1、上海交通大学硕士学位论文厨余垃圾厌氧消化处理工艺的研究姓名：赵杰红申请学位级别：硕士专业：环境工程指导教师：蔡伟民20060101上海交通大学硕士学位论文 I厨余垃圾厌氧消化处理工艺的研究 摘 要 厨余垃圾在城市生活垃圾中占主体地位,其合理处理和处置是解决当前城市生活垃圾问题的关键。采用厌氧消化技术处理厨余垃圾能同时实现垃圾的减量化和资源化，在土地短缺、能源紧张形势日益严峻的今天具有重要意义。因此对该工艺进行深入研究，针对厨余垃圾的特点开发高效的厌氧消化处理工艺成为环境保护工作者面临的一个紧迫课题。 本文系统研究了温度对厨余垃圾水解酸化过程的影响以及对厌氧工艺运行的影响；研究比较了不同厌氧工艺
2、对厨余垃圾的处理效果；在此基础上，对厨余垃圾产氢发酵的可行性也进行了有益的探索。通过一系列的实验和研究，取得了一系列有益的结果，得到了一些对实际工程应用有重要参考价值的参数，为开发高效厨余垃圾处理方法，实现垃圾减量和能源回收提供了依据和借鉴。 本文首先通过间歇实验研究了温度对厨余垃圾水解酸化过程的影响，结果表明：在不超过37范围内，随着温度升高VFA浓度升高，峰值浓度达34.35g/L，温度继续升高酸化率反而下降。而水解率随着温度升高一直上升，50时达82%。综合考虑水解率和酸化率随温度的变化，厨余垃圾水解酸化过程的最优温度条件为37；不同温度下厨余垃圾酸化产物中有机酸组成没有明显变化，VFA
3、组成均以甲酸和乙酸为主，所占比例分别为31%44%和36%56%，并有少量丙酸和丁酸产生；乳酸一直是酸化过程中浓度最高的有机酸（2528.1g/L）。 温度对厌氧工艺运行影响的研究结果表明：反应器温度的急剧变化（即使只有几度）会对微生物代谢造成较大干扰，导致系统出水COD、VFA增加（VFA的积累则导致系统pH下降），产气下降，影响厌氧消化反应器的运行稳定和最大处理能力。上海交通大学硕士学位论文 II温度降低导致污泥最大产甲烷活性下降，温度由37降至25时，SMA由0.81 gCOD/gVSS.d 下降至0.54 gCOD/gVSS.d 。 采用四种不同厌氧工艺对厨余垃圾处理，研究结果表明：分
4、相和分段系统和单相系统相比表现出更高的处理负荷，和更高的出水水质，提高了产甲烷过程中气相中CH4含量；两相系统中产甲烷段接种颗粒污泥系统大大提高了COD去除率（达90%以上）降低了出水COD浓度，提高了出水水质；相间回流提高了酸化段的缓冲能力和酸化效果。 通过序批实验对厨余垃圾产氢发酵可行性进行研究的结果表明：经过热预处理后厌氧污泥具有产氢能力，以垃圾为底物产气代谢结果表明每克厨余垃圾可以具有4052ml 的产H2潜力，气相中没有明显的CH4产生；发酵结束后的液相中有较多乙醇产生。 关键词：厨余垃圾，厌氧消化，温度，发酵产氢 上海交通大学硕士学位论文 IIIINVESTIGATION IN A
5、NAEROBIC DIGESTION PROCESS OF KITCHEN WASTES ABSTRACT Kitchen wastes have a high proportion of 40%80% among municipal solid wastes so the reasonable disposal of kitchen wastes become the key point for solving the problem of municipal wastes treatment . In contrast to the landfill、incineration and co
6、mpost , anaerobic digestion was considered to be a sustainable technology for organic wastes . It is an effective way to reduce the volume of kitchen wastes and to generate methane for energy recovery by using anaerobic digestion. However, anaerobic digestion is a new technology for kitchen wastes a
7、nd for most of anaerobic digestion processes the retention time is still long while the efficiency is not as high as in wastewater reactors. So it is instructive to go into the process and develop a high - efficient anaerobic digestion process to stabilize the kitchen wastes. In this thesis, firstly
8、, batch experiments were carried out to study 上海交通大学硕士学位论文 IVthe effect of temperature on hydrolysis and acidogenesis of kitchen wastes in the two-phase anaerobic digestion. Besides, influence of temperature on digestion process system performance was also studied. Secondly, the roles of process con
9、figuration in anaerobic digestion was investigated to determine optimal methanogenic technology parameters. Finally, a series of batch tests was employed for examining the feasibility of biological hydrogen production from the kitchen wastes. It was found that the increase of temperature when below
10、37 may improve both hydrolysis and acidogenesis rates and acidogenesis rate decreases while hydrolysis rate increases above 37.The maximum VFA concentration of 34.4 g.L-1was achieved at 37 and a higher hydrolysis rate of 82% was obtained at 50. Formic and acetic acid were predominant VFA, while prop
11、ionic and butyric acid took a relatively little part. And lactic acid concentration remained relatively high. Accroding to the experiment an optimum temperature to optimize both hydrolysis and acidification is 37. The study about effect of temperature on anaerobic process performance show that: shar
12、p change of temperature in the reactor influence microorganism metabolism resulting in the increase of COD、VFA and dropping in biogas production. The SMA of the anaerobic sludge decreased from 0.81 gCOD/gVSS.d to 0.54 gCOD/gVSS.d when the temperature 上海交通大学硕士学位论文 Vdropped from 37 to 25. It was found
13、 that variations in reactor configuration caused profoundly differing in anaerobic process performance. Two-phase system and two-stage system was observed to be preferable to single phase system in OLR sustainability , effluent and biogas production. Two-stage system inoculated with granular biomass
14、 yielded the lowest effluent COD(COD removal rate exceed 90%). Recirculation of liquid form methane phase to acidification phase provides a higher buffer for pH and improve the acidificaton effect. It was found that the anaerobic digested sludge could be heat treated to develop their H2-production c
15、apability. Each gram of kitchen wastes had a hydrogen production potentials of 4052 ml by use of the pretreated digested sludge and no significant methane was obtained in the biogas. KEY WORDS：Kitchen wastes，Anaerobic digestion，Temperature influence，Hydrogen 上海交通大学硕士学位论文 VI本文使用的缩略语 英文缩写 英文全称 中文全称 AS
16、BR Anaerobic Sequencing Batch Reactor 厌氧序批式间歇反应器 COD Chemical Oxygen Demand 化学需氧量 OLR Organic Loading Rate 有机负荷率 ORP Oxidation-Reduction Potential 氧化还原电位 SRT Solid Retention Time 固体停留时间 HRT Hydrolytic Retention Time 水力停留时间 KN Kjeldahl Nitrogen 凯氏氮 TS Total Solid 总固体 TSS Total Suspended Solid 总悬浮物 VS
17、 Volatile Solid 挥发性固体 VSS Volatile Suspended Solid 挥发性悬浮物 VFA Volatile Fatty Acid 挥发性脂肪酸 MLSS Mixed Liquid Suspended Solid 混合液的悬浮固体 ABT Anaerobic Batch Test 厌氧间歇实验 TP Total Phosphous 总磷 SMA Specific Methanogenic Activity 比产甲烷活性 TOC Total Organic Carbon 总有机碳 上海交通大学硕士学位论文 1第一章 绪 论 1.1生活垃圾的产生、处理技术现状及发展
18、趋势 1.1.1城市生活垃圾的产生概况 城市生活垃圾来源于城市经济活动和居民生活 过程中的排弃物。据国家统计局2004 年公布的数据， 随着城市人口的增长和经济的发展 ,生活垃圾的数量也在不断增长， 2004 年我国城市生活垃圾的清运量已突破 1.5 亿吨1。而且仍在呈逐年增长的趋势。其中生活垃圾产生量的 60%集中在全国 50 万以上人口的城市。北京、上海和沈阳三个城市的垃圾产生量之和约占全国垃圾产生量的 10%。 图 1-1 和 1-2 显示出了北京和上海两大城市垃圾逐年产生情况的变化，从图 1-2 也可以明显地看出上海和北京市垃圾产生量的增长趋势。 450.1325372.03526.5
19、495460.5447.4432.4483321296309361.4585.32376.91523.9499.79470.1453.8478.301002003004005006007001994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003年份垃圾清运量北京市垃圾清运量（万吨） 上海市垃圾清运量（万吨）图1-1 1994-2003年 北京市，上海市垃圾清运量 Fig1-1.Municipal solid waste discharged in 1994-2003 （数据来源： 1994-2003年北京市环境状况公报2，1994-2003年上海市环
20、境状况公报3） 上海交通大学硕士学位论文 2根据上海市容环境管理局的统计，上海市生活垃圾日产量从 1990 年 8620 吨 /日增加到 2003 年 16040 吨 /日， 其中餐厨垃圾产生量为 1100 吨 /日。预计到 2010 年，上海生活垃圾年产生量约为 657 万吨，平均日产生量为 18,000 吨，人均垃圾产生量将从目前的 0.84 千克 /日增至 1.12 千克 /日。“九五”期间上海市生活垃圾年平均增长率 12.03%，“十五”期间垃圾年平均增长率为 3.5%，预计 2005 年 2010 年生活垃圾年平均增长率为 2%。 通过分析上海市和北京市垃圾产量增长率不难 发现，一方
21、面垃圾产生量呈增长趋势量，另一方面两个城市垃圾增长速率都从 高速增长期过渡到了平稳增长期。目前，根据两个城市的预测垃圾增长率基本上将稳定在 2%的水平。其中城市气化率、采暖方式的变革，以及生活方式的改变，大大 减少了城市居民煤灰的产生量，对城市垃圾减量贡献较大。 2%2%2.52%7.85%2%3.50%12.30%0.00%2.00%4.00%6.00%8.00%10.00%12.00%14.00%“七五”期间“九五”期间“十五”期间“十一五”期间时期垃圾增长率北京上海图1-2 北京、上海垃圾增长率示意图 Fig.1-2 Schematic diagram of MSW increase i
22、n Beijing and Shanghai 在垃圾产生量逐年增加的同时，垃圾的组成成分也发生着较大的变化，总体上垃圾中的有机物比例增加，可回收利用物比例增加，垃圾热值升高， 灰土量迅速减少 。根据上海市市容环境卫生管理局胥传阳在上海人居与信息化论坛关于“上海市固体废弃物处置现状及对策”报告中的相关数据显示，上海市生活垃圾成分从 1990 年到 2003 年之间发生了很大的变化。上海市把生活上海交通大学硕士学位论文 3垃圾分为：金属、渣石、玻璃、竹木、布类、纸张、塑料、果皮、和厨余垃圾，根据统计数据，从 1990 年到 2003 年，塑料垃圾从 4.0%升至 13.33%，纸类垃圾从 4.0%
23、升至 9.23%，果类垃圾10.8%升至 14.08%，厨余垃圾从 71.9%降至 51.82%4。 表 1-1 我国部分城市生活垃圾的组成（%）5Table 1-1 Components of municipal solid wastes in some cities（ %） 有机成分 无机成分 城市 厨余 纸类 布类 塑料 竹木 金属 陶瓷 玻璃煤渣砖石 其它 包头 69.50 3.50 0.50 1.00 3.00 0.80 17.70 3.00 北京 39.00 18.18 3.56 10.35 2.96 13.02 10.93 2.00 泸州 47.77 0.20 4.66 1.70
24、 1.00 2.00 0.50 40.50 1.67 烟台 42.50 4.00 3.20 11.30 1.10 16.60 21.70 武汉 57.44 5.06 1.15 9.51 0.90 3.18 4.24 18.50 重庆 78.00 5.40 1.10 5.00 0.40 1.20 3.90 1.00 上海 65.68 6.01 1.30 12.96 1.14 0.59 5.96 4.44 1.92 南京 52.00 4.90 1.18 11.20 1.08 1.28 4.09 20.64 3.63 深圳 60.00 8.50 1.42 12.93 5.04 1.20 2.60 7
25、.28 1.03 广州 63.00 4.80 3.60 2.80 14.10 3.90 4.00 3.80 注：空格为数据缺少，为数据已归入其他类 1.1.2生活垃圾处理现状及发展趋势 尽管我国城市生活垃圾产生量呈逐年上升趋势，但能达到无害化处理的量偏低，固体废弃物造成的直接和间接污染问题普遍存在。历年来堆存的垃圾量已达 60亿吨，侵占了约 5亿多平方米的土地。约有三分之二的城市处在垃圾的包围之中。我国城市垃圾中约有一半未经处理，这些垃圾裸露堆填，污染水质、土壤、大气，传播疾病，严重影响和制约了城市社会、经济的可持续发中国城市化水平的高速发展给城市环境带来了巨大的资源与环境压力。垃圾问题成为城
26、市目前急待解决的环境问题。 我国目前采用的垃圾处理技术包括填埋、堆肥、焚烧与资源再生利用等。由图1-3可以看出在各种垃圾处理方式中，以填埋处理为主，约占总处理量的 97%以上；堆肥处理量仅占 2%；焚烧处理还处在发展阶段运行的焚烧处理总规模仅为 1%。 上海交通大学硕士学位论文 4图1-3 不同垃圾处理方式所占的比例 Fig.1-3 Proportions of different methods in MSW treatment 由于对有机垃圾产生的环境污染缺乏足够的认识和必要的重视，结果导致一方面大量有机垃圾进入填埋场或直接堆放， 对水体、 土壤及大气造成很大的长期污染 。另一方面填埋场地
27、资源日益紧张，填埋场地选址越来越困难，运输距离也越来越远 :一些地区、特别是东部沿海经济较发达的地区，适宜的城市垃圾填埋场场地缺乏，并且越来越少6-7。目前无论是欧美，日本还是中国，填埋率都正在（或将要）呈现下降的趋势8。 堆肥是近年来发展较快的一项技术，从 80 年代初起 ,我国开始应用“二次发酵工艺” ,由于采取了强制通风、好氧发酵 ,使一次发酵周期缩短为 10 天 ,堆肥生产趋向工厂化。但是 ,它们大都属于静态间歇式堆肥工艺 ,生产受到一定限制。动态堆肥技术的试验研究 ,取得了一定成果 ,但由于成本较高 ,推广和应用难于进行。我国是一个农业大国 ,垃圾堆肥技术具有广阔的发展前景 ,也是实
28、现垃圾资源化的一条重要途径。与发达国家相比 ,我国的垃圾堆肥处理投入少 ,机械化水平低 ,堆肥质量差 ,肥效低。由此影响堆肥产品的销路 ,同时也限制了堆肥技术的发展。因此 ,如何通过推行分类收集与提高堆肥机械化水平来提高堆肥产品质量和降低堆肥处理成本 ,是摆在我们面前的重要课题。 我国城市垃圾焚烧技术的研究起步于 80 年代中期“ , 八五”期间被列为国家科技攻关项目。有关研究单位和企业 ,不但对国内外城市垃圾焚烧技术发展的现状和趋势进行了广泛的研究和实际考察 ,而且对垃圾焚烧关键技术进行了深入细致的分析、上海交通大学硕士学位论文 5探讨和研究 ,并结合示范工程对引进的马丁炉炉型进行了国产化研
29、究。从整体上讲 ,我国采用焚烧技术处理城市垃圾尚处于起步阶段。由于我国许多地区人口密度高 ,特别是东部地区的许多城市 ,土地资源缺乏 ,焚烧处理会逐步成为这些地区生活垃圾处理的主要手段。 目前 ,我国仅有深圳等极少数城市采用了焚烧技术 ,北海、厦门、广州、沈阳、上海、北京等城市也开始进行城市垃圾焚烧厂的设计与建设。焚烧技术在我国发展较慢的主要原因是我国城市垃圾混合收集、垃圾中的可燃物含量较低 ,特别是受经济技术条件的限制 ,大多数城市难以在较短的时间内广泛采用焚烧方法处理城市垃圾。 伴随着土地资源短缺，能源危机现状，石油产 品和天然气价格的上升和供应量的短缺，使人们开始研究替代的燃料来源，垃
30、圾原填埋被禁止，取而代之寻求综合处理方法。垃圾管理思路从末端处置的被动管 理模式转为垃圾减量、推进社区垃圾源头分类的主动管理模式。新的垃圾管理目标如图 1-6 所示，首先是尽可能避免垃圾产生，如果垃圾必须产生，产出量要最小； 其次是对产生的垃圾要尽可能进行回收利用；最后的处理目标是进行有利于环境的处理。 图1-4 过去垃圾管理的目标 图1-5 未来垃圾管理的目标 Fig.1-5 Object of MSW management in the past Fig.1-6 Object of MSW management at present 2005年，上海市将全面取缔郊区农村 781个生活垃圾简
31、易堆点。改造和扩建老港生活垃圾填埋场，新建 1座闵行生活垃圾焚烧厂，新建堆肥和生化处理厂 3座，新建上海交通大学硕士学位论文 6综合处理厂 7座。 2010 年，上海将达到焚烧厂 5座、填埋场 3座、综合处理场 7座、堆肥及生化处理厂 6座、危险废物填埋场 1座。将能够满足 18000吨 /日处理的需求。根据城市生活垃圾处置发展规划，未来几年，无害填埋场、垃圾焚烧厂、中转站、综合处理厂等数十个项目还将一一动工，到 2010年，上海将实现“生活垃圾零填埋、70%的垃圾变为资源循环利用、无害化处置达 100%”的目标。 要实现垃圾污染防治向主动管理模式的转变首先必须由源头做起， 进行分类收集和分类
32、处理9 10，使不同种类的垃圾均能加以利用，从而真正做到垃圾的减量化、无害化和资源化 ,同时还要求一系列的配套的技术做支撑包括： 生活垃圾收运机械设备，我国生活垃圾收运机械化程度有很大提高，全国城市生活垃圾清运机械总数达 37274 辆（ 1999 年统计） ，占环卫机械总数的 84。但从整体来看，我国城市垃圾机械化收运率比较低， 不仅环卫工人劳动强度大，手工操作较多，而且机械不足，设备性能差。全国大约有 40的环卫清运车辆已经老化需要更新，每年约有 1000 万吨的城市生活垃圾不能及时运往处理场地，道路机械化清扫率还很低。 生活垃圾分选设备，生活垃圾分选是生活垃圾 资源化处理过程中的一个工艺
33、环节，我国目前主要是通过人工分选回收生活垃 圾中可回收物资。机械分选主要用于机械化生活垃圾堆肥厂、焚烧厂和其他生活垃圾资源化工厂。 生产垃圾焚烧设备，生产垃圾焚烧设备的开发刚刚起步，我国兴建的大型垃圾焚烧厂如深圳和上海等垃圾焚烧厂主要引进国外 设备。面对市场的要求，我国大、中型锅炉厂纷纷引进国外技术，生产垃圾焚烧炉 ，以期降低设备成本。杭州引进日本技术生产三菱、马丁逆推型往复炉排；无锡引 进美国底特律炉排公司的炉排技术；宜兴引进美国的炉排技术等。我国自行研制的 小型医院焚烧炉技术已得到了较充分的发展，并已开发出系列化、标准化、定型化 的成熟产品。此外，我国一些企业看好垃圾处理行业的前景，纷纷研
34、制廉价的焚烧 炉系统，经过几年的发展，其产品和技术已由固定炉排垃圾焚烧炉发展到链条式移 动炉排焚烧炉和往复炉排焚烧炉。但是，上述焚烧炉处理量仅为 100 吨日左右，烟气的处理及热能回收技术相对比较落后，自动化程度较低。 上海交通大学硕士学位论文 71.2厨余垃圾的资源化处理技术 从表 1-1 中可以看出，我国城市生活垃圾组成成份中相当大一部分属于动植物类有机垃圾，占 45%以上，其中绝大部分是厨余垃圾。有机垃圾是能源和肥料潜在的资源，富含大量的生物质能，如果不加以妥善处理，在降解过程中会产生高浓度的渗沥液和易燃易爆的气体11-12， 不但会严重污染水体和空气， 甚至可能产生爆炸事故，对环境造成
35、很大的危害，有机垃圾污染防治问题，是目前中国城市生活垃圾处理和污染防治中最核心的内容之一13。若能采用适宜的技术手段将其中的生物质能回收利用则可实现环境效益和经济效益的统一。因此，在进行分类收集后，最直接的问题就是这类有机垃圾的处理与资源化利用。目前国内外研究与开发应用的技术主要有堆肥处理、厌氧消化处理技术等。 1.2.1好氧堆肥处理 将城市生活垃圾收集成堆、保温储存、发酵，在人工控制条件下，利用微生物的生化作用，将垃圾中的有机物降解转化为稳定的腐殖质的生物化学过程称为垃圾的堆肥处理一堆肥化。其产品 (堆肥 )可以成为施于农田、果园、苗圃的土壤改良剂，改良贫痔土地的土质，给作物提供生长所需的营
36、养元素。在堆肥化过程中起重要作用的微生物是细菌和真菌。这些微生物以废物中的有机物为养料，通过生物化学作用，使之分解为简单的无机物，并释放出微生物生长所需要的能量。其中一部分有机物转化为新的细胞物质，即微生物的繁殖，另一部分则作为能量释放出来 14 16堆肥化过程中发生的生物化学反应极其复杂，目前还难以对所有细节进行精确的描述。在实际的设计和操作过程中，通常根据温度的变化情况分为以下几个阶段 : (1) 潜伏阶段 :这一阶段是指堆肥化开始时微生物适应新环境的过程，即驯化阶段。 (2) 中温增长阶段 :这一阶段嗜温性微生物最为活跃，主要利用物料中的溶解 性有机物大量繁殖，并释放出热量，使温度不断上
37、升。 (3) 高温阶段 :当温度上升至 45以上是称为高温阶段。这时嗜热性微生物大量繁上海交通大学硕士学位论文 8殖，嗜温性微生物则受到抑制或死亡。高温阶段对有机物的分解最有效，除了溶解性有机物继续得到分解外，固体有机物 (如 :纤维素、半纤维素、木质素等 )也开始被强烈的分解。当温度达到 50左右时，各类嗜热性细菌和真菌都很活跃， 60时，真菌不再适应生存，只有细菌仍在活动， 70以上时，大多数微生物均不适应，其代谢活动受到抑制并大量死亡。在该阶段的后期，由于可降解有机物己大部分耗尽，微生物的内源呼吸起主要作用。 (4) 熟化阶段 :在这一阶段温度逐渐降至中温，并最终过渡到环境温度。由于有机
38、物大部分为难降解物质，腐殖质大量形成。在温度下降的过程中，一些嗜温性微生物重新开始活动，对残余有机物作进一步的分解，腐殖质更趋于稳定化。 生物分解过程中产生的氨在这一阶段通过硝化细菌转变成硝酸盐，其反应式可表示为 : 22NH4+3702+4CO2+ HCO3- 21N03-+ C3H7NO2+ 20H20+42H+(1.1) 由于硝化细菌生长缓慢，且只有 40以下才活动，所以硝化反应通常是在有机物分解完成后才开始进行。氨在转化为硝酸盐以后才容易被植物吸收，因此熟化阶段对于生产优质堆肥是一个很重要的过程。 合成 堆肥有机物 +02+微生物 氧化 图1-6 堆肥的好氧发酵过程 Fig.l-6 A
39、erobic composting process 影响堆肥化效果的因素很多，认识这些影响因素的主要目的是创造更有利于微生物生长和废物分解的条件。主要影响因素有 : (1) 粒 度 堆肥化物料的颗粒度影响其体密度，内部摩擦力和流动性。最主要的是足够小的粒度可以提高废物与微生物及空气的接触面积，加快生物化学反应速率。 (2) 碳氮比 细胞物质 (微生物生长 )腐殖物质 C02, H2O, NH3, PO42-， SO42-能量 上海交通大学硕士学位论文 9碳氮比是影响微生物生长最重要的营养因素之一。在微生物的新陈代谢过程中，对于碳和氮的需求量是不同的。微生物新陈代谢过程要求的最佳 C/N比大约在
40、30:1-35:1左右。在理论上，物料中的可生物降解有机物的碳氮比值也应控制在这个范围。不过由于大部分不含氮的有机物比含氮的有机物难降解，所以实际所应用的C/N比的范围大约是 25:1 50:1之间。 (3) 含水率 由于水是溶解性有机物和营养物质以及合成微生物细胞必不可少的物质，所以堆肥化物料中必须维持一定的含水率。最佳的含水率范围应该是 50-70%。若含水率过高，水就会阻碍空气的流通，使营养物质和病原微生物随水流出 ;若含水率过低，会使分解速率降低。当含水率低于 12%,微生物的繁殖就会停止。 (4) 温 度 温度的控 制主要有两个意义，一是使有机物得到有效的分解，二是使病原体灭活，保证
41、堆肥化产品符合卫生要求。研究表明，堆肥化温度低于 55时，微物活性最高，有机物分解效率也最高。 (5) pH值 在堆肥化过程中， pH值随时间和温度发生变化，其变化情况和温度的变化一样，标志着分解过程的进展。最初阶段由于有机酸的产生， pH值会降低到 5.0或更低。随着有机酸逐步被分解， pH值逐渐上升，最终可以达到 8.0左右。一般认为 pH值在 7.58.5时，堆肥化效率最高。 堆肥可以处理分类收集的有机垃圾，但是，完全依靠堆肥也存在很大问题。一方面，在有机物含量较高的情况下，由于湿度加大，好氧堆肥难度增大，容易形成厌氧状态 ;另一方面，由于堆肥产品体积较大，运输成本较高，堆肥效益较差，影
42、响了堆肥处理的经济性。目前在国内，堆肥处理的大多是未经分类收集的混合垃圾，生产出的产品质量低，堆肥市场更难以保证。 目前，我国已开发了城市垃圾堆肥技术，无锡、杭州、上海等地已建成了一批机械化程度较高的堆肥厂，具有较完整的前处理、发酵及后处理工艺和设备。其堆肥产品质量，运行操作可靠性、环境质量等指标都达到了较高水平。还建成了一批机械化程度低，但实用性强的简单高温堆上海交通大学硕士学位论文 10肥系统，如天津简易高温堆肥系统、安阳塑料膜覆盖快速堆肥处理技术，以及一批已处理陈腐垃圾为主的移动式简易筛选生产线。工艺简单、投资少、运行费用低、机动灵活，在处理大量生活垃圾和陈腐堆放垃圾方面发挥了很大作用，
43、构成了城市垃圾堆肥处理高、中、低三个技术层次的分布格局。但是，我国堆肥技术和装备与国外发达国家相比还有一定差距，特别是由于生活垃圾混合收集，因此，堆肥处理难度大，产品质量差，同时也缺乏成套化、系列化的设备。 1.2.2 厌氧消化 用厌氧消化处理有机垃圾成为一种新的趋势。因为从理论上看，厌氧消化处理技术具有更大的优越性。厌氧消化产生的沼气可以作为能源加以有效利用，同时也减少了 CO2、 CH4等温室气体的排放 ;因为反应过程要求保持厌氧状态，则反应设备均为密闭状态，不会有更多异味逸出；消化后产生的残渣数量较少，其后续处理及运输所需的成本也相对较低；对于含水率较高的厨余垃圾，尤其是餐馆饭店产生的浴
44、水等，很难进行堆肥化的处理，最宜厌氧消化。从投资和运行成本的角度来看，厌氧消化也更为经济。进行厌氧消化工艺研究，对有机垃圾的资源化处理意义重大 近五年来 ，欧洲国家纷纷将目光投向厌氧消化，大量兴建有机垃圾厌氧消化处理厂，日本等国也先后建设了有机垃圾厌氧消化处理示范工程。但在国内，尽管农村早有小型沼气池的应用，高浓度有机污水及污泥处理中也普遍采用厌氧发酵的工艺，但尚无应用于城市生活垃圾处理领域的实践。因此，很有必要针对国内的实际情况，对有机垃圾的厌氧消化进行专门的系统研究。 有关厌氧消化技术的详细阐述参见本章 1.3 1.2.3 资源化处理新思路 除了上述厌氧消化技术和堆肥技术以外，近年来，不少
45、研究者从厌氧消化过程的生物学过程出发，对发酵过程进行控制，着眼于缩短反应时间，提高反应效率，提出了一些实现有机垃圾资源化的新思路。 厌氧消化过程利用市政垃圾中的有机成分 （ OFMSW） 产生有用的能量和物质回收，其生物过程分成两步，第一步有机化合物通过生物链分解成挥发酸，第二步，酸被分解成甲烷和二氧化碳。基于这种两段式的生物过程，最近，有人提出了一种新的上海交通大学硕士学位论文 11思路，将厌氧发酵过程优化，停留在产有机酸阶段（厌氧消化的酸化段）。产生的酸可以回收，或用于生产甲基或乙基酯，从而增加辛烷值（在 103和 118之间），可以用作汽油的添加剂17。也可以用于在厌氧消化的第二段产生沼
46、气（两相厌氧消化系统），而且，经过发酵后的固体残渣可以堆肥产生土壤改良剂。所有这些可能性使得替代工艺引起人们极大的兴趣。由于这一过程大大缩短了生物流程，提高了生物处理效率，一次引起越来越多研究者的兴趣。 酸化过程作为厌氧消化过程的第一步已经被很多研究者广泛研究18 21。其中小试规模下最重要的研究是由 Albin等 22所做的。他们试验的特别之处在于采用了高TS含量的污泥（农业垃圾）；大约 14 22%TS。酸化反应器的停留时间为 10d，其中进料中 25 35%的初始 COD被酸化，主要产生了乙酸和丁酸。 所查到的较早的市政垃圾酸化发酵用以回收短链脂肪酸的研究由美国Antonopoulos
47、和 Wene23所做。他们研究了 MSW的生物转化，并回收短链脂肪酸用于液体燃料。给料采用模拟的 MSW。工作条件为：进料 TS6% 8%,停留时间 8d,有机负荷率 2 10kg TVS/m3.d，在中温条件下。总挥发酸（ TVFA）产量达 10 15g/l，丙酸所占比例最大。根据这个实验他们论证了采用 8d的停留时间在较高 VFA浓度的条件下运行厌氧消化器是可行的。 最近， D Addario et al.17在小试规模上用不同形式的反应器以机械分选的垃圾（ OFMSW）为底物进行了酸化发酵研究。其中采用序批反应器、停留时间 12d、进料 TS=15%时获得了较好的结果，总 VFA产量达
48、15g/l。最好的结果在多级逆流反应器（ Multistage Counter-Flow Reactor ）进料 TS=20%,停留时间 =12 21d条件下所取得，总 VFA产量为 14 22g/l。而且，作者对回收 VFA和它们的酯化产物进行初步经济分析表明整个过程的造价和目前直接倾倒所需费用相当，因此使该工艺过程得到人们极大的关注。 另一方面 wang24 25等研究指出厨余垃圾酸化发酵的产物以乳酸为主，并进行了厨余垃圾的酸化发酵回收乳酸的研究。 总之，有机垃圾厌氧产酸作为实现垃圾资源化的一种新思路，引起了越来越多研究者的兴趣和关注，但要将该项技术在实际应用中推广开来还需要解决一系列的上海交通大学硕士学位论文 12问题。诸如：如何提高酸化段效率、如何采用经济有效的手段实现发酵液中有机酸的浓缩和分离、如何控制发酵酸化的末端产物等。 1.3 厌氧消化技术概况 1.3.1厌氧消化技术的微生物学与生物化学原理 1.3.1.1 厌氧生物处理的代谢阶段 厌氧处理过程是由多种微生物组成的复杂生物体系共同参与完成的，在此过程中，不同微生物的代谢过程相互影响，相互制约，形成复杂的生态系统。过
