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生活垃圾有机质液化技术与工艺研究

序言 

依照《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》，提高城市固体废物的管理与治理水平，使城市固废（生活垃圾）处理由末端处理转向综合治理，由单纯处理转向产业化处置，由污染控制转向全方位环境保护，促进节能减排、循环经济、产业技术升级和社会可持续发展。城市固体废物（生活垃圾）种类繁多，成份复杂，数量巨大，是环境的主要污染源之一，其危害程度已不亚于工业废水污染和大气污染造成的危害。

桂林市固体废物处理一直采用传统的堆肥和填埋方法。已建成平山堆肥厂和冲口填埋场，在建山口填埋场。桂林桂特环保服务有限公司（平山堆肥厂）对桂林市生活垃圾的实际处理能力每天约200吨，年处理生活垃圾7.2万余吨，年生产垃圾堆肥3.5万余吨，目前仅能处理全市区生活垃圾产生量的三分之一，其余的生活垃圾经中转站运至位于临桂的填埋场进行填埋。由于桂林平山垃圾堆肥厂设备经多年使用已经老化、工艺已比较落后，远不能满足社会发展的需要。为使城市生活垃圾处理由末端处理转向综合治理，加快城市生活垃圾处理与资源化利用进程，促进社会经济的可持续发展和环境生态保护，急需研究采用新工艺、新设备进行更新改造。

引进国外先进适用技术、机械设备、管理经验和国际资金，加快城市固废处理与资源化进程，解决城市垃圾问题，桂林市政府有关部门、

近年来，桂林电子科技大学为解决桂林市固体废物处理问题，在自治区科技厅和桂林市政府有关部门支持下，加强国际交流，与德国杜易斯堡大学（Duisburg-Essen University）合作，对桂林城市固体废物状况进行了系统的实地分析研究，提出了优化处理的可行性研究报告和设备改造建议，为新工艺新技术的研究和实施进行了大量前期准备工作。

本项目在此背景下被列入2008年第五批自治区科技计划项目（桂科计字〔2008〕95号文件），项目名称为《生活垃圾有机质液化技术与工艺研究》（桂科攻0895003-7）。

项目总体目标是根据对桂林市城市生活垃圾状况的系统调查、研究和分析，借鉴国外先进思路，以原有研究工作为基础，重点开展生活垃圾有机质转化为生物质能源的关键技术——预处理技术、湿法液化技术、多相分离技术与工艺的研究，为进一步利用生活垃圾中有机质生物基材料打下良好基础，促进生活垃圾大幅度减量，发展高效处理城市生活垃圾的新模式和新技术。

1  项目研究的主要问题

1.1  现有城镇生活垃圾处理模式及其主要问题

迄今为止，我国城镇生活垃圾的处理模式主要有填埋法、堆肥法和焚烧法这三种方法。三种方法均有其相对的合理性，但同时存在一定的局限性和问题。

填埋法  简单易行，是最早的垃圾处理方法，其原理是将垃圾在选定的场所，填埋到一定高度，加上覆盖材料，让其经过长期的物理、化学和生物作用达到稳定状态。填埋法占我国现有处理方法的比例约为90%，是城镇生活垃圾处理的传统和主流模式。以露天堆放、填埋为特点的填埋法占用了宝贵的土地资源，减容效果差，存在对土壤、地表水、地下水和环境空气造成严重二次污染的危险，从环保意义上讲它只是一种消极的应急措施。在国家对填埋法规范化之后，场地基础建设、渗滤液长期处理的要求和投入更高，运行成本也大幅度增加，传统填埋方法的低成本运行将不再可行。

堆肥法  是将垃圾中的可堆腐有机物进行堆肥处理，提高垃圾再生利用水平的一种途径。依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化。它有两种方式：人工堆肥和机械化堆肥。堆肥处理时必须进行预处理和后处理，垃圾中不能发酵成分需作填埋或焚烧处理。目前，已经建成和运行的城市垃圾堆肥场不多，主要采用机械化筛分和简易高温堆肥技术。由于堆肥技术设施较为落后，生产的堆肥产品金属含量高、玻璃灰渣多、肥效较低，使堆肥产品销路不畅。

焚烧法  是将垃圾中的可燃成分在温（800℃～1000℃）条件下经过燃烧反应，可燃成分充分氧化，最终成为无害稳定的灰渣。焚烧法可使垃圾大幅度减容，减少了占地占用，可全天候操作，并能回收热能用于生活取暖和发电，为世界上—些经济发达国家广泛采用的城市生活垃圾处理技术。但是焚烧法在我国推广也存在不少问题：1、焚烧法投资大，占用资金周期长；2、焚烧对垃圾的热值有一定要求，一般不能低于5000kJ/kg，而我国的生活垃圾含水高、不可燃物质多，热值低，限制了它的应用范围；3、焚烧过程中产生的“二恶英”问题，必须有很大的资金投入才能进行有效处理。目前国内对城镇垃圾焚烧存在很大的争议，多个城市因建焚烧厂引起专家和民众的强烈质疑，表明在技术上、管理上还有一系列未能解决的问题。 

1.2  生活垃圾有机质液化——生化处理系统的可行性

1.2.1 设计思路与重要启示

    上述生活垃圾常规处理方法存在的问题提示我们，人为的粗放处理模式在环境问题日益严峻的今天已经呈现出各种严重的弊端，按照严格的环境影响评价要求，应用最广泛的传统填埋处理也已不再是低成本的廉价方式（如对填埋后的渗滤液需要承担永久性处理），项目组在重新审视现有的处理方式后得到以下启示。

启示一：利用自然界广泛存在的微生物对人类活动产生的废弃物特别是生物质废弃物进行降解，是对环境影响最小、最符合生态平衡、能耗与运行成本最低的处理模式。例如，在我区农村普遍推广多年的小沼气已被证明是一种处理生产和生活垃圾中有机质，变生物质废料为宝的可行方法，而城镇生活垃圾在经过简单物质回收后剩余的最难处理的有机质（被列为“不可回收物质”）则具有相似的性质，这就为以集中型、工业化、高技术的“大沼气”方式来进行生化处理提供了可能性。

启示二：南方城市的生活垃圾处理，常常因雨量过多、含水率大而导致处理困难，无论是填埋法还是焚烧法，都加重了处理的负担。为什么不可以反其道而行之？无需采用任何耗能耗时的干燥处理，直接加水入其中，以适当方法进行液化，再借鉴污水处理的分离、生化方法，进行固液分离回收、有机质厌氧生化处理，使之达到既分离回收了固体废弃物、又转化回收了生物质能源的双重效益。

启示三：在与前期科技合作伙伴——德国同行的长期合作研究过程中，我们了解到国外有类似的对固体废物采用“水处理”的思路，尽管那是在分类条件下进行的一种处理方案，但项目组认为，“水处理”的思路可能更加适合于我国混合生活垃圾的预处理。如果这种方案经过实践证明可行，那我们就可以绕开城镇生活垃圾分类收集这一道难过的门槛和由此带来的一系列社会问题、技术问题和配套问题，把资金和研究的重点投入到这种可能带来重大变革的液化—生化处理新模式中，以获取最大的综合效益。

据此，本项目组在缺少国内可以借鉴的成熟、完整工艺的困难条件下，创新设计了生活垃圾有机质液化——生化处理系统，并开展了理论与实践的探索和研究，根据设计思路分别对这一新方法的每一环节进行可行性论证，对所设计的工艺流程分项进行了从实验室到工业实验现场的大量技术研究，在不断解决出现的问题和修正研究方案过程中将处理系统的工艺路线逐步推向可行。 

1.2.2 液化——生化处理系统的设计

图1-1  生活垃圾有机质液化-生化处理工艺流程图

城镇生活垃圾的常规预处理技术已经十分成熟，不作为本项目的研究重点。经常规传输带机械或人工分选后不含大块金属、橡胶、织物及粗大物品的混合生活垃圾，与中水或回用水，进入投料斗2后，由送料机1送入液化设备3，由液化设备3处理成为匀浆后，进入多相分离器4，在多相分离器4中，泥沙和密度较大的固体颗粒物质及合成有机物碎片碎粒分别得到有效分离，而粒度在2mm以下的生物有机质类物质的浆液则被浆液泵5送到带有搅拌器的贮料罐6中，在其中可实现均化和酸化，停留期间产生的具有高COD值的上清液，可分送至UASB反应器8中进行厌氧发酵处理，主要产物水、含甲烷气体和少量残渣分别与主发酵产物合并。贮料罐6中停留后浓度较高的浆液经搅拌均化，可导入密闭、耐压、耐热、耐腐蚀材料制成的反应釜7中，在选定工作菌群作用下进行主发酵反应，釜内的温度在手动或自动控制下可达到0.1℃的控制精度，釜内的物料搅拌按需要可进行手动或自动控制，以实现最适发酵条件。

  在反应釜7和UASB反应器8的生化反应中产生的气体，导入气体净化设备13，获得的燃气贮存于储气罐14中，供进一步的工业或民用开发。在经过适当程度的发酵后，反应釜7中的浆液通过排料口排放至一级沉淀池9中，经自然沉降，渣、液初步分离，流动的液体经格栅在一定的高程差下进入二级沉淀池10，在其中渣、液进一步分离，液体经格栅和一定的高程差进入三级沉淀池11，在池中形成较清澈的水液，再由水泵抽入存水罐12中备用，根据水质情况，可用于制浆，或作为水肥。沉淀池为砖混结构，防水表层，加盖，从沉淀池中分离得到的沼渣作为优质农用有机肥，具有低含沙量、高有机质、无固体异物、富含纤维质等有利于土壤改良的养分。

    以上生活垃圾有机质液化——生化处理系统的设计经过不断的修正，各专用设备也在反复研制中趋向合理和成熟，表明系统的可行与实用。

1.2.3 生活垃圾有机质液化——生化处理系统的物质平衡

进入本处理系统的物质之一；为经初选的混合生活垃圾，不需要分类收集，无论干湿度如何均不影响处理效果；物质之二；为中水、回用水或循环水，水质要求不高，水量与生活垃圾之比约为1：1，在一定条件下可实现水循环利用。

本处理系统产生的物质有优质有机肥、水肥、燃气，以及不含有机质的泥沙（可实现无污染填埋或作建材原料）、不含泥沙的合成有机物碎片碎粒（可作为资源回收或高热值能源材料）。

由上可见，本处理系统可从根本上实现了城镇生活垃圾的污染治理，对“不可回收物质”进行了最大限度的资源回收，并将其转化为可再生生物质能源，有效地防止了“渗滤液”这一重大污染源的产生。同时实现了综合回收利用的目标。在节能减排等综合效益上优于目前占主流的填埋法。

本处理系统具有技术密集、相对封闭、土地占用少、节水节能、可全天候操作、环境排放和影响小的显著特点，相对于目前的一些主流处理方式，本工艺在技术经济上具有较好的可行性和适用性，实施规模上可大可小，尤其适合于南方城镇的生活垃圾处理。

1.3  多技术集成创新

生活垃圾中的生物质属“不可回收垃圾”，充分利用这一巨大的生物质资源，开发绿色能源，生产优质堆肥，可进行垃圾分离回收，实现城市生活垃圾的大幅度减量，减少排放和土地占用等，需要集成创新技术和工艺，需要将不同领域的成熟技术，经过取舍、改造、调整，应用到本处理系统中，为我所用，这是本项目要解决的另一重要问题。

有机质液化——生化处理系统涉及的技术领域有环境、机械、化工、电子、机电、生化与分析等，涉及的具体技术有矿山冶金机械设计与制造、液化技术、相分离、流体传输、压力传递、管道设计与安装、给排水、环境分析、平衡分析、热循环与热传递、微生物选育与驯化、厌氧生化反应、气体纯化、多通道传感与微电子自动化控制、电力匹配设计与安装、建筑与安装工程等。一套有机质液化——生化处理的完整工艺和一条能够正常运行的生产线，需要将这一系列分属不同专业领域的技术整合集成在一起，使系统能够达到项目总体目标和设计要求，这其中除了需要项目组人员的智慧与创新精神，还需要动员各种社会资源，包括技术资源和人力资源，否则，跨越如此众多领域的研究工作将难以进行。

2  关键技术

2.1  生活垃圾中生物有机质的液化技术

    生活垃圾有机质液化是本项目主要关键技术之一，其目的是为后续生化处理生物基有机质提供符合要求的底物。其基本要求是：足够细小的物料粒度，可靠、实用的处理设备。

2.1.1小型液化实验设备研制与有机质液化试验

小型液化实验设备是探索液化可行性的基本条件，采用国产JZC350型号的混凝土搅拌机改装而成，将待处理混合垃圾、适量的水和液化介质加入其中，经一定时间的处理，获得混合有机质浆液。对制得的多批次浆液的固形物粒度、COD、TOC、垃圾量与水量比、垃圾与介质比、固液分离效果和处理时间进行检测，考察液化效果。

初步试验的结果显示，液化后分离得到的浆液COD平均值全部都在1.3×104mg/L以上，平均达到2×104mg/L，最高的达到1×105mg/L。对高效厌氧发酵来说，COD的含量越大，则可以达到的处理效果越好。

小型液化实验设备因原设备改装局限，虽然液化效果良好，但对物料液化的时间较长，且只能批序式运行，主要原因是运行速度较慢及结构原因所致。

4  本项目研究与成果的意义

4.1  研究成果的创新性与先进性

与现行主流的城镇生活垃圾处理方式填埋、焚烧和堆肥相比，项目组研究创建的有机质液化——生化处理系统具有以下创新性、先进性和明显的技术优势：

（1）利用沼气化技术对生物质废弃物进行降解，是公认的环境影响最小，最符合生态平衡，可减少温室气体排放，回收能源，是值得推广的处理模式，从长远的角度看，运行成本相对低廉。

（2）物质平衡分析结果显示，进入本处理系统的物料是经常规初选混合生活垃圾、回用水，而产生的物质是燃气、优质有机肥、水肥，以及不含有机质的泥沙（可实现非专用场地的无污染填埋或用作建材原料）、不含泥沙的合成有机物碎片碎粒（可作为资源回收或高热值能源材料），具有潜在的经济效益优势。

（3）本处理系统占用土地资源少，相对封闭，不易产生二次污染，排放易于控制，环境效益好。

（4）可接受混合生活垃圾，免除了分类收集的巨大投入；无论含水率高低均不影响处理效果。

（5）节水，节能。在简单处理后，液化用水可循环使用，或直接作为水肥；系统正常启动后，能耗稳定，可用产生的燃气替代部分生产能耗。规模化处理成本相对更低。

（6）处理规模可大可小，从每天几十吨到上千吨的规模均可采用该工艺。

4.2  新方法新工艺的综合效益

对不为人们看重的“不可回收物质”进行最大化的资源回收，既能将其转化为可再生生物质能源燃气和优质有机肥，又能有效防止“渗滤液”这一重大污染源的产生，在“垃圾围城”的今天，达到节能减排和资源回收利用的环境效益、经济效益与社会效益的统一。

由于属技术密集型工艺，在实现规模化、自动化条件下，处理成本、人力成本将大幅降低，经济效益前景良好。

按城市人口和废弃物发生量、生活垃圾组成(见本项目组人员前期完成的国际合作同类课题报告)，可估算出本处理法产生的燃气相当于该城市居民用燃气量的30%左右。

由于液化——生化处理法易为人们所接受，其社会效益、环境效益以及可持续性前景良好。

4.3  推广应用的范围、条件和前景

新的工艺技术在节能减排、保护城乡环境和发展新能源领域显示了广阔的应用推广前景。    

生活垃圾无害化、减量化、资源化处理是目前我国城镇生活垃圾处理工艺技术升级改造的紧迫任务。鉴于液化分离、生化处理技术的先进性、新颖性和经济性，以及城市固体废物处理的相似性，这一研究成果极具区域示范和推广应用的潜在价值。

生活垃圾的综合处理与利用在投入成本、社会效益、环境效益和经济效益方面，具备良性循环和产业化发展的条件。与其他工业生产不同的一个重要方面是，城镇生活废弃物处理具有公益性，生活垃圾资源化生产链条的主要初始原材料供应稳定，获取原料的同时即有相应的处理资金，即所谓“谁处理，谁受益”；其次，生活垃圾的综合处理与利用符合国家重点支持和发展的产业政策，在税收、金融支持等相关方面可以享受优惠条件，而优质产品（高效有机肥、燃气、高热值物料）则为提高经济效益打下了良好的基础。这些先决条件为本项目产业化提供了基本保障。

    由于本项目整体上为创新性研究，在多个环节还存在有待改进或深入研究的环节和问题，在扩大应用规模时尚需针对不同环境条件作进一步深入研究和设计。作为生活垃圾处理的全新技术平台，已建成的实验生产线将会在今后的相关研究中，为本工艺技术的提高、完善和推广应用提供多方位的技术支持。

5  结语

从本项目立项开展研究工作以来，承担单位的项目组成员和参与研究工作的桂林电子科技大学环境工程专业几届本科生、研究生潜心研究了三年。为了本项目的完成，他们付出了巨大的心血，在远离市区的垃圾处理现场，长期承受着有害粉尘、有害气体和多种污染物的侵害，他们废寝忘食、同心协力、艰难探索，攻克了一个又一个技术难关，完成了这一跨越众多学科领域和技术领域，工作量浩大的研究项目，终于将一个具有完整生产线的新工艺新技术研发平台呈现在人们面前。

在完成项目任务的同时，应该承认，在缺少可借鉴资料和成熟工艺技术的条件下，在科技高度进步、各种新技术竞相发展的今天，研究工作受主客观条件限制，存在着一定的局限性，一些研究结果尚不够完善，还有很大的研究空间，已建立的生活垃圾有机质液化——生化处理平台或多或少存在缺陷，一些问题有待于在今后的实践中完善和提高，项目组愿意虚心接受来自各方的善意批评和指正，并愿意共同探讨和予以改进。

本项目开始申请立项之初，国内对城镇生活垃圾处理技术的关注度很小，几年之间，就已“遍地开花”，成为关注与研究热点，随之而起的呼声可谓铺天盖地，这至少证明了城镇生活垃圾处理的紧迫性和人们的危机感，这是促进废弃物科学处理、防止环境继续遭受其污染的社会动力，值得我们这些治理者和研究者欣慰。

愿本项目研究成果能为桂林市、广西区深度处理生活垃圾、美化生态环境的新局面发挥作用。

在此衷心感谢给予本项目研究以精神、物质和技术支持的有关企业、部门，衷心感谢关心本项目研究的各级科技部门，衷心感谢所有关注和支持过本项目研究的同行、亲属和朋友们。

部分参考文献

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[16] 肖鸿，彭宏.城市生活有机垃圾湿式动态厌氧发酵工艺[J].环境工程，2007，（4）：65-69.

[17] USEPA Municipal Solid Waste Generation, Recycling, and Disposal in the United- States [J]. Facts and Figures,2005.5:97-102

目  录

 

序言…………………………………………………………………………1

1  项目研究的主要问题………………………………………………………………1

1.1  现有城镇生活垃圾处理模式及其主要问题……………………………1

1.2  生活垃圾有机质液化——生化处理系统的可行性………………………2

1.3  多技术集成创新………………………………………………………………5

2  关键技术……………………………………………………………………………… 5

2.1  生活垃圾中生物有机质的液化技术…………………………………………5

2.2  混合生活垃圾浆液的多相分离技术…………………………………………6

2.3  液化有机质的生化反应特性…………………………………………………8

2.4  生化反应条件及其控制 ……………………………………………………… 10

3  技术结论………………………………………………………………………………14

3.1  生物有机质的液化效果………………………………………………………14

3.2  多相分离技术是生化反应成功的重要基础………………………………14

3.3  影响生化反应基本要素……………………………………………………14

3.4  系统自动化控制是规模化生产的必要条件………………………………15

4  本项目研究与成果的意义…………………………………………………………15

4.1  研究成果的创新性与先进性…………………………………………………15

4.2  新方法新工艺的综合效益…………………………………………………16

4.3  推广应用的范围、条件和前景……………………………………………16

5结语………………………………………………………………………………17

部分参考文献……………………………………………………………………………18