有机废弃物处理技术及现状——专业课论文.doc

有机废弃物处理技术及现状环境工程071 钟旭东有机固体废物包括农业固体废物、工业废物以及城市生活垃圾中的有机成分。其中,农业固体废物是有机固体废物流中最庞大的一支,绝大部分为农作物秸秆和畜禽养殖废弃物。目前，国内外有机固体废弃物的处理方式主要有3种：填埋、焚烧和生物处理。填埋作为固体废弃物的最终处理方式，被广泛采用，该法虽然简单易行，处理量大，但是占地面积大，浪费严重，二次污染严重，尤其在人口密集地区地价昂贵以及当地居民对环境卫生的要求都不适合垃圾填埋。现在，国外正逐步减少原生垃圾填埋量，尤其在欧盟各国,已强调垃圾填埋只能是最终处置手段，而且只能是无机垃圾。焚烧的方式处理固体废物在人口密度较大的地区使用较多，这种处理方法的优点是高温无害化和大而迅速的减容能力，还可以回收能源，其缺点是建设投资和运行费用高，且易造成空气污染，特别是有毒气体对人体的影响很大。与前2 种处理方法相比，利用生物技术处理有机废物具有保护环境、节约原材料和能源、投资少、运行费用低、经济回报高等优点。现如今，国家大力提倡循环经济，有机固废的生物处理将会得道越来越广的应用。故，本文着重介绍了几种应用较广、发展前景大的有机废弃物生物处理技术，对有机固体废弃物的填埋和焚烧处理技术未作介绍。1、堆肥处理堆肥化是指利用自然界中广泛存在的微生物，通过人为的调节和控制，促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。根据堆肥微生物生长的环境差异，可以将堆肥化分为好氧堆肥和厌氧堆肥两种。好氧堆肥是将要堆腐的有机物料与填充料按一定比例混合，在适宜条件下堆腐，使微生物繁殖并降解有机质，高温杀死其中的病菌及杂草种子，从而使固体有机废弃物达到稳定化。由于好氧堆肥堆体温度高（一般在50 65），故又称为高温好氧堆肥。厌氧堆肥化是在无氧条件下，厌氧微生物对废物中的有机物进行分解转化的过程。通常所说的堆肥是指好氧高温堆肥，因为厌氧微生物对有机物分解速度缓慢，处理效率低，容易产生恶臭，其工艺条件也较难控制，因此利用较少；而好氧堆肥中堆肥温度较高，堆肥微生物活性强，有机物分解速度快，降解更彻底；而且在堆肥过程中，经过高温的灭菌作用，能够杀死固体废物中的病原菌、寄生虫(卵)等，提高堆肥的安全性能，应用较广。1.1好氧高温堆肥在好氧堆肥过程中,微生物将有机物转化成为CO2、生物量、热量和腐殖质。堆肥中使用的有机物原料、填充剂和调节剂绝大部分来自植物，它们的主要成分是碳水化合物(即纤维素) 、蛋白质、脂和木质素。微生物通过新陈代谢活动分解有机底物来维持自身的生命活动，同时达到分解复杂的有机化合物为可被生物利用的小分子物质的目的。微生物吸收利用有机物的能力取决于它们产生的可以分解底物的酶的活性，堆肥底物越复杂，所需要的酶系统就越多而且越综合。不同的微生物分泌的酶种类不同，一般地，好氧堆肥中，有机底物的降解是细菌、放线菌和真菌等多种微生物共同作用的结果。堆肥产品质量的好坏关键在于堆肥过程及被控参数。堆肥过程控制的目的是通过对堆肥过程中的水分、有机物含量、温度以及通风供氧等被控参数的控制,保证堆肥过程的顺利进行,提高堆肥效率。其基本流程如图1 所示。固体废弃物在堆肥过程中的状态一般用腐熟度来表示。当前普遍运用的检测堆肥腐熟度的指标包括: 温度、C/ N 比、灰分、腐殖酸、富里酸和非腐质成分等。堆肥产品有机固废预处理混合堆料堆肥反应装置传感器器湿度、温度、气体监测专家系统控制方法图1实际操作中，好氧堆肥的操作步骤可以基本分以下几步：1)粉碎：有机废弃物通过粉碎机粉碎到粒径5cm 以下，可以增加其比表面积，以利于化学腐熟剂的预处理和微生物的分解作用，加快腐熟速度，且适宜通过翻堆控制堆体氧气浓度。2)化学腐熟剂预处理：对有机废弃物用化学腐熟剂 进行预处理。这主要是打破有机废弃物木质素中紧密结合的化学键，从而更有利于微生物分解，缩短腐熟时间。3)堆体发酵条件调控：通过对堆肥发酵条件调控，使其处于适宜的状态，为微生物的正常生长活动提供良好的条件。4)接种：调控好的堆肥原料加入适量微生物菌种，拌匀。微生物对堆肥的升温速度、物质转化、病原菌灭活都有着重要作用。5)翻堆：堆肥温度在起堆23 天内可升高55以上，通常认为5565的高温是保证完全杀灭病原菌的基本条件，是无害化处理有机废弃物的要求。堆体温度是影响堆肥系统中微生物活动和堆肥工艺的重要因素，它制约着微生物的活性及有机质的分解速度，直接影响了堆肥的腐殖化程度。堆体温度的高低受通风量及堆体含氧量的影响，当温度达到70左右需铲车翻堆调节堆体温度，堆肥周期内翻34 次，有机废弃物可达到腐熟完全。对于第五步的“翻堆”，有条件的可以在堆肥下面铺设通风管道，用鼓风机强制鼓风来到道调控堆体温度、含氧量等目的。堆肥产品中含有丰富的有机质，其质地疏松，施用后可增加土壤总的孔隙容积并改善孔隙大小的分布，减少土壤地面冲刷，增加土壤的持水能力从而提高土壤水分含量，减少因田间径流引起的土壤养分损失，还可增加土壤的透水性及防止土壤表面板结。堆肥是一种“生物肥料”，其内含有大量的微生物。因此，施用堆肥可以增加土壤中微生物的数量。通过微生物的活动改善土壤的结构和性能，微生物分泌的各种有效成分还可以直接或间接地被植物吸收而促进农作物的生长。堆肥产品是很好的绿色农肥。1.2厌氧发酵随着农业废弃物和城市生活垃圾排放量的不断增加、环境和能源压力的不断增大，生物质厌氧发酵技术得到了日益广泛的研究和应用。根据发酵底物状态的不同， 生物质厌氧发酵技术分为厌氧湿发酵技术和厌氧干发酵技术。厌氧湿发酵反应体系中的总固体（TS）含量一般在10%以内。厌氧湿发酵具有启动快、建造管理技术成熟、进出料方便等优点，是当前处理有机污染物生产沼气的主流技术， 但是该技术也有明显的缺点， 如处理单位质量的有机物所需的反应器容积大，沼液和沼渣分离困难等。厌氧干发酵又称为固体厌氧发酵， 反应体系中的TS 含量达到20%30%13。目前，该技术已经广泛应用于处理城市垃圾、禽畜粪便、农作物秸秆，具有节约用水、管理方便、产气率高、处理成本低等优点，已经成为厌氧发酵技术的研究热点。1.2.1厌氧干式发酵国外对干法厌氧发酵的研究始于20世纪80年代有关污泥的卫生填埋,之后主要集中于城市垃圾的处理。在欧洲,每年用于处理城市垃圾的干法厌氧发酵装置的总处理能力已达到57 106t，超过湿法工艺装置总处理能力(48 106t) 2 。世界上第1个以能源作物为底物的连续干发酵沼气厂已在德国建成并正式投产。我国对干法厌氧发酵技术研究较少，至今仅有数家利用垃圾填埋场所产沼气发电的企业。据报道,我国每年产生的农业固体废弃物高达几十亿吨 ，如果将其1 /3用于厌氧发酵，每年可获得1 000 亿立方沼气，相当于2. 3 亿吨标煤，约是我国现在年煤产量的10%。1 .2.1.1厌氧干发酵机制厌氧干发酵和厌氧湿发酵在生化反应本质上是相同的， 主要是厌氧和兼性厌氧微生物在厌氧环境下分解有机物产生沼气的过程，包括水解、酸化、乙酰化和甲烷化等反应阶段（图2）。2鉴于厌氧湿发酵和厌氧干发酵在生化过程上的相似性， 并考虑到酸化产物对产甲烷细菌强烈的抑制作用，Ghosh 于1983 年提出两阶段（酸化阶段和产甲烷阶段）厌氧干发酵模式6，在酸化阶段完成对底物的水解酸化， 把大分子物质降解成挥发性脂肪酸（VFA），如乙酸、丙酸、丁酸等，这些酸性物质的积累会抑制产甲烷菌的代谢活性和生长繁殖，因此，当酸化阶段完成后，需要对发酵体系总酸含量进行调节， 并将其转移至产甲烷反应器中完成产甲烷过程。但是Shankaranand 在实践中发现，干发酵与湿发酵之间存在很大差异，这主要是由底物存在状态的差异引起的。在干发酵中，底物是以不流动的固态存在，并且存在严重的异质性，尽管在发酵过程中存在渗出液的渗漏，但这种渗漏仅发生在局部， 各种中间代谢产物和微生物的交流受到严重限制；在湿发酵中，底物在发酵过程中不断地搅拌混合， 各种中间代谢产物和微生物在底物层中分布均匀。由于厌氧干发酵底物流动性差， 与厌氧湿发酵相比，其传质过程相当缓慢，因此传质过程可能是厌氧干发酵的限速步骤， 这也可能是厌氧干发酵产气率低且产气不稳定的重要原因。大部分厌氧干发酵模型都是基于Monod 动力学建立的，近年来Kalyuzhnyi 和Vavilin 在Monod 动力学的基础上加入了对传质过程的考虑， 这些模型可以很好地模拟他们自己得到的试验数据， 但是可重复性仍然较差。为了简化问题， 研究人员先是基于底物同质性进行建模， 这些模型模拟的结果与一些典型的垃圾填埋场产甲烷过程的曲线拟合得很好， 并且也符合以有机质水解为限速步骤的观点， 因此得到部分学者的支持。但是，把厌氧干发酵的底物同质化显然是过于简单化了， 为了更好地研究厌氧干发酵过程， 有人把厌氧干发酵底物分为快腐有机质（RDO）和慢腐有机质（SDO），但根据这样的划分得到的模型仍然很复杂， 并且对试验数据进行模拟的效果还非常不理想。1.2.1.2影响干法厌氧发酵过程的主要因素1.2.1.2.1底物组成因可生化降解性不同，不同的底物沼气产量相差很大,甚至相差40%以上 6 。此外,底物C/N 比值也影响产气量，C /N比值太高,微生物所需氮量不足，且消化液缓冲能力降低；C /N比值太低，含氮量过多，有机物分解受到抑制。众多研究结果表明，厌氧发酵底物C /N比值以2030为宜，过高与过低均会影响底物产气量或产气速率。底物中木质纤维素含量影响底物的可生化降解性，进而影响产气潜力。此外，采用多种底物混合发酵可获得更高的产气效率，同时也为沼渣的后续处理与利用带来方便。PARAW IRA等将番茄残体与甜菜叶按不同比例混合,进行干法厌氧发酵,当番茄残体与甜菜叶质量比为24：16时，与单一的番茄残体相比，甲烷产气量可提高31% 62%。MSHANDETE等将剑麻果浆与鱼加工废弃物混合进行厌氧发酵,结果表明混合发酵的单位挥发性固体(VS)所产甲烷量比单一原料提高了近100%。LEHTOM等用不同秸秆与粪便混合,当秸秆比例为30%时，与单一粪便发酵相比，沼气产量提高了16%85%。WEILAND在综述德国厌氧消化技术发展现状与趋势后指出，混合厌氧发酵以及优化混合原料组合将是重要的发展方向。1.2.1.2.2底物预处理对于固体含量高的有机废物，底物水解是限制其厌氧消化过程的主要因素。底物水解速率除受自身生物可降解性、C /N比值等影响外，还受底物物理结构、性状以及它们与水解酶接触难易程度等影响。底物比表面积大、底物与酶接触容易等均会提高水解速率，加速产气速率。因此采取减少底物颗粒直径、改善底物与酶的亲和能力等预处理技术，可以提高底物水解速率与产气量。1.2.1.2.3物理预处理物理预处理通过减小物料粒径、改变物料晶体结构、使微生物/酶与底物有效接触而促进消化进程,主要有切碎、研磨、浸泡、冷冻、超声波、蒸汽爆破、脉冲等方法。1.2.1.2.4化学预处理化学预处理可以促进复杂有机物质降解转变为易于生物降解的小分子物质，从而提高产气效率。通常有酸、碱和氧化等方法。稀酸预处理可以显著促进纤维素水解，已经成功用于木质纤维原料预处理。1.2.1.2.5生物预处理生物预处理主要利用微生物所分泌的胞外酶等物质预先水解底物。不同预处理方法具有不同的优缺点。传统的化学与物理处理技术耗能较多；生物处理技术从成本和设备角度考虑具有独特的优势，但处理效率较低。如何将这些预处理方法进行优化组合,实现低成本、高效率，是今后有机固体废弃物预处理技术研究的发展方向1.2.1.3TS含量TS含量对有机物的降解有显著影响。TS含量在20%30%之间较为合适，发酵产品产量较高。1.2.1.4接种物因总固体含量高,在干法厌氧发酵过程中加入足够的接种物是加快厌氧消化启动和提高甲烷产气率的重要措施之一。一般情况下，干法厌氧发酵时菌种(消化污泥)添加比例为料重的20%左右,若能达到30%以上则更好，这样可以提高产气速率和早期沼气中甲烷的含量。1.2.1.5pH及温度厌氧发酵系统中产酸菌可以在pH 5. 58. 5范围内生长良好,而产甲烷菌对pH变化非常敏感,其适宜pH范围为6. 67. 5,因此,反应器的pH值应维持在6. 57. 8范围内。温度与有机物分解过程有密切关系。3035 (中温)与5055 (高温)是厌氧发酵的2个适宜温度段。中温厌氧发酵工艺所需热量少，运行稳定，便于管理，因此得到大量应用。1.2.1.6搅拌搅拌可使微生物与发酵底物充分接触,加快底物的分解速度。对于厌氧干发酵，搅拌尤为重要。搅拌可使物料混合均匀，避免局部酸化，并有利于沼气逸出。但由于厌氧微生物代谢较慢，搅拌过于强烈反而会影响微生物的絮凝作用，降低消化能力。1.2.2有机固体废物干法厌氧消化处理工艺1.2.2.1 连续式反应器目前欧洲主要采用4种已经实现商业化运作的连续沼气干发酵工艺，即Kompogas卧式推流发酵工艺、Dranco竖式推流发酵工艺、L ingle2KCA卧式推流发酵工艺和Valorga竖式气搅拌工艺。1.2.2.2间歇式(批次)反应器在间歇式消化系统中, TS质量分数为30% 40%，底物1次加料接种后完成消化过程。间歇式反应器因设计简单、操作方便、对粗糙底物与重金属耐受性强以及投资少而在发展中国家更有发展前途。1.3有机废弃物热法制取液体燃料1.3.1直接液化制液体燃料生物质和废塑料等有机废弃物直接液化制液体燃料，即有机废弃物在完全缺氧情况下快速加热裂解为液体燃料、少量的焦炭和可燃气体，其能量密度得到大幅提高。有机废弃物的快速热解液化最大的优点在于其产物液体燃料易存贮、运输，不存在产品消费的地域限制。液体燃料的用途非常广泛：可以作为燃料油直接燃烧（燃烧时只需对现有热力设备略加改造即可）；提质后可单独或与化石燃料混合用于内燃机；有机废弃物热裂解的液体燃料是复杂有机化合物的混合物，从中可以分离提取出具有特殊用途或高附加值的化学品。快速热解是在高加热速率、中温和短停留时间的条件下，将有机废弃物直接转化为液体燃料的过程。国外典型的生物质热解制油的反应器主要有流化床闪速热解反应器、烧蚀快速热解反应器、旋转锥快速热解反应器、真空快速热解反应器、循环流化床快速热解反应器等1.3.2间接液化制低碳醇目前，无论是能源工业还是化学工业的基本原料，都主要来自石油，为了改变这种状况，开发和生产来源于石油外的基础化工原料具有重要意义，利用有机废弃物间接液化合成低碳醇便是其中很有价值的途径。目前国内低碳醇方面大部分使用常压气化重整，原料气存在着H2 含量低、CO2 含量高，H2/CO比不足、CO2/CO 高等问题，导致有机废弃物合成气直接用于合成低碳醇液体燃料单程转化率大大降低。并且工业有机废弃物如废塑料得到的原料气中有较多的CH4、C2+烃类，选用合适的烃类转化催化剂或对现有催化剂进行改性，重整净化生物质和工业有机废弃混合原料气。图3 有机废弃物间接液化制低碳醇1.3.3间接液化制液体燃料及石化产品有机废弃物间接液化制石化产品面临发展机遇，正成为有机废弃物高效利用的途径脱颖而出。通过费-托法工艺将有机废弃物合成气转化成柴油、航空煤油、石脑油和蜡，且产品分布可以调节，以柴油为主，也可以以煤油为主。该工艺生产的柴油和煤油具有优异的燃烧性能，柴油燃料含硫小于1 g/g、芳烃含量小于1%（体）、十六烷值大于70，为生产清洁燃料开辟了一条重要的新途径。F-T 合成技术也称气制液技术，其造气过程与有机废弃物间接液化制低碳醇工艺相似，其合成气的制备可以采用相同的流程，不同点只是利用合成气进行合成时其目