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Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ２００３一ＩＦＢＢＥ
城市生活垃圾的厌氧消化处理
刘广青，郑万里，乔艳云，侯
允，董仁杰”
（中国农业大学水利与土木工程学院，北京１０００８３）
摘要：该文对国内外城市生活垃圾产生的数量、特性及趋势作了分析，阐述了当前处理城市生活垃圾的填埋、堆肥、焚烧方法的优缺点．表明目前针对中国城市生活垃圾有机成分较高、含水率较大的特点，厌氧消化是一个比较好的选择。介绍ｒ国内外厌氧消化处理城市固体废弃物的典型工艺、城市生活垃圾厌氧处理采用的不同技术手段如高固体消化、两相消化、高温消化、联合消化、预处理等以及应用现状。厌氧消化法处理城市生活垃圾的比例在国外逐年增加，其应用与研究也越来越被各国所重视。
关键词：城市生活垃圾；厌氧消化；两相消化；联合消化
１前言
随着世界各国经济的发展、城市规模的扩大以及人们消费的增加，大量城市生活垃圾也随之产生。美国国家环保局把城市生活垃圾定义为来自居民的、商业部门、公司或工业企业废弃的耐用品、非耐用品、容器与包
下水“Ｊ。２００２年，中国城市生活垃圾清运量为１．８６８８亿ｔ，生活垃圾无害化处理率为５４．３％ｏ］。世界各国为处理城市生活垃圾主要采用的手段有填埋、焚烧、好氧堆肥和厌氧消化。其中填埋法投资少、易操作，但该方法减容少、占地大、浪费资源，存在渗滤液污染地下水以及沼气引发爆炸的危险。焚烧法处理垃圾体积减少可达
装、食品、庭院修剪物以及其它各种各样的废弃物，一般
不包括诸如建筑废弃物、焚烧灰渣及工业生产过程中的废物。中国国家环保局对城市生活垃圾的定义是指在城
９０％，周期短、占地少、有效消除病原菌，但由于目前中
国城市垃圾中含水量大，往往需要添加其它辅助燃料，而且燃烧法一次性投资大，运行费用高且产生ＳＯ。、ＮＯｘ、二恶英、呋哺等有害气体造成二次污染［６］。好氧堆肥法处理城市生活垃圾体积可减少５０％～７０％，可产生大量肥料，但其存在能耗大，占地大，肥效低卫生条件差等缺点。而且好氧堆肥的适宜固体含量在５５％～
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废物。北京市最近将北京生活垃圾分为可回
收物、厨余垃圾、纸类、瓶罐、电池、其余垃圾六大类。据
中国环境报告测算，城市生活垃圾污染占城市总污染的
６０％之间”］，像含水率大的蔬菜、水果、食堂和小区厨余
等城市生活垃圾未经预处理就不适合好氧堆肥。目前我国城市生活垃圾用于填埋、堆肥、焚烧的比例分别是７９．２％、１８．８％、２％Ｃ２］。
一半［１］。近十几年来，城市生活垃圾的年增长率在８％
～１０％ｏ’４’”（图１），北京等大城市垃圾年增长率达１５％
～１７％。目前中国有１／３的城市被垃圾所包围，垃圾累
积堆存量达６０多亿ｔ，侵占土地７５万亩，严重污染了地
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图１奎国垃圾清运量度人均垃圾产量走势
Ｆｉｇ．１
ＭＳＷ
ｃｌｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｅｒｐｅｏｐｌｅｉｎＣｈｉｎａ
随着各国经济、技术水平的上升，现代城市垃圾有
机成分发生了明显的改变。在中国，生活燃料正逐步向清洁工业能源过渡，城市生活垃圾中的有机成分与无机成分将分别以每年７％左右的比例递增与以１０％左右
作者简介：刘广青（１９７８一），在读博士生，北京与土木工程学院．１０００８３
＊通讯作者；董仁杰，博士，剐教授，北京
的比例递减“ｊ。１９７６年到１９８６年间，垃圾中的有机物从１４％提高到３８％。今天，大城市的一些小区生活垃圾中有机物干基比例能达到９０％”］，目前，城市生活垃圾
中有机物多为含水率高、易腐熟的食物垃圾与厨余物口３
（表１Ｅ１０］）。２００１年对哈尔滨市双气户居民垃圾成分调查表明，哈尔滨市生活垃圾中植物茎叶类占７２．９５％，而灰土垃圾微乎其微（表２＿１“）。城市生活垃圾中有机物含量高、含水量大等特点是厌氧微生物发酵的基础。为
中国农业大学水利
中国农业大学，１０００８３
２００３国际农业生物环境与能源工程论坛论文集
实现资源生态循环利用，许多国家如奥地利、比利时、丹
圾填埋…］。厌氧消化法处理城市生活垃圾的方法不但麦、芬兰、德国、瑞典等相继推出了对于有机含量高的废可以回收能源而且不带来二次污染或二次污染容易控弃物禁止直接填埋的规定。如澳大利亚２００４年目标是
制，发酵产物还可以作为土壤改良剂和肥料。近年来，城有机含量超过５％的垃圾禁止填埋；比利时禁止直接填
市垃圾厌氧处理越来越受到各国研究人员与工业界的埋可燃烧的城市生活垃圾；德国到２００５年禁止对有机重视。
碳含量超过５％的垃圾进行填埋；荷兰禁止对可燃烧垃
寰１
我国一些城市以殛国外一些国家的食物垃圾在城市生活垃圾中所占的比例
Ｔａｂｌｅ１
Ｆｏｏｄｗａｓｔｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｎｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｏｌｉｄｗａｓｔｅｉｎｆｏｌｌｏｗｉｎｇｃｉｔｉｅｓａｎｄｃｏｕｎｔｒｙ
２城市生活垃圾厌氧处理应用发展概况
而且增长的幅度也不断上升，近五年的增长速度是前五年增长速度的五倍。２０００年，欧洲的有机垃圾量有
以往由于我国长期以来燃烧结构以煤为主，城市生１０３７０００
ｔ，其中的１／４是用厌氧方法处理的（图２）口…。
活垃圾中无机成分比较多，到目前为止，没有大规模厌欧洲地区处理能力在５００～３００００００ｔ／年的厌氧消化工氧处理城市生活垃圾的应用，但是进行了一些实验研厂在世界上占的比例达到９１％，其中德国占到３５％（约
究。
４０多个）；亚洲由于经济与科技的原因，比例只占到７％
中科院成都生物研究所将人工分选的有机垃圾切（图３）““。
碎成２ＣＹｌｌ直径后中温厌氧处理证明比较合理的固体浓
Ｍｍ度（ＴＳ）是３０％～４０％，可获得较高的产甲烷量，又可以
Ｈｍ大大减少后脱水的困难ｏ”；清华大学将手工分选的有ｍ机垃圾在进料粒径为２～３ｃｍ和５～７ｃｍ、固体含量在ｍ２０％～３０％、反应温度在中温和高温下做三组实验得出ｉⅡＨｍ
≮嘲尉取廿
Ｍｍ
固体含量在３０％左右比较合适，粒径２～３ｃｍ时，产酸们瓠伽艘缸瓠执Ｈｍ
阶段需要１９ｄ，而粒径５～７ｃｍ时，产酸阶段需３５ｄ，高
∞∞∞∞∞∞∞０
温下的产酸时间比中温下快１０ｄ左右，并指出在单相
厌氧消化中，产酸阶段后经过一个休息期就可以转入产
图２欧洲固体废弃物厌氧消化１０年走势
甲烷阶段ｏ”；“暗河”式生活垃圾干发酵处理工艺采用Ｆｉｇ．２
Ａｎａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｉｏｎｏｆ
ＭＳＷ
ｉｎＥｕｒｏｐｅ
埋在地下的管道消化器处理主要成分为蔬菜食物的生
活垃圾，得出ＴＳ在２５％～３０％之间比较理想““。各研
究表明中国城市有机生活垃圾的厌氧消化是可行的，即
使挥发性脂肪酸（ＶＦＡ）很高使反应停止，但经过一定丑的停滞期反应可以转入产甲烷阶段，进料适宜固体浓度
套
１Ⅲ
是３０％左右，较小的粒径可以减少酸化时间。但对于生蛐∞∞踞Ｈ加¨憎０
活垃圾的两相厌氧消化、联合消化等的研究却很少。
０发达国家对厌氧处理生活垃圾非常重视。丹麦０
２０００年厌氧处理废弃物量达到１１１万ｔ；世界最大的日毒隶荣薅霉露窖枣毒’聋毋枣露杂毒擎
产气量达２８．３万ｍ３的垃圾甲烷工厂在美国；波特兰市的沼气工厂每天处理２０００多ｔ垃圾”ｏ。
图３世界厌氧工厂分布
Ｆｉｇ．３
Ａｎａｅｒｏｂｉｃｐｌａｎｔｓｉｎｗｏｒｌｄ
利用厌氧法处理含水分和盐很高的食品废弃物
（ｆｏｏｄｗａｓｔｅ）比较合适。两相厌氧反应器可以将３０００
ｈ的食品废弃物转化为含水７０％的１００ｋｇ腐殖质，
３
固体废弃物厌氧消化的几种工艺
２３０ｍ３含甲烷７０％的沼气以及２０００
ｋｇ的后厌氧处理
近２０年来，随着厌氧法处理生活垃圾的研究和应
的废水，其中７３％的可降解物质被转化为了沼气。引。
用被各国所重视，开发了一系列生活垃圾厌氧处理工
近１０年来欧洲生活垃圾的厌氧处理量不断增长，
艺。
３．１美国实验工厂工艺““
这是美国１９７９年建立的第一座年处理５０００ｔ垃圾厂采用的工艺（图４）。５５Ｃ高温下处理固体含量为２５％垃圾。垃圾平均产气量为１３０ｍ３／ｔ，甲烷含量大于５０％，固体去除率约５２％。该垃圾处理厂虽然由于经济的原因只运行ｒ四年就停止运转了，但是该工艺为有机废弃物的厌氧处理提供了实践基础。
匝巫丕亟亘卜爿亘亟亟］＿鲨。利用处理排放．Ｉ．！！！ｔ厂趸雨６ｉｉ—１—！ｉ！芏＋加Ｉ肥料
３．２法国Ｖａｌｏｒｇａ工艺
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，２０世纪８０年代后期，Ｖａｌｏｒｇａ工艺（图５）首先由法国提出后来由德国ＳｔｅｉｎｍｕｌｌｅｒＲｏｍｐｆＷａｓｓｅｒｔｅｃｈｎｉｋ的一个子公司开发出来。该工艺起初是针对源分选垃圾的，后来面向了全
部种类的垃圾．这种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。该工艺采用中温（如Ａｍｉｅｎ垃圾处理厂）或高温消化（如Ｆｒｅｉｂｕｒｇ垃圾处理厂），垃圾平均产气量１１０ｍ３／ｔ。目前欧洲有十几个采用该工艺的垃圾处理厂，如最早建设的生活垃圾年处理量为８５０００ｔ的法国亚眠垃圾处理厂，近年来如２００２年启动的年处理能力为１０００００ｔ的德国Ｈａｎｏｖｅｒ垃圾处理厂和意大利的年处理能力为
４４２００
ｔ的Ｂａｓｓａｎｏ垃圾处理厂“引。
圈５
Ｖａｌｏｒｇａｉ艺
Ｆｉｇ５
ＰｒｏｃｅｓｓｏｆＶａｌｏｒｇａ
３．３比利时Ｄｒａｎｃｏ工艺
该工艺是将生活垃圾从反应器的上部加入，经过厌
氧反应后从下部排出，排出物经过脱水后，固体物质用作土壤改良剂，液体部分回流调节垃圾的固体含量。在工艺过程中采用５０～５８℃高温消化，停留时间２０ｄ，沼
气平均产量为每吨生活垃圾１００ｔ２００ｍ３左右。到目前为止，在欧洲地区，采用该工艺的垃圾处理厂有七家年处理能力在１００００～３５０００ｔ，分布在德国、比利时、瑞士和澳大利亚。
３．４丹麦Ｃａｒｌｂｒｏ工艺
该工艺（图６）采用了两阶段消化，中温发酵，垃圾平均产气量１５０～１７５ｍ３／ｔ，ＶＳ去除率６０％以上。丹麦１９９１年建立的第一座工业规模的城市垃圾厌氧处理厂
年处理垃圾量２０万ｔ：２…。
匝巫Ｐ生《巫虱—姻
图６
ＣａｒｉｂｏｒＩ艺
Ｆｉｇ６
ＰｒｏｃｅｓｓｏｆＣａｒｉｈｏｒｌｅｃｈｎｉｑｕｅ
３．５加利福尼亚大学工艺
由于厌氧消化后产物中含有一定量的可生物降解的物质以及一些细菌等微生物不能保证全部杀死，所以２０世纪９０年代初加利福尼亚大学开发了先厌氧发酵再好氧堆肥处理。该工艺采用高温厌氧消化后好氧腐熟，垃圾平均产气量为８００ｍ３／ｔ，是前几种的５倍，ＶＳ
去除率为５５％～６５％（图７）。该工艺还没有工厂化规模化实施ｕ“。
利甩
堆肥
圉７加利福尼亚大学工艺
Ｆｉｇ．８
ＰｒｏｃｅｓｓｏｆＣａｌｉｆｏｒｎｉａｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
３．６
ＨＡＳＬ（ＨｙｂｒｉｄＡｎａｅｒｏｂｉｃＳｏｌｉｄ／Ｌｉｑｕｉｄ）工艺
近年来在新加坡食品废弃物占了整个生活垃圾的４０％，该类废弃物由于水分大，不适合燃烧和好氧堆肥，一种混合厌氧固液反应器利用一个渗滤液循环酸反应器和一个高效产沼反应器来组合处理，ＶＳ去除率７８％，产气量０．２９ｍ３／ｋｇＶＳ，甲烷含量７１％。目前该装置还只是实验室小试规模”“。
３．７喷淋固体床两步消化工艺
２０世纪９０年代初，针对固体废弃物发酵时容易酸
化的特点，出现了喷淋固体床两步厌氧消化工艺（图
８）。该工艺既解决了固体有机废物进出厌氧消化器的困难，又防止了干发酵工艺可能出现的酸化现象。它采用
４×４
ｍ３的固体床和一个３ｍ３ＵＡＳＢ反应器，４个固体
床每隔２０ｄ循环启动，每天用ＵＡＳＢ出水喷淋固体床并淋洗出酸液，再将酸液泵人ＵＡＳＢ进行甲烷化发酵
产生沼气口“。固体床产酸期为２０ｄ，平均产气率０．２２
ＴＳ，固体床经８０ｄ发酵后原料体积减少７０％。
图８喷淋田体床两步消化工艺简图
Ｆｉｇ．８
Ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｗｏ—ｓｔａｇｅｓｐｒａｉｎｇ—ｓｏｌｉｄｂｅｄ
ｍ３／ｋｇ
２００３国际农业生物环境与能源工程论坛论文集
４
影响厌氧处理城市固体废弃物的过程特征
因素
影响厌氧处理城市生活垃圾的因素有很多，包括固
体含量、温度、ｐＨ值、碳氮比、反应器结构、预处理等，
从而也产生ｒ厌氧处理中不同的过程特征。
４．１高固体厌氧消化与低固体厌氧消化
在厌氧消化处理废弃物时，处理物料的总固体含量（ＴＳ）对反应的影响很大。根据ＴＳ的不同，可以将厌氧消化固体废弃物分成高固体厌氧消化和低固体厌氧消化。高固体厌氧发酵的概念是Ｓｇｈｕｌｚｅ在１９５８年提出的，又叫干发酵、固体发酵等，它只是一个相对于低固体厌氧消化的概念，并没有明确限定。低固体厌氧消化是指传统的厌氧消化，ＴＳ相对比较低，一般在８０Ａ以
下ｏ…，中国、印度、菲律宾等地的户用沼气池就属于此类。典型的低固体厌氧消化采用城市生活垃圾和生活污
水厌氧沼化联合处理工艺和生活垃圾厌氧附着膜膨胀床工艺（ＡＡＦＥＢ），前者以烂菜叶、食堂垃圾为主要原料进行周期５０ｄ的发酵，池容产气量为０．４５６ｍ３／ｍｋ
ｄｉ
ｇ
３；后者将生活垃圾捣碎成浆料后用稀酸水解和碱性
调节后进人厌氧反应器，在容积负荷为５０．０５ｋｇＣＯＤ／（ｍ３・ｄ）时，容积产沼气率达到１５．５６ｍ３／（ｍ“ｄ），并把酸碱比（ＶＦＡ／ＡＩ。Ｋ）小于２作为反应器运行良好的指标ｏ“。随着固体含量的增高，发酵周期将变长ｉ容易
造成ＶＦＡ和毒素积累、搅拌困难、启动慢、运行不稳定等不良反应。但高固体厌氧消化可以提高池容产气率和
池容效率、需水量低或不需水、消化后的产品不需脱水
即可作为肥料或土壤调节剂使用。欧洲１９９３年以前低
固体发酵占绝大多数，此后高固体发酵占到了优势，２０００年有５６１０００ｔ圊体废弃物用高固体厌氧发酵处理
（图９
ｃｔｚ
３）。
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图９欧洲１０年中高、低田体厌氟消化厦单、
多相厌氧消化处理量走势
Ｆｉｇ．９
Ｈｉｇｈ—ｓｏｌｉｄ
ｖｅｒｓｕｓ
ｌｏｗ—ｓｏｌｉｄａｎｄ
Ｓｉｎｇｌｅ—ｓｔａｇｅ
ｖｅｒｓｕｓ
Ｍｕｌｔｉ－－ｓｔａｇｅ
４．２单相消化与多相消化
从反应级数来分，厌氧消化城市生活垃圾可分为单相和多相，单相厌氧消化是指水解酸化阶段与产甲烷阶段都在一个反应器中进行。有机固体废弃物多相厌氧消化工艺最早是由Ｐｏｈｌａｎｄ和Ｇｈｏｓｅ于１９７１年提出的Ｌ２“．又叫两阶段厌氧消化，是人为地将厌氧反应过程
分解为水解产酸阶段和产甲烷阶段，来满足不同阶段厌氧消化微生物的活动需求，达到最佳的反应效率。在产
甲烷阶段前设置产酸阶段，可以控制产酸速率，避免产甲烷阶段超负荷，另一方面还可以避免复杂、多变、有毒
的物质对整个系统造成冲击，提高了系统运行的稳定
性。由于单相消化研究比较早、运行管理比较简单，有些实验结果表明两种工艺的运行并没有明显区别”“。长期以来，欧洲地区城市生活垃圾单相消化一直占优势，
多相消化只占厌氧处理总量的１０％（图９）－１“。
法国的Ｊ．Ｒａｙｎａｌ等人研究了一种多个水解反应器连接一个甲烷反应器的两相厌氧消化系统来处理生活垃圾中的蔬菜垃圾，得到了比单相消化好的效果口”；张瑞红等的ＡＰＳＤｉｇｅｓｔｅｒＳｙｓｔｅｍ处理ＴＳ为３０％的大蒜废弃物，５１％的ＴＳ转化为沼气，产气量０．５８ｍ３／ｋｇＶＳ［３０；同济大学研究表明，当系统水力停留时间为１０ｄ时，两相系统的优越性表现不明显，当水力停留时间降低至７ｄ时，两相系统中ＶＳ的去除和产气率均提高了２０．０％０５０；Ｅ．Ｒ．Ｖｉｅｉｔｅｚ和Ｇｈｏｓｈ研究了一种两相反应器来处理模拟印度城市生活垃圾，其中水果蔬菜垃圾占７０％、总有机成分９０％～９５％、水分含量８４％。该系统由一个固体床反应器加一个上流式厌氧附着反应器组成，首先用接种水喷洒固体床内的压实密度为１６０ｋｇ／ｍ３的废弃物，渗滤液回流以增强水解酸化效果，当ｖＦＡ达到１３０００ｍｇ／Ｌ（以乙酸计）时停止回流，然后对这些渗滤液进行上流附着厌氧处理（以产生沼气），出水继续回流，系统平均产气率为０．２７ｍ３／ｋｇＶＳＬ３“。两相
消化是处理源分选高固体有机垃圾和可降解性高的水
果蔬菜垃圾的正确选择。
４．３中温消化和高温消化
温度对发酵效率、产气质量等有重要影响。厌氧发
酵最适范围是中温发酵（３７～３８℃），和高温发酵（５３～
５４‘Ｃ）口“。温度高，发酵效率增大、产气率增大，杀灭病原有机体效果增大ｏ“，但产气质量下降、反应稳定性不好、容易产生丙酸盐积累，另有研究表明高温所需要的
附加能量与它增加的产出相近”］。Ｇｈｏｓｈ等（１９９９）使用
传统高效反应器，观察到５５℃的高温比３５Ｃ的处理只使甲烷产量提高了７％。Ｃｅｃｃｈｉ认为高温消化有利于处理机械分选的垃圾，而对于源分选的垃圾中温消化更为合理。总之，中温消化在目前的应用较高温消化还是占
优势的，高温厌氧消化在近年来在欧洲呈增长趋势（图
１０）㈨。
４．４源分选垃圾消化与非源分选垃圾消化
近年来，城市生活垃圾中的有机物含量越来越高，为了不浪费有机资源而且使得分选出来的有机物更适
合厌氧处理，城市生活垃圾厌氧处理中针对源分选垃圾
的处理量与比例在不断增加，以欧洲为例，近十年来，源
分选垃圾处理量在不断增加，但在近几年来，混合生活垃圾的处理量有了一个比较大的增长（图１０）口“。
４．５普通消化和联合消化
在厌氧消化处理城市生活垃圾中，发酵原料的Ｃ／Ｎ比、有机物含量以及生降解水平等也是影响发酵效率的
６２
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ２００３一ＩＦＢＢＥ
鼍撼割裂廿
黜粼薹ｌ｜㈣黜㈣
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１９９６
１９９７
１９９８
１９９９
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图１０欧洲１０年中、高温厌氧消化厦源、非源
分选垃圾厌氧消化的比例走势
Ｆｉｇ．１０
Ｍｅｓｏｐｈｉｌｉｃ
ｖｅｒｓｕｓ
Ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｉｃａｎｄ
Ｍｉｘｅｄｗａｓｔｅ
ｖｅｒｓｕｓ
ｏｒｇａｎｉｃｗａｓｔｅ
；
重要因素。相同反应条件和相同消化工艺中，由于底物
组成不同，沼气产量的相差可以达到４０％ｏ…。联合消化
可以在消化物料间建立起一种良性互补。如将秸秆与畜禽粪便联合处理而调节反应物料的Ｃ／Ｎ．将城市垃圾与污水污泥联合处理而调节微生物含量与水分含量。Ｙ．Ｓ．Ｇ．Ｃｈａｎ研究表明将污泥、海上漂浮垃圾与市政垃
圾混合起来处理比市政垃圾单独处理效率更高““；Ｆ．
Ｊ．Ｃａｌｌａｇｈａｎ等研究认为将牛粪、水果蔬菜垃圾以及鸡粪进行联合厌氧处理是比较好的选择，表明水果蔬菜垃
圾含量从２０％增加至５０％，沼气产量从０．２３ｍ３／ｋｇ
ＶＳ提高到０．４５ｍ３／ｋｇＶＳ口”；Ｈａｍｚａｗｉ用生物活性测定的方法研究表明将市政垃圾和污泥以１ｔ４的比例混
合处理可得到一个沼气最佳产气量｝Ｋａｙｈａｎｉａｎ研究表明，美国典型的垃圾缺乏活跃而有能稳定降解的元素，若补充一些富含营养的有机垃圾如畜禽粪便、剩余污泥等可以大大提高反应效率口“。另外各种联合消化在工业设备上测试表明能量消耗没有负面影响ｏ“，但联合
消化在工业方面的报道很少，目前只有不到厌氧总量的
７％的市政生活垃圾采用联合消化口“。从欧洲近１０年
来的联合消化走势图，可以看出，联合消化呈增长趋势
（图１１）［１７］。
芝■割斟蚌
∞肋伯∞加∞砌Ⅲ∞∞∞∞∞呻吣
∞∞∞彻∞伽∞图１１
欧洲１０年来普通厌氧消化和联合消化
处理量比例走势
Ｆｉｇ．１１Ｃｏｄｉｇｅｓｔｉｏｎ
ｖｅｒｓｕｓ
ｓｏｌｉｄｗａｓｔｅｄｉｇｅｓｔｉｏｎ
４．６
预处理
对反应物料进行不同的预处理会大大影响厌氧消
｝匕的效率。主要的预处理方法有物理、化学、生物方法。
ＺｈａｎｇＲｕｉｈｏｎｇ在用稻草为底物固态发酵产沼气中研
究了用研磨和切碎两种方法处理物料的直径，表明在相同的直径下，研磨比切碎的沼气产量高１２．５％”“；Ｉ。．Ｍ．Ｐａｌｍｏｗｓｋｉ等研究了厌氧消化时小的颗粒直径可以提高消化效率并且减少消化体积；Ｇｈｏｓｈ等研究了用碱预处理后的城市固体垃圾在相同高温厌氧两相消化
下甲烷产气率提高了３５％；目前对底物进行生物预处
理的研究不太多，ｓ．Ｈａｓｅｇａｗａ等从高温反应器中分离
出了能分解融化固体废弃物的嗜温微生物来处理垃圾，
反应效率大大提高。还有人认为用好氧预处理也可以提高厌氧消化效率”“。
５结论和建议
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Ｄ２］。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橱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（研究表明好氧堆肥的适宜固体含量是５５％～６０％），用厌氧法处理尤其是上述类型的生活垃圾将会是一个发展方向，但目前在国内发展较慢，尤其是两相消化与联合消化的规模化应用几乎是空白。其中为了节约用水、减少反应器容积，利用高固体厌氧消化渗滤液回流技术是一个较好的选择；在处理蔬菜水果垃圾时要充分利用两相厌氧
消化工艺的优点；另外垃圾分选、联合消化技术以及预
处理的研究还有很大潜力，将是以后发展的重点。尽管
厌氧消化的方法处理城市生活垃圾是一个发展方向，但是在实际应用中还存在很多技术经济问题。
１）厌氧消化城市生活垃圾的预处理技术还没有一
个统一的标准，如粒径大小、碱预处理剂量等｝
２）厌氧联合消化的研究不太系统，只是得到一些联合消化的处理结果，对各种废弃物配比的定量研究较
少；
３）消化处理城市生活垃圾耗费比较大，这样就使
得很多国家尤其是发展中国家，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，经济投入就会更大；
４）由于一些国家的电力能源发达、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
化的优点都不能体现太突出，应用不是太广泛；
５）由于源分选垃圾需要耗费大量的人力、物力与
财力，使得源分选垃圾在一些国家还不太普及，这样导
致垃圾中无机成分多，厌氧发酵效果差。
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城市生活垃圾的厌氧消化处理
作者：作者单位：被引用次数：
刘广青， 郑万里， 乔艳云， 侯允， 董仁杰中国农业大学水利与土木工程学院(北京)1次
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_4701402.aspx
５８
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ２００３一ＩＦＢＢＥ
城市生活垃圾的厌氧消化处理
刘广青，郑万里，乔艳云，侯
允，董仁杰”
（中国农业大学水利与土木工程学院，北京１０００８３）
摘要：该文对国内外城市生活垃圾产生的数量、特性及趋势作了分析，阐述了当前处理城市生活垃圾的填埋、堆肥、焚烧方法的优缺点．表明目前针对中国城市生活垃圾有机成分较高、含水率较大的特点，厌氧消化是一个比较好的选择。介绍ｒ国内外厌氧消化处理城市固体废弃物的典型工艺、城市生活垃圾厌氧处理采用的不同技术手段如高固体消化、两相消化、高温消化、联合消化、预处理等以及应用现状。厌氧消化法处理城市生活垃圾的比例在国外逐年增加，其应用与研究也越来越被各国所重视。
关键词：城市生活垃圾；厌氧消化；两相消化；联合消化
１前言
随着世界各国经济的发展、城市规模的扩大以及人们消费的增加，大量城市生活垃圾也随之产生。美国国家环保局把城市生活垃圾定义为来自居民的、商业部门、公司或工业企业废弃的耐用品、非耐用品、容器与包
下水“Ｊ。２００２年，中国城市生活垃圾清运量为１．８６８８亿ｔ，生活垃圾无害化处理率为５４．３％ｏ］。世界各国为处理城市生活垃圾主要采用的手段有填埋、焚烧、好氧堆肥和厌氧消化。其中填埋法投资少、易操作，但该方法减容少、占地大、浪费资源，存在渗滤液污染地下水以及沼气引发爆炸的危险。焚烧法处理垃圾体积减少可达
装、食品、庭院修剪物以及其它各种各样的废弃物，一般
不包括诸如建筑废弃物、焚烧灰渣及工业生产过程中的废物。中国国家环保局对城市生活垃圾的定义是指在城
９０％，周期短、占地少、有效消除病原菌，但由于目前中
国城市垃圾中含水量大，往往需要添加其它辅助燃料，而且燃烧法一次性投资大，运行费用高且产生ＳＯ。、ＮＯｘ、二恶英、呋哺等有害气体造成二次污染［６］。好氧堆肥法处理城市生活垃圾体积可减少５０％～７０％，可产生大量肥料，但其存在能耗大，占地大，肥效低卫生条件差等缺点。而且好氧堆肥的适宜固体含量在５５％～
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废物。北京市最近将北京生活垃圾分为可回
收物、厨余垃圾、纸类、瓶罐、电池、其余垃圾六大类。据
中国环境报告测算，城市生活垃圾污染占城市总污染的
６０％之间”］，像含水率大的蔬菜、水果、食堂和小区厨余
等城市生活垃圾未经预处理就不适合好氧堆肥。目前我国城市生活垃圾用于填埋、堆肥、焚烧的比例分别是７９．２％、１８．８％、２％Ｃ２］。
一半［１］。近十几年来，城市生活垃圾的年增长率在８％
～１０％ｏ’４’”（图１），北京等大城市垃圾年增长率达１５％
～１７％。目前中国有１／３的城市被垃圾所包围，垃圾累
积堆存量达６０多亿ｔ，侵占土地７５万亩，严重污染了地
２０
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ｌ蛳１９９７
１９９８２００２
图１奎国垃圾清运量度人均垃圾产量走势
Ｆｉｇ．１
ＭＳＷ
ｃｌｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｅｒｐｅｏｐｌｅｉｎＣｈｉｎａ
随着各国经济、技术水平的上升，现代城市垃圾有
机成分发生了明显的改变。在中国，生活燃料正逐步向清洁工业能源过渡，城市生活垃圾中的有机成分与无机成分将分别以每年７％左右的比例递增与以１０％左右
作者简介：刘广青（１９７８一），在读博士生，北京与土木工程学院．１０００８３
＊通讯作者；董仁杰，博士，剐教授，北京
的比例递减“ｊ。１９７６年到１９８６年间，垃圾中的有机物从１４％提高到３８％。今天，大城市的一些小区生活垃圾中有机物干基比例能达到９０％”］，目前，城市生活垃圾
中有机物多为含水率高、易腐熟的食物垃圾与厨余物口３
（表１Ｅ１０］）。２００１年对哈尔滨市双气户居民垃圾成分调查表明，哈尔滨市生活垃圾中植物茎叶类占７２．９５％，而灰土垃圾微乎其微（表２＿１“）。城市生活垃圾中有机物含量高、含水量大等特点是厌氧微生物发酵的基础。为
中国农业大学水利
中国农业大学，１０００８３
２００３国际农业生物环境与能源工程论坛论文集
实现资源生态循环利用，许多国家如奥地利、比利时、丹
圾填埋…］。厌氧消化法处理城市生活垃圾的方法不但麦、芬兰、德国、瑞典等相继推出了对于有机含量高的废可以回收能源而且不带来二次污染或二次污染容易控弃物禁止直接填埋的规定。如澳大利亚２００４年目标是
制，发酵产物还可以作为土壤改良剂和肥料。近年来，城有机含量超过５％的垃圾禁止填埋；比利时禁止直接填
市垃圾厌氧处理越来越受到各国研究人员与工业界的埋可燃烧的城市生活垃圾；德国到２００５年禁止对有机重视。
碳含量超过５％的垃圾进行填埋；荷兰禁止对可燃烧垃
寰１
我国一些城市以殛国外一些国家的食物垃圾在城市生活垃圾中所占的比例
Ｔａｂｌｅ１
Ｆｏｏｄｗａｓｔｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｎｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｏｌｉｄｗａｓｔｅｉｎｆｏｌｌｏｗｉｎｇｃｉｔｉｅｓａｎｄｃｏｕｎｔｒｙ
２城市生活垃圾厌氧处理应用发展概况
而且增长的幅度也不断上升，近五年的增长速度是前五年增长速度的五倍。２０００年，欧洲的有机垃圾量有
以往由于我国长期以来燃烧结构以煤为主，城市生１０３７０００
ｔ，其中的１／４是用厌氧方法处理的（图２）口…。
活垃圾中无机成分比较多，到目前为止，没有大规模厌欧洲地区处理能力在５００～３００００００ｔ／年的厌氧消化工氧处理城市生活垃圾的应用，但是进行了一些实验研厂在世界上占的比例达到９１％，其中德国占到３５％（约
究。
４０多个）；亚洲由于经济与科技的原因，比例只占到７％
中科院成都生物研究所将人工分选的有机垃圾切（图３）““。
碎成２ＣＹｌｌ直径后中温厌氧处理证明比较合理的固体浓
Ｍｍ度（ＴＳ）是３０％～４０％，可获得较高的产甲烷量，又可以
Ｈｍ大大减少后脱水的困难ｏ”；清华大学将手工分选的有ｍ机垃圾在进料粒径为２～３ｃｍ和５～７ｃｍ、固体含量在ｍ２０％～３０％、反应温度在中温和高温下做三组实验得出ｉⅡＨｍ
≮嘲尉取廿
Ｍｍ
固体含量在３０％左右比较合适，粒径２～３ｃｍ时，产酸们瓠伽艘缸瓠执Ｈｍ
阶段需要１９ｄ，而粒径５～７ｃｍ时，产酸阶段需３５ｄ，高
∞∞∞∞∞∞∞０
温下的产酸时间比中温下快１０ｄ左右，并指出在单相
厌氧消化中，产酸阶段后经过一个休息期就可以转入产
图２欧洲固体废弃物厌氧消化１０年走势
甲烷阶段ｏ”；“暗河”式生活垃圾干发酵处理工艺采用Ｆｉｇ．２
Ａｎａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｉｏｎｏｆ
ＭＳＷ
ｉｎＥｕｒｏｐｅ
埋在地下的管道消化器处理主要成分为蔬菜食物的生
活垃圾，得出ＴＳ在２５％～３０％之间比较理想““。各研
究表明中国城市有机生活垃圾的厌氧消化是可行的，即
使挥发性脂肪酸（ＶＦＡ）很高使反应停止，但经过一定丑的停滞期反应可以转入产甲烷阶段，进料适宜固体浓度
套
１Ⅲ
是３０％左右，较小的粒径可以减少酸化时间。但对于生蛐∞∞踞Ｈ加¨憎０
活垃圾的两相厌氧消化、联合消化等的研究却很少。
０发达国家对厌氧处理生活垃圾非常重视。丹麦０
２０００年厌氧处理废弃物量达到１１１万ｔ；世界最大的日毒隶荣薅霉露窖枣毒’聋毋枣露杂毒擎
产气量达２８．３万ｍ３的垃圾甲烷工厂在美国；波特兰市的沼气工厂每天处理２０００多ｔ垃圾”ｏ。
图３世界厌氧工厂分布
Ｆｉｇ．３
Ａｎａｅｒｏｂｉｃｐｌａｎｔｓｉｎｗｏｒｌｄ
利用厌氧法处理含水分和盐很高的食品废弃物
（ｆｏｏｄｗａｓｔｅ）比较合适。两相厌氧反应器可以将３０００
ｈ的食品废弃物转化为含水７０％的１００ｋｇ腐殖质，
３
固体废弃物厌氧消化的几种工艺
２３０ｍ３含甲烷７０％的沼气以及２０００
ｋｇ的后厌氧处理
近２０年来，随着厌氧法处理生活垃圾的研究和应
的废水，其中７３％的可降解物质被转化为了沼气。引。
用被各国所重视，开发了一系列生活垃圾厌氧处理工
近１０年来欧洲生活垃圾的厌氧处理量不断增长，
艺。
３．１美国实验工厂工艺““
这是美国１９７９年建立的第一座年处理５０００ｔ垃圾厂采用的工艺（图４）。５５Ｃ高温下处理固体含量为２５％垃圾。垃圾平均产气量为１３０ｍ３／ｔ，甲烷含量大于５０％，固体去除率约５２％。该垃圾处理厂虽然由于经济的原因只运行ｒ四年就停止运转了，但是该工艺为有机废弃物的厌氧处理提供了实践基础。
匝巫丕亟亘卜爿亘亟亟］＿鲨。利用处理排放．Ｉ．！！！ｔ厂趸雨６ｉｉ—１—！ｉ！芏＋加Ｉ肥料
３．２法国Ｖａｌｏｒｇａ工艺
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，２０世纪８０年代后期，Ｖａｌｏｒｇａ工艺（图５）首先由法国提出后来由德国ＳｔｅｉｎｍｕｌｌｅｒＲｏｍｐｆＷａｓｓｅｒｔｅｃｈｎｉｋ的一个子公司开发出来。该工艺起初是针对源分选垃圾的，后来面向了全
部种类的垃圾．这种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。该工艺采用中温（如Ａｍｉｅｎ垃圾处理厂）或高温消化（如Ｆｒｅｉｂｕｒｇ垃圾处理厂），垃圾平均产气量１１０ｍ３／ｔ。目前欧洲有十几个采用该工艺的垃圾处理厂，如最早建设的生活垃圾年处理量为８５０００ｔ的法国亚眠垃圾处理厂，近年来如２００２年启动的年处理能力为１０００００ｔ的德国Ｈａｎｏｖｅｒ垃圾处理厂和意大利的年处理能力为
４４２００
ｔ的Ｂａｓｓａｎｏ垃圾处理厂“引。
圈５
Ｖａｌｏｒｇａｉ艺
Ｆｉｇ５
ＰｒｏｃｅｓｓｏｆＶａｌｏｒｇａ
３．３比利时Ｄｒａｎｃｏ工艺
该工艺是将生活垃圾从反应器的上部加入，经过厌
氧反应后从下部排出，排出物经过脱水后，固体物质用作土壤改良剂，液体部分回流调节垃圾的固体含量。在工艺过程中采用５０～５８℃高温消化，停留时间２０ｄ，沼
气平均产量为每吨生活垃圾１００ｔ２００ｍ３左右。到目前为止，在欧洲地区，采用该工艺的垃圾处理厂有七家年处理能力在１００００～３５０００ｔ，分布在德国、比利时、瑞士和澳大利亚。
３．４丹麦Ｃａｒｌｂｒｏ工艺
该工艺（图６）采用了两阶段消化，中温发酵，垃圾平均产气量１５０～１７５ｍ３／ｔ，ＶＳ去除率６０％以上。丹麦１９９１年建立的第一座工业规模的城市垃圾厌氧处理厂
年处理垃圾量２０万ｔ：２…。
匝巫Ｐ生《巫虱—姻
图６
ＣａｒｉｂｏｒＩ艺
Ｆｉｇ６
ＰｒｏｃｅｓｓｏｆＣａｒｉｈｏｒｌｅｃｈｎｉｑｕｅ
３．５加利福尼亚大学工艺
由于厌氧消化后产物中含有一定量的可生物降解的物质以及一些细菌等微生物不能保证全部杀死，所以２０世纪９０年代初加利福尼亚大学开发了先厌氧发酵再好氧堆肥处理。该工艺采用高温厌氧消化后好氧腐熟，垃圾平均产气量为８００ｍ３／ｔ，是前几种的５倍，ＶＳ
去除率为５５％～６５％（图７）。该工艺还没有工厂化规模化实施ｕ“。
利甩
堆肥
圉７加利福尼亚大学工艺
Ｆｉｇ．８
ＰｒｏｃｅｓｓｏｆＣａｌｉｆｏｒｎｉａｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
３．６
ＨＡＳＬ（ＨｙｂｒｉｄＡｎａｅｒｏｂｉｃＳｏｌｉｄ／Ｌｉｑｕｉｄ）工艺
近年来在新加坡食品废弃物占了整个生活垃圾的４０％，该类废弃物由于水分大，不适合燃烧和好氧堆肥，一种混合厌氧固液反应器利用一个渗滤液循环酸反应器和一个高效产沼反应器来组合处理，ＶＳ去除率７８％，产气量０．２９ｍ３／ｋｇＶＳ，甲烷含量７１％。目前该装置还只是实验室小试规模”“。
３．７喷淋固体床两步消化工艺
２０世纪９０年代初，针对固体废弃物发酵时容易酸
化的特点，出现了喷淋固体床两步厌氧消化工艺（图
８）。该工艺既解决了固体有机废物进出厌氧消化器的困难，又防止了干发酵工艺可能出现的酸化现象。它采用
４×４
ｍ３的固体床和一个３ｍ３ＵＡＳＢ反应器，４个固体
床每隔２０ｄ循环启动，每天用ＵＡＳＢ出水喷淋固体床并淋洗出酸液，再将酸液泵人ＵＡＳＢ进行甲烷化发酵
产生沼气口“。固体床产酸期为２０ｄ，平均产气率０．２２
ＴＳ，固体床经８０ｄ发酵后原料体积减少７０％。
图８喷淋田体床两步消化工艺简图
Ｆｉｇ．８
Ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｗｏ—ｓｔａｇｅｓｐｒａｉｎｇ—ｓｏｌｉｄｂｅｄ
ｍ３／ｋｇ
２００３国际农业生物环境与能源工程论坛论文集
４
影响厌氧处理城市固体废弃物的过程特征
因素
影响厌氧处理城市生活垃圾的因素有很多，包括固
体含量、温度、ｐＨ值、碳氮比、反应器结构、预处理等，
从而也产生ｒ厌氧处理中不同的过程特征。
４．１高固体厌氧消化与低固体厌氧消化
在厌氧消化处理废弃物时，处理物料的总固体含量（ＴＳ）对反应的影响很大。根据ＴＳ的不同，可以将厌氧消化固体废弃物分成高固体厌氧消化和低固体厌氧消化。高固体厌氧发酵的概念是Ｓｇｈｕｌｚｅ在１９５８年提出的，又叫干发酵、固体发酵等，它只是一个相对于低固体厌氧消化的概念，并没有明确限定。低固体厌氧消化是指传统的厌氧消化，ＴＳ相对比较低，一般在８０Ａ以
下ｏ…，中国、印度、菲律宾等地的户用沼气池就属于此类。典型的低固体厌氧消化采用城市生活垃圾和生活污
水厌氧沼化联合处理工艺和生活垃圾厌氧附着膜膨胀床工艺（ＡＡＦＥＢ），前者以烂菜叶、食堂垃圾为主要原料进行周期５０ｄ的发酵，池容产气量为０．４５６ｍ３／ｍｋ
ｄｉ
ｇ
３；后者将生活垃圾捣碎成浆料后用稀酸水解和碱性
调节后进人厌氧反应器，在容积负荷为５０．０５ｋｇＣＯＤ／（ｍ３・ｄ）时，容积产沼气率达到１５．５６ｍ３／（ｍ“ｄ），并把酸碱比（ＶＦＡ／ＡＩ。Ｋ）小于２作为反应器运行良好的指标ｏ“。随着固体含量的增高，发酵周期将变长ｉ容易
造成ＶＦＡ和毒素积累、搅拌困难、启动慢、运行不稳定等不良反应。但高固体厌氧消化可以提高池容产气率和
池容效率、需水量低或不需水、消化后的产品不需脱水
即可作为肥料或土壤调节剂使用。欧洲１９９３年以前低
固体发酵占绝大多数，此后高固体发酵占到了优势，２０００年有５６１０００ｔ圊体废弃物用高固体厌氧发酵处理
（图９
ｃｔｚ
３）。
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图９欧洲１０年中高、低田体厌氟消化厦单、
多相厌氧消化处理量走势
Ｆｉｇ．９
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ｖｅｒｓｕｓ
ｌｏｗ—ｓｏｌｉｄａｎｄ
Ｓｉｎｇｌｅ—ｓｔａｇｅ
ｖｅｒｓｕｓ
Ｍｕｌｔｉ－－ｓｔａｇｅ
４．２单相消化与多相消化
从反应级数来分，厌氧消化城市生活垃圾可分为单相和多相，单相厌氧消化是指水解酸化阶段与产甲烷阶段都在一个反应器中进行。有机固体废弃物多相厌氧消化工艺最早是由Ｐｏｈｌａｎｄ和Ｇｈｏｓｅ于１９７１年提出的Ｌ２“．又叫两阶段厌氧消化，是人为地将厌氧反应过程
分解为水解产酸阶段和产甲烷阶段，来满足不同阶段厌氧消化微生物的活动需求，达到最佳的反应效率。在产
甲烷阶段前设置产酸阶段，可以控制产酸速率，避免产甲烷阶段超负荷，另一方面还可以避免复杂、多变、有毒
的物质对整个系统造成冲击，提高了系统运行的稳定
性。由于单相消化研究比较早、运行管理比较简单，有些实验结果表明两种工艺的运行并没有明显区别”“。长期以来，欧洲地区城市生活垃圾单相消化一直占优势，
多相消化只占厌氧处理总量的１０％（图９）－１“。
法国的Ｊ．Ｒａｙｎａｌ等人研究了一种多个水解反应器连接一个甲烷反应器的两相厌氧消化系统来处理生活垃圾中的蔬菜垃圾，得到了比单相消化好的效果口”；张瑞红等的ＡＰＳＤｉｇｅｓｔｅｒＳｙｓｔｅｍ处理ＴＳ为３０％的大蒜废弃物，５１％的ＴＳ转化为沼气，产气量０．５８ｍ３／ｋｇＶＳ［３０；同济大学研究表明，当系统水力停留时间为１０ｄ时，两相系统的优越性表现不明显，当水力停留时间降低至７ｄ时，两相系统中ＶＳ的去除和产气率均提高了２０．０％０５０；Ｅ．Ｒ．Ｖｉｅｉｔｅｚ和Ｇｈｏｓｈ研究了一种两相反应器来处理模拟印度城市生活垃圾，其中水果蔬菜垃圾占７０％、总有机成分９０％～９５％、水分含量８４％。该系统由一个固体床反应器加一个上流式厌氧附着反应器组成，首先用接种水喷洒固体床内的压实密度为１６０ｋｇ／ｍ３的废弃物，渗滤液回流以增强水解酸化效果，当ｖＦＡ达到１３０００ｍｇ／Ｌ（以乙酸计）时停止回流，然后对这些渗滤液进行上流附着厌氧处理（以产生沼气），出水继续回流，系统平均产气率为０．２７ｍ３／ｋｇＶＳＬ３“。两相
消化是处理源分选高固体有机垃圾和可降解性高的水
果蔬菜垃圾的正确选择。
４．３中温消化和高温消化
温度对发酵效率、产气质量等有重要影响。厌氧发
酵最适范围是中温发酵（３７～３８℃），和高温发酵（５３～
５４‘Ｃ）口“。温度高，发酵效率增大、产气率增大，杀灭病原有机体效果增大ｏ“，但产气质量下降、反应稳定性不好、容易产生丙酸盐积累，另有研究表明高温所需要的
附加能量与它增加的产出相近”］。Ｇｈｏｓｈ等（１９９９）使用
传统高效反应器，观察到５５℃的高温比３５Ｃ的处理只使甲烷产量提高了７％。Ｃｅｃｃｈｉ认为高温消化有利于处理机械分选的垃圾，而对于源分选的垃圾中温消化更为合理。总之，中温消化在目前的应用较高温消化还是占
优势的，高温厌氧消化在近年来在欧洲呈增长趋势（图
１０）㈨。
４．４源分选垃圾消化与非源分选垃圾消化
近年来，城市生活垃圾中的有机物含量越来越高，为了不浪费有机资源而且使得分选出来的有机物更适
合厌氧处理，城市生活垃圾厌氧处理中针对源分选垃圾
的处理量与比例在不断增加，以欧洲为例，近十年来，源
分选垃圾处理量在不断增加，但在近几年来，混合生活垃圾的处理量有了一个比较大的增长（图１０）口“。
４．５普通消化和联合消化
在厌氧消化处理城市生活垃圾中，发酵原料的Ｃ／Ｎ比、有机物含量以及生降解水平等也是影响发酵效率的
６２
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ２００３一ＩＦＢＢＥ
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图１０欧洲１０年中、高温厌氧消化厦源、非源
分选垃圾厌氧消化的比例走势
Ｆｉｇ．１０
Ｍｅｓｏｐｈｉｌｉｃ
ｖｅｒｓｕｓ
Ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｉｃａｎｄ
Ｍｉｘｅｄｗａｓｔｅ
ｖｅｒｓｕｓ
ｏｒｇａｎｉｃｗａｓｔｅ
；
重要因素。相同反应条件和相同消化工艺中，由于底物
组成不同，沼气产量的相差可以达到４０％ｏ…。联合消化
可以在消化物料间建立起一种良性互补。如将秸秆与畜禽粪便联合处理而调节反应物料的Ｃ／Ｎ．将城市垃圾与污水污泥联合处理而调节微生物含量与水分含量。Ｙ．Ｓ．Ｇ．Ｃｈａｎ研究表明将污泥、海上漂浮垃圾与市政垃
圾混合起来处理比市政垃圾单独处理效率更高““；Ｆ．
Ｊ．Ｃａｌｌａｇｈａｎ等研究认为将牛粪、水果蔬菜垃圾以及鸡粪进行联合厌氧处理是比较好的选择，表明水果蔬菜垃
圾含量从２０％增加至５０％，沼气产量从０．２３ｍ３／ｋｇ
ＶＳ提高到０．４５ｍ３／ｋｇＶＳ口”；Ｈａｍｚａｗｉ用生物活性测定的方法研究表明将市政垃圾和污泥以１ｔ４的比例混
合处理可得到一个沼气最佳产气量｝Ｋａｙｈａｎｉａｎ研究表明，美国典型的垃圾缺乏活跃而有能稳定降解的元素，若补充一些富含营养的有机垃圾如畜禽粪便、剩余污泥等可以大大提高反应效率口“。另外各种联合消化在工业设备上测试表明能量消耗没有负面影响ｏ“，但联合
消化在工业方面的报道很少，目前只有不到厌氧总量的
７％的市政生活垃圾采用联合消化口“。从欧洲近１０年
来的联合消化走势图，可以看出，联合消化呈增长趋势
（图１１）［１７］。
芝■割斟蚌
∞肋伯∞加∞砌Ⅲ∞∞∞∞∞呻吣
∞∞∞彻∞伽∞图１１
欧洲１０年来普通厌氧消化和联合消化
处理量比例走势
Ｆｉｇ．１１Ｃｏｄｉｇｅｓｔｉｏｎ
ｖｅｒｓｕｓ
ｓｏｌｉｄｗａｓｔｅｄｉｇｅｓｔｉｏｎ
４．６
预处理
对反应物料进行不同的预处理会大大影响厌氧消
｝匕的效率。主要的预处理方法有物理、化学、生物方法。
ＺｈａｎｇＲｕｉｈｏｎｇ在用稻草为底物固态发酵产沼气中研
究了用研磨和切碎两种方法处理物料的直径，表明在相同的直径下，研磨比切碎的沼气产量高１２．５％”“；Ｉ。．Ｍ．Ｐａｌｍｏｗｓｋｉ等研究了厌氧消化时小的颗粒直径可以提高消化效率并且减少消化体积；Ｇｈｏｓｈ等研究了用碱预处理后的城市固体垃圾在相同高温厌氧两相消化
下甲烷产气率提高了３５％；目前对底物进行生物预处
理的研究不太多，ｓ．Ｈａｓｅｇａｗａ等从高温反应器中分离
出了能分解融化固体废弃物的嗜温微生物来处理垃圾，
反应效率大大提高。还有人认为用好氧预处理也可以提高厌氧消化效率”“。
５结论和建议
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Ｄ２］。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橱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（研究表明好氧堆肥的适宜固体含量是５５％～６０％），用厌氧法处理尤其是上述类型的生活垃圾将会是一个发展方向，但目前在国内发展较慢，尤其是两相消化与联合消化的规模化应用几乎是空白。其中为了节约用水、减少反应器容积，利用高固体厌氧消化渗滤液回流技术是一个较好的选择；在处理蔬菜水果垃圾时要充分利用两相厌氧
消化工艺的优点；另外垃圾分选、联合消化技术以及预
处理的研究还有很大潜力，将是以后发展的重点。尽管
厌氧消化的方法处理城市生活垃圾是一个发展方向，但是在实际应用中还存在很多技术经济问题。
１）厌氧消化城市生活垃圾的预处理技术还没有一
个统一的标准，如粒径大小、碱预处理剂量等｝
２）厌氧联合消化的研究不太系统，只是得到一些联合消化的处理结果，对各种废弃物配比的定量研究较
少；
３）消化处理城市生活垃圾耗费比较大，这样就使
得很多国家尤其是发展中国家，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，经济投入就会更大；
４）由于一些国家的电力能源发达、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
化的优点都不能体现太突出，应用不是太广泛；
５）由于源分选垃圾需要耗费大量的人力、物力与
财力，使得源分选垃圾在一些国家还不太普及，这样导
致垃圾中无机成分多，厌氧发酵效果差。
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Ｒｅｎｊｉｅ，ＺｈｅｎｇＷａｎｌｉ，ＯｉａｏＹａｎｙｕｎ，Ｈｏｕｒｏｎｇ
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ａｔｔｒａｃｔｉｎｇｍｕｃｈｍｏｒｅｉｎｔｅｒｅｓｔｓｆｒｏｍｔｈｅｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｏｌｉｄｗａｓｔｅ；ａｎａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｉｏｎ；ｔｗｏ—ｐｈａｓｅｄｉｇｅｓｔｉｏｎ；ｃｏ—ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ
城市生活垃圾的厌氧消化处理
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刘广青， 郑万里， 乔艳云， 侯允， 董仁杰中国农业大学水利与土木工程学院(北京)1次
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