PAGE17PAGE71.2我國城市生活垃圾現(xiàn)狀城市生活垃圾(municipalsolidwaste,MSW)指在城市區(qū)劃內通過各種形式收集的人類生活和活動中產生的綜合廢棄物,包括居民垃圾、街道清掃物、市場垃圾、商業(yè)垃圾,一般不包括污水處理廠污泥和建筑垃圾ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>李東</Author><Year>2008</Year><RecNum>67</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>67</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2szf9f2049tvxxerxw6pr90te50sppvfxxep">67</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>李東</author><author>孫永明</author><author>張宇</author><author>袁振宏</author><author>許敬亮</author><author>李連華</author></authors></contributors><auth-address>中國科學院廣州能源研究所;</auth-address><titles><title>城市生活垃圾厭氧消化處理技術的應用研究進展</title><secondary-title>生物質化學工程</secondary-title></titles><periodical><full-title>生物質化學工程</full-title></periodical><pages>43-50</pages><number>04</number><keywords><keyword>城市生活垃圾</keyword><keyword>厭氧消化</keyword><keyword>生物能</keyword></keywords><dates><year>2008</year></dates><isbn>1673-5854</isbn><call-num>32-1768/S</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"李東,2008#67"1]。表12000年我國城市生活垃圾的組分（濕重百分比）垃圾組分廚余紙類塑料類織物類竹木果皮金屬玻璃渣石其他比重%22.477.890.712.4316.31.48目前我國三分之一以上的城市面臨“垃圾圍城”困局，全國城市垃圾堆存累計占據(jù)土地超過5億平方米，每年的經(jīng)濟損失高達300億元。2004年，中國固體廢棄物產量躍居世界第一。2010年全國城市垃圾清運量為17755萬噸，預計到2050年，城市化程度將達到70%。同時城市固體廢棄物將以每年10%的速率增長。如此龐大的垃圾量，。衛(wèi)生填埋的優(yōu)點是工序簡單、投資小,只需要把收集好的垃圾送到填埋場進行簡單的填埋處理即可。垃圾焚燒法處理是將垃圾放在特殊設計的封閉爐內,在高溫下燒成灰,然后進行填埋處理。處理過程中可進行熱量回收利用,且處理量大、理速度快,減容性好。垃圾堆肥就是利用微生物對垃圾中有機物進行發(fā)酵、降解,使之變成穩(wěn)定的有機質,并利用發(fā)酵過程產生的熱量殺死有害微生物達到無害化處理的生物化學過程。其優(yōu)點是操作工序簡單、投資小,而且還可在產生有機肥料。具體見下表格。表2三種垃圾處理方法的適用范圍比較衛(wèi)生填埋焚燒高溫堆肥技術成熟性成熟成熟成熟適用條件適用范圍較廣范，但入場垃圾需要符合GB16889-2008要求垃圾熱值大于4000kJ/kg垃圾中生物可堆腐物含量25-35%對地表水污染的可能性滲瀝液處理設施事故狀態(tài)下可能，可采取事故狀態(tài)下的應急措施經(jīng)過焚燒，垃圾體積可減少80-90%，殘渣安全填埋產生滲瀝液處理設施事故下可能，可采取事故狀態(tài)下的應急措施無對地下水污染的可能性需要防滲，事故狀態(tài)下可能造成污染無可能性很小對大氣污染的可能性設置填埋氣導排系統(tǒng)、焚燒系統(tǒng)，污染可能性較小煙氣處理不當時，對大氣有一定程度的污染輕微氣味對生態(tài)環(huán)境的破壞限于填埋區(qū)以及填埋區(qū)周圍1km范圍內場區(qū)內場區(qū)內占地面積大小中等管理維護難易程度較容易較難較難單位投資最低最高居中處理成本最低最高居中資源再次利用基本為零（實施垃圾分類回收除外）15-60%10-50%據(jù)我國2010年的統(tǒng)計結果，60.7%為填埋，14.7%為焚燒，1.1%為堆肥ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><RecNum>0</RecNum><Note>國家統(tǒng)計局.2011年中國統(tǒng)計年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2011</Note><DisplayText>[2]</DisplayText></Cite></EndNote>[\o"NOTE:國家統(tǒng)計局.2011年中國統(tǒng)計年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2011"2]填埋場處理存在以下缺點:占用土地大,據(jù)調查1997年我國垃圾堆存侵占土地已超過5萬hm2ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><RecNum>0</RecNum><Note>胡秀仁.城市生活垃圾處理方式的思考[J].環(huán)境保護，2001，（3）：41-43.</Note><DisplayText>[3]</DisplayText></Cite></EndNote>[\o"NOTE:胡秀仁.城市生活垃圾處理方式的思考[J].環(huán)境保護，2001，（3）：41-43."3]。采用填埋的方法處理垃圾，到2030年中國必須再建1600個填埋場。以每個填埋場占地面積25000m2計算，將占用40平方千米的土地。埋層中的有機垃圾成分在厭氧條件下經(jīng)微生物分解產生垃圾填埋氣體（landfillgas,LFG），如果LFG得不到適當?shù)奶幚恚瑢⒁l(fā)一系列危害：①LFG中甲烷占40-60%，當甲烷濃度達到5-15%時，遇火將會爆炸。大量的LFG無規(guī)則擴散，形成爆炸火災隱患。②甲烷是一種溫室氣體，據(jù)統(tǒng)計，全球每年排放的甲烷量約為5億t，其中有2200萬-3600萬t來自城市垃圾填埋場。LFG是溫室氣體的主要來源。③氣體中微量濃度的硫化氫和硫醇等化合物是產生臭氣之源。此外氣體中還含有一些有毒有害的揮發(fā)性有機氣體如二甲苯、含鹵化合物等致癌物質。填埋場嚴重威脅著周邊環(huán)境。填埋場使用時間有限,對地下水系、河流造成二次污染,并容易引起細菌病毒的傳染。垃圾氣體及滲濾液會通過底層裂痕、疏松層、通風道等途徑遷移擴散。最終造成環(huán)境隱蔽性污染和事故。例如，土耳其伊斯坦布爾垃圾填埋場出現(xiàn)自燃和堆體滑坡，以色列垃圾填埋場發(fā)生斷裂及滑動，菲律賓奎松市垃圾填埋場出現(xiàn)大面積滑坡。城市生活垃圾垃圾中可生物降解有機部分(biodegradableorganicfractionofMSW,BOFMSW)約占總質量53%以上,包括紙張、紙板、庭院垃圾和食物垃圾等，采用填埋處理，浪費垃圾中的可回收資源ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>蘇有勇</Author><Year>2004</Year><RecNum>73</RecNum><DisplayText>[4]</DisplayText><record><rec-number>73</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2szf9f2049tvxxerxw6pr90te50sppvfxxep">73</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>蘇有勇</author><author>張無敵</author></authors></contributors><auth-address>云南師范大學省農村能源工程重點實驗室,云南師范大學省農村能源工程重點實驗室云南昆明650092,云南昆明650092</auth-address><titles><title>我國城市生活垃圾厭氧消化處理的探討</title><secondary-title>能源工程</secondary-title></titles><periodical><full-title>能源工程</full-title></periodical><pages>37-39</pages><number>03</number><keywords><keyword>城市生活垃圾</keyword><keyword>厭氧消化</keyword><keyword>綜合利用</keyword></keywords><dates><year>2004</year></dates><isbn>1004-3950</isbn><call-num>33-1113/TK</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"蘇有勇,2004#73"4]。1.3厭氧消化處理城市生活垃圾的優(yōu)勢厭氧消化是指在沒有溶解氧和硝酸鹽氮的條件下，微生物將有機物轉化為甲烷、二氧化碳、無機營養(yǎng)物質和腐殖質的過程ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><RecNum>0</RecNum><Note>C.PLeslieGrady.R，GlenT.DaiggerHenryC．1im.．BiologicalWastewaterTreatment．MarcelDekken，Inc．</Note><DisplayText>[5]</DisplayText></Cite></EndNote>[\o"NOTE:C.PLeslieGrady.R，GlenT.DaiggerHenryC．1im.．BiologicalWastewaterTreatment．MarcelDekken，Inc．"5]。具有以下優(yōu)點：厭氧消化能利用城市生活垃圾高含水率與高有機質含量的特性。城市生活垃圾中有機物含量在53%以上，可生物降解部分的含水率在15%~70%范圍內ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Kayhanian</Author><Year>1995</Year><RecNum>152</RecNum><DisplayText>[6]</DisplayText><record><rec-number>152</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2szf9f2049tvxxerxw6pr90te50sppvfxxep">152</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Kayhanian,M.</author></authors></contributors><titles><title>Biodegradabilityoftheorganicfractionofmunicipalsolidwasteinahigh-solidsanaerobicdigester</title><secondary-title>WasteManagement&Research</secondary-title></titles><periodical><full-title>WasteManagement&Research</full-title></periodical><pages>123-136</pages><volume>13</volume><number>2</number><dates><year>1995</year></dates><isbn>0734-242X</isbn><urls><related-urls><url>/content/13/2/123</url></related-urls></urls></record></Cite></EndNote>[\o"Kayhanian,1995#152"6]，采用其他處理方式需要對垃圾進行干燥除水。環(huán)保效益明顯。在處理過程中避免了造成二次污染的有害有毒氣體和液體的排放,Kuler(1999年)等報道,每噸城市固體有機垃圾用“分選+厭氧消化+填埋”方式處理比用“分選+堆肥+填埋”的方式處理產生的二氧化碳的量要少0.2t。因此,厭氧消化處理可以減少MSW的體積和危害,滿足垃圾最終的衛(wèi)生填埋要求,是固體垃圾處理工程的重要組成部分。厭氧消化技術資源化利用徹底，消化結束后的殘余物可以用作肥料或者飼料，能夠最大限度的循環(huán)和再利用垃圾的成分。厭氧消化成本低，投資少。垃圾處理設備的費用僅相當于同等處理能力焚燒設備的1/2,而運行費用低30%~40%。經(jīng)濟效益高。厭氧消化處理每噸MSW需要50~75kWh的電能,處理后產生的甲烷能夠發(fā)電75~150kWhADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Verma</Author><Year>2002</Year><RecNum>153</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>153</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2szf9f2049tvxxerxw6pr90te50sppvfxxep">153</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>Verma,S.</author></authors></contributors><titles><title>Anaerobicdigestionofbiodegradableorganicsinmunicipalsolidwastes</title></titles><dates><year>2002</year></dates><publisher>ColumbiaUniversity</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[\o"Verma,2002#153"7](以31%的發(fā)電效率計算)。以一個城市三口之家為例，每年產生約1t生活垃圾，若將垃圾全部發(fā)酵，產生的氣體量約為300m3,1m3可燃氣體能發(fā)電1.5kW·h。1t生活垃圾通過處理可以提供400多千瓦時電能，基本相當于一個三口之家半年的用電量ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>薛強</Author><Year>2012</Year><RecNum>55</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>55</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2szf9f2049tvxxerxw6pr90te50sppvfxxep">55</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">薛強</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">劉磊</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">垃圾填埋氣體運移的多場耦合理論及應用</style></title></titles><pages>4</pages><dates><year>2012</year></dates><pub-location><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">北京</style></pub-location><publisher><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">科學出版社</style></publisher><isbn><styleface="normal"font="default"size="100%">978</style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">-7-03-032227-2</style></isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[\o"薛強,2012#55"8]。以我國2000年的垃圾量來估算,大約可以獲得25億m3左右的沼氣,其經(jīng)濟效益相當可觀。總之，厭氧消化廣泛適用于城市生活垃圾、農產品加工殘渣、農作物秸稈等的處理。它能減少來自工業(yè)和農業(yè)的污染，緩解化石原料危機。和普通焚燒、填埋等傳統(tǒng)處理方式相比，具有低能耗、低殘余、實現(xiàn)資源的回收利用，工藝穩(wěn)定、運行簡單、減少污泥處置費用，具有生態(tài)和經(jīng)濟上的優(yōu)點。厭氧消化處理城市生活垃圾符合循環(huán)經(jīng)濟“3R原則”，對未來能源結構及城市建設具有重大意義和深遠影響。2.國內外本學科領域的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢2.1沼氣發(fā)酵的歷史1776年意大利物理學家A．沃爾塔(AlessandroVolta)在沼澤地發(fā)現(xiàn)。1781年法國人L．穆拉(LourasMouras)建成世界上第一個沼氣發(fā)生器。1936年，巴克(H．A．Barker)提出兩個階段的理論，即：產酸階段和產甲烷階段。這一理論沒有全面地揭示沼氣發(fā)酵的本質。1979年，M.P.Bryant根據(jù)對產甲烷菌和產氫產乙酸菌的研究結果，在兩階段理論的基礎上，提出了三階段理論。上個世紀70年代美國學者Ghosh和Pohland根據(jù)產酸階段、產甲烷階段最適條件的不同，提出了兩相發(fā)酵工藝。兩相發(fā)酵分兩個反應器進行，第一個反應器主要進行有機物降解、酸化，第二個反應器利用第一個反應器的產物H2、CO2乙酸等生成CH4。研究發(fā)現(xiàn)，單相反應器和兩相反應器對蔬菜、水果影響不大。而且由于單相工藝投資少，工藝簡單，兩級系統(tǒng)較為復雜，兩級工藝的商業(yè)化應用只占到城市垃圾處理量的10%。2.2厭氧消化過程厭氧降解過程包括水解/液化、產酸和產甲烷。具體過程如下：發(fā)酵細菌最主要的利用基質是碳水化合物、脂肪和蛋白質。這些復雜的有機物首先在水解酶的作用下分解為水溶性簡單化合物，其中包括單、甘油、高級脂肪酸及氨基酸等。這些水解的產物再經(jīng)發(fā)酵細菌的胞內代謝，主要轉化為一系列的有機酸和醇類物質而排泄到環(huán)境中去。這些代謝的產物中，最多的是乙酸、丙酸、丁酸、乙醇和乳酸，其次是戊酸、己酸、丙酮、異丙醇、丁醇、琥珀酸等。再經(jīng)產乙酸細菌的作用生成揮發(fā)性脂肪酸、氫氣、一氧化碳和乙酸，最后由產甲烷細菌將氫氣、一氧化碳和乙酸轉化為甲烷。主要反應如下ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>李冠超</Author><Year>2010</Year><RecNum>68</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>68</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2szf9f2049tvxxerxw6pr90te50sppvfxxep">68</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>李冠超</author><author>周仲魁</author></authors></contributors><auth-address>廣東核力工程勘察院;東華理工大學土木與環(huán)境工程學院;</auth-address><titles><title>城市生活垃圾厭氧消化處理技術研究進展</title><secondary-title>科技廣場</secondary-title></titles><periodical><full-title>科技廣場</full-title></periodical><pages>142-146</pages><number>06</number><keywords><keyword>城市生活垃圾</keyword><keyword>厭氧消化</keyword><keyword>工藝</keyword></keywords><dates><year>2010</year></dates><isbn>1671-4792</isbn><call-num>36-1253/N</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"李冠超,2010#68"9]：C6H12O6→2C2H5OH＋2CO2＋能量（1）2C2H50O＋CO2→CH4＋2CH3COOH（2）CH3COOH→CH4＋2CO2（3）沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中，發(fā)酵細菌所進行的生化反應受兩方面因素的制約一方面是基質的組成和濃度，另一方面是代謝產物的種類以及后續(xù)生化反應進行的程度。基質濃度大時，一般均能加快生化反應的速率。基質組成不同時，有時會影響物質的流向，形成不同的代謝產物。代謝產物的積累一般會阻礙生化反應的順利進行，特別是在發(fā)酵產物中有氫氣產生而又出現(xiàn)積累的時候。因此，保持發(fā)酵細菌和后續(xù)的產氫產乙酸細菌和甲烷細菌的平衡和協(xié)同代謝是至關重要的。一般而言，發(fā)酵細菌利用有機物時，首先在胞內將其轉化為丙酮酸，然后根據(jù)發(fā)酵細菌的種類的不同和控制環(huán)境條件如分壓、pH值、溫度等的不同而形成不同的代謝產物。2.3厭氧消化工藝發(fā)展史 厭氧生物處理技術發(fā)展到今天，已取得了很大的進展，開發(fā)出各種厭氧反應器。根據(jù)時間和發(fā)展歷程一般把厭氧工藝和反應器分成三代。第一代厭氧反應器(至20世紀50年代左右)包括化糞池、隱化池(雙層沉淀池)、普通消化池和高速消化池等，主要用于處理生活污水和污泥，包括糞便等。第一代反應器的特點是污泥齡(SRT)等于水力停留時間(HRT)。為了使得有機成分降解徹底和穩(wěn)定化，必須維持較長的污泥齡和水力停留時間。因此，反應器的容積大，處理效率低。第二代厭氧消化反應器(至20世紀70年代)包括厭氧生物濾池(AnaerobicFilter,AF)、升流式厭氧污泥層反應器(UpflowAnaerobicSludgeBlanket,UASB)、厭氧膨脹床(AnaerobicExpandedBed,AEB)、厭氧流化床(AnaerobicFluidizedBed,AFB)、厭氧生物轉盤(AnaerobicRotatingBiologicalReactor,ARBR)和厭氧折流板反應器(AnaerobicBaffledReactor,ABR)等，其主要特點是污泥齡與水力停留時間分開，一般是SRT>HRT。可以在反應器內維持很高的生物量，具有較高的處理效率，但這些反應器未能解決如何更好地實現(xiàn)微生物與基質的接觸問題。第三代高效厭氧反應器(20世紀80年代)以EGSB(ExpandedGranularSludgeBed)和IC(InernalCirculation)為代表，是20世紀80年代在第一、二代反應器的基礎上發(fā)展起來的，可以有效的擴大微生物與基質接觸，從而提高反應效率。此外，還有在UASB反應器的基礎上開發(fā)出的以處理含高固體的廢水厭氧反應器USR(UpflowAnaerobicReactor)和把UASB和AF結合而開發(fā)的UBF(UpflowAnaerobicBed-Filter)工藝。另外，根據(jù)水解菌、產酸菌和產甲烷菌的不同最適生存環(huán)境對反應器進行組合，形成分離產酸相和產甲烷相的兩相厭氧處理工藝，可以發(fā)揮各自的微生物菌群的最佳活性，提高消化效率。2.4干法消化的優(yōu)勢 厭氧消化工藝按發(fā)酵階段可分為兩相發(fā)酵、單相發(fā)酵；按含固率可分為濕式消化、干法消化（又稱固態(tài)發(fā)酵）；按反應溫度可分為低溫發(fā)酵（<20℃）、中溫發(fā)酵（30-36℃）和高溫發(fā)酵（50-55℃）；按反應器的進料方式分為間歇式、連續(xù)式發(fā)酵。干法消化是指固含量在15%以上的厭氧消化。和濕法相比，干法消化具有以下優(yōu)點：表3濕式消化和干法消化比較分析濕法消化工藝干法消化工藝固含量TS<10%TS=20-40%反應器處理相同體積有機垃圾需要較大的反應器體積，容易短路及形成沉降和浮渣層處理相同體積有機垃圾需要的反應器體積較小，系統(tǒng)穩(wěn)定，不易短路。但TS<20%的垃圾不能單獨處理預處理需添加大量的新鮮水用于稀釋，每降解1t垃圾需加1m3，且預處理中揮發(fā)性有機物損失較大（15-25%的VS），對碎石、木塊等雜質的去除要求高。除了TS>50%以上的垃圾，一般不需要加大量的水稀釋，處理同樣的垃圾需水量為濕式工藝的1/10左右，且與處理中揮發(fā)性有機物損失較少；對雜質的去除沒有濕式的要求高處理能力單位體積內的有機負荷率較低單位體積內的有機負荷率相對較高產氣率已報道的最大產氣率為實際參加反應的反應器體積的2倍已經(jīng)實現(xiàn)最大產氣率為實際參加反應的反應器體積的6倍毒性問題經(jīng)過水稀釋，毒性問題不嚴重。由于鹽和重金屬的濃度較高，毒性較高，氨毒性是主要問題。工藝成本垃圾經(jīng)過預處理后，傳送和消化處理設備便宜，但需要大型昂貴的脫水設備。預處理簡單，需要昂貴的傳送及消化處理設備，脫水設備較為便宜。2.5國外干法消化技術狀況從20世紀40年代起，德國、法國和阿爾及利亞就開始運用批量式干發(fā)酵技術。20世紀80年代，德國、荷蘭、瑞士、布基納法索、尼日