厌氧消化工艺处理城市生活垃圾的应用及前景
摘要：本文介绍了利用厌氧消化技术处理城市生活垃圾在欧美等发达国家的应用经验，结合百玛士环保科技有限公司在国内几个厌氧消化处理生活垃圾的工程实例，阐述了利用厌氧消化工艺处理城市生活垃圾的应用前景以及制约因素。
前言
随着经济的发展和城市化进程的加快，我国城市生活垃圾产生量迅速增加，而且城市生活垃圾存在大量的生物质垃圾，具有易生物降解和高含水的特点，其形成的恶臭是固体废物污染环境的主要污染源。与此同时，城市生物质垃圾中蕴含着大量生物质能，其高含水特性又为生物质能的转化提供了有利条件，针对生物质垃圾的“高固体厌氧消化（High Solid Anaerobic Digestion）技术”成为世界环保科技的研究热点。采用厌氧消化技术处理城市生活垃圾，并产生绿色能源“沼气”，特别是在能源日益紧张，CO2减排的呼声越来越高的情况下，该技术越来受到各国政府接受和推广，欧美等发达国家通过立法等手段大力推广该技术的应用，我国“十一”规划明确提出大力推广使用生物质能源，根据国家“十一五再生能源发展规划”，到2010年，建成沼气发电装机容量100万千瓦。“十一五”时期，加快建设规模化沼气工程，年产沼气约40亿立方米。
一、厌氧消化工艺原理
厌氧消化是无氧环境下有机质的自然降解过程，在自然界内广泛存在。在此过程中微生物分解有机物，最后产生甲烷和二氧化碳。影响反应的环境因素主要有温度、pH值、厌氧条件、C/N、微量元素（如Ni、Co、Mo等）以及有毒物质的允许浓度等。厌氧消化是在厌氧微生物作用下的一个复杂的生物学过程，厌氧微生物是一个统称，包括厌氧有机物分解菌（或称不产甲烷厌氧微生物）和产甲烷菌。在一个厌氧反应器内，有各种厌氧微生物存在，形成一个与环境条件、营养条件相对应的微生物群体。这些微生物通过其生命活动完成有机物厌氧代谢过程。
厌氧消化工艺处理有机垃圾，是人为创造厌氧微生物所需要的营养与环境条件，使反应器内积累高浓度的厌氧微生物，因此，人工厌氧消化的速度大大超过自然界中自发的厌氧消化过程。
生活垃圾的厌氧消化过程可以分为水解、酸化和产甲烷三个阶段，每个阶段都由一定种类的微生物完成有机物的代谢过程。三个阶段的情况介绍如下：
水解
有机物厌氧菌产生胞外酶水解有机物。参与细菌的种类和数量随着有机物种类而变化，通常按原料种类分为纤维素分解菌、脂肪分解菌和蛋白质分解菌。在这些细菌作用下，多糖分解成单糖；蛋白质转化成肽和氨基酸；脂肪转化成甘油和脂肪酸。
酸化
产酸菌，例如胶醋酸细菌、某些梭状芽孢杆菌等，分解前一步产生的较高级的脂肪酸并生成醋酸和氢。此外，有机物厌氧分解菌在分解脂肪时，也产生长链脂肪酸，如硬脂酸；分解蛋白质时产生芳族酸，如苯基醋酸和吲哚醋酸。这些酸也为第二阶段细菌所分解，产生醋酸和氢。在此阶段产酸速率很快，致使料液pH值迅速下降，使料液具有腐烂气味。
产甲烷
有机酸和溶解的含氮化合物分解成氨、胺、碳酸盐和少量的CO2、N2、CH4和H2，在此阶段pH上升，副产物还有H2S、吲哚、粪臭素和硫酸。
甲烷菌将醋酸转化成为CH4和CO2，利用H2 将CO2还原成CH4，或利用其他细菌产生的甲酸生成甲烷与水。典型的厌氧消化过程可以下面公式来表示：
有机物质+H2O+营养物质→新细胞+惰性有机物质+CO2+CH4+NH3+H2S+热
二、厌氧消化工艺分类
厌氧消化工艺根据工艺参数不同分成不同的类型：1）发酵天数；2)发酵含固率；3)发酵温度和4)级数(单级对多级)。工艺参数的决定最终取决于现场的实际情况和工程目标，关键工艺参数分述如下：
湿法和干法: 湿法反应器对比干法反应器，含固率低，可以应用不同的前处理工艺，清除掉塑料等杂质，同时分离出细玻璃、石子等杂质。但是湿法反应器容易造成挥发份的流失，导致产气率较低。同时湿法相对于干法内部能耗大，一般达到总产能的50％，而干法内部能耗只占总产能的20％～30％。
中温和高温: 中温厌氧反应器反应温度较低，所以降解相同水平的有机物，一般停留时间要长（15天至30天）. 中温厌氧反应器产气率低，尽管生物反应过程比较稳定，但长停留时间需要更大的容积和更高的成本。高温厌氧反应器产气率高，停留时间短（12至14天），反应器容积小，但维修成本高。
单级与多级: 单级是第一阶段和第二阶段反应都集中在一个反应器内进行。多级是两个阶段分成两个不同的反应器内进行以优化操作环境。单级反应器是一种简单式设计，历史比较长，成本较低，技术难度少。两级系统由于每段设计优化，停留时间短。产气潜力高，但投资成本高。
反应器产生的沼气甲烷含量一般在55％至60％。其余成份主要为 CO2. 沼气通常通过在锅炉中燃烧产生热和蒸汽，或者通过燃气轮机产生电能。有些厌氧消化工厂将沼气转化为燃料用于公司内部消耗。沼气产生量随原料不同而不同。
三、生活垃圾的厌氧消化处理在欧洲的应用
厌氧消化工艺用来稳定废水中有机生物体将近100多年。废水行业的工程师对厌氧消化工艺的设计概念都很熟悉。但废水处理中的生物质是相对均匀的废弃物。利用厌氧消化处理种类不同的和季节性分类的有机垃圾和其它生活垃圾还是有一定的技术难度，但这项技术在近15年得到迅速发展。 同期，采用厌氧消化技术处理固体废弃物在欧洲得到稳定发展。
一方面因为欧盟填埋标准要求欧盟成员国在垃圾填埋之前必须对有机物稳定化处理并达到以下稳定化指标 (允许填埋的未稳定垃圾量): 2006年达到1995年标准的75％; 2010年达到1995年标准的50％; 2016年达到1995年标准的35％。垃圾可通过焚烧（能量利用、堆肥和厌氧发酵达到稳定化处理。因为欧盟填埋标准的导向作用，采用不同稳定化工艺的垃圾处理设施建设非常踊跃。包括厌氧发酵、堆肥、机械生物处理厂、对生物有机质成份或采用堆肥或采用厌氧发酵工艺处理。为达到欧盟填埋标准，在欧洲国家厌氧发酵处理厂的收费最高达到35～50欧元/吨垃圾，正与焚烧和填埋形成竞争，由于欧盟国家有绿色能源的激励政策，厌氧发酵产生的所有绿色能源必须由当地政府以至少15 cents/kwhr（欧元）的价格收购[1]，在高的处理费用和能源收益双重作用下，厌氧消化工艺在欧洲许多国家具有可靠的经济性。
为满足填埋标准，单独处理有机生活垃圾在欧盟比较普遍。同时许多国家利用生活垃圾和动物粪便或污水处理厂的有机污泥联合发酵。
在过去的5－10年时间里，欧洲城市生活垃圾的厌氧发酵市场正在以几何级数的增长。据统计，1999年，欧盟有53个厌氧消化工厂年处理100万吨混合或分类的有机生活垃圾。到2005年，约有74个工厂在欧洲运行，用于处理分类的有机生活垃圾或混装垃圾。2006年商业运行的或正在建设的工厂数量达到124,垃圾处理量达到400万吨/年[1]。
很多正在运转的厌氧消化工厂特别是那些超过五年运转经验的工厂处理能力大部分规模比较小, 考虑规模效益，现在建设的工厂趋势向大型化方向发展，使厌氧消化工艺成为垃圾综合处理的一部分。传统的厌氧消化系统供应商开始与那些掌握堆肥技术包括中转站或填埋设施的大型垃圾处理供应商合作，这种合作随着再生能源和垃圾无害化以及欧盟填埋规范的要求得以持续发展。垃圾综合处理的优势是有机垃圾无须源头分类，通过机械分选可以分选出有机物进入厌氧发酵系统中，达到高的产气率。
四、厌氧消化工艺处理有机垃圾在国内的应用
我国目前城市生活垃圾处理仍然采用填埋为主的处理方式，近年来焚烧技术得到迅速发展，堆肥由于肥料出路问题比例很小。按2006年的统计，填埋、堆肥和焚烧处理比例分别占14.5%、12.9%和5.1%[ 2 ]。采用厌氧消化技术处理有机垃圾在国内正处于起步阶段，其中处于领先地位百玛士环保科技有限公司，从欧洲引进全套厌氧消化处理技术，包括干法和湿法、高温和中温、卧式和立式各种不同类型反应器，可以针对不同的有机垃圾类型，通过上述几种模式的组合达到最佳的处理效果，以高起点、高环保要求，有效处理有机废弃物并实现大型化和工业化，生产沼气用作热源或发电上网，技术水平保持与欧洲同步。目前不同工艺类型的技术均有工程在国内实施中。
有机垃圾干式厌氧消化工艺主要针对含水率低的有机物，如农业垃圾或生活垃圾中有机物部分，主要特点是在厌氧消化工艺过程中，由于进料垃圾的含水率较低，消化物料的含固率在20～40％之间。因此干式厌氧消化反应器具有容积小、处理量大的特点。典型技术有VALORGA干法厌氧消化工艺和BRV干法厌氧消化工艺。
4.1VALORGA干法厌氧消化工艺
本工艺是由法国Steinmueller Valorga Sarl公司开发，采用垂直的圆柱形消化器，是一项成熟工艺。反应器内垃圾固含率25%-35%，停留时间22-28天，产气量80-180Nm3/吨。消化后的固体稳定化需要进行10～21天的好氧堆肥。针对城市生活垃圾厌氧消化中存在的搅拌难、固体含量高抑制反应活性等特点，上世纪80年代后期Valorga工艺朝面向全部种类的垃圾发展。该工艺采用渗滤液部分回流与沼气压缩搅拌技术，具有比较好的经济与环境效应。中温（如Amien垃圾处理厂）或高温消化（如Freiburg垃圾处理厂）在该工艺中均有采用，垃圾平均产气量110Nm3/吨进料垃圾。目前欧洲有十几个采用该工艺的垃圾处理厂，相关业绩如下表：
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表4-1VALORGA干法厌氧消化工艺在欧洲的业绩
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目前国内由百玛士环境投资公司投资建设的普陀生活垃圾综合处理厂和北京董村生活垃圾综合处理采用该工艺技术，两个项目正在建设中，预计2009年初投产。
4.2 BRV干法厌氧消化工艺
BRV厌氧消化工艺最早是由瑞士的一家环保公司研制开发的，并于1994年在瑞士的Baar成功建设了第一个利用该工艺的有机垃圾处理厂，年处理有机垃圾18,000吨。由于该工艺具有很高的生态环保性，其先进的工艺技术具有较大的市场潜力，符合欧洲对有机垃圾处理日益严格的环保标准。德国Linde公司根据市场的发展需要，收购了该公司并对该专利工艺进行了整合。当时的厌氧技术还不是很成熟，Linde公司对其采取了严谨的完善措施，并于1996年首先在德国的Eurasburg Quarzbichl进行了处理规模为4吨/天的小试，1997年在德国的Ravensburg进行了处理规模为1,500吨/年的中试，以进一步完善工艺并确保该技术的适用性。
在该工艺的干式消化过程中，有机垃圾经过分拣破碎等预处理后，与部分已经消化的物料混合，通过进料系统送入消化反应器内。消化物料的含固率在20～35％之间，消化反应器内的物料可通过气体或机械搅拌等方式进行搅拌，物料经过25～30天的厌氧消化后，由出料系统排出罐体，送入脱水系统进行脱水。在消化期间大约有60％左右的有机物被转化为生物气，可进行能源利用。BRV卧式厌氧消化工艺成为德国目前最新的厌氧消化工艺，已经在欧洲多个垃圾处理厂实施，并取得了良好的运行效果，表4-2是几个实施范例。
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表4-2 BRV厌氧消化工艺的欧洲代表性实施厂家
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目前国内由百玛士环境投资公司投资建设的上海金山生活垃圾综合处理厂采用该工艺技术。该项目正在建设中，预计2009年年底投产。
4.3 LINDE湿法处理工艺
百玛士公司引进的Linde湿式厌氧消化技术属于单级厌氧消化技术，是典型的完全混合消化反应器。该工艺最早于1968年开发，好氧消化，好氧处理工业污水、粪便。自1975，开始进行粪便的厌氧处理，食品工业废水的好氧和厌氧处理，复杂的多级污水处理；自1991年对居民分类生物垃圾的湿法消化工艺，包括消化残渣的脱水和滤液的处理；从1993起应用粪便与工农业有机垃圾的联合消化工艺；1996年应用于剩余污泥与工业/市政有机垃圾的联合消化；1999年开始形成最终废弃物的机械生物处理工艺、有机残渣的生物稳定化和熟化工艺。垃圾处理的配套工艺包括：机械预处理，堆肥，废气和废水的处理。消化罐内总固体浓度在8% - 15%,可以进行高温或中温消化反应。其特征是在反应器中心设有一个用于气体循环的管道；消化残渣的污染物已于前处理环节分离，因此残渣可以用于生产高质量的有机肥。主要适用于处理泔水、生活污水处理厂的污泥、园林绿化垃圾以及有机垃圾等。在国外的主要业绩见表4-3：
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表4-3 Linde湿式厌氧消化技术在欧洲的主要业绩
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目前国内由百玛士环境投资公司投资建设的北京董村生活垃圾综合处理厂采用该工艺技术。该项目正在建设中，估计2009年年初投产。
五、厌氧消化处理有机垃圾技术的制约因素
尽管厌氧消化的方法处理城市生活垃圾是一个发展方向，但目前在国内垃圾处理市场实施和推广厌氧消化处理项目比较缓慢。主要存在的问题和制约因素有：
1）由于目前国内生活垃圾基本上采用混装收集，虽然个别城市推进分类收集，但实施效果比较差，所以实施厌氧消化技术处理有机生活垃圾，势必要配置一整套前分线系统，以满足进厌氧消化系统进料的要求。造成整个投资偏高。
2）厌氧消化处理城市生活垃圾在国内刚刚起步，系统内关键设备大部分依赖进口设备。特别是大功率气体内燃机发电机。引进成本比较高。示范工程由于没有类似工程经验，依靠国外专家调试指导，技术服务费比较高。所以造成投资耗费比较大，这样就使得发展中国家厌氧消化处理城市固体废弃物的比重占的很低。尤其是当要提高厌氧反应效率而设计两相消化、高温消化、源分选有机垃圾消化时，经济投入更大；
3）由于国内正在施工的几个厌氧消化处理项目还没有正式投产，运行效果未知，从市场推广的角度看，大部分用户都处于观望态度，如果实际运行效果比较好，估计在国内将会得到快速发展。
4）由于一些地区土壤营养富足而且焚烧技术比较高，厌氧处理所产生的能源化和肥料化的优点都不能突出体现，应用不是太广泛；
5）国内对厌氧联合消化的研究不太系统，对各种废弃物配比的定性研究较少；
6）由于我国垃圾分类还不太普及，源分选垃圾需要耗费大量的人力、物力与财力，这样导致垃圾中无机成分多，厌氧发酵效果差。
六、厌氧消化工艺处理有机垃圾的应用前景
目前厌氧消化技术在世界各地广泛应用，大部分处理城市生活有机垃圾的厂处理量在2500吨/年以上。而在我国尚无采用这样的大型处理厂，是因为厌氧消化的投资成本比好氧堆肥一般要高出1.2-1.5倍。但考虑到有机垃圾厌氧消化处理的良好经济效益（生物气用来发电或供热以及优质卫生的肥料），且具有良好的环境效益：与好氧堆肥相比占地少，大大减少了温室气体(CO2、CH4)、臭气的排放等。从生命周期观点看，厌氧消化比其他的处理方式更经济。因此，在我国厌氧消化工艺是一项具有很有前景的有机垃圾处理技术。
随着城市生活垃圾有机成分的逐渐增加以及经济水平与技术水平的提高，将含有大量有机质的垃圾填埋将会造成能源的极大浪费且产生大量的温室气体，欧洲国家都采取了限制填埋政策以及对厌氧工厂产生的沼气销售的优惠政策。另外，一些城市的生活垃圾中含有大量的水果蔬菜等含水量高的厨余物质将不再适合焚烧（热值低，经济效益不合算）以及好氧堆肥（不满足氧堆肥的适宜固体含量55%-60%），用厌氧法处理上述类型的生活垃圾将会是一个发展方向。随着国内再生能源法的推进实施，城市垃圾分类收集政策的推广，厌氧消化工程在国内的投产运行取得经验，厌氧消化技术处理有机生活垃圾势必会得到飞快发展。尤其是两相消化与联合消化（有机物与污泥等）技术的应用，高固体厌氧消化反应器的应用，在处理蔬菜水果垃圾时具有明显优势；加上垃圾分选、预处理技术的成熟，利用厌氧消化技术处理有机废弃物在国内的推广势必有广阔的前景。
参考文献：
[1]Maria KelleherANAEROBIC DIGESTION OUTLOOK FOR MSW STREAMSBioCycle August 2007, Vol. 48, No. 8, p. 51;
[2]中国统计年鉴2007
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