城市有机固体废弃物联合厌氧发酵工艺.doc

城市有机固体废弃物联合厌氧发酵工艺赵玉柱 夏晓华 吉恒 武海 温彩霞（内蒙古鄂尔多斯市东胜区传祥垃圾处理有限责任公司城市垃圾处理研究所，鄂尔多斯，017000）摘要：本文详细介绍了国内目前城市垃圾处理的现状及存在问题，并提出了一种新的垃圾处理方法城市有机废弃物联合厌氧发酵工艺，通过工程化应用证明，是适合我国中小城市多种有机固体废弃物同时综合处理最有效的方法。关键词：垃圾处理 城市有机废弃物 厌氧发酵Urban Bioorganic Wastes Anaerobic Fermentation Technology ZhaoYuzhu XiaXiaohua Jiheng Wuhai WenCaixia(Municipal Solid Waste Institute of Chuanxiang Garbage Disposal Limited Liability Company of Dongsheng District, Ordos, Inner Mongolia, Ordos,017000)Abstract：This paper presented the current status and problems of the Urban Solid Wastes disposal, and proposed a new method of Urban Solid Wastes disposalUrban Bioorganic Wastes Anaerobic Fermentation Technology. It proved that it is to disposal several of organic solid waste for the rural areas and small cities by application of engineering.Keywords： Solid Waste disposal, Urban Bioorganic Wastes, Anaerobic Digestion0前言：随着经济的发展和城市化进程的加快，我国城市生活垃圾的产生量迅速增加，给现有填埋场带来巨大压力，有的填埋场因垃圾过量不能及时处理造成“垃圾堆山”。我国土地资源匮乏，建立新填埋场的土地问题难以解决。为了缓解填埋场的压力，减小填埋体积，先后出现了多种处理手段，如在填埋前分选、焚烧、堆肥等，然而因为技术和运行成本等问题的制约，推广应用受到限制。根据城市生活垃圾和有机废弃物的处理现状我所进行了城市生活垃圾和基金项目：内蒙古自治区科技创新引导奖励资金项目（20091720），科技人员服务企业行动项目(SQ2009GJA14002644)作者简介：赵玉柱（1961），男（汉族），高级工程师，硕士生导师，其它有机废弃物联合厌氧发酵工艺的探索。该工艺将生活垃圾中的有机物和其它有机废弃物（污水处理厂剩余污泥和餐厨垃圾）、粪便，通过不同的预处理途径后送入厌氧发酵罐，进行联合厌氧发酵。通过控制这几种物料的反应周期，从而达到降低生活垃圾和有机废弃物中有机物含量的目的。处理过程中还能产生大量的有机肥料和沼气，肥料在改造沙漠方面效果明显，沼气被用于燃烧发电。该工艺填补了卫生填埋和焚烧的不足，解决了有机废弃物处理难问题，不产生二次污染，更好的达到了减量化、资源化、无害化的目的。1. 我国城市生活垃圾和其他有机废弃物的处理现状。城市生活垃圾和有机废弃物的特点是：有机质含量高，可生物降解物质达70%以上，这些可降解物具有体积大、含水率高、热值低、季节变化明显，易于腐化，腐化后臭气污染环境等特点。现阶段对这些城市生活垃圾的处理一般采用卫生填埋和焚烧，而污水处理厂剩余污泥、餐厨垃圾、粪便，一般不经过处理直接倾倒或者被非法利用，造成严重的环境污染，甚至影响到生态环境中的食物链结构，很容易引发各种疾病，如2008年的手足口病。1.1 生活垃圾填埋处理和处置的问题。填埋技术是按照工程理论和土工标准对固体废物进行有控管理的综合性工程技术，填埋有卫生填埋和危险废物安全填埋。填埋技术是固体废物污染控制有效而简便的方法，且投资少，操作简单，技术要求不高，可以处理各种类型的固体废物。但是，由于其永久性占大量土地，造成资源浪费，且垃圾渗滤液会污染地下水及土壤，填埋过程产生的臭气严重影响周边的空气质量，发酵产生的甲烷气体可能会引发火灾或爆炸等，其应用日益受到限制。1.2 生活垃圾焚烧处理中存在的问题。焚烧处理是利用有机固体废物高温热不稳定性，在8001000下与空气中的氧进行剧烈的氧化反应，使废物中的有害物质被空气氧化而破坏，最终转化为化学性质稳定的CO2和H2O（蒸汽）环境相容组分，不仅减量化效果明显，而且无害化充分彻底，又能通过能量转化，从固体废物中回收热能，用于集中供热或发电，前景广阔，日益成为固体废物污染控制主导技术，这一趋势随着固体废物焚烧发电系统不断完善而愈加明显。焚烧技术虽然是一种有效的“三化”合一技术，但是，固体废物在高温充氧的条件下燃烧，其中无机物特别是重金属类化合物，易于在飞灰和灰渣中富集，且被活化。因此，焚烧飞灰中富集了各种重金属和二噁英，已被列入危险废物名录，（编号HW18）。1.3 堆肥处理生活垃圾的现状及问题堆肥是在人工控制下，在一定的温度、湿度、pH、碳氮比和通风条件下，利用微生物的发酵作用，使有机物发生生物化学降解，转化为肥料的过程，可以作为土壤改良剂和农业基肥，又可作为有机复合肥和生物有机肥载体，在固体废物处理无害化同时，可实现资源化。我国垃圾成分复杂、管理水平低下，固体废物分类收集尚未完全实现，其中含有塑料、玻璃、陶瓷、金属等不降解物质，大大影响堆肥产品质量，并增加了堆肥化生产成本，因此短时间内难以实现堆肥化技术的大规模推广。1.4 污水处理厂剩余污泥的处理现状生活污水经过氧化曝气处理，处理过程中会生长出很多活性污泥，一部分用于回流，剩余部分称为剩余污泥。剩余污泥处理是污水处理过程的一个难点，目前的处理方法一般是经过厌氧，结絮形成颗粒，然后絮凝、脱水，最终填埋或者焚烧。最大问题是多数填埋场不接受污泥入场填埋场沼泽化，无奈选择了焚烧，绝大部分污泥的含水率在75%以上，焚烧运行成本极高，有时污水处理厂将污泥浓缩偷排，因为氨氮等离子浓度太高，倾倒污泥的土地三年之内是不会生长植物的。1.5 粪便和餐厨垃圾处理现状粪便历来是不进行处理的，最初都施到耕地里了，随着城市化水平的不断提高，水冲厕所的数量逐渐增加和化学肥料的普遍使用，有机肥使用逐渐淡化，需要处理的粪便量也在不断的增加，粪便处理多采用化粪池处理，通过三格化粪池消化的粪水排入了城市生活污水处理系统。经过化粪池的粪便的氨氮和化学需氧量等都很高，加大了处理压力。国内普遍存在收集食堂和饭店的餐厨垃圾饲养垃圾猪，或非法生产地沟油，垃圾猪肉可能引发10余种传染疾病，有害物质容易在食物链中积累，危害生态环境；地沟油有强烈的致癌作用，毒性是砒霜的100倍。在国外一般处理方法是将油脂提出制作生物柴油，剩余物经过发酵制作饲料。2. 提出有机废弃物联合厌氧发酵的背景传统的垃圾处理方法有这样那样的缺撼，生活垃圾中的有机物含量少的地方一般在15%25%，单独进行厌氧发酵的有机物量不足。随着“粪农”的消失，而且粪便是很多疾病的传播源，粪便处理的迫切性凸显。如“手足口”病。另外中小城市财力不足，单独上粪便处理系统的资金难以解决。餐厨垃圾和粪便被不法利用或随意倾倒造成多种疾病的蔓延。餐厨垃圾的有效处理在我国的报告较少。随着生活质量的提高和人们对食品安全的日益重视，餐厨垃圾的单独收集和处理势在必行。现在污水处理厂基本普及，剩余污泥必然要经过无害化处理。城市有机固体废弃物同时处理便应运而生，“联合厌氧发酵”既能增加发酵底物，又能调整C/N和N/P，以提高有机物的降解率，更好的实现了城市生活有机废弃物的“三化”目标，同时增加了沼气产量和有机肥产量。3. 有机废弃物的联合厌氧发酵的生物学原理及技术可行性3.1 厌氧发酵的生物学原理厌氧发酵也叫厌氧消化、沼气发酵、甲烷发酵，是将复杂有机物在无氧条件下利用厌氧微生物发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢耗乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌等降解成N、P等无机化合物和甲烷、二氧化碳等气体。厌氧处理多用于水处理，在我国生活垃圾的处理用的较少。厌氧处理方法无论是在水处理还是有机垃圾处理原理是一样的，一般分为三个阶段： 第一阶段为水解发酵阶段，是指复杂的有机物在微生物胞外酶的作用下进行水解和发酵，将大分子物质破链形成小分子物质如：单糖、氨基酸等为后一阶段做准备。第二阶段为产氢、产乙酸阶段，该阶段是在产酸菌如胶醋酸菌、部分梭状芽孢杆菌等的作用下分解上一阶段产生的小分子物质，生成乙酸和氢。这一阶段产酸速率很快，致使料液pH值迅速下降，使料液具有腐烂气味。第三阶段为产甲烷阶段，有机酸和溶解性含氮化合物分解成氨、胺、碳酸盐和二氧化碳、甲烷、氮气、氢气等。甲烷菌将乙酸分解产生甲烷和二氧化碳，利用氢将二氧化碳还原为甲烷，在此阶段pH值上升。这三个阶段当中有机物的水解和发酵为总反应的限速阶段。一般来说，碳水化合物的降解最快，其次是蛋白质、脂肪，最慢的是纤维素和木质素。联合厌氧发酵的这几种原料当中粪便是反应最快的物质几乎看不到酸化过程，剩余污泥次之，污水经过处理相当于一个预处理过程，再其次是生活垃圾当中分离出来的有机物，反应最慢的是厨余物。这就要求“联合发酵”的过程中寻找一个契合点让各种物料都完成水解和酸化的步骤，一同进入产甲烷阶段，最终同时完成甲烷发酵。为了解决这一问题我们进行了两相厌氧发酵，将产酸和产甲烷的过程分离，让难降解的有机物在产酸阶段停留的时间较长一些以便跟上反应较快的粪便和剩余污泥。将生活垃圾分选、餐厨垃圾前处理后混合进入水解池，搅拌加温到35，水解时间为10天左右然后和粪便、剩余污泥混合一同进入甲烷发酵罐进行甲烷发酵。3.2 有机废弃物的联合厌氧发酵的技术可行性国内外学者的研究成果表明联合厌氧发酵是可行的。而且剩余污泥、生活垃圾、餐厨垃圾混合发酵效果优于各种物料单独发酵的累计效果。以上各种物料单独厌氧发酵又有很多成功的经验可以借鉴。我国农村几十年的实践已经总结出成熟的经验：人畜粪便、秸秆、生活垃圾等混合发酵的效果优于任何单一原料的发酵。4. 城市有机废弃物联合厌氧发酵的应用情况及前景。4.1 城市有机废弃物联合厌氧发酵工程应用我们自2004年从事城市生活垃圾综合处理的研究，先后考察了世界各国的城市有机废弃物的处理工艺，并进行了不同规模和不同工艺组合的试验，于2007年成功开发了“城市有机废弃物联合厌氧发酵”工艺，首次集成了城市有机废弃物的系统处理工艺。2008年6月试生产到目前已达到日处理生活垃圾400吨；粪便200吨；剩余污泥50吨；餐厨垃圾60吨的处理能力，工艺技术上基本成熟。生活垃圾前分选可以选出垃圾中有机物的90%，同时选出磁性材料和玻璃、塑料等物质，一方面增加了厌氧发酵的有机物含量，另一方面回收了大部分可利用的资源。大大缩小了卫生填埋体积，缓解了填埋场的压力。厌氧消化过程中产生大量的沼气，沼气用来发电或者供热。发酵产生的沼渣可以制作有机肥料，这种有机肥料保水保肥效果极佳。沼液还可以做液态肥料。4.2 “三化”程度比较高，取得了较好的社会效益。 处理过程中多层次分选，包括磁选、人工分拣、重力分选等，大大减少了填埋体积；分拣出来的塑料、铁、纸质、玻璃等又被回收利用，发酵副产物沼气是一种清洁燃料，充分体现了垃圾资源循环利用；前分选以外处理部分都是在密闭环境中进行，不会造成二次污染。4.3 相对其它处理方法，有较好的经济效益。 首先，节约了建设费用和运行成本，建一座处理厂实现了有机垃圾和粪便、剩余污泥、餐厨垃圾等同时综合处理，节约了分别单独建设其它处理厂的费用和运行成本；其次，可以选出占垃圾总量0.2%的金属；1012%塑料；3%的纸浆；2%的玻璃；生产有机肥料和沼气。经过几年的不断探索和实践以及在传祥垃圾厂的示范成功，引起了各级领导及有关部门的重视，并获的一系列荣誉，“城市有机废弃物联合厌氧发酵”工艺获得国家发明专利，成为国家“十一五”科技支撑计划“新型高效规模化沼气示范工程”唯一中标企业，被内蒙古自治区评为2008年“十大科技进展项目”，在2009年北京“国际节能减排和新能源科技博览会”上得到党和国家领导人的高度评价，2010年列入国家火炬计划。联合厌氧发酵的优势有以下几方面：第一，几座废弃物厂合并为一，减少投资和占地，处理环境较好无异味，可实现花园式工厂的要求。第二，充分考虑了垃圾作为资源进行回收利用，产生大量的沼气和有机肥，实现了最大限度的资源利用。第三，采用水选可有效选出可生化有机物中的其他杂质，肥料的安全性得到保证，加速了发酵的速率。第四，垃圾进厂后分别进行资源化利用消纳率在8090。第五，污水循环使用和处理后达标排放、噪音控制、废气处理达标，整个工厂无二次污染。实践证明城市有机固体废弃物联合厌氧发酵工艺是符合我国垃圾处理现状行之有效的工艺路线，特别适合我国的中小城市多种有机固体废弃物同时综合处理。参考文献1 解强，边炳鑫，赵由才.城市固体废弃物能源化利用技术.北京:化学工业出版社，20042 席北斗，魏自民，刘洪亮等.有机固体废弃物管理与资源化技术.北京:国防工业出版社，20063 国家环保总局污染控制司.城市固体废物管理与处理处置技术.北京:中国石化出版社，20004 刘芳，陈季华，奚旦立等.上海城市生活垃圾处置及污染防治对策研究.中国资源综合利用，2005，(5):13一155 吴满昌.城市有机生活垃圾高温厌氧消化工艺及沼渣综合利用研究.昆明:昆明理工大学，20056 陈朱蕾，唐赢中.我国城市粪便的可持续利用研究.城市环境与城市生态，1999，12(2):42一447 李金红，何群彪.欧洲污泥处理处置概况.中国给水排水，2005，21(1):1011038 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