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1、 计算机在环境科学中 的应用（论文）题 目：城市生活垃圾厌氧消化处理工艺探讨学 院： 市政与环境工程学院 专 业： 环境科学 姓 名： 刘继东 学 号： 0224101 指导老师： 刘雪平 二0一三年十一月计算机在环境科学中的应用（论文） 摘要摘要随着人民生活水平的提高，城市垃圾的产生量日益增大，成为影响人类生存环境和社会发展的重大问题之一，许多城市已经陷入垃圾的包围之中。在垃圾的处理方式中，作为一种可回收能源的有机废物处理方法，厌氧消化在城市有机垃圾的处理方面越来越受到青睐。本文首先对我国城市生活垃圾的来源、组成、特性、危害及常用的垃圾处理技术进行了简要概括，指出垃圾焚烧、垃圾填埋和堆肥处理
2、的都不是可持续发展的要求。着重讨论了城市生活垃圾厌氧消化处理技术:厌氧消化技术的原理、发展历程、优势及工艺类型。通过详细分析垃圾成分、碳氮比、接种物、温度、PH值、总固含率、有机负荷率以及搅拌对厌氧消化的影响，并通过探讨典型的城市生活垃圾厌氧消化处理工艺，提出了适宜于我国城市生活垃圾厌氧消化处理技术-单相厌氧中温消化工艺。关键词：城市生活垃圾，垃圾处理，厌氧消化，沼气I计算机在环境科学中的应用（论文） 目录目录摘要I目录II1城市生活垃圾的现状以及常用处理方法11.1城市生活垃圾的现状1 1.1.1城市生活垃圾的产生量1 1.1.2生活垃圾的分类2 1.1.3垃圾的危害31.2城市生活垃圾的处
3、理技术4 1.2.1填埋处理4 1.2.2 堆肥处理5 1.2.3 焚烧处理5 1.2.4技术比较62城市生活垃圾的厌氧消化处理技术72.1厌氧消化处理技术概况7 2.1.1厌氧消化处理原理7 2.1.2厌氧消化技术发展历程9 2.1.3厌氧消化处理的优势102.2厌氧消化处理工艺流程11 2.2.1厌氧消化处理工艺的类型11 2.2.2厌氧消化过程的影响因素13 2.2.3典型工艺及流程153.厌氧消化处理城市垃圾的应用趋势193.1城市生活垃圾厌氧消化技术潜力分析19 3.1.1垃圾成分的变化19 3.1.2厌氧消化处理方法的多样性20 3.1.3国情下厌氧消化的实际效益213.2城市生活
4、垃圾厌氧消化处理工艺选择21 3.2.1参数的优化21 3.2.2发展趋势254总结26参考文献27II计算机在环境科学中的应用（论文） 城市生活垃圾的现状以及常用处理方法1城市生活垃圾的现状以及常用处理方法进入20世纪90年代以来，全世界每年平均新增垃圾（不包括工业废渣）约17.85亿万吨，平均每天新增垃圾486.04万吨。在全球经济发展缓慢（年平均增长速度在35%）的情况下，垃圾却以年平均8.37%的速度增长。据此速度计算，到2100年，地球陆地表面将被垃圾包围，21世纪地球将成为垃圾的世界1。我国城市生活垃圾随着我国经济的不断发展，城市化进程越来越快，人口的急速增长，城市生活垃圾问题愈发
5、的严重。城市垃圾的产生量以每年89%的速度迅速增长，城市人均垃圾日产生量超过1kg/d，接近工业发达国家的水平2，不完全统计资料显示，目前我国城市生活垃圾累积堆存量已达70亿吨，占地约5.3万hm2且呈不断增长态势。全国668个城市中有约2/3处于垃圾包围之中。城市生活垃圾的产生及特点由于我国正处于发展之中，城市中除了常住居民外，还有大量的流动人口涌入，导致城市生活垃圾倍增。1.1城市生活垃圾的现状1.1.1城市生活垃圾的产生量城市生活垃圾，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。它们是在一定时间和地点无法利用而被丢弃的
6、污染环境的固体、半固体废弃物质。我国自1979年以来，我国城市生活垃圾的产生总量以每年8%10%的速度增长，少数经济发达城市如北京则达到15%20%。2000年我国城市生活垃圾清运总量为1.18亿吨。城市生活垃圾的快速激增主要由城市化进程加快，导致城市人口、城市规模增加所至。研究表明，城市生活垃圾的产生量一般随经济发展而增长, 当达到发达国家水平后垃圾产生量会趋向平稳增长。表1.1 我国近年来人均垃圾产生量年份总产量（亿吨）总产变化率%人均产生量（dun/年）人均产生量变化率%变化率%19961.080.0819981.130.0290.74-0.02520001.180.0350.71-0.
7、01520021.360.0130.74-0.02920041.550.0440.740.007220061.48-0.050.7-0.0720082.20.04820103.520.60.52据有关资料报道，目前我国城市垃圾人均年产生量达到440kg，2010年我国城市生活垃圾量达到了3.52亿t，居世界第一，且每年以8%10%的速度增长。中国近年来的“城中村改造”和“新农村”的建设，城镇化的加速发展，加上人民生活水平提高，人均消费水平的提高，使生活垃圾产生量急剧上升。1.1.2生活垃圾的分类根据垃圾不同的来源，城市垃圾可分为居民生活垃圾，街道保洁垃圾和集团垃圾三大类3。不同规模的城市，其生
8、活垃圾的组成成分也不尽相同。城市生活垃圾主要包括：居民的生活垃圾；清扫垃圾；社会团体垃圾。居民的生活垃圾主要包括食品残渣、纸屑、布料、木材、金属、玻璃、塑料、橡胶、陶瓷、燃料灰渣、碎砖瓦、废弃具、杂品等。清扫垃圾中主要是指公共场所所产生的废弃物，包括泥沙、灰土、枯枝败叶、商品的包装等。而社会团体垃圾主要指的是商业、工业、事业单位所产生的废弃物，不同的单位产生的垃圾成分有较大的不同。三者比例大致为：60%、10%和30%。生活垃圾主要特点是含水率低、含有高热值废物、易燃物质较多。如表1.2所示：随着地域的变化，生活垃圾中各组分的比例也有较大的变化，城市垃圾的成分多以厨余垃圾为主。表1.2 中国部
9、分城市垃圾的组成成分有机物（%）无机物（%）城市厨余废纸纤维木材塑料橡胶玻璃陶瓷金属煤灰泥砖其他北京39.00 18.20 3.56 -10.35 13.02 2.96 10.93 2.00 天津50.11 5.53 0.68 -4.81 -上海70.00 8.00 2.80 0.89 12.00 4.00 2.19 2.19 -重庆38.79 1.04 0.97 1.58 9.10 9.03 37.99 37.99 1.00 广州63.00 4.80 3.60 2.80 14.10 4.00 3.80 3.80 -深圳58.00 7.90 2.80 5.19 13.70 3.20 8.00
10、8.00 -南京52.00 4.90 1.18 1.08 11.20 4.09 20.64 20.64 3.00 无锡41.00 2.90 4.98 3.05 9.83 9.47 25.29 25.29 2.58 合肥44.97 3.57 2.98 2.52 10.22 4.24 28.40 28.40 2.30 宜昌29.54 1.22 0.73 1.05 1.13 8.03 55.82 55.82 2.00 1.1.3垃圾的危害侵占土地城市生活垃圾（MSW）的恶性累计，已成为世界性的环境灾难。据不完全统计，近年来我国城市固体废弃物堆放量已高达7.0109t，侵占土地面积约6.0108m2。
11、城市生活垃圾大量堆放，不仅侵占了大量的农田、滩涂、河道和山沟，甚至有的地区城乡交界处的道路两侧和自然风景区也随处可见大量生活垃圾。全国668座城市中约有200座城市处于垃圾污染重围之中4-6。长期的堆放加上城市垃圾中有机物含量的提高，垃圾会因为自然发酵产生大量甲烷引起爆炸事故和火灾。1994年1月8日湖南省岳阳市羊角山垃圾填埋场发生了垃圾大爆炸。污染大气城市垃圾在城市和城市周围大量堆积，会严重污染着空气。生活垃圾中富含有机物，露天堆放时会自然发酵，产生大量的有害气体，周边臭气袭人。正常大气中二氧化碳浓度约为300ppm，即0.03%；当浓度达到0.05%时，会对人体产生危害。空气中甲烷浓度达2
12、5%30%时，会导致头晕乏力，不及时撤离会使人窒息死亡。硫化氢遇空气后氧化成二氧化硫，大气中二氧化硫浓度达到（13）ppm时多数人开始会感觉到刺激；在（400500）ppm时人会出现肺水肿等症状直至窒息死亡。污染水体城市生活垃圾中含有病原微生物，在堆放腐败过程中会产生大量的酸性和碱性有机污染物，并会将垃圾中的重金属溶解出来，形成有机物、重金属和病原微生物三位一体的污染源。任意堆放的垃圾或简易填埋的垃圾，其所含水分和淋入垃圾中的降水产生的渗淋液流入其周围的地面水体和渗入土壤，会造成地面水体和地下水体的污染7-9。污染土壤危害农业生态垃圾中的重金属污染元素，会直接破坏土壤结构和水质，从而破坏农业生
13、产。金属在自然界中衰减缓慢，通过在作物、水生物或饮用水中积聚并通过食物链最终危害人体健康。1.2城市生活垃圾的处理技术目前，我国现有的城市生活垃圾主要处理方式有填埋、堆肥、焚烧、厌氧发酵。1.2.1填埋处理填埋又称土地填埋，即采用适当的方法，把垃圾掩埋到土地中去使之不再污染大气、水体、威胁人类健康。填埋用于最终处置，已有多年历史。以前是简单填埋，20世纪20年代起发展成科学填埋，分为卫生填埋与安全填埋两种。长期以来，大部分城市垃圾都是采用露天堆放、填坑和填沟等自然方式处理。随着城市化进程的加速、城市管理者环保理念的增强，近年来，许多大中型城市根据本地区垃圾成分特点，在考虑了环保因素的前提下，相
14、继建成了一批具有较高环保水平的卫生填埋场。此种方式目前仍为我国最主要的垃圾处理方式。填埋方式具有处理量大，过程简单且成本较低的优点。虽然考虑到了一些制约因素，但缺点明显，容易造成二次污染，对垃圾填埋场周围空气造成严重污染。同时，垃圾渗滤液对地下水的影响严重。垃圾渗滤液具有三氮、总硬度、盐类浓度高的特点，工业垃圾还可能含有浓度高的有毒有害有机污染物，一旦渗漏进入地下水，将会对地下水造成严重污染。1.2.2 堆肥处理垃圾堆肥，将垃圾在在一定人工控制条件下，通过生物化学作用，是垃圾中的有机成分分解转化为比较稳定的腐殖质肥料的过程，其实质是一种发酵过程。根据发酵过程中微生物对氧的需求关系，又可分为好氧
15、与厌氧。厌氧堆肥是将垃圾与空气隔绝的条件下堆积发酵，其机制与污水处理厂污泥厌氧消化过程相似。由于厌氧堆肥所需要时间较长，一般需要10个月，且环境恶劣，仅适用于小规模农家堆肥。好氧堆肥通过好氧微生物的作用使垃圾中有机物发生一系列分解反应，最终转化为简单而稳定的腐殖质的过程，并利用垃圾或土壤中存在微生物，在温度、水分和氧气等一定条件作用下，使垃圾中的有机物发生生物化学反应而降解（消化）,形成一种类似腐蚀质土壤的物质，可改良土壤肥度。近年来，我国垃圾堆肥发展较快。许多城市建立适合本地特色的机械化垃圾堆肥处理生产线（如北京南宫堆肥厂），还有相当一部分的简易垃圾堆肥厂。堆肥能够把垃圾再次利用，减少了资源
16、的浪费，但是过程较长，且工艺复杂。1.2.3 焚烧处理焚烧是一种城市垃圾的高温热处理方法，即在8001000的高温下，使垃圾燃烧分解以达到稳定化、减量化，同时回收垃圾中的热能。焚烧法多用于热值较高的垃圾。焚烧法的主要优点有：占地面积少，处理周期短（几个小时即可）；效果好，减量率可达到90%；残渣性质稳定；处理不受天气影响；而且可以回收热能；对热值高的垃圾，不但不需要补充辅助燃料，还可输出热能以供发电10。其中主要缺点是：投资大、处理费用高、对垃圾热值有一定的要求（800kcal/kg）、焚烧废气对大气有严重污染，在焚烧过程中所排烟气中存在一种二恶英的有毒有害气体，是能够引发癌症、皮肤病和生殖障
17、碍的环境激素。为此，预防垃圾焚烧产生二次污染，加强排烟监测和控制二恶英产生量等，仍是制约此项技术广泛推广应用的重要因素。1.2.4技术比较表1.3 我国生活垃圾几种处理技术的比较指标卫生填埋焚烧好氧堆肥投资（104/d）20-3040-6525-35经济规模100050-150投资风险低中等较高对垃圾的要求无要求热值有机物含量高二次污染渗透液烟气渗透液环境效益低较好中 我国城市生活垃圾的处理方式主要有填埋、焚烧和堆肥。2005年底统计的城市生活垃圾处理设施中85.2%为填埋，5.6%为焚烧，9.2%为堆肥。这3种方式都具有各自的优势和特点，也具有技术本身的弊端。卫生填埋占地面积大，而且对于土壤
18、、地下水和大气都会造成现实的影响和潜在的危害；焚烧对于热值低的废物来说是对资源的极大浪费，而且在焚烧的过程中易产生烟尘及剧毒二恶英(dioxin)污染物而形成二次污染；好氧堆肥是一个耗能过程，需要输入能量去曝气，最后又产生温室气体CO211。由于目前立法对环境的要求越来越严格，加上城市垃圾实现了分类收集，这些都为垃圾的处理提供了条件。在各种处理方法中，生物方法是处理分类收集有机部分的一种较好方式，它能最大程度地循环再用和富集废物中的有用成分。采用厌氧消化技术处理城市生活垃圾，不仅可以解决环境问题，减少温室效应气体的排放，还可以产生洁净能源、有机肥料和土壤改良剂，能真正实现垃圾处理的“无害化、减
19、量化和资源化”。30计算机在环境科学中的应用（论文） 城市生活垃圾的厌氧消化处理技术 2城市生活垃圾的厌氧消化处理技术2.1厌氧消化处理技术概况 厌氧消化处理废弃物已有多年历史，但工业化的大规模运用从二十世纪初才开始，由于运转不稳定，操作较复杂，运用一直不多，直道70年代，由于能源危机，许多国家开始寻找新能源，从而把目光转向了可产生沼气的厌氧消化技术。特别是近二十年的发展。据统计，在德国大约有520座厌氧消化处理反应器。在欧美,固体废物的厌氧消化在研究和实际应用中都得到了很好的发展, 现在已经是一项很成熟的技术。根DeBaere的资料，在过去的10年中,欧洲固体垃圾总的厌氧处理量由1990的1
20、.22105t/a发展2000年的1107t/a以上，即欧洲的有机垃圾量已有四分之一是经厌氧处理的。我国在厌氧消化处理生活垃圾的发展较晚，目前也兴建了一些生活垃圾综合处理厂，如采用湿式厌氧中温消化工艺技术的上海综合垃圾处理厂。2.1.1厌氧消化处理原理厌氧消化是生活垃圾的厌氧发酵是指微生物在无氧条件下分解有机物产生沼气的过程。复杂的有机物首先通过快速增值和对pH 敏感的酸化菌将其水解和发酵转化为挥发酸。挥发酸通过乙酸菌氧化为乙酸盐、分子氢和二氧化碳, 甲烷菌再将这些物质转化为甲烷. 一般厌氧消化可分为水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段12。厌氧消化是一种普遍存在与自然界的生物学过程，是一
21、个复杂的过程。工业化的厌氧消化工艺是指人工的控制厌氧消化所需要的环境条件和营养条件，使整个发酵过程快速、高效、稳态的进行。这可使自然厌氧发酵的时间降低几十倍。厌氧消化是在厌氧环境下（氧化还原电位为负值）有机质自然降解的过程。在这个过程中，有机物不断被几种微生物分解，最后将其中的碳以甲烷和二氧化碳的形式释放出来。决定甲烷生成的环境条件主要有温度（介质温度或热度）、pH 值（7.0 左右）、厌氧条件（氧化还原电位）、C/N（氨密度平衡）、微生物营养（如 Ni、Co、Mo）、有毒物质和抑制剂的多少、有机负荷率、含水率、搅拌装置、破碎程度等13。厌氧发酵是一个复杂的生物学过程，在自然界内厌氧发酵过程也
22、广泛存在着。有机物在有水的地方，在无氧条件下，很容易发生厌氧发酵，产生厌氧发酵的代表产物 甲烷和硫化氢。厌氧微生物，即能在无氧条件下分解有机物的微生物，在地球上的分布是十分广泛，其中包括人和动物的肠胃、植物的木质组织、江河湖海的沉积物，另外在各种污泥、粪便、沼泽、生活垃圾和稻田土壤中，都有不同数量的厌氧微生物存在。项目开发的生活垃圾厌氧发酵工艺，是用人工的方法创造厌氧微生物所需要的营养条件和环境条件，使设备内积累高浓度的厌氧微生物，以加速发酵过程，使生活垃圾迅速转化为甲烷和二氧化碳。人工厌氧发酵的速度大大超过自然界中自发的厌氧发酵过程。与传统的卫生填埋相比，厌氧消化过程由几年缩短到15天左右；
23、与好氧堆肥相比改变了占地大、处理时间长、管理复杂和有气味的问题，厌氧消化处理具有可控制、易操作、降解快、生产过程封闭，产量可计量和再利用等特点。以下四个阶段14组成了厌氧消化的总过程,这四个阶段是依次连续发生的。水解阶段这个阶段的水解包括对蛋白质、脂类、碳水化合物的水解，是简单的溶解性单体或二聚体转化为复杂的非溶解性的聚合物的阶段大分子有机物是不能够被细菌直接利用的，这是因为它们的分子质量大，细胞膜对其有阻挡作用，因此，对于大分子有机物，或者是悬浮物废液，水解比较慢，这个阶段是厌氧降解的限速阶段。除此之外，影响水解速度的原因还有不少。发酵阶段这个阶段包括了糖、氨基酸、高级脂肪酸以及醇类的厌氧氧
24、化。有机化合物既接受电子，又提供电子的生物降解过程就是发酵。在此过程中，之前水解时生成的小分子化合物，通过发酵菌细胞内的作用,成为简单的末端有机物，并且被排出细胞，因此，发酵阶段又叫做酸化阶段。发酵阶段会产生很多末端产物，比如二氧化碳、氢气、挥发性脂肪酸等等。除此之外，发酵菌会生成很多剩余污泥，为废物的厌氧提供资料，这个过程要依赖发酵菌结合部分物质，合成细胞质。产乙酸阶段在这个阶段，会产生为氢气、碳酸、乙酸以及新的细胞物质。这些都是由之前的发酵阶段的末端产物转化而来的，而高级脂肪酸的生物降解是依照氧化原理而来的。在这个过程中在此阶段,乙酸、二氧化碳和氢气是由发酵阶段末端产物转化而来。转化细菌是
25、产氢产乙酸菌，这种菌能够把挥发性脂肪酸降解为氢气和乙酸产氢产乙酸菌可能是绝对厌氧菌，或者兼性厌氧菌在乙酸浓度较低，液体中的氢分压也低的情况下，这个过程就能顺利完成。产甲烷阶段这个阶段主要包括了，乙酸转化为甲烷、氢气和二氧化碳反应生成甲烷。在此阶段,产甲烷细菌有两条路径,使乙酸、碳酸、氢气、甲酸等转变为二氧化碳。第一条路径是有二氧化碳的时候,将二氧化碳和氢气反应生成甲烷，第二条路径是用乙酸来产生甲烷，而一般情况下，只有三分之一的甲烷是来自于氢气和二氧化碳的作用，剩下三分之二来自于乙酸的分解。除了这四个阶段的分类以外，还有一些资料中，将整个厌氧消化过程分为三个阶段，即水解和发酵阶段，产氢、产乙酸（
26、酸化阶段）和产甲烷三个阶段。2.1.2厌氧消化技术发展历程厌氧消化处理废弃物在国外已经已经有很长的发展历史，最早产生于19世纪80年代。在过去10-15年，欧盟利用生物能发电和产热技术每年以2-9%的速度增长。特别是1990-2000年期间，生物能生产的增加量是同时期8倍，相比于堆肥厂的装机容量。厌氧处理量还不算大。厌氧消化处理生活垃圾作为新生能源，在发达国家得以重视。在国外，厌氧消化法处理城市垃圾的比例不断增加。固体废物的厌氧消化技术已发展到相当成熟的地步，厌氧消化处理已经被证实具有广阔的发展前景。随着从源头分类收集的垃圾逐渐增加，收集的有机垃圾量也越来越大。这部分有机垃圾非常适合于进行厌氧
27、消化处理。有机垃圾厌氧处理所占比例将快速增加，丹麦2000年厌氧处理废弃物量达111万吨；美国拥有世界上最大的垃圾甲烷工厂，日产气量达28.3万m3；波特兰市的沼气工厂每天处理2000t以上的垃圾。近10年来欧洲生活垃圾的厌氧处理量不断增长，而且增长的幅度也不断上升，近5年的增长速度是前5年增长速度的5倍。2000年欧洲的有机垃圾量有10.37万t，其中1/4是用厌氧方法处理的。欧洲处理能力在500t/a-3107t/a的厌氧消化工厂在世界上站的比例达到91%，其中德国占35%亚洲由于经济与科技的原因，其比例只占7%。近几年来，混合生活垃圾的处理量也有了一个比较大的增长。欧洲的有机垃圾量已有四
28、分之一是经厌氧处理的。其中德国、瑞士、丹麦等西欧国家处于厌氧消化技术领先地位，并已经将此项技术成功地市场化。例如，在德国大约有520座厌氧消化反应器，其中用于城市垃圾处理的大约有49座。厌氧消化技术最早应用于高浓度有机废水的处理中，在城市垃圾的处理所占的比例还小。自1920年英国农学家Albert Howard15在印度发明了厌氧堆肥法以来经过了不断地技术革新。近年来，逐步形成了以湿式完全混合厌氧消化、厌氧干发酵、两相厌氧消化等为主的工艺形式。目前，全世界每年大约有100万吨的有机废物经过厌氧消化处理，一方面产生物气，另一方面实现了废物的稳定化。尤其在欧洲和美洲，固体废物的厌氧消化在研究和实际
29、的应用中都得到了很好的发展，现在已经是一项很成熟的技术。厌氧技术在发达国家已经将其应用于实践并得到不断地发展。我国农村和小城镇厌氧发酵处理有机垃圾已有100多年的历史。19世纪末广东沿海就出现了适合农村应用的制取沼气的简易发酵池。20世纪70年代末到80年代初，我国农村沼气建设在政府的关心和支持下，得到了空前发展，各种技术规范已相继出台。我国第一次沼气推广高潮发展形成了具有中国特色的农村水压式沼气池16。在2001年我国已有家用沼气池800多万个，大中型沼气池1000多个17。虽然厌氧消化技术在我国已有悠久历史，但应用于垃圾处理仍处于研究阶段，厌氧处理在城市垃圾处理方面的应用，除少量废水处理厂
30、的污泥进行厌氧处理外，真正城市垃圾进行厌氧消化处理的很少。2.1.3厌氧消化处理的优势厌氧消化后产生的沼气是清洁能源，实现能量的回收利用；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在有机物质转化成甲烷的过程中实现了垃圾的减量化厌氧消化过程不需要氧气，动力消耗小，因而运行成本较低；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。 环保效益厌氧消化技术能够最大限度的循环和再利用垃圾的成分, 在处理过程中避免了造成二次污染的有害有毒气体和液体的排放, Kuler（1999年)等报道, 每吨城市固体有机垃圾用分选+厌氧
31、消化+填埋方式处理比用分选+堆肥+填埋的方式处理产生的二氧化碳的量要少0.2t。利用厌氧消化工艺可以有效改善农村生态环境，减少温室气体的排放，有效控制大气污染源。因此，此运用厌氧消化技术处理城市生活垃圾可以获得较好的环保效益。 经济效益厌氧消化技术处理生活垃圾对垃圾中的有用物质及能量加以回收和利用, 使其无用部分达到无害化、减量化, 真正做到了物尽其用。以我国2000年的垃圾量来估算,大约可以获得25亿m3左右的沼气, 其经济效益相当可观。另外, 城市生活垃圾进行厌氧消化处理的残留物无论是作肥料还是作饲料都可取得较好的经济效益。2.2厌氧消化处理工艺流程2.2.1厌氧消化处理工艺的类型厌氧反应
32、器一般由：密闭反应器、搅拌系统、加热系统和固液气三相分离系统。厌氧消化的主要工艺按照厌氧反应器的操作条件如进料的固含率、运行温度进料方式、反应级数等分为以下几类18，19按运行温度分类按运行温度分为：常温消化、中温消化（35左右）和高温消化（54左右）。按照固含率可分为湿式、干式 厌氧消化工艺根据废物中有机固体浓度大小可以分为干式厌氧消化工艺和湿式厌氧消化工艺。湿式：垃圾固含率10%15。 干式：垃圾固含率20%40%。 湿式单级发酵系统与在废水处理中应用了几十年的污泥厌氧稳定化处理技术相似，但是在实际设计中有很多问题需要考虑：特别是对于机械分选的城市生活垃圾，分选去除粗糙的硬垃圾、将垃圾调成
33、充分连续的浆状的预处理过程非常复杂，为达到既去除杂质，又保证有机垃圾进入正常地处理，需要采用过滤、粉碎、筛分等复杂的处理单元。这些预处理过程会导致15%25%的挥发性固体损失。 并且湿式厌氧工艺中有机固体废物通常要用水稀释到进料中TS低于15%20。浆状垃圾并不能保持均匀的连续性，因为在消化过程中重物质沉降，轻物质形成浮渣层，导致在反应器中形成了三种明显不同密度的物质层。重物质在反应器底部聚集可能破坏搅拌器，因此必须通过特殊设计的水力旋流分离器或者粉碎机去除。干式发酵系统的难点在于：其一，生物反应在高固含率条件下进行；其二，输送、搅拌固体流。但是在法国、德国已经证明对于机械分选的城市生活有机垃
34、圾的发酵采用干式系统是可靠的。Dranco工艺中，消化的垃圾从反应器底部回流至顶部。垃圾固含率范围20%50%。Kompogas工艺的工作方式相似，只是采用水平式圆柱形反应器，内部通过缓慢转动的桨板使垃圾均质化，系统需要将垃圾固含率调到大约23%。而Valorga工艺显著不同，同为在圆柱形反应器中水平塞式流是循环的，垃圾搅拌是通过底部高压生物气的射流而实现的。Valorg工艺优点是不需要用消化后的垃圾来稀释新鲜垃圾，缺点是气体喷嘴容易堵塞，维护比较困难。Valorga工艺产生的水回流使反应器内保持30%的固含率，且艺能单独处理湿垃圾，因为在固含率20%以下时重物质在反应器内发生沉降。表2.1、
35、2.1是湿式、干式发酵系统各自的优缺点。表2.1 湿式发酵系统的优缺点项目优点缺点技术有已知的技术而来短流、有沉降和浮渣层、预处理复杂生物反应反应用新鲜水稀释对冲击负荷敏感、挥发性有机物与惰性物质、塑料易损失经济与环境处理设施便宜（因为垃圾经过了预处理）水得消耗大、加热量表2.2 干式发酵系统的优缺点项目优点缺点技术反应器内部没有移动部分、系统稳定、不会短流湿垃圾（ts20%不能单独处理）生物反应预处理中挥发性有机物损失较少、有机物负荷高、抗冲击负荷很少用新鲜水经济与环境预处理便宜、反应器小，安全卫生、用水量小、加热量小处理设备造价高根据1999年DeBaere的调查，20世纪80年代后建立的
36、消化工艺过程多是干式发酵工艺。按照阶段数可分为单级、多级。 目前，工业上一般用单级系统，因为设计简单、一般不会发生技术故障。并且对于大部分有机垃圾而言，只要设计合理、操作适当，单级系统具有与多级系统相同的效能。厌氧消化可以分为 单相厌氧消化工艺和两相厌氧消化工艺。单相厌氧消化工艺是指消化过程在一个反应器中进行，多种菌群在同一环境中生存。两相厌氧消化工艺过程的酸性发酵分别在两个单独的反应器中进行，为产酸菌和产甲烷菌提供了各宗良好的生存环境，能够降低在有机负荷过高的情况下挥发有机酸积累对于后续加完产气的抑制，降低反应器中不稳定因素的影响，提高反应器的负荷和产气的效率21。在两相厌氧消化工艺中，可以
37、根据实际需要在产酸相和产甲烷相应用高效的厌氧反应器如UASB。但事实上，在实际的市场运作中，两相消化并没有表现出优越性，在欧洲固体垃圾厌氧消化中，两相消化多占的比重比单项消化要小得多，普遍认为，从运行的稳定性考虑，两相厌氧生物处理工艺适合处理已酸化的可溶性有机废水。Hobson认为如果发酵的第一步是聚合物的水解如垃圾的水解，则两项工艺不可行，因为复杂有机物的发酵需要很长时间，限速步骤往往是产酸阶段。另外，两相消化系统 需要更多的投资，以及运转维护也更为复杂。目前，工业上一般用单相厌氧消化系统，因为设计简单，一般不会发生技术故障。并且对于大部分有机垃圾而言，只要设计合理，操作适当，单级系统具有与
38、两相厌氧消化系统相同的效能。按照进料方式分为序批式、连续式。 序批式是消化罐进料、接种后密闭直至完全降解,之后，消化罐清空，并进行下一批进料。连续式：消化罐连续进料，完全分解的物质连续从消化罐底部取出。 不同类型的厌氧反应器在市场中占的份额也不同：中温消化、高温消化都是可行的技术，实际运行的处理厂，中温消化占62；湿式、干式系统各占一半；而单级消化、两相消化的比重相差大，其中两相消化占10.6% 。2.2.2厌氧消化过程的影响因素预处理在城市生活垃圾的厌氧消化过程中, 发酵底物的理化性质对发酵效率、发酵间、产气质量等有很大的影响。现有的预处理方法可分为物理预处理法、化学预处理法和生物预处理法。
39、其中物理和化学预处理的应用较为广泛。物理预处理包括切碎、研磨、冲击碰撞和蒸汽爆破等方法, 几乎存在于所有厌氧消化工艺的预处理阶段。化学预处理普遍运用于难降解固体有机物的处理中, 针对不同的固体有机物, 通常采用酸、碱、碳酸氢盐等浸泡的方式进行处理, 热处理和臭氧处理对厌氧消化过程具有显著的优化作用。PH值PH对厌氧消化的影响较大，尤其是在启动阶段(酸化阶段)，合适的pH有利于产甲烷微生物的生长代谢，并建立产酸与产甲烷微生物群落之间的平衡。厌氧发酵微生物的正常生长、代谢适宜pH值为6.5 以上都会对产气产生抑制作用。如果厌氧环境中pH值发生变化，将会改变细胞膜电荷，影响微生物对营养物质的吸收，在
40、代谢过程中酶的活性降低；以及有害物质的毒性改变对pH值、微生物都有一个适应范围。一般而言,相比对温度变化的适应性,微生物对pH值变化的适应性要差一些,特别是产甲烷菌对pH值的变化比较敏感产甲烷菌的适宜范围是6.8到7.2之间。一般情况下，6.5到7.8是反应器的基本pH范围，如果超出这个范围，产甲烷菌就会受到抑制作用，而产酸菌对环境PH值的适应性就比较强，一些产酸菌在5.5到8.5内，有的甚至在pH值5.0以下环境中。温度温度是影响厌氧消化工艺的重要参数，对消化程度、启动时间、产沼气中甲烷体积分数等均有重要影响。厌氧发酵中产甲烷菌最佳生长温度为中温(30-35)和高温(50-65)。国内外也有
41、许多研究探讨温度对发酵效率、产期质量的影响。在高温条件下, 微生物比生长速率和有机质降解速率都较高，能缩短发酵物的停留时间，提高生物气产率和病原微生物去除率，提高了沼肥质量和使用安全性。从工艺角度看，高温条件下需要消耗较多能量，管理复杂。温度的选择需要根据原料特性、当地气温、运转费用、管理费用等综合研究决定。垃圾的组分和粒度Saint-Joly等通过许多大型垃圾处理厂的实际运行数据证明了有机废物的组分强烈地影响着厌氧消化过程的性能。Palmowski等研究了有机废物粒度的减少对厌氧消化过程的影响：颗粒粒度减小能引起比表面积增大。一方面可以提高纤维素的可生化性，加大产气量，使垃圾的减量化程度提高
42、；另一方面可以减少有机废物消化的时间。Kim等研究了厨房垃圾的颗粒粒度对基质利用率的影响，研究结果表明：当厨房垃圾颗粒尺寸由1.02mm增加到2.14mm的时候，基质的最大利用率由0.0033h- 1降到了0.0015h-1。这证明了颗粒粒度在厨房垃圾的厌氧消化过程中是一个重要的影响因素。接种物厌氧消化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统22。厌氧消化处理中菌种的多少和质量的好坏直接影响沼气的产生。当接种物适量且适当时, 可以缩短发酵时间, 防止
43、酸积累。垃圾发酵对接种物(活性污泥)要求的相关研究并不多，垃圾本身的成分极为复杂，含有对微生物有不同程度毒害作用的物质。一些学者研究了不同来源的接种物对垃圾发酵产沼气的影响, 分别取河底、垃圾填埋场、沼气池的活性污泥，从生活垃圾的总固体和挥发性固体的降解率、池容产气量、沼气产气潜力4项指标进行比较，结果表明：垃圾填埋场污泥厌氧发酵产沼气具有产气快、产气潜力较大、甲烷含量较高的优点，是理想的城市生活垃圾厌氧消化接种物。搅拌搅拌是沼气发酵工艺中的重要操作单元，对反应器进行搅拌，可使反应器内温度均匀，使微生物与发酵原料充分接触，加快厌氧消化速度，提高产气量。搅拌装置是整个沼气发酵工艺中高能耗装置。搅
44、拌工艺设计恰当与否，不仅关系到实际发酵效果，而且会影响整体工艺的经济性。2.2.3典型工艺及流程湿式连续单级发醉系统 JVVOY工艺德国Bottrop处理厂 Ecotech公司在德国柏林建造了处理量30 000t/a的有机垃圾处理厂。工艺流程图2.1。气运行过程包括分类收集的垃圾经过预粉碎阶段和磁选后，进人滚筒筛筛分，分选出有机垃圾与可燃垃圾。可燃垃圾进入流化床焚烧炉，剩余的有机垃圾进入垃圾池，再加水调节固含率至15%。分离出惰性杂质后，通过泵将垃圾输送到厌氧消化器。图2.1 湿式连续多级发酵系统流程图系统包含两个平行生产线。厌氧消化温度为35，固体停留时间15-20d。（此工艺也可以在55进
45、行高温消化）。单个消化器容积可达5000m3。反应物质通过生物气混和搅拌。有机物质经发醉后，再进行巴斯德消毒（70，30min )就得到了标准的肥料23。湿式连续多级发醉系统 在湿式连续多级厌氧发酵系统中，分类收集的垃圾运到工厂后被倒入垃圾池中，再开包后送到粉碎蹦打成浆状物，且去除塑料与惰性物质，可生化降解浆状物在70下预处理1h消毒，并加入NaOH以提高下一阶段的降解率。物料被分成轻液体和泥浆，液体被泵打入生物反应器，而泥浆则进入水解池转化为有机酸，经水解后的液体部分被泵打入生物反应器24，工厂装有热交换器，这样从消化器中出来的热产物能用于加热预处理阶段的物料。通常，生物反应器排出的物料，在国外液体作为液体肥料直接出售，固体则通过一系列的制肥工艺，用于生产优质的有机肥。多级工艺原理：有机垃圾分别在不同的反应器内进行酸化水解、产甲烷。首先将垃圾通过固液分离机分为固体和液体，液体部分直接进人产甲烷阶段反应器进行消化12d；固体部分进人水解池，