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淺談我國當前城市生活垃圾厭氧消化處理

更新時間:2009-11-05 14:56 來源: 作者: 閱讀:2792 網(wǎng)友評論0

一、前言

城市垃圾已成為當今世界的一大公害,也成為我國環(huán)境污染的突出問題之一。近幾年來,我國城市生活垃圾產(chǎn)量達1億多噸,且每年以10%的速率增長。而且隨著城鎮(zhèn)化進程的加快,垃圾產(chǎn)量將持續(xù)增長。傳統(tǒng)的垃圾處理,填埋、堆肥和焚燒是最常用的方法,但由于垃圾衛(wèi)生填埋和焚燒處理的環(huán)保要求較高,焚燒和填埋成本也隨之增加,且這些方式本身存在一定的弊端,對土壤、地下水和大氣都會造成嚴重污染局面。由于環(huán)境立法的日益嚴格和垃圾的分類收集,為垃圾處理提供了條件。在各種處理方法中,生物方法成為處理分類收集有機部分的一種有效方式,它能最大程度地循環(huán)利用有用成分。在生物處理方法中,利用微生物將有機物轉化為甲烷、二氧化碳、無機營養(yǎng)物和腐殖質的厭氧技術逐漸引起人們的重視。

二、我國垃圾處理現(xiàn)狀及存在問題

解決垃圾問題的目標是將垃圾減容、減量、資源化、能量化及無害化。目前主要有填埋、堆肥及焚燒處理三種方法。填埋是目前我國大多數(shù)城市解決生活垃圾出路的主要方法,到2003年底全國共有559座生活垃圾填埋場,近85%的城市生活垃圾采用填埋處理。利用微生物分解垃圾有機成分的填肥處理,雖在我國具有悠久歷史,但由于各種原因目前堆肥處理的效率不高,限制了該處理方法的發(fā)展。垃圾焚燒技術在我國的研究和應用起步于八十年代中期,隨著我國東南部沿海地區(qū)和部分大中城市的經(jīng)濟發(fā)展和生活垃圾低位熱值的提高,不少城市已將建設生活垃圾焚燒廠提到了議事日程,目前正處于快速發(fā)展階段。

各種方法都具有自身的局限性。填埋處理不僅填埋掉了廢物,也埋掉了可回收利用的資源,填埋場占地面積大,且存在嚴重的二次污染,如地下水污染,土壤污染,堆放場產(chǎn)生的臭氣嚴重影響場地周邊的空氣質量等。堆肥周期長,占地面積大,衛(wèi)生條件差,堆肥處理產(chǎn)生的肥料肥效低、成本高,與化肥比銷售困難,經(jīng)濟效益差。而焚燒處理對垃圾低位熱值有一定要求,且垃圾焚燒對垃圾具有選擇性,焚燒不僅使垃圾中的可利用資源被銷毀,產(chǎn)生的大量煙氣,造成熱能損失。產(chǎn)生的煙氣必須凈化,凈化技術難度大,運行成本高,焚燒設備一次性投資大,焚燒產(chǎn)生的殘渣還必須消化。

當前,我國城市生活垃圾處理存在的問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)城市生活垃圾資源利用水平低下,與發(fā)達國家相比存在較大差距;(2)雖然我國各地均設有城市垃圾收集、運輸、處理的專門機構,但垃圾處理的整體水平較低,大部分城市垃圾采用混合回收方式,加大了垃圾出來難度,垃圾資源化未能引起相關部門的重視;(3)在我國垃圾處理的經(jīng)費主要來自國家和地方財政,資金主要用于垃圾的清運和掩埋處置,難以滿足資源化需求。

三、厭氧消化處理技術

(一)厭氧消化處理工藝

城市生活垃圾中的紙類、塑料、織物、金屬等被分揀回收利用后,剩余的主要是廢棄的動植物有機物質,其含水量高達80%左右極易腐爛,除了其中的木質素外都可進行厭氧消化降解。若利用傳統(tǒng)的填埋等方法進行處理,可能增加處理成本,造成二次污染。針對我國現(xiàn)行垃圾處理方式的弊端,應用厭氧消化技術處理城市生活垃圾,實現(xiàn)垃圾無害化,資源化和減量化的目標是可行的。

生活垃圾的厭氧發(fā)酵是指在無氧條件下,微生物分解有機物,其中的C、H、O轉化為沼氣-甲烷和二氧化碳,而N、P、K等微量元素存于殘留物中并轉化為易被動植物吸收利用的過程。有機物首先通過快速增值和對PH敏感的酸化菌將其水解和發(fā)酵轉化為揮發(fā)酸,揮發(fā)酸通過乙酸菌氧化為乙酸鹽、分子氫和二氧化碳,甲烷菌再將這些物質轉化為甲烷,一般厭氧消化可分為水解酸化階段、產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。

(二)厭氧消化工藝研究進展

厭氧消化處理城市垃圾,主要集中處理城市垃圾中廚房剩余垃圾以及庭院垃圾,德國、丹麥等歐洲國家已建成一批消化處理廠,利用廚房垃圾產(chǎn)沼氣的研究較為成熟。早在20世紀80年代厭氧消化技術已成為日本等國的研究課題,近年來,在引進歐洲技術的同時,地方政府支持進行了工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。厭氧消化技術最早應用于高濃度有機廢水處理,在城市垃圾處理中占的比例還小。1920年,英國農(nóng)學家AlbertHoward發(fā)明了厭氧堆肥法,而后通過不斷的技術革新,逐步形成了以濕式完全混合厭氧消化、厭氧干發(fā)酵、兩步厭氧消化等為主的工藝形式。

1.濕式完全混合厭氧消化。濕式完全混合厭氧消化(簡稱濕式工藝)應用最早也最廣泛,其液化、酸化和產(chǎn)氣3個階段在同一反應器內(nèi)進行,工藝過程簡單、投資小、運行和管理方便。早期消化工藝中沒有攪拌裝置,易引起分層現(xiàn)象,反應器中較輕的部分上升成浮渣層,較重的部分下沉成為底層,這樣在反應器中形成3個濃度不同的物理層,不但影響混合效果,而且損傷發(fā)酵設備。自上世紀90年代以來,攪拌器應用研究的快速發(fā)展,利用機械沼氣混合攪拌取得了很好的效果。但由于酸化、水解、產(chǎn)甲烷均在同一反應器中同時進行,通常認為在這個系統(tǒng)中各階段反應都不能達到各自最佳的反應條件,處理效率低。與其他工藝相比,濕式工藝含水量高,可以稀釋抑制物的濃度(固體濃度達15%),在一定程度上也加大了系統(tǒng)的抗抑制能力。

2.一步厭氧干發(fā)酵。濕式工藝的廣泛應用,為提高其處理能力,提出了一步厭氧干發(fā)酵系統(tǒng)。厭氧干發(fā)酵系統(tǒng)的固體濃度可以維持在20%-50%,大大提高了處理能力。干發(fā)酵系統(tǒng)中只有含水率非常低的原料需要進行稀釋,且用水量小。同時,厭氧干發(fā)酵系統(tǒng)對進料的分選要求不高,原料進入處理系統(tǒng)前,只需用滾筒篩將大的顆粒物去除即可。然而,從投資角度看,干發(fā)酵工藝比濕式工藝要高得多,另外,由于固體濃度的加大,需要設計能夠抗酸、抗腐蝕性強的發(fā)酵反應器。

3.兩步厭氧消化工藝。在濕式工藝和干發(fā)酵工藝中,垃圾中的有機質轉化為沼氣的過程是在一個連續(xù)的生化反應中完成,各個不同的反應階段難以達到其各自的最佳反應條件。例如酸化階段會導致PH值的下降,產(chǎn)甲烷階段要求接近中性或偏堿的環(huán)境,而兩步厭氧消化工藝即是要創(chuàng)造兩個不同的生物和營養(yǎng)環(huán)境條件如:溫度和PH等。典型的兩步工藝,在第一階段進行反應物的酸化和水解,第二個階段進行產(chǎn)甲烷。在微生物環(huán)境方面,水解產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌對厭氧環(huán)境的要求不同,只有在產(chǎn)甲烷階段,由于甲烷菌是嚴格的厭氧菌,才需要嚴格的厭氧環(huán)境。

4.制約厭氧消化處理工藝發(fā)展應用的因素。厭氧消化處理城市垃圾是一種古老的方法,其消化過程是一個動態(tài)、多相、多介質的物理、化學和生物反應緊密相關的復雜過程。其中有機物的生物、化學轉化及物質的傳輸與分布不易監(jiān)控,在城市垃圾分選、厭氧發(fā)酵工藝、二次污染的處理等方面都存在許多問題。制約厭氧消化處理技術在城市垃圾處理應用中的制約因素主要表現(xiàn)在:(1)城市垃圾的分選需投入大量的人力物力,系統(tǒng)工程復雜?,F(xiàn)階段要對城市垃圾作較系統(tǒng)的分選很難,城市垃圾分選效率將直接影響到堆肥生產(chǎn)的成本和產(chǎn)品的質量,故垃圾收集分區(qū)、分類收集和建立垃圾收費制度將是影響今后我國垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展的關鍵因素;(2)厭氧微生物對垃圾中復雜有機物降解能力對發(fā)酵過程起決定性作用,選用優(yōu)良的厭氧菌種是厭氧消化技術的核心。因此,發(fā)酵厭氧微生物的篩選、培養(yǎng)和鑒定也成為制約因素之一;(3)厭氧過程中溫度、PH值、營養(yǎng)物質和底物毒性對發(fā)酵過程有較大的影響,操作人員要不斷監(jiān)視發(fā)酵過程、判斷和調整各種參數(shù),很難實現(xiàn)實時監(jiān)控;(4)消化過程中產(chǎn)生的廢水和廢氣由于處理效果不佳,已成為嚴重的環(huán)境污染源。廢氣的產(chǎn)生量和濃度隨垃圾的不同而改變,容易對處理系統(tǒng)造成沖負荷,從而導致處理系統(tǒng)的失敗;(5)消化產(chǎn)品的腐熟度是衡量厭氧消化過程的最終指標。未經(jīng)腐熟的產(chǎn)品中有機物和毒性物質會造成植物生長的缺氧和間接毒性,危害作物生長。目前,對堆肥產(chǎn)品的腐熟檢測缺乏統(tǒng)一的標準,且檢測過程相對復雜,無法進行現(xiàn)場檢測。

四、垃圾厭氧消化處理的環(huán)保效益和經(jīng)濟效益

厭氧消化技術能最大限度的循環(huán)利用垃圾中的可用成分,采用“分選+厭氧消化+堆肥”的方式處理可明顯減少溫室氣體的排放,抑制有毒氣體和液體的排放可避免二次污染。另外,使用厭氧消化技術處理生活垃圾,對垃圾中有用物質及能量加以回收和利用,使垃圾處理無害化、減量化。以我國2000年的垃圾量來計算,大約可以獲得25億立方米左右的沼氣,其經(jīng)濟效益相當可觀。同時,厭氧消化處理的殘留物無論是做肥料還是飼料,都可取得較好的經(jīng)濟效益。

五、結語

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高,城市垃圾日益增多,和資源、能源愈漸短缺的矛盾越來越突出。傳統(tǒng)的填埋、堆肥和焚燒處理方法的局限性限制了我國城市生活垃圾處理的發(fā)展。而目前垃圾整體處理水平低,規(guī)模小,技術落后,垃圾分選程度低,很大程度上限制了厭氧技術的使用。因此,必須認真研究和總結國內(nèi)外生活垃圾資源化綜合利用的經(jīng)驗,開拓厭氧消化處理技術,結合適合我國國情的城市生活垃圾資源化綜合利用的途徑,盡快解決我國城市生活垃圾問題,提高資源利用水平。

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