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1、精选优质文档-倾情为你奉上城市生活垃圾资源化处理方案 厌氧消化循环利用技术单位：宇星科技发展（深圳）有限公司编制：杜娟审查：李总时间：2010年1月专心-专注-专业目 录1 研究背景1.1 我国城市生活垃圾污染现状城市生活垃圾是指在城市区划内通过各种形式收集的人类生活和活动中产生的综合废弃物，包括居民垃圾、街道清扫物、市场垃圾、商业垃圾，一般不包括污水处理厂污泥和建筑垃圾。随着城市化进程的加快，城市生活垃圾产量也逐年递增。自1979年以来，我国城市生活垃圾产量以平均每年8.98%的速度迅猛增长1 张宪生，沈吉敏，厉伟等. 城市生活垃圾处理处置现状分析J安全与环境学报，2003.8.，年产量达1
2、.5亿吨，历年积存的已达60多亿吨，侵占了5亿多平方米的土地，在造成严重污染的同时也是一种巨大的资源浪费，是我国可持续发展的巨大阻碍。如何变废为宝、环保经济地高效处理城市生活垃圾，成为各级政府均十分关注的热点和难点问题。1.2 城市生活垃圾组分及特点城市生活垃圾的组成成分比较复杂，一般包括：易腐有机垃圾（厨余、草木）、灰土泥沙、纸类、塑料、金属、玻璃、织物等，不同的垃圾产生源，成分有所区别。目前我国城市生活垃圾基本仍为混装收集，具有组分复杂、低热值、厨余比例高（37%62%）、有机质比例高（40%70%）、水分含量大（35%50%）等特点2 叶诗瑛. 城市有机垃圾厌氧消化工艺条件研究.合肥工业
3、大学硕士学位论文，2007.12，总体趋势是无机含量，尤其是灰渣含量大幅减少，而易腐垃圾和废品的含量则持续增长。以深圳市为例，生活垃圾组分及性质分析如表1、表2所示。随着人民生活水平的提高，城市有机垃圾在城市垃圾中所占比例会越来越高，应针对我国生活垃圾的特点选择适宜的处理处置方法，对垃圾中的有机物进行循环利用，达到减量化、无害化、资源化的目的。1.3 我国城市生活垃圾处理现状目前处理方法主要有卫生填埋、焚烧、好氧堆肥、热解和固化几种，以卫生填埋为主，平均占全国总量的70%以上，也有个别城市采用焚烧、堆肥与填埋相结合的方式对垃圾进行综合处理。例如，深圳市2008年城市生活垃圾产生量3 深圳市环保
4、局，2008年深圳市环境状况公报，2009.63为440.69万吨，其中焚烧垃圾179.00万吨，占40.62%，填埋垃圾235.99万吨，占53.55%。但这几种方法都存在一定缺陷。卫生填埋处理量大、造价较低，但会永久性占用大量土地，资源化利用率低，同时产生填埋气和渗滤液易对周边环境造成严重影响。焚烧处理具有减容减量、消灭病菌、节约土地资源、回收电能热能等优点，但其造价高，对垃圾热值要求较高，且存在二噁英二次污染和高温氯腐蚀等问题。堆肥处理能实现一定程度的垃圾资源化利用，但其效率低、肥效低、制造期长，不适应垃圾产量的迅速增长。热解处理是利用垃圾中有机物的热不稳定性在隔绝空气条件下对垃圾进行加
5、热，使其中的有机物产生热裂解的一种方法。在适当的操作条件下，能迅速减容减量，并能有效控制二噁英污染，但其前期投资大，且以垃圾分类收集、热值较高为前提，限制了应用和推广。固化处理是是把水泥、沥青、塑料、石膏、水玻璃等凝结剂同固体废弃物加以混合进行固化或是在城市垃圾中加入硅酸钠、粘土之类的添加剂一起烧结固化（玻璃化），使得城市垃圾中所含的有害物质封闭在固化体内不易浸出，从而达到稳定化、无害化的目的。固化法具有工艺简单、投资费用低、有效地封闭有害物质等优点，但其减量效果差，对有毒垃圾的处理成本高。以上方法均有较大局限性，不利于实现资源、环境与社会的协调发展。为适应我国经济发展，建设节能型环境友好型社
6、会，促进可持续发展，研究开发适合我国国情的垃圾处理工艺与技术已迫在眉睫。1.4 垃圾厌氧消化循环利用体系的提出1.4.1 垃圾厌氧消化国内外研究现状生活垃圾的厌氧发酵是指在无氧条件下，微生物分解有机物，其中的C、H、O转化为沼气甲烷和二氧化碳，而N、P、K等微量元素存于残留物中并转化为易被动植物吸收利用的过程。国外厌氧消化的发展是从20世纪70年代能源危机开始的，其中德国、瑞士、丹麦等西欧国家处于厌氧消化技术领先地位，并已经将此项技术成功地市场化。最近有研究表明， 在过去十年中，采用厌氧消化技术来处理城市固体垃圾的处理厂增加750，欧洲的有机垃圾量已有四分之一是经厌氧处理的。据统计，1999年
7、，欧盟有53个厌氧消化工厂年处理100万吨混合或分类的有机生活垃圾，到2005年，约有74个工厂在欧洲运行，用于处理分类的有机生活垃圾或混装垃圾，2006年商业运行的或正在建设的工厂数量达到124个，垃圾处理量达到400万吨/年。目前厌氧消化技术在世界各地广泛应用，大部分处理城市生活有机垃圾的厂处理量在2500吨/年以上。而在国内正处于起步阶段，尚无采用这样的大型处理厂。处于领先地位的是上海百玛士环保科技有限公司，已从欧洲引进全套厌氧消化处理技术在上海投产应用。厌氧消化技术利用率低的主要原因是我国垃圾分选困难、厌氧消化设备投资成本较高，但考虑到有机垃圾厌氧消化处理的良好经济效益（生物气用来发电
8、或供热以及优质卫生的肥料）和良好的环境效益（大大减少了CO2、CH4、臭气的排放），从生命周期观点看，厌氧消化比其他的处理方式更经济。因此，在我国厌氧消化工艺是一项具有很有前景的有机垃圾处理技术。有机垃圾厌氧消化按照固含率可分为湿式、干式；按照阶段数可分为单级、多级；按照进料方式分为序批式、连续式，其中常见的工艺如表3所示。表3 有机垃圾厌氧消化常见工艺1.4.2 垃圾厌氧消化循环利用体系垃圾厌氧消化循环利用体系是通过垃圾分选、湿式厌氧消化、沼气发电、沼液沼渣资源化利用四个部分组成绿色能源循环网，实现资源的最大程度利用。能源循环系统如图1所示。图1 城市生活垃圾厌氧消化循环利用体系示意图1.4
9、.3 建立垃圾厌氧消化循环利用体系的必要性研究建立垃圾厌氧消化循环利用体系有充分的必要性，主要体现如下：1、从我国有机垃圾的成分特点来看，我国城市有机垃圾高含水率，低热值、营养成分含量高等特点，符合一般厌氧处理的固含量及其他方面的要求；2、从能源回收的情况来看，厌氧消化产生的沼气可以作为能源加以有效利用，沼液、沼渣可作为蔬菜大棚的有机肥料和土壤改良剂回收利用，具有巨大的市场潜力和应用前景；3、从对环境影响来看，反应过程要求保持厌氧状态，则反应设备均为密闭状态，不会有废气、异味逸出，同时减少了CO2，CH4等温室气体的排放，对环境的影响小；4、从投资运行成本来看，尽管前期投资相对较大，但厌氧消化
10、启动不需要外部投资，同时消化产生的沼气用来发电除了满足自身需要以外，还可以并入电网，增加了成本的回收，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。同时可申请CDM项目，有效缩短投资回收期；6、从社会效益来看，上网电力可缓解地方电力紧张，循环经济模式促进产业整合与一体化，带动果蔬种植业及配套服务业的发展，有利于我国建设节约型可持续社会。1.5 政策支持中华人民共和国固体废物污染环境防治法深圳市环境科研计划立项实施细则中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要能源发展“十一五”规划印发节能减排综合性工作方案的通知国务院节能中长期专项规划国家发改委关于实行垃圾处理收费制
11、度促进垃圾处理产业化的通知国家发改委、财政部、建设部、国家环保总局(计价格2002872号)可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法(发改价格2006年7号)京都议定书清洁发展机制（CDM）2 生活垃圾厌氧消化循环利用工艺2.1 厌氧消化基本原理有机物的厌氧消化过程包括三个阶段：水解/液化、产酸和产甲烷。水解细菌（包括纤维素分解菌、脂肪分解菌、蛋白质水解菌）分泌胞外酶将复杂聚合物水解为单体化合物(如葡萄糖和氨基酸)，再经产乙酸细菌（醋酸分解菌和产氢菌）的作用生成挥发性脂肪酸、氢气、二氧化碳和乙酸，最后由产甲烷细菌将氢气、二氧化碳和乙酸转化为甲烷，三个阶段互相衔接、互相保持动态平衡。厌氧消化机理
12、如图2所示。图2 有机物厌氧消化原理图4 徐清艳，徐剑波.城市生活垃圾的厌氧消化处理J闽江学院学报，2007.42.2 湿式连续厌氧消化循环利用工艺流程湿式连续厌氧消化工艺是目前已发展成熟的最先进垃圾处理技术，循环利用流程主要包括四个阶段：垃圾分选及预处理、厌氧消化、沼气发电和残余物资源化。总的工艺流程图如下所示。图3 总工艺流程图1） 垃圾分选及预处理混合垃圾经称重计量后，进入分选系统，破袋后由给料机均匀送入滚筒筛进行筛分，将粒径位合适的小颗粒垃圾筛分下来后进人厌氧发酵工序，大于80mm以上的垃圾料继续进行分拣回收后再进行破碎处理，然后将破碎后的垃圾送入厌氧发酵间。垃圾中规定的物料由人工手选
13、回收。机械分选主要由磁选及机械破碎两部分组成，通过此工序后，垃圾料中的铁类金属被分选回收，筛上物被破碎处理，减小粒径，从而利于提高后续水力分离分选工艺的分选效果。筛下物首先经过磁选，分离出铁类金属，而后通过深水滚动分洗设备。根据物质比重的不同，渣土、电池、石块等较重的物质沉入设备下部，而较轻的物质如纸张、塑料等则漂浮于上部。沉下物和漂上物分别送入回收系统进行回收处置。然后将中间物送入沉淀处理罐，将沉淀后物料送入厌氧发酵工序。备好的待消化物料固体含量约为15%，温度37，按反应器中反馈的温度进行调节。2）厌氧消化流程设备包括稀释与混合稠泥状垃圾的混合池和厌氧发酵罐，垃圾在混合池中混合，使干物质含
14、量在2035之间，加热由蒸汽喷射提供，混合物由活塞泵打入反应器底部，停留2周，有机物在微生物作用下降解，形成性能稳定的易被农作物吸收的腐熟有机物，同时产生大量沼气。为使发酵物质均质化，可采用气动混合装置，沼气在压力下通过喷射管从发酵罐底部喷人罐内。用于混合搅拌的沼气可循环使用。料液从发酵罐中排出后，再经过机械挤压固液分离，得到固态成品和液态的污泥。为了分离悬浮固体，污泥需进一步处理。处理后的清液可用于垃圾的稀释，剩余部分可作为果蔬营养剂。3）沼气发电流程由厌氧发酵罐来的沼气温度较高，约为40左右，湿度达90，且含有少量腐蚀性的硫化氢，因此气体应依次经过冷却分离系统脱除水分、脱硫装置、加压储存系
15、统，然后送入燃气轮机/内燃机发电机组。所生产的电能一部分除自身设备使用外，还有约1/2可输入当地电网。所产生的热能除供给发酵室升温和恒温外，剩余部分可供给温室蔬菜大棚恒温。4）沼液沼渣高温好氧堆肥由于厌氧消化后的产物中还含有一定量的可生物降解物质以及细菌等微生物，对人体和环境有一定的危害，不能直接出售或排放，可进行好氧堆肥处理降解有机质、杀灭细菌。厌氧消化后的剩余物质进入好氧堆肥反应器，在低压条件下进行物料的熟化和干化。这一过程在密闭的构筑物中发生，需堆放至少2个星期，然后再取出并通风。将堆肥的精处理，去除惰性物质后用作土壤改良剂或者与氮、磷、钾肥等化工原料混台造粒，经过烘干、冷却、筛分等工艺
16、，进一步制取有机复混肥。可直接用于大棚种植业或包装出售。厌氧消化和堆肥中产生的CO2可经收集纯化后作为温室蔬菜大棚气肥使用，使碳排放量降到最低。2.3 工艺控制条件与参数1）组合型发酵系统（三级发酵系统）组合型发酵系统具有两个发酵室，在两个发酵室之间装有闸门和调控设备。根据垃圾水浆的不同类型，可通过闸门的开和关，灵活地连通和切断两个发酵室的联结。当闸门打开时，两个发酵室连成一体，成为一级发酵系统；当闸门关闭时，组合型发酵系统成为二级发酵系统。该系统适用于有机垃圾年供应量在15万吨以上的城市。深圳市2008年生活垃圾产量为440.69万吨，按有机物含量60%计算，则有264.41万吨有机垃圾，能
17、够确保三级发酵系统有充足的有机物来源。2）垃圾组分和粒度垃圾成分决定了有机质含量。易生物降解挥发性固体(Biodegradable Volatile Solids，BVS)可以较好地评估垃圾的生物降解能力、生物气产率、有机负荷和碳氮比(C/N)。木质素等是较难被微生物降解的复杂有机成分（RVS），构成了有机垃圾中RVS的主要部分。具有高VS低RVS含量特征的垃圾最适合厌氧消化。研究表明，颗粒粒度减小能引起比表面积增大，一方面可以提高纤维素的可生化性，加大产气量，使垃圾的减量化程度提高，另一方面可以减少有机废物消化的时间。3）垃圾营养结构微生物对碳、氮、磷、硫、钾以及微量元素的比例都有一定的要求
18、。厌氧消化合适的C/N为(2030)/1，产甲烷菌对氮的快速消耗会提高C/N，造成产气减少；而较低的C/N会引起氨积累，使pH值超过8.5，从而抑制产甲烷菌的活性。为了获得适宜的C/N，可以将高C/N原料(如BOFMSW)和低C/N原料(如污泥或动物粪便)进行联合消化。磷主要用来合成生物核酸，50/1的碳磷比(C/P)是厌氧发酵比较合适的比值5 李东,孙永明,袁振宏等.厌氧消化处理城市生活垃圾的应用研究进展J中国可持续发展论坛。4）pH值pH强烈地影响酶的活性。在水解和酸化阶段，pH值应为4.56.3；在醋化和甲烷阶段，酸碱度的最佳点应为中性。大多数产甲烷菌适合的pH范围在6.77.4之间，当
19、pH低于6.3或高于7.8，产甲烷效率会明显下降。pH低于6.3时产甲烷效率明显下降是由于此时甲烷的形成速率低于有机酸的形成速率，pH高于7.8时产甲烷效率的明显下降是由于NH4+转变成了有毒的、非离子化形式的NH3。由于pH能够及时、快速地反映厌氧反应器的性状，比如当反应器不充分搅拌产生问题时，pH会在挥发酸增加以前发生大幅度地变化，所以在垃圾处理厂的实际运行中也是通过pH的日常监测来判断厌氧消化是否正常进行。5）平稳的温度甲烷细菌生长的温度为070。在070之间，温度越高，发酵速度就越快，产气量就越多，垃圾处理量就越大。但同时，生物气的质量也就越低，发酵制控水平的要求就越高。合适的温度，取
20、决于垃圾水浆的类型。人们通常把070划成三个温度区：025为低温区；2545为中温区；4570为高温区。目前多采用中温发酵。6）潮湿的环境控制参数为湿度。厌氧性发酵细菌只能在潮湿的环境下繁殖。垃圾水浆的湿度应在50%以上。7）密封的环境光会严重阻碍厌氧性发酵细菌的增长。所以，发酵需在密封的条件下控制进行。8）预处理有机废物的厌氧消化过程一般停留时间比较长，如果在厌氧消化前对有机废物进行预处理，则可以提高厌氧消化的有机负荷率和减少水力停留时间。通过高温高压的预处理，可以有效提高废物的可生化性，提高产气量。9）联合消化联合消化就是通过厌氧消化同时处理两种或多种有机废物（如城市生活垃圾中的有机部分和
21、污水污泥的联合厌氧消化），该项技术在丹麦、瑞典具有广泛地应用。由于联合消化可以在消化物料间建立起一种良性互补，不同特征的废物之间共消化能起到稀释有毒物质、提供缺少的营养物质和提供适当的水分含量的作用。同时，设备共享所带来的经济效益是非常显著的；而且还具有混合废物更易操作的优点，所以联合消化是一种很理想的的选择。2.4 技术项目优势与大型垃圾焚烧发电供热站相比，厌氧消化循环利用系统具有以下明显优势：1、在同一垃圾年处理量的前提下，投资额只有大型垃圾焚烧发电供热站的1/10左右；2、无二次污染；3、再生资源回收利用率达100%；4、可生产绿肥供应种植业；5、盈利性运行。3 项目选址及建议3.1 项
22、目选址及建设影响因素1）接近垃圾源厌氧消化有机垃圾源包括：厨余垃圾；农、林、牧、渔的各种生物垃圾（如叶、茎、梗、根、块根等）；人畜排泄物；动物尸体；市场过期食物、粮仓的变质粮食；污水处理后的污泥；江、河、湖、海中的各种水生植物和淤泥等。总之，除了特殊垃圾外，包含各种有机物垃圾。据统计，人类生活垃圾的50%左右为有机垃圾，其余的大部分是再生资源，只有3%左右才是真正的废料。2）接近污水处理设施一个城市的污水处理设施是居民排污物的处理中心。污水处理后的污泥也是厌氧消化的优质垃圾源。另外，厌氧消化环节产生的极少一部分的污水可直达污水处理设施。3）接近公共电网变电站利用厌氧消化产生的沼气发电，生产的电
23、能除了本身消耗外，还有1/2左右可输入当地电网。4）接近小型垃圾焚烧设施或卫生掩埋场生活垃圾经过厌氧消化、残渣资源化处理后，极少的残余部分可以被焚烧或卫生掩埋。5）接近交通路线接近交通路线可以减少垃圾运输道路的建设。6）接近大型禽畜养殖场禽畜类的排泄物是厌氧消化的优质原料，并且它与蔬菜生产基地兼容。7）控制建设成本降低建设成本可采取以下措施：（1）采用70厘米厚的水泥墙作为发酵室的内壁，可用十年。根据经验，十年内可能腐蚀20厘米厚的水泥墙。因此上屋建筑应设计在余下的50厘米厚的水泥基础上。因为三级以上的发酵系统已特别适合维修保养，所以，发酵室可以设计为五年维修一次。并且，发酵室的内壁可涂上一层
24、不影响发酵细菌生长的防腐涂料，以延长维修时间。另外，可以降低发酵室的大型搅拌加热机的高材质要求。（2）组套热发电机组比较昂贵，德国组套热发电机组在硫化氢等毒气含量较高时虽也能使用五年左右，但过后，组套热发电机组的气缸和活塞等都会被腐蚀以至不能使用。所以如果其它国家的组套热发电机组价格便宜很多，也可以在大型MBV设施中适量选用。（3）厌氧消化处理设施的规模在初期可以只有一个模块，投产后，用所得利润再扩建第二个模块。3.2 综合利用建议1）建立果蔬温室大棚生产基地厌氧消化生产的沼气中含有较大比例的CO2，同时热发电机组燃烧甲烷也会释放出大量CO2，造成局部地区空气中的CO2含量过高。可将CO2纯化
25、后收集储存，输送至果蔬生产基地，促进蔬菜生长，降低空气中二氧化碳含量。2）投资发展大型禽畜养殖场禽畜类的排泄物是厌氧消化的优质原料，且它蔬菜生产基地兼容，促进可再生资源的循环利用。3）节水措施湿式厌氧消化发酵过程虽然是循环用水过程，但需添加新鲜水，因而进行大面积的雨水积蓄足以满工程用水。4）其他节能措施可在工程中合理利用太阳能，或进行相关的科学技术研究，提高项目整体经济效益。4 经济及环境效益4.1 经济效益设计投资日处理能力为600吨的垃圾厌氧处理厂，投资原则为30万元/吨，则总投资为18000万元。资金筹措：企业自投40%（7200万元）政府财政补贴30%（5400万元）银行贷款40%（7
26、200万元）收益：政府另外补贴垃圾处理费50100元/吨（深圳月补100元/吨，则年补贴额为2190万元）；上网电量：按照湿式连续厌氧消化系统的平均产气量为150m3/t、垃圾厂年处理垃圾能力为21万吨、1m3沼气可以发电1.45 kWh、1/2的电量为上网净电量加以计算，年上网电量为2362.5万kWh。以电价0.75元/ kWh计算，每年收益1771.88万元。有机肥料按垃圾有机组分的20%计算，每年可得肥料2.52万吨，以每吨1000元的价格出售，可收益2520万/年。按照以上分析，项目建设后每年至少收益6481.88万元，静态投资回收期为2.78年。同时可申请CDM项目，获得额外的收益
27、；投资建设温棚果蔬基地，培育有机蔬果，这些措施将大大缩短投资回收期。可见，此工艺具有巨大的经济效益。4.2 环境效益按照沼气平均含CH4量为65%计算6 张海东.城市生活垃圾厌氧发酵过程产生沼气的净化及利用,2005，每年可减排CH4量 m3，相当于14680.58吨CO2，对保护环境、节能减排、建设低碳社会做出了巨大贡献。4.3 投资风险分析从原则上讲，此工艺技术方案是无风险的。首先，垃圾产生和积存，是世界上多数国家和城市遭遇到的严重威胁，城乡生活垃圾清洁化资源化实时处理技术是当前国际领先的优势技术项目，需求迫切，会得到政府大力支持。其次，湿式厌氧消化处理有机垃圾在世界各国已经得到成功应用，
28、在技术上是完全可行的。在本工艺方案中将消化处理技术与沼气发电、残渣资源化、果蔬温棚结合起来，组成可再生资源循环利用系统，具有显著的经济效益和社会效益，适于应用和推广。第三，政府对于可再生能源发电电价补贴以及国际CDM机制大大地降低了投资风险和缩短投资回收期。总之，此工艺技术在垃圾处理、有机肥和改良土壤、改善环境方面的强大作用，合理的投资和回报条件，在节能减排方面的突出效果均预示着本项目的风险机率极低。5 总结生物厌氧消化处理城市垃圾是我国实现可持续发展的必由之路。通过垃圾湿式厌氧消化、沼气发电、沼液沼渣再利用、温室果蔬基地四个部分组成可再生资源利用循环网，可以最大程度地对资源进行回收利用、减少污染，具有技术成熟、政策支持、节约能源、保护环境、经济收益好等诸多优点，为我国城市突破“垃圾围城”困境提供了一条有效解决途径，值得加以应用和推广。6 参考文献