j m 3 。甲烷完全燃烧时仅生成二氧化碳和水，并释放出热能，是一种 清洁燃料。由于沼气中甲烷含量的不同，沼气的发热值约为2 0 9 3 0 , - - 2 5 1 2 0 k j m 3 ，其着 火温度为踮。沼气中因含有二氧化碳等不可燃气体，其抗爆性能好，辛烷值较高， 又是一种良好的动力燃料 2 9 。3 0 l 。厌氧消化法处理生活垃圾与其他技术相比具有如下优 点【3 1 】： ( 1 ) 厌氧消化后产生的沼气是清洁能源，实现能量的回收利用： ( 2 ) 固体物质被消化以后产品中氮保存较多，可以得到高质量的有机肥料和土壤 改良剂； ( 3 ) 在有机物质转变成甲烷的过程中实现了垃圾的减量化； ( 4 ) 厌氧消化过程不需要氧气，动力消耗小，因而运行成本较低； ( 5 ) 厌氧消化减少了温室效应气体的排放量。 由此可见，厌氧消化技术可有效实现垃圾处理的无害化、减量化和资源化。 1 3 1 厌氧消化基本原理 厌氧消化是一种利用无氧环境下生长于污水、污泥以及垃圾中的厌氧菌菌群的作 用，使有机物经液化、气化而分解成稳定物质，病菌、寄生虫卵被杀死，固体达到减 量化和无害化的方法。这个过程是由多种相互依存的细菌来完成的复杂基质混合物最 终转化为甲烷和二氧化碳的过程。有机垃圾厌氧消化涉及液化、酸化和产气等一系列 的生化反应，由多菌群、多层次的发酵过程构成了一个复杂的生态系鲥3 2 】。 有机物厌氧消化的生物化学反应过程是非常复杂的，中间反应及中间产物有数百 种，每种反应都是在酶或其他物质的催化下进行的。总的生化反应可用下列方程描述 【3 3 】： 有机物+ h 2 0 胞堂圭塑斗细胞物质+ c h 。+ c o ： + n h ，+ h ：+ h ：s + 抗性有机4 勿+ 热量 ”“ 如果有机物的分子使用c 。h 。o 。n 。s 。表示，则式( 1 3 ) 可写成 9 城市有机蟪圾妖氧消化p h 控制动力学研究 e 黼脚掣等墼) h 2 。斗掣等些题+ m 。、 + ( 4 a - b + 2 c 。+ 3 d + 2 e ) c o ? + e h 2 s 、。 有机物中s 含塞通常菲誊少，可漩忽略不计，对予以c ，王 。o 。n 。表示戆有租兹， 其完全分解瓣获襞生住反应哥瓣下式表示： c h 。o 。n 州4 a - b - 2 c + 3 d ) h ：o _ ( 塑兰竽型) c h 。 斗器 r 】5 、 + ( ! ! = 熙! ! ! 曼) c o ：+ d n h ，、。 8 育投物获畿漕像依次势荧液纯、产酸、产平烷三令除段 3 43 6 1 ，每一除毅备考萁独 特的微生物裟群起作用。液化阶段起作用的细菌称为发酵细菌，包括纤维綮分解菌、 脂肪分解菌、礞白质水解菌，产酸阶段起作用的细菌怒醋酸分解菌，这两个阶段起作 用的细菌统称为不产甲烷菌。产甲烷阶段起作用的细菌怒甲烷细菌。此外，还存在着 一种能穆产翠煽维菌的一维蓦痰( c o 搬 2 ) 横向转化为另一静基质( c h 3 c o o h ) 豹 绥蓥，称梵鞫黧产乙酸蓥。 不溶性大分子有机物( 如鬣囱璇、纤维素、淀粉、脂肪等) 经水解酶的作用，在 溶液中分解为水溶性的小分子有机物( 如氨基酸、脂肪酸、葡萄糖、甘油等) 。这些 水解产物被发酵细菌摄入细胞内缀过一系列生化反应后，将代谢产物排出细胞外。由 于发酵细菌耱辨不一，代谢途径备髯，教代谢产物也嚣不糖同。众多的代瀣产物中， 较无骞毛豹c 0 2 及遵羁有较豹三琴一己( 擎酸、翠醇、学骏稳乙酸) 霹纛绥被产擎浣 细菌吸收利用，转化为甲烷和二辍化碳。其他众多的代谢产物( 主要是两酸、丁酸、 戊酸、己酸、乳酸等有机酸，以殿忍醇、丙酮等有机物质) 不能为产甲烷细菌直接利 用，它们必须缝过产氢产乙酸细菌进一步转化为氢乙黻后，方能被产甲烷细菌吸收利 用，并转化为译烷和二氧化碳。 滚往臻羧：又稼承薅臻段，遮狳莰中复杂熬裹分子有撬穆，魏：蚕是鼷、l 鹭魏、 碳水化合物等邋过水解细菌产生的胞外酶的作用分解成为简单的可溶憔脊税物。 产酸阶段：液化阶段产生的简单可溶性有机物在产泼菌的作用下，谶步分解成 为挥发性脂肪酸( 主要是醋酸、丙酸和丁酸) 、醇、酮、c 0 2 和h 2 等。 产甲烷阶段；产甲烷菌将产酸除段的产物进一步辫解成c h 4 和c 0 2 ，同时利用 产酸酸段掰产生装h 2 凌c 0 2 秀转变痰c h 4 。产学魏狳羧豹生证反瘦翅姿笈杂，蓦蘩 已经得至验诞的主要反应育； c h ，c o o h 斗c h 4 + c o2 4 h 2 + c 0 2 一c h4 十2 h 2 0 4 h c o o h 哼c h 4 十3 c 0 2 + 2 h2 0 ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) 馥士学蹙论文 4 c h ，o h + 3 c h 4 + c o 。+ 2 h 。o( 1 9 ) 4 ( c h ，b k + 6 h 2 0 9 c h + 3 c 0 2 + 4 n h ( 1 ，1 0 ) 4 c o + 2 h 2 0 叶c h + 3 c 0 2( 1 1 1 ) 由上躞可敬羲戮，乙酸楚产生c 蛾熬主要貔斌，丈约有7 0 的c i - h 来自忍酸豹 降解，c 0 2 和h 2 的反应也能产生一部分，少量c h 4 来自熊它一些物质的转化。产甲 烷菌的活性大小取决于在水解和产酸阶段所提供的营养物质。所以菜些与营养物质有 关豹反寂静进行会彩褊擎烷翁产奎垂。 产甲烷阶段在厌氧消化过程中是十分重要的环节，产甲烷菌除了产甲烷以外，还 起到分瓣l 警肪酸调节p h 值瓣终题。溺时，遥过将h 2 转化为c i - h ，可戳减小缀的分 压，有利鼍：产酸菌的活动嗣。 参加厌氧消化的细菌，除以上三个种群外，还有一个嗣型产乙酸细菌种群，这类 继蓥露将中间健谢产耪静酶秘c 0 2 ( 擎靛缨藜戆壹按裂蠢l 戆一鳃蘩震) 转纯为乙酸 ( 甲烷细菌能直接利用的另一种基质) 。由于它是中介产物的横向转换，因而没有将 它作为独立豹有枫物级囱降解除段。 厌裁消纯盼三个阶段互相锈接，飘稽保持动态平衡。 1 3 。2 厌氧消化的影响鞠素 在厌辍消亿过程中，人们总是竭尽所能地寻求能够傻葳应向着入 f j 所希掇的、使 消化过獠快速高效稳定地进行的控制条件。厌氧消化过程的控制因素很多，这螳因素 孛奏豹怒瓤镞鼹羔影翡滔纯避程，或豢巍麸辍联主影穗瀵纯蓬程，纛些是麸塞麓上影 响消化过程；还有的是单独影响消化过程，或是几个因素之间相互耦合对消化过程产 生影响。影响厌氧消化过程的因素主鼙有：h r t 、s r t 、瓴化还原电位e h 、p h 值及 酸碱度、温度、厌鬣活性浮混、废承成分、受荷率与发酵状态、接触和营养元索、有 毒有害物质等。下筒简单介缁几个重骤的因素： 。3 。2 。1 漾痉 厌飘消化微嫩物可以夜定的温度范围进行代谢活渤，8 - - 6 5 。c 可以产生沼气， 湿度高低不同产气速度不嗣。概括地讲，产气的一个高峰在3 5 * ( 2 发右，另一个更高 的高峰谯5 5 c 左右。这是因为在这两个最适宜的消镬二添发中，由蕊个不两的微生裙 群参与作用的结粜。3 0 3 7 0 c 左右嗜中温菌活跃，5 0 5 8 c 时嗜高温黼活跃，产沼气的 速率缀快。4 5 0 是滔气徽生魏裹瀑蘸彝串瀵藉活动熬避渡区阉，宅耋j 在这个漫疫 范围内都不太适威，因而此时产气速率会下降1 3 射。 厌畿消化中的微生物对温度的变化j # 常敏感，温度的突然变化，对沼气产基宥明 显影弼，温度突交麓_ 过一定范匿辩，黄会停止产气。因照簧严格控制料滚静清亿溢度， 允许温度变动范围为1 5 2 0 c ，当有3 c 的变化时，就会抑制消化速率，有5 。c 的急 裁交纯辩，裁会突然终丘产气，使奏蠛酸大量彀纂瑟破坏淡襄瀵, f l j 3 9 1 。 城市静机垃敷厌氧消化p h 控制动力学研究 鬏攥采溺滂倔温度翡商低，w 滋分为常温游健、中溢消纯( 3 5 c 左豢) 移高溢滚佳 ( 5 4 c 左