城市生活垃圾水解試驗研究

周 峰

（泰州藍德環保科技有限公司，江蘇 泰州 225300）

隨著社會的發展，我國進入城鎮化高速發展階段，城市人口也呈井噴式發展，城鎮化發展及人口的增加勢必引起生活垃圾量與日俱增。當前，生活垃圾量日益劇增與環境污染問題深深困擾著城市生活，城鎮生活垃圾急需妥善處置，如果城市垃圾不能及時有效處置，必然影響市容生活環境。現階段，我國城市生活垃圾的無害化處理技術主要分為3類，即衛生填埋、堆肥處理和焚燒處理。國內垃圾處理行業整體仍處于無害化處理的初級階段。到2010年底我國城鎮生活垃圾無害化處理率已達63.5%，其中進行集中衛生填埋、焚燒和堆肥的比例分別為77%、18%和5%（占無害化處理總量的百分比）[1]。

以填埋技術為代表的傳統處理技術，不僅占用和污染了大量土地資源、浪費垃圾中潛藏的資源與能源，還影響了周邊的環境衛生和居民健康，成為影響城市面源污染的重要來源。厭氧發酵技術運行穩定，能耗較低，并且能夠產生大量可利用的能源物質甲烷，因此在改善進填埋、焚燒和堆肥這三項傳統垃圾處理技術的同時，需要根據垃圾組成的特點，通過厭氧發酵技術高效利用，實現有機垃圾的減量化與能源化的目的[2]。厭氧發酵原理是利用微生物將垃圾中的有機成分水解成單糖、脂肪酸和氨基酸等小分子有機物質，然后在產酸菌的作用下將小分子有機物分解為乙酸、丙酸和丁酸等小分子有機酸，再將其轉化為H2和CO2等，最后在產甲烷菌作用下將乙酸、H2和CO2等物質轉化為CH4和CO2[3-5]。

本試驗以生活垃圾為原料，通過分析水解過程中的相關數據，系統考察其厭氧發酵條件與性質，為工程化應用提供設計依據。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

取自江蘇省泰州市常規收運的生活垃圾，并經過破碎處理。

1.2 試驗裝置

本試驗采用臥式圓筒型厭氧發酵倉，內含攪拌裝置、加溫恒溫系統等，有效容積700 L。

2 試驗過程與結果

首先，取破碎后生活垃圾20 kg加入厭氧發酵倉，對破碎后的生活垃圾分別檢測含水率及VS值，以考察原料性狀。經檢測，含水率為50.06%，VS為49.88%，可見生活垃圾中的有機成分占比較大，適合厭氧發酵，但考慮到含水率較低影響到物質的傳遞及能量的傳遞，需要加水稀釋，以提高發酵效果。

其次，取自來水50 kg加入厭氧發酵倉，啟動攪拌裝置及加熱恒溫裝置，控制溫度在35℃左右，分別與0、12 h、24 h、48 h、60h等時間取樣，經過離心處理后檢查如下指標：pH值、含水率、VS和COD等。

2.1 pH值

pH是影響厭氧發酵的重要因素，所以很有必要考察水解反應對pH值的影響。

圖1 pH值隨水解時間的變化趨勢

由圖1可知，液相中的pH值隨著時間的推遲，呈現先下降后上升的趨勢，在24 h左右時pH最低，達到7左右，后呈現微量上升趨勢。水解初期pH降低是由于在水解開始階段，營養充足，微生物繁殖很快，在產酸菌的作用下各種糖類、纖維素、淀粉等降解為各種酸、醇等；反應2 d后，pH值基本穩定在某個的范圍并呈微量的上升趨勢，這是因為隨著水解的進行含氮有機質（如蛋白質、核酸等）降解產生的氨氮使水解液的pH值上升，同時有機酸逐漸被其他細菌利用，也會使pH值升高[6]。pH的上升將有利于穩定發酵環境的酸堿度，為各種細菌提供較好的反應環境。

2.2 含水率

含水率影響微生物反應的各種物質及能量的傳遞，含水率對微生物降解生活垃圾的反應速率影響較大，故需要對水解過程的含水率進行分析。

圖2 含水率隨水解時間的變化趨勢

由圖2可知，液相中的含水率隨著水解的進行逐漸降低，由開始的95%降至92%，說明液相中的含固量逐漸增加，由5%逐漸增加到8%，這是由于城市有機垃圾基本為固態廢物，在一定溫度及攪拌條件下固態有機廢棄物被破碎、細化、溶解于液相中，經過離心后，導致液相中的含固率上升。

2.3 VS

VS指標是考察生活垃圾中的有機成分，VS值越大，其可厭氧化利用條件越好。通過分析VS值，人們既可以對垃圾組分進行分析，又可考察水解對生活垃圾的厭氧利用影響。

由圖3可知，液相中的VS值隨著水解的進行逐漸升高，由開始的50%左右逐漸上升到85%左右。VS含量很高，說明水中有機質含量較高，具有可資源化利用的價值。VS值隨著水解的進行逐漸升高，說明在溫度升高和機械攪拌雙重作用下，有機垃圾經過厭氧水解，大量有機物溶出，這有利于后期的厭氧發酵資源化利用。

2.4 COD值

圖3 VS值隨水解時間的變化趨勢

考慮到液相中的有機成分較高，固COD值在一定程度上能反映出可資源化利用的基質。通過對液相中的COD值進行分析，人們可以考察生活垃圾可資源化利用的程度，該值對后續厭氧發酵影響較大。

圖4 COD值隨水解時間的變化趨勢

由圖4可知，液相中的COD值隨著水解的進行呈現先逐漸升高后下降并趨于穩定趨勢，由開始的8500 mg/L逐漸上升到22000 mg/L，后有下降并穩定在14000 mg/L左右。COD先上升是由于隨著水解反應的進行，一些固態的有機物在各種作用下快速溶出并溶解于水中，后COD值有所下降是由于在35℃的中溫條件，在機械攪拌下，部分有機物發生了厭氧反應，有機污染被厭氧菌降解為甲烷、二氧化碳等溢出系統。COD高達15000 mg/L，說明該有機污染物適合厭氧發酵反應，具有很高的資源利用價值。

3 結論

生活垃圾水解后的VS達到80%，有機物含量高，具有很高的資源利用價值；由于含氮有機質降解產生的氨氮使水解液的pH值上升，達到7，這對于穩定反應系統pH值，起著很重要的緩沖作用；溶解液的COD高達15000mg/L，說明該有機污染物適合厭氧發酵反應，具有很高的資源利用價值；對于如何系統實施城市垃圾厭氧利用，還需要進行更系統的試驗來驗證相關參數，如沼氣產量、不同水解溫度的影響、不同攪拌強度的影響等。