城市生活垃圾生物气化原理及发酵池设计

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城市生活垃圾生物气化原理及发酵池设计

许　光

(中国地质大学能源学院,北京　100083)

　　摘　要:本文通过对现行各种城市生活垃圾处理方法的比较,说明了生物气化是一种新型处理城市

生活垃圾的有效途径,阐述了生物气化的优点并论证了可行性。然后论述了城市垃圾生物气化的原理和

影响因素,并对生物气化的主要设施——发酵池进行研究和设计。

关键词:城市生活垃圾;生物气化;微生物;发酵池

1　引言

随着我国经济的迅猛发展,综合国力的日趋提

高,能源问题进一步的凸显出来。在错综复杂的国际

关系下,要保持我国经济的持续增长,就要有稳定的

能源供给。同时,随人民生活水平不断提高,全国尤

其是大中型城市产生的日常生活垃圾也变成了棘手

的问题。我国很多城市已经陷入垃圾的包围之中,有

的地方甚至出现了废纸张、食品袋满天飞的现象。其

实,垃圾是一种“放错地方”的资源,垃圾是相对于某

一过程或某一方面没有使用价值的,而并非对于一

切过程或一切方面都没有价值。有些城市已经积极

采取措施处理垃圾使它们变废为宝,例如分类收集,

垃圾发电等。然而从地质的思维角度出发,石油天然

气都是由史前的有机物转变而来的,而城市生活垃

圾中的有机物含量高达 95% , 是否能转化为天然气

呢?由此,我们想到了生物气化。本文正是在垃圾气

化方面进行初步研究,以求达到一箭双雕的效果。

2　目前城市垃圾处理的几种方法

现行的处理垃圾的方法主要有分选处理法、填

埋法、焚烧法、堆肥处理法等,各种处理方法都有其

优缺点:分选法处理垃圾具有垃圾资源化、无害化的

优点,但有收运效率低、经济性差、配套不完善的劣

势,并且垃圾分类收集增加了垃圾收集设施和运输

车辆的数量、更多的单位和个人参与垃圾收集,同时

还增大了环境管理的难度;填埋法是现阶段我国垃

圾处理的主要方式,它忽视了处理中的环境管理,后

期产生的甲烷等气体会对填埋区植被造成破坏,并

且容易产生爆炸,填埋区的地下渗透会污染地下水,

尤其是一些重金属离子是致命的有毒物质,而且该

方法占地面积大,使用期限有限;焚烧法投资大,运

转费用高,焚烧产生的尾气难处理而且容易造成二

次污染。另外,焚烧处理要求垃圾的热值大于 3.

M JgW,否则必须使用助燃剂,这将使运行费用提

高到一般城市难以承受的地步;堆肥处理法易造成

地下水污染,发酵不成熟则堆肥效果不理想,且堆肥

产生大量甲烷,处理不好可能引发爆炸。

国外一些发达国家由于经济发展较早,在垃圾

处理方面做的工作也相应较多。在美国,由于国土广

大,垃圾一直以卫生填埋为主,但是也从 1990 年的

卫生填埋率 84% 降到了 1999 年的 61% , 而回收率

率再高的除尘器也是无能为力的,所以必须使用双

层导料槽,其特点是:

①能控制诱导风:不管计算出来的诱导风有多

大,我们一律将它控制到 4000m

h左右,并且从导

料槽两端抽风,保证槽内水平流速降到 1mg

s左右,

不仅能顺利的转向抽出风口,还能保证导料槽出口

往里吸风,绝无粉尘外逸。

②出粉尘量少:导料槽内部分正压腔、负压腔两

部分,正压腔用以控制诱导风量,负压腔把正压腔包

围起来,正压区的空气漏入负压区时,粉尘能得到煤

层过滤,使含尘浓度降低 4～5倍,抽风管与负压腔

连接,直接抽到经过初步过滤的含尘浓度较低的气

流,可使除尘器入口的含尘浓度由 40gg

下降到

10gg

以下。这样不仅容易使对外排放浓度达标,

还可以大幅度减少除尘器排出的煤量损失。

5. 2　除尘器

采用多级湿式旋流除尘器,除尘器入口浓度为:

60gg

,出口含尘 145

m gg

,实测效率为 99.

76% , 处理风量 3750m

h,设备阻力为 1200Pa,耗

水量 1500kgg

h,漏风率为 0. 05% , 这种除尘器与湿

式多管相比:

①除尘效率高;

②占地小(1～2平方米);

③维护量小;

④需备品备件少。

5. 3　风机

专用风机,设计风两为 5000

h,风压为

4000Pa,效率为 75%。

6　系统安装所需空间

①双层导料槽及吸尘管路均以落煤点为基准相

配置,吸尘管路与输煤皮带上方约 0. 8m处架设,其

长度视具体情况而定。

②除尘器及配套风机顺序安装,其占地面积: 3.

0m×1. 2

m,局部最高高度 5m。

64 内蒙古石油化工　　　　　　　　　　2006 年第 8期　

Ξ收稿日期: 2005- 03- 24

从8% 上升到 23% , 这与美国的经济有关,舍得花资

金进行垃圾的处理和环境的治理;在英国,垃圾的

13% 进行再生利用或堆肥处理, 18% 焚烧处理,其余

的69% 进行填埋;日本由于人口多,土地少,大部分

垃圾进行直接焚烧处理(约占 77. 9% ),分选或破碎

后资源化和快速堆肥资源化占 14. 6% (吴文伟,

2003)。

生物气化是一种较理想的处理垃圾的方法。该

法利用细菌等微生物的厌氧发酵作用将城市有机生

活垃圾分解成广义范围内的天然气。它既能有效缓

解我国所面临的严峻的能源挑战,又能较彻底地处

理城市垃圾,分解产生的废物还是很好的农田肥料,

可谓一举多得。我国城市生活垃圾中有机组分含量

很高,例如北京, 2000 年的食品类、纸类、塑料类等

的含量占垃圾总量的 90. 9% (吴文伟, 2003),并且

这个数据还在增长,因此,我国的城市垃圾生物气化

有着先天的优势。据徐新华(1997)测算,我国城市垃

圾若全部采用生物气化技术, 1997 年产甲烷气体就

会相当于 700 万吨左右煤炭的能源潜力,直接经济

价值达 10 亿元,同时对环境保护所起的作用将更为

可观。因此,生物气化将是我国处理垃圾的具有中国

特色的方法。

3　生物气化原理

生物气化是有机物在隔绝空气,在一定温度、湿

度、酸碱度的条件下,经过发酵细菌的作用而产生气

体的过程,一般可分为 3个阶段:

(1)水解阶段　根据杨琦,张亚雷(1997),张光

明(1998)的研究,该阶段水解细菌利用胞外酶对有

机物进行体外酶解,使固体物质变成可溶于水的物

质,然后细胞将其吸收,水解成不同产物,该阶段起

作用的细菌为水解细菌如:产琥珀酸拟杆菌属、柱孢

梭菌属、白色瘤胃球菌落、溶纤维丁酸弧菌等。这些

细菌将不溶性大分子有机物 (如蛋白质、纤维素、淀

粉、脂肪)水解为水溶性的小分子有机物(如氨基酸、

脂肪酸、葡萄糖、甘油等)。

(2)产氢产乙酸阶段　在第一阶段液化的产物

被微生物吸收到菌体内,并在胞内酶的催化作用下,

将它们转化为低分子化合物,其中主要是氢和挥发

酸,如乙酸、丙酸、丁酸及乳酸等,还有乙醇、甲醇等,

其中乙酸数量最大,约占 80%。第一阶段众多的代

谢产物中只有无机的 CO

和H

及有机的“三甲一

乙”

(甲酸、甲胺、甲醇和乙酸)可直接被甲烷细菌吸

收利用。其他众多的代谢产物(主要是丙酸、丁酸、戊

酸、乳酸等有机酸和乙醇、丙酮等有机物质)不能为

产甲烷的细菌利用。它们必须经过第二阶段的产氢

产酸菌进一步转化为氢和乙酸后才能进行下一步的

产甲烷的阶段。该阶段主要反应如下:

丙酮酸:

①CH

COCOO

+ 4H

→CH

COO

②CH

COCOO

+CH

COO

+ 2H

→CH

COO

+HCO

③CH

COCOO

+ 2H

O→CH

OH +

HCO

乙醇:CH

OH+H

O→CH

COOH

+ 2H

丙酸:CH

COOH + 2H

O→CH

COOH + 3H

+CO

(3)产甲烷阶段　由于产甲烷的基质已很丰富,

以及产氨细菌的活动而使氨态氮浓度增高,使发酵

液中的氧化还原电势 (Eh)降低,为产甲烷细菌提供

了适宜的环境条件,促使产甲烷细菌迅速生长繁殖,

将乙酸、甲酸、甲醇、氢气及二氧化碳等转化为甲烷。

本阶段主要反应的化学方程式为:CH

COOH →CH

+CO

。

4. 1　影响甲烷细菌功能的外界条件

发酵细菌主要是专性厌氧菌和兼性厌氧菌,其

优势属种随环境条件和发酵基质的不同而异。在整

个过程中因为甲烷发酵阶段是厌氧过程的控制因

素,因此影响发酵过程的各项因素也以对甲烷菌的

影响因素为准。影响发酵过程的主要有温度、发酵细

菌的营养及 Cg

N、混合均匀程度、酸碱度等,具体如

下:

41111　温度因素:在环境因条件中,以温度的影响

较为明显。根据温度的不同,可把发酵过程分为中温

发酵(30～36℃)和高温发酵(50～53℃)。发酵允许

的温度变化范围为(±1. 5～3. 0)℃,当有±3. 0℃的

变化时就会抑制发酵速率,有±5. 0℃急剧变化时,

就会突然停止产气。发酵时间是指产气量达到总量

的90% 的时间。一般说来,随温度升高,发酵时间缩

短,高温发酵约需 10 天。所以,处理城市生活垃圾的

发酵池要保持在 50～53℃的恒温下,以保证产气效

率和垃圾处理量。

41112　发酵细菌的营养及 Cg

N:细菌生存需要 C、

N,合成甲烷也需要C,所以要求发酵池中的Cg

N达

到10: 1 至20: 1 为宜。低于或高于该数值都会影响

发酵过程。

41113　混合的均匀程度:厌氧发酵是由细菌体内的

内酶和外酶与底物进行接触的反应。一般的发酵池

都要有作为菌种的底污泥,新进物要与之充分接触

才能更好的发酵产气,所以要求发酵池应配备有搅

拌装置。

41114　酸碱度的影响:水解、发酵菌及产氢产乙酸

菌对 pH 值的适应范围大致在 5～6. 5, 而甲烷菌对

pH 的适应范围在 6. 6～7. 5 之间。在发酵系统中,如

果水解发酵阶段与产酸阶段的放应速率超过产甲烷

阶段,则pH 过低,影响产甲烷菌的生活环境。所以,

发酵池中要调节 pH 值使产气顺利进行。

4. 2　厌氧发酵池的设计

我国的民间使用较早,早在 20 世纪初就出现了

发酵设备,称之为传统的发酵设备系统,现代高效发

酵设备系统是在前者的基础上发展起来的工业化、

系统化、高效化的处理系统。作者在通过研究传统的

设备后,吸取它的优点,对它进行改进,设计出现在

的“立式活动盖椭圆型水压式发酵池”(见图 1)。

该发酵池的主要组成部分为:进料口、进料管、

发酵间、温度计、搅拌器、导气管、出料间(水压间)及

水浴保温系统等组成。由于它的发酵间和储气间合

为一体,利用“排水集气法”储存和输送:产气时,在

气体的压力作用下,发酵液被压入水压间;用气时,

利用水压间发酵液位差的压力输送气体,同时发酵

液又回到发酵池内,所以称之为水压式发酵池。水压

式发酵池的工作流程如下:

　2006 年第 8期　　　　许光　城市生活垃圾生物气化原理及发酵池设计

①城市生活垃圾通过初步的分选处理后通过进

料管进入发酵间。进料管是以 45 度左右的角度从一

侧插入池墙的一半处,这样就可以达到方便施工,进

料顺畅的目的。

②垃圾进入发酵间后封闭发酵池,开动搅拌设

备,使池底污泥能与垃圾充分接触,在水浴保温的作

用下持续发酵并产气。

③在一定的发酵时间过后,垃圾已大部分被分

解(大约 15～20 天左右),即可以通过出料间出料,

进行下一轮的垃圾处理。产出的气体通过除硫除杂

后可以用做工业天然气,出料间产出的废物可以脱

水后制成有机肥料出售,获得更好的经济效益。

图1　立式活动盖椭圆型水压式发酵池

本套设备的优点有以下几方面:

①池体设计为椭圆型:圆形结构的受力性能好,

受力各阶段在池内外轴对称载作用下,池体各部位

大部分处于受压状态,池墙下部虽有少部分受拉区,

但拉力并不大,便于采用砖、石、混凝土等,其抗压强

度远大于抗拉强度的脆性施工材料,使结构厚度大

大减薄,土建造价相应降低。此外,圆形池体比相同

容积的长方形池表面积小 20% 左右,并且池内没有

死角,有利于甲烷菌的活动。

②搅拌设备:传统的发酵装置没有搅拌设备,原

料进入池体后难于和原有厌氧活性污泥充分接触。

据测定,大型设备的死角高达 70% (赵由才, 2002)。

考虑到垃圾处理是一项高频度处理工作,需要短期

内完成发酵产气任务,所以搅拌设备的设计很明显

加快了这个进程。

③活动盖:设备在池体的顶部,呈瓶塞状,上大

下小。活动盖可以按需要开启或关闭,是一个装配式

的部件。在进行发酵池的维修和清除沉渣时,打开活

动盖以排除池内有害气体,并便于通风、采光,使操

作安全。当遇到意外情况时如导气管堵塞、气压表失

灵时活动盖被冲开,减低池内气压使池体受到保护。

④水浴保温装置:传统的发酵设备在不同的季

节由于地表温差的变化发酵时间也会出现较大的变

化幅度,冬季的发酵时间会增加 5—10 天。由于日温

差的变化,对池内甲烷菌的活动也有影响。本设备采

用水浴保温装置,解决了这个问题,保证了甲烷细菌

的活性和垃圾的分解速率以及产气速率。

为了大批量处理城市生活垃圾,建议垃圾处理

厂采用发酵池组,也就是将几个发酵池联合起来,集

体控制,具体方法如图 2。这样使垃圾处理和天然气

生产产业化,有利于机械化控制和节省资源。

图2　联合发酵池

6　结论

本文通过对城市生活垃圾的生物气化原理的论

述和一些技术的探求,说明了城市生活垃圾的生物

气化是一种大有可为的技术:

①城市生活垃圾是一种可以利用的资源,利用

生物气化法对其进行处理可以获得工业意义的天然

气,缓解能源需求和垃圾处理的压力。

②立式活动盖椭圆型水压式发酵池是一种新兴

的垃圾生物气化方法的设施,它具有其它垃圾处理

方法所不具有的绿色、环保、高效、无污染的优点。

我们相信,新世纪必将成为垃圾与生物气的世

纪!

〔参考文献〕

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[9 ]　张光明.城市垃圾厌氧消化产酸阶段研究.重

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84 内蒙古石油化工　　　　　　　　　　2006 年第 8期　

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