微生物處理技術在城市生活垃圾處理中的應用研究

魏淑巧 WEI Shu-qiao

（甘肅省天水市清水縣住房和城鄉建設局，天水 741400）

0 引言

目前，我國的城市化進程加快，大量的城市生活垃圾的產生給環衛工程帶來了很大挑戰，特別是在可持續發展背景下，城市生活垃圾處理問題越來越受到人們重視。選擇微生物處理技術，使城市生活垃圾處理環節更加節能環保，對維護城市生態環境、保護城市居民生活質量與身體健康而言，具有十分重要的現實意義。

1 環衛工程城市生活垃圾處理

我國大部分的城市生活垃圾都是由生活中產生的固態廢棄物組成，現在大部分城市都是將生活垃圾進行混合，然后進行統一處理，所以它們的組成狀況比較復雜，有塑料、灰土、廚余等，而且城市生活垃圾的組成還會受到自然環境和居民生活習慣等多種因素影響[1]。隨著我國城市生活垃圾日益增多，對垃圾處理技術提出了更高要求。城市生活垃圾處理是環衛工程中的一個關鍵環節，能有效地降低廢棄物產生量，降低有害物排放量，促進資源循環利用。通過對生活垃圾進行處理，可以有效地降低垃圾帶來的環境污染，保護水源、土壤和空氣質量，實現可持續發展。循環經濟中，城市生活垃圾的分類處置是一個重要步驟。循環經濟就是在有限資源條件下，對廢物進行再利用，使其達到最小化，從而達到對資源的有效利用。對垃圾進行分類處置，可以有效地推進我國的循環經濟，達到資源的可持續利用與循環再生，達到經濟發展與環境保護的雙贏。

2 微生物處理技術在城市生活垃圾處理中的應用

2.1 堆肥處理技術

堆肥處理技術是在一定的分解環境下，通過微生物使生活垃圾分解為具有營養功能的腐殖物質的一種工藝，該工藝要求對其分解的溫度、濕度、酸堿度等進行調控，確保其高效分解。將城市垃圾作為一種新型的生物降解材料，既可以降低城市中的有機廢物含量，達到無害化處置目的，又可以提高土壤養分含量，提高土地質量，在農業生產和城市園林綠化等領域具有重要的應用價值。堆肥法是一種常見的城市生活垃圾處理方法，其體積可降低約50%，且該工藝無毒、無污染，同時可加速材料轉換，使其有效成分更早地進入天然循環。按照不同的厭氧和好氧方式，將其劃分為好氧和厭氧兩類，前者是為了產生具有肥沃功能的腐殖物質，后者是為了制造具有肥沃功能的腐殖物質，而后者是在分解時產生的甲烷，可以應用于制氫等領域。

2.2 生物填埋工藝

采用生物反應器的生物填埋工藝可以極大地提高污泥中可降解有機物的轉化率。利用生物填埋工藝，可以把填埋場地看成一個大型的微生物群落。利用該方法對垃圾焚燒過程中的微生態系統進行調控，使其成為可控的生物反應器，加速微生物增殖，并賦予填埋場生物降解和污染控制等功能。采用回灌的方法，也可將滲濾液納入生化反應，既可以實現對廢水中污染物的逐步削減，又可以減少廢水的處理費用。城市生活垃圾中水分含量和有機物含量都比較高，符合厭氧發酵基質的要求。

2.3 厭氧消化處理技術

在厭氧微生物的催化下，廚余可以產生甲烷和氫氣等能源性氣體，從而提升了資源的利用效率，同時在發酵過程中也可以減少二氧化碳、臭氣和病原菌等的排放量，發酵后的殘留物也可以作為有機肥的原料[2]。與其他發酵底物相比，生活垃圾具有更高的沼氣產量，可以降低能耗，與氣化、焚燒相比，還可以實現廢棄物的再利用，是一種高效的垃圾處理方法。

2.4 生物干燥技術

生物干燥技術是一種新型的堆肥法，其對垃圾進行預處理和機械通氣，可以達到對垃圾進行干燥和脫水的目的。在通風和高溫的條件下，利用其中的有機物質代謝所釋放的熱能，加快了土壤中的水分揮發速度，從而達到預期干燥目的。相比于常規堆肥工藝，生物干燥技術在處理過程中采用先好氧發酵、后將有機質氧化為腐殖物質的方法，但在不改變底物生物量的前提下，通過生物反應將水分去除。

2.5 好氧堆肥技術

好氧堆肥技術是指在有氧環境中高效利用好氧微生物，可將發酵設備或地表堆放的廢棄物中的有機質轉化為高營養、高穩定性的腐殖物質。城市生活垃圾中的餐廚垃圾具有很高的營養價值和較高的有機物含量，是一種理想的堆肥材料。目前，國內部分城市已逐漸采用好氧堆肥工藝生產有機肥，既可充分利用資源，又可解決目前城市生活垃圾處理方法單一的問題。

3 應用案例

清水縣城鎮居民人均日產垃圾量約為1.15kg/人·d，結合清水縣人口規模以及增長率，預測2023年～2035年期間清水縣平均日產生活垃圾102t/d。當前，清水縣垃圾處理方式首先將垃圾分類然后焚燒處理，但是從實際情況來看，清水縣缺少生活垃圾分類回收體系，垃圾轉運也容易造成環境污染，缺少末端回收導致很多可回收物混入焚燒廠，造成資源浪費。清水縣生活垃圾組分如表1 所示。

表1 清水縣居民生活垃圾組分

清水縣建設正在快速發展，生活垃圾分類逐漸優化，以及清水縣規劃新建垃圾處理廠，基于以上情況，清水縣處理生活垃圾可以選用微生物處理技術。該技術基于垃圾分類，并設有末端分類回收環節，能夠實現可回收物再利用，最終產物經過微生物處理轉為生物能源，能夠有效節約垃圾處理成本，同時也具有較高經濟效益和環境效益。

3.1 生活垃圾分選

生活垃圾分選系統結構較為簡單，給料方式為計量給料，可防止因過多的廢物一起涌入粉碎設備而影響粉碎效率，確保最佳分選結果。進料滾輪及粉碎滾輪為鐘擺滾輪，不會出現喂料堵塞現象，整個分選系統裝置安全性高，可靠性高。在破碎倉使用具有速度可調節、轉動方向可調節的碾碎機，從而有效克服粉碎過程中物料容易被卷繞的難題。采用風選箱及針式分選機對水分含量高的易腐爛物料進行分選，減少可燃物料的水分含量，有利于能源的二次利用。采用重力梯度分級傳送帶，可將玻璃瓶，瓷器等重量較大的物品揀出，方便以后再循環使用。整個城市生活垃圾分選高度自動化，占地面積小于300m2，每天可以處理10～15 噸城市生活垃圾，整個系統裝置的總功率在80kW以下，具有設備占地小、能量消耗少、運行簡便高效、安全性高等優點，同時也為后續微生物處理做好垃圾分選工作，提高后續處理效果。

3.2 可燃組分烘焙處理

烘焙對分類后的可燃組城市生活垃圾進行預處理是一種行之有效的方法。在烘焙過程中，固態產品中仍有較多能量殘留，焙燒技術可顯著降低固態產品中的氯離子濃度，降低58%以上，可有效減少后續熱解氣化或焚燒過程中二噁英產生。在350℃以下的烘焙溫度下，固態產品的熱值很高，可加工率可達90%，固態產品脆性大、易粉碎，便于熱解、氣化、焚燒等資源再利用。烘焙溫度達到450℃以上，易揮發性有機物和部分中間產物發生二次熱解，使得可燃固廢熱解趨于完全。低溫熱解過程中，固體產物的揮發性顯著降低，固碳量顯著增加，使得固態物質在燃燒過程中能夠降低焦油生成，降低煙氣污染，改善燃料性能。

3.3 可腐組分產沼處理

經過分類處理的生活垃圾，可腐組以廚余、落葉等有機物為主，但仍含有少量的無機物質，如塑料，沙土等。針對這類污染物，傳統的處理方式是通過厭氧產甲烷，通過微生物降解有機質生成生物能源，從而達到減少生活垃圾產生量的目的。目前，國內外普遍采用的厭氧產沼技術為濕式濕地，即將這一類有機物與水混合粉碎后，通過運輸泵將其送入具有15%固含量的發酵槽中。然而，該技術的應用受限于污泥中的塑料、沙土等非生物物質，常會對污泥粉碎及運輸設備造成損害，且污泥產生的沼液難以有效處置。所以，對于可腐性物質，可以采取干式產沼或將其直接填埋后再覆膜抽氣的處理方法。

3.3.1 干式發酵產沼處理

相對于常規的濕式發酵產沼，干式發酵產沼由于其無需粉碎、易操作、不需沼渣等優勢，尤其適用于我國城市生活垃圾處理，厭氧干發酵工藝流程如圖1 所示。經過篩選的有機廢物暫存于材料堆置區，由鏟車裝載材料至干燥發酵倉，待至設定體積后，將液壓倉門關上，利用濕式CSTR發酵槽中的瀝濾液噴灑，或將前一批的發酵殘留物與新垃圾混合用作微生物接種。經過發酵生成的滲濾液進入收集池當中，并利用發電預熱使滲濾液溫度升高，然后進入濕式CSTR 發酵罐。該發酵罐利用產熱廢熱與苯板隔熱，在保溫條件下進行發酵，滲濾液在完成發酵后，進入干發酵倉并與倉內物料進行混合，同時也起到倉內升溫的作用[3]。將二者混合產生的沼氣與CSTR 發酵罐生成的甲烷收集起來，經脫硫環節和氣水分離環節處理后，再送入CHP 系統，利用其所產熱量進行干發酵及CSTR 發酵加熱。

圖1 厭氧干發酵工藝流程

3.3.2 填埋氣利用

可腐物質通過干發酵或填埋后，可以生成以甲烷、二氧化碳，硫化氫為主的氣體，其中以甲烷為主，約占總量50%-65%，常用的方法是發電，而沼氣發電是比較成熟的一種。采用液氮冷能直接將甲烷直接轉化為甲烷，無需繁瑣的冷卻裝置，且無需對冷卻速率進行控制，使其具備啟動時間短，開停靈活，負荷可調節等特點。變壓吸附法用于沼氣凈化環境，變壓吸附法是一種利用特殊物質如活性炭、硅等的吸附能力，通過增壓、減壓等方式實現對甲烷的吸附與排放[4]。含雜質的氣體經加壓裝置送入帶有多級分子篩的吸收塔內。將二氧化碳、硫和水等雜質通過吸收劑吸收到氣體中，留下較高濃度甲烷氣體和微量氮氣和氧氣進入換熱器。將生物氣提純后，再通過換熱裝置與液氮交換，生成液化的甲烷，再由加壓裝置輸送到貯藏箱中。經交換的氮氣用作再生氣，經減壓及非活性氣回噴，便于吸附材料排除雜質。

3.3.3 填埋覆膜抽氣

為了避免填埋產生臭氣影響周邊環境，要采取“源頭治理”的方法，在臭氣擴散到大氣中以前就將其消滅，以薄膜負壓抽氣為主要方式，同時在日間工作面上輔以可移動的風炮車噴灑除臭劑，達到對臭氣的提取與凈化，此外，鋪設薄膜還能起到良好的排水效果。為了使非作業區的臭氣得到控制，在垃圾填埋上方覆蓋HDPE 膜，膜的厚度選用1.0mm。根據填埋場施工需要和場地地勢，對填埋場上部進行分段固定，將薄膜固定在較小區域內，避免惡臭逸散，并通過HDPE 管材將薄膜下方的惡臭氣體排出，用于發電或焚燒。

因施工表面在日間暴露，無法采取遮蓋方法從源頭防治，可使用流動空氣炮噴霧除臭，在使用覆蓋層后，其臭味明顯降低，且工作面的臭味相對較小，所以使用除臭藥劑噴灑的方法應當更為有效[5]。在覆膜前，應先在工作表面鋪設若干條多孔管構成抽氣通道，在此區域通過管道與除臭器相連，將此區域所生成的惡臭物質經物理脫臭后排放。根據夜間施工工作面排出的臭氣成分分布不均勻，并針對其臭氣成分和煙氣的濃縮特點，采用活性炭吸附法對其進行處理，采用風扇驅動，在正壓或負壓作用下，將氣體分子抽吸到裝置內，利用自身的物理吸附和化學反應，將氣體分子聚集在裝置表面，吸附固定，再經過濾送至設備除塵系統，達到較好的凈化效果。

3.4 經濟效益

以清水縣日產102 噸城市生活垃圾為例，比較焚燒發電處理技術和微生物處理技術的經濟效益。垃圾焚燒發電處理技術存在很多不足，城市生活垃圾組成極其復雜，其燃燒熱值遠遠達不到最小熱值3360kJ/kg 的需求，且在實際應用中，還需加入助燃劑，這無疑加大了垃圾處理成本。在某些不發達的城市，自然不可能實現大面積無害化焚燒，但如果直接將其焚燒，則會釋放出二噁英等有害物質，危害生態環境與人類健康。如果采用焚燒發電處理技術，則該項目的總投資金額約為0.4 億元，焚燒發電廠的收益約為每天1.8 萬元。如果采用微生物處理技術，則總投資金額在0.2 億元左右，營業利潤約為每天1.9 萬元。如果不考慮運營費用和土地使用費用，采用微生物處理技術的建設投入遠低于焚燒發電處理技術，大約節省二分之一成本，但其經濟效益明顯高于焚燒發電處理技術，因此具有較高的經濟價值。但是，如果填埋場地無法對可腐物采取發酵處理，微生物處理技術需要建立干式厭氧發酵污泥體系，其投資與焚燒發電處理技術相當[6]。

3.5 環境效益

從環境效益方面來看，如果采用微生物處理技術每日處理102 噸城市生活垃圾，則一年可減少有害物質排放量如表2 所示。

表2 可減少有害物質排放量

此外，還可以大大降低填埋所需的堆填量，從而大大提高了填埋的服役時間，從最初預計的20年，提高到60年以上，節省了相當多的耕地費用，不必在填埋工程中投資過億的巨大投資，也不需要對珍貴的耕地進行浪費。微生物法將固體廢棄物直接轉換為液化天然氣或固體燃油，不僅可以顯著降低二噁英、重金屬等有害物質的排放量，還可以顯著降低填埋量，防止臭氣、滲瀝液等對周圍環境造成污染，從而達到降低或緩解居民對垃圾處理的抗拒心理，節約垃圾處理所需成本費用，達到能源二次利用的目的。

4 結束語

在環衛工程中，選擇微生物處理技術能夠減少污染物排放，避免垃圾處理過程排放出的廢棄物對周邊環境造成二次污染。減少對城市環境的危害，從而保障居民生活水平。政府部門還要帶頭做好生活垃圾分類工作，提高垃圾處理效率，這樣不僅能夠實現部分垃圾二次利用，同時還為微生物處理環節前的城市生活垃圾分選預處理提供了便利。