城市生活垃圾（municipal solid waste，MSW）是指在城市居民日常生活中或為城市日常生活提供服務的活動中產(chǎn)生的，在一定時間和地點無法利用而被丟棄的污染環(huán)境的固體、半固體廢棄物質(zhì)。近十幾年來，我國城市生活垃圾年產(chǎn)量達1億多噸，且每年以8%-10％的速率增長。垃圾年處理率只有50%左右，實際垃圾無害化處理率僅有30%。
中國城市生活垃圾的處理方式主要為衛(wèi)生填埋、焚燒和堆肥。2005年底統(tǒng)計的城市生活垃圾處理設(shè)施中85.2%為填埋，5.6%為焚燒，9.2％為堆肥。這3種方式都具有自己的優(yōu)勢和特點，也具有技術(shù)本身的弊端。衛(wèi)生填埋占地面積大，而且對于土壤、地下水和大氣都會造成現(xiàn)實的影響和潛在的危害；焚燒對于熱值低的廢物來說是對資源的極大浪費，而且在焚燒的過程中易產(chǎn)生煙塵及劇毒二惡英（dioxin）污染物而形成二次污染；好氧堆肥是一個耗能過程，需要輸入能量去曝氣，最后又產(chǎn)生溫室氣體CO2。
目前立法對環(huán)境的要求越來越嚴格，加上城市垃圾實現(xiàn)了分類收集，這些都為垃圾的處理提供了條件。在各種處理方法中，生物方法是處理分類收集有機部分的一種較好方式，它能最大程度地循環(huán)再用和富集廢物中的有用成分。采用厭氧消化技術(shù)（anaerobic digestion，AD）處理城市生活垃圾，不僅可以解決環(huán)境問題，減少溫室效應氣體的排放，還可以產(chǎn)生潔凈能源、有機肥料和土壤改良劑，能真正實現(xiàn)垃圾處理的“無害化、減量化和資源化”。
1城市生活垃圾厭氧消化技術(shù)概況
1.1城市生活垃圾厭氧消化原理及過程
厭氧消化是指在沒有溶解氧和硝酸鹽的條件下，微生物將有機物轉(zhuǎn)化為甲烷、氧化碳、無機營養(yǎng)物質(zhì)、腐殖質(zhì)等的過程。厭氧降解過程包括3個階段：水解／液化、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷。具體過程如下：水解細菌分泌胞外酶將聚合物水解為單體化合物（如葡萄糖和氨基酸），再經(jīng)產(chǎn)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(chǎn)甲烷細菌將氫氣、一氧化碳和乙酸轉(zhuǎn)化為甲烷。主要反應如下：

MSW厭氧消化處理流程包括4個階段：預處理、垃圾消化、氣體回收和消化殘余物處理，厭氧消化流程示意圖如圖一所示。大部分消化系統(tǒng)需要垃圾的預處理以獲得均質(zhì)原料，包括垃圾破碎及非消化性原料（玻璃、金屬和碎石等）的分離等。進入反應器的城市生活垃圾可生物降解有機部分（biodegradable organic fraction of MSW，BOFM SW）有源頭分選（source separation，SS-BOFM SW）和機械分選（mechanical separation，MS-BOFM SW）兩種類型。根據(jù)發(fā)酵原料的濃度、溫度、消化級數(shù)和連續(xù)性，厭氧消化過程分為不同的工藝。厭氧發(fā)酵回收的氣體可作為燃料或集中發(fā)電資源，發(fā)酵殘余物主要是作為肥料應用。

圖一MSW厭氧消化流程示意圖
1.2城市生活垃圾厭氧消化影響因素
1.2.1 pH值
厭氧微生物的活性對pH值極為敏感，pH值是監(jiān)測厭氧消化過程的重要工藝參數(shù)，有機垃圾厭氧消化的最適pH值為6.4-7.20但也有研究表明當產(chǎn)甲烷穩(wěn)定時，pH值應穩(wěn)定在7.2-8.2。張光明等研究表明，有機垃圾厭氧消化容易造成揮發(fā)性有機酸的嚴重積累，引起“酸中毒”，抑制厭氧消化的進行，推薦采用NaOH或KOH來調(diào)節(jié)pH值。Nguyen等指出含有石灰石的砂礫是調(diào)節(jié)pH值較好的緩沖劑。
1.2.2溫度
影響厭氧微生物生長以及產(chǎn)甲烷活性的另一個重要因素是溫度。產(chǎn)甲烷菌有中溫型和高溫型兩類菌種，產(chǎn)甲烷的最佳溫度范圍分別為30-35℃和50-65℃。研究表明，溫度對發(fā)酵效率、產(chǎn)氣質(zhì)量等有重要影響。溫度升高，發(fā)酵效率增大，產(chǎn)氣量增大，產(chǎn)氣質(zhì)量下降。一般條件下，中溫發(fā)酵過程需要25-30d的停留時間，而高溫發(fā)酵只需要中溫消化的一半時間。高溫發(fā)酵的另外一個優(yōu)點是對病原微生物有較高的殺滅率。但由于高溫發(fā)酵過程需要較高的加熱能耗，并且管理復雜，其應用中不如中溫發(fā)酵普遍。
1.2.3垃圾成分
垃圾成分相當復雜，垃圾的內(nèi)容物決定了有機質(zhì)含量口揮發(fā)性固體（voladle solid，VS）是衡量有機質(zhì)含量的指標，VS由易生物降解部分（biodegradable volatile solid，BVS）和難生物降解部分（refractory volatile solid，RVS）組成。BVS可以較好地評估垃圾的生物降解能力、生物氣產(chǎn)率、有機負荷和碳氮比（C/N）。木質(zhì)素等是較難被微生物降解的復雜有機成分，構(gòu)成了有機垃圾中RVS的主要部分。具有高VS低RVS含量特征的垃圾最適合厭氧消化。

1.2.4生物學因素
厭氧消化是一個復雜的過程，是由不同類型微生物群落參與完成的，厭氧發(fā)酵過程的微生物來源于垃圾本身和接種物。適合的接種劑以及接種量能提高消化效率。合理的微生物群落結(jié)構(gòu)對于厭氧消化的有效進行至關(guān)重要，垃圾成分中的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)對微生物的生長也非常重要。微生物對碳、氮、磷、硫、鉀以及微量元素的比例都有一定的要求。厭氧消化合適的C/N為（20-30）/1，產(chǎn)甲烷菌對氮的快速消耗會提高C/N，造成產(chǎn)氣減少；而較低的C/N會引起氨積累，使pH值超過8.5從而抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。為了獲得適宜的C/N，可以將高C/N原料（如BOFM SW）和低C/N原料（如污泥或動物糞便）進行聯(lián)合消化。磷主要用來合成生物核酸，50/1的碳磷比（C/P）是厭氧發(fā)酵比較合適的比值。
1.2.5總固體含量和有機負荷率
由于城市生活垃圾的成份和性質(zhì)不同，其總固體含量（total solids content，TS）也不同。TS太高，許多影響微生物活性的條件就變得更為嚴格，例如，氨、重金屬、硫酸鹽和揮發(fā)性有機酸等抑制物質(zhì)的濃度就會升高，對細菌的活性產(chǎn)生影響。另外，很高的TS給攪拌裝置和過程帶來麻煩，反應啟動條件苛刻，菌種馴化任務艱巨且接種量大。
有機負荷率（organic Loading Rate，OLR）是衡量厭氧消化系統(tǒng)生物轉(zhuǎn)化能力的重要指標。增加反應器中的TS，即提高OLR可以相應地減少反應器體積，但OLR不是越高越好，過載后容易引起酸化，降低生物氣產(chǎn)率，最終導致消化失敗。因此在厭氧消化過程中應選擇合適的OLR。
1.2.6攪拌
攪拌的目的是使新鮮的物料與細菌混合、消泡，避免消化罐內(nèi)溫度不均勻，還可以使反應產(chǎn)生的氣體迅速排出，但是過于頻繁的攪拌會破壞菌群的正常繁殖。因此攪拌頻率要依反應罐內(nèi)混合物含量而定。對于固體狀態(tài)的物料，可以通過循環(huán)浸出液的方式來代替攪拌效果。對于不同類型的反應器和TS應該選擇相應的攪拌方式、攪拌強度和攪拌時間，美國環(huán)保署推薦的攪拌強度是5.26-7.91W/m3。
1.3城市生活垃圾厭氧消化殘余物的利用
城市生活垃圾進行厭氧消化處理后剩余的是沼液和沼渣。沼液和沼渣中含有豐富的營養(yǎng)成分，其應用非常廣泛，可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，沼液可以喂豬、浸種、滅蟲；沼渣可以喂魚、育菇、作生化飼料，還可以作為土壤改良劑。
2城市生活垃圾厭氧消化工藝的類型及應用實例
2.1城市生活垃圾厭氧消化工藝類型
根據(jù)消化級數(shù)和運行連續(xù)性，BOFW的厭氧消化分為：單級厭氧消化、兩級厭氧消化和間歇式厭氧消化。單級厭氧消化采用一個反應器，產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相均在這個反應器中完成。兩級厭氧消化是為了優(yōu)化產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷菌各自的條件以提高整體消化效率，將兩個階段分別在不同的反應器中完成。第一個反應器用于水解／液化-產(chǎn)酸，其限速步驟是纖維素的水解；另一個反應器用于產(chǎn)甲烷，其限速步驟是產(chǎn)甲烷菌的生長。間歇式厭氧消化最早是以反應器填埋的形式出現(xiàn)，目前，有二種間歇式消化工藝：單級間歇式系統(tǒng)、序批式系統(tǒng)和組合式間歇-UASB系統(tǒng)，見圖二。
根據(jù)TS不同，有機垃圾的厭氧消化還可以分為濕式厭氧消化（TS低于10%）、中固體厭氧消化（TS為10%-20%）和高固體厭氧消化（TS為20%-40%）。

圖二間歇式厭氧消化系統(tǒng)
2.2城市生活垃圾厭氧消化工藝應用實例
2.2.1單級厭氧消化
單級厭氧消化包括單級濕式厭氧消化和單級高固體厭氧消化。
單級濕式厭氧消化工藝簡單，采用的反應器主要是連續(xù)攪拌罐式反應器（continuously stirred tank reactor，CSTR），以一定的速率進出料，根據(jù)不同的原料類型和消化溫度，停留時間一般為14-28d。典型的工藝為芬蘭的Wassa工藝、德國的EcoTec工藝和佛羅里達州的SOLCON工藝等。Wassa工藝的TS為10%-15%，年處理量為3000-8500t：中溫消化的停留時間為20d，高溫消化的停留時間為10d。MS-BOFW SW的OLR（相對于VS）為9.7kg/（m3?d），而SS-BOFW SW的OLR（相對于VS）為6kg/（m3?d），每噸VS產(chǎn)甲烷率為170-320Nm3，VS去除率40%-75%。

單級高固體厭氧消化典型的工藝為比利時有機垃圾系統(tǒng)公司（Organic Write Systems）開發(fā)的的Dranco工藝、瑞士Kompogas AG公司開發(fā)的Kompogas工藝和法國Steimueller Valorga Sarl公司開發(fā)的Valorga工藝，見圖三。Dranco的主要單元為單級高溫反應器，原料從反應器頂部進入，從底部出料，反應器中一般沒有攪拌，垃圾以栓塞流方式垂直移動，一部分消化物作為接種劑再進入到新鮮垃圾中。該工藝進料固體濃度15%-40%，負荷10kgCOD/（m3?d），溫度50-58℃，消化時間15-20d，每噸垃圾生物氣產(chǎn)量為100-200m3。
高固體與濕式厭氧消化相比，從技術(shù)及成本都有較大的不同，見表一。

圖三不同的高固體厭氧消化系統(tǒng)設(shè)計示意圖
表一BOFM SW的濕式和高固體厭氧消化比較分析

2.2.2兩級厭氧消化
兩級厭氧消化包括兩級濕式厭氧消化和兩級高固體厭氧消化。
荷蘭的Pacques工藝、德國和加拿大的BTA工藝以及德國的Biocomp工藝都屬于兩級濕式厭氧消化。Pacques是中溫工藝，主要處理水果蔬菜垃圾（fruit and vegetal waste，F(xiàn)VW以及SS-BOFM SW。水解反應器TS為10％，采用氣流攪拌，消化物經(jīng)過脫水，液體部分進入到上流式厭氧污泥床（up flow anaerobic sludge blanked，UASB）產(chǎn)甲烷，固體的一部分加到水解反應器中作為接種物，剩下部分用于堆肥。BTA工藝的TS含量要求為10%左右，中溫厭氧消化。產(chǎn)甲烷反應器采用附著式生物膜反應器，保證足夠的微生物停留時間。為了防止附著式生物膜反應器的堵塞，僅有液體部分進入到產(chǎn)甲烷反應器。同時，為了維持水解反應器的pH值在6-7之間，產(chǎn)甲烷反應器中消化后的液體又循環(huán)回水解反應器。
典型的兩級高固體厭氧消化工藝為德國維爾利公司（Wehrle Werk Aktiengesel Lschaft，WWAG）的Biopercolat工藝，它與Pacques工藝相似，但水解是在較高TS含量以及微好氧條件下完成，微好氧水解反應器以及附著式生物膜產(chǎn)甲烷反應器可以將消化時間縮短為7d。與單級濕式系統(tǒng)相比，兩級系統(tǒng)具有較高的OLR。比如BTA工藝Biopercolat工藝的OLR分別為10和15kgVS/（m3?d），這主要由于附著式生物膜能夠提高微生物停留時間，增強了產(chǎn)甲烷菌對高濃度氨的耐受作用，提高生物穩(wěn)定性。但1999年DE的研究報道指出，由于兩級系統(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總量的10%。
2.2.3間歇式厭氧消化
典型間歇式厭氧消化工藝是荷蘭的Biocel對每年能處理源頭分選的生物垃圾35000t，該工藝采用中溫厭氧消化，由14個混泥土澆注的反應器組成，每個反應器的有效容積為480m3。進入非攪拌反應器的垃圾預先和接種物充分混合，從反應器中收集得到的滲濾液再循環(huán)到反應器頂部，垃圾在反應器中停留超過40d，直到停止產(chǎn)氣。處理相同量的垃圾，Biocel工藝與單級濕式工藝相比，產(chǎn)氣量低40%左右。
3城市生活垃圾厭氧消化處理技術(shù)的發(fā)展趨勢
近年來，在可持續(xù)發(fā)展原則指導下，歐洲國家紛紛立法，限制BOFM SW進入衛(wèi)生填埋場，BOFM SW含量高于5%的垃圾即被禁止，垃圾分類收集得到廣泛推廣。這種情況下，BOFM SW處理和利用成為一個迫切的問題。由于堆肥存在缺陷問題，人們不斷探討B(tài)OFM SW處理和利用的新技術(shù)方法。近十年來，城市生活垃圾厭氧消化系統(tǒng)在德國、瑞士、奧地利、芬蘭、瑞典等國家發(fā)展尤其迅速，日本荏原公司也從歐洲引進技術(shù)，在日本建設(shè)了首座厭氧消化示范工程。城市生活垃圾厭氧消化處理成為有機垃圾處理的一種新的趨勢。在美國，厭氧消化工藝也有一定的應用。目前，比較成熟的城市生活垃圾厭氧消化系統(tǒng)一般為日處理有機垃圾100噸左右，每日可以產(chǎn)生12000m3左右生物氣體，同時還可以產(chǎn)一生25噸左右的優(yōu)質(zhì)有機肥。
國內(nèi)厭氧消化技術(shù)最近20多年開始有較大發(fā)展，主要仍然集中在污泥消化、糞便處理、高濃度有機廢水處理等領(lǐng)域，城市生活垃圾處理行業(yè)中應用厭氧產(chǎn)沼并回收利用則還處于起步階段。厭氧處理用于污泥消化雖然是一種成熟的傳統(tǒng)技術(shù)，但生活垃圾可降解有機物的組成不同于污泥，其有機物含量高，其中蛋白質(zhì)、脂肪、鹽分等物質(zhì)的分解代謝和發(fā)酵條件等均有別于污泥消化，其微生物的種類、生長規(guī)律、菌群關(guān)系等還有待深入研究。尤其是我國城市生活垃圾可降解有機物對該技術(shù)的適用性必須予以研究開發(fā)。在基礎(chǔ)研究完善的情況下，篩選培育優(yōu)良菌種，提高厭氧發(fā)酵的效率，也是一個新的課題?？傮w來看，高固體濃度厭氧處理技術(shù)在我國的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)應用具有創(chuàng)新性。
4城市生活有機垃圾厭氧消化處理存在的問題及展望
采用厭氧消化技術(shù)，不僅能使MSW穩(wěn)定化，還能獲得生物質(zhì)能源，并產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的肥料，尤其在高溫條件下能有效去除病原菌。但目前有機垃圾的厭氧消化處理技術(shù)在流程的各個環(huán)節(jié)上還需要不斷完善。從工藝來看，未經(jīng)預處理的垃圾，水解時間長。現(xiàn)有的預處理工藝成本較高，由于垃圾的固體含量較高，給攪拌裝置的選擇和動力配給帶來困難。從微生物學角度來看，由于固體含量較高，產(chǎn)酸階段的VFAs容易積累，造成酸中毒；缺乏適合垃圾厭氧發(fā)酵的高效微生物菌群，啟動困難，菌種較難馴化；氨、重金屬、硫酸鹽等抑制物含量較高，抑制細菌活性，運行中存在較高的不穩(wěn)定性。因此，在機理以及工藝方面均需要進一步研究。

另一方面，垃圾分選效率將直接影響處理效率、成本以及產(chǎn)品質(zhì)量，國內(nèi)垃圾處理技術(shù)相對滯后的一個重要原因是沒有進行很好的分類。因此，作者認為城市生活固體垃圾的綜合處理應該從源頭抓起，建立合理的城市垃圾分類收集制度，但是這要求城市居民要有較好的素質(zhì)，城市的經(jīng)濟水平較發(fā)達。
厭氧消化技術(shù)應用于城市垃圾的處理中，經(jīng)濟因素和技術(shù)因素同等的重要，在經(jīng)濟上是否可行涉及很多的因素：能源價格、運行成本、消化產(chǎn)品質(zhì)量以及市場需求等，只有在對這些因素進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，才能得出確實可信的結(jié)論。目前，我國利用厭氧消化技術(shù)處理城市垃圾的實例較少，僅有幾個單位進行了實驗室規(guī)模的小試研究，而且垃圾成分單一，有的甚至是配比的模擬垃圾，通過這些還難以做出較為準確的經(jīng)濟分析。國外厭氧消化處理城市垃圾的經(jīng)驗對我國城市垃圾處理有很好的借鑒作用，但是由于各國的風俗習慣及消費結(jié)構(gòu)不同，垃圾成分及物性也不同。因此應針對中國城市生活垃圾成分和產(chǎn)出量，開發(fā)合適的綜合處理技術(shù)，制定合理的政策和法律法規(guī)。
參考文獻略