我国城市生物质固废处理现状、问题与展望
[2012-03-28] 来源：薛玉伟，朱丽洁，刘晶昊，徐文龙
1、 引言
生物质固体废物的概念是固体废物与生物质资源两项概念的交集。生物质固体废物是来源于动植物、可以被微生物生物降解的固体废物。根据产生源的特点，生物质固体废物可以分为种植业生物质固体废物、养殖业生物质固体废物、林业生物质固体废物、工业生物质固体废物、城市生物质固体废物和农村生物质固体废物等。城市生物质固体废弃物主要包括家庭厨余垃圾、餐厨垃圾、城市污泥和城市粪便等，具有组分复杂、均质性差、含水率高、易生物降解有机物含量高、甚至含有大量致病菌等特征，是以碳水化合物、蛋白质、脂肪为主要成分的易生物降解的固体废物。
由于城市生物质固体废物易发酵、变质、腐烂，不仅产生高污染沥出液和恶臭气体，污染自然水体和大气，甚至会产生大量毒素和孳生致病菌，危机生态和人类健康。因此，城市生物质固体废物必须及时有效处理处置，以保护环境、生态和人类健康。
近年来，随着我国经济发展、城镇化程度推进及人们生活水平提高，城市生物质固体废物呈明显的增长趋势，2001～2009年生活垃圾清运量平均年增长率约为2%～4%，其中厨余垃圾约占40～60%；2003～2009年城市污水排放量平均年增长率约为6.5%，剩余污泥量通常占处理污水量的0.3％～0.5％（体积）或者约为处理污水量的1％～2％（质量）；餐厨垃圾的产生量之大、增速之快都十分惊人,2000年，上海市餐厨垃圾日产生量约为：1000～1200吨。城市生物质固废的无害化、资源化和减量化管理日益受到关注。
2、城市生物质固废的特性
2.1危害性
城市生物质固废极易腐烂、变质，发酵，孳生蚊蝇，产生大量的有毒有害高污染沥出液及散发恶臭气体，污染水体和大气；来源广、组分复杂多样，含有各种病原菌，易孳生各种细菌，可能因食物链危害人体健康；特别是，生物质固废与其他固体废物混合处理时，若处理不当会导致处理效率低和严重的二次污染。
2.2资源性
与其它固体垃圾相比，城市生物质固废具有含水率高（通常高达60～90%）、易降解有机物含量高、碳水化合物、蛋白质、脂肪等营养物质含量高等特点，具有较高的回收利用价值。而且城市生物质固废的产生量迅速增长，生活垃圾2009年产生量达1.57亿吨/年，餐厨垃圾目前年产生量不低于6000万吨/年。如果城市生物质固废能得到充分有效利用（物质循环利用或能源利用），将是非常可观的资源。
3、城市生物质固废处理处置现状
由于我国固体废物处理工作起步较晚，目前城市生物质固废还没有做到有效分类收集与处理，大部分生物质固废没有被单独处理，二是随生活垃圾一同进入填埋场或焚烧厂，或少量进行堆肥处理。其处理方式还主要是以单纯的消纳处置为主，且处理技术及处理能力明显不足。
3.1生活垃圾处理现状
填埋、焚烧、堆肥是城市生活垃圾处理的三大传统处理技术，目前在我国填埋处理依然是生活垃圾处理的主要处理技术。截止2007年底，城市生活垃圾垃圾清运量为1.52亿吨，无害化处理量为9400万吨，其中卫生填埋处理7664万吨，占无害化处理量的81.7%，堆肥处理量250万吨，占无害化处理量的2.7%，焚烧处理量1466万吨，占无害化处理量的15.6% ；而到2009年，我国城市生活垃圾清运量为1.57亿吨，无害化处理量为11232.29万吨，其中卫生填埋处理8898.61万吨，占无害化处理量的79.22%，堆肥处理量178.83万吨，占无害化处理量的1.59%，焚烧处理量2021.96万吨，占无害化处理量的18% 。
可见，近年来我国城市生活垃圾处理取得一定的进展，但总体处理水平、处理能力明显不足。按清运量统计，2007年我国城市生活垃圾无害化处理率约为60%、2008年约为66%、2009年约为71.5%，若综合考虑实际情况，城市生活垃圾无害化处理会远低于70%，而县城和建制城镇圣湖垃圾无害化处理率会更低。
3.2剩余污泥处理现状
污泥投海、土地利用、卫生填埋、焚烧、厌氧消化等处理处置技术是剩余污泥目前比较成熟的处理技术。在我国剩余污泥一般为农用；或通过投加混凝剂、助凝剂进行调理，然后脱水处理，形成含水率为70%～80%的泥饼再进行卫生填埋。近年来，污泥干化+焚烧处理技术开始逐渐应用于我国污泥处理工程，但处理规模比较小，单位污泥处理费用较高，应用不够广泛。
总之，我国对剩余污泥的处理重视程度远远不足，以填埋、农用为主，机械脱水、消化为辅。污泥处理投资仅占污水处理厂总投资的20%~50%；污泥经过浓缩、消化稳定和干化脱水处理的污水处理厂仅占城市污水处理厂的25.68%；不具有污泥干化脱水处理的污水处理厂约占48.65%。
3.3餐厨垃圾处理现状
鉴于餐厨垃圾富含淀粉、蛋白质、脂肪、纤维素等营养物（占干物质的95%以上），在我国很多地方，餐厨垃圾一直作为生猪饲料或与其他生活垃圾混合填埋处理。近年来，为规范畜禽养殖，防止畜禽疫病和有毒有害物质生物残留、积累危机人体健康，为防止环境污染，要求餐厨垃圾必须进行无害化、资源化处理。高温好氧发酵、厌氧发酵、饲料化处理、堆肥处理等技术逐渐应用于餐厨垃圾处理工程。北京高安屯餐厨废弃物处理厂采用高温好氧发酵生产腐殖酸肥料，日处理能力为400t/d；上海市餐厨垃圾堆肥、加工宠物饲料等资源化处理场的处理能力约为700t/d，实际资源化处置约250t/d；重庆是主城区餐厨垃圾厌氧消化产沼气处理项目，处理能力为500t/d。我国相继建成的餐厨垃圾处理项目主要集中在一些大中城市，如北京、上海、厦门、杭州、重庆、广州等，且处理能力远小于城市餐厨垃圾的产生量。相较于全国范围餐厨垃圾的产生量，餐厨垃圾无害化、资源化处理率较低。
3.4城市粪便处理现状
粪便作为肥料来源和土壤调节剂，在我国具有悠久历史。据1976年统计，全国粪便为农业提供了全部肥料的三分之一以上。1980年，中国城市年产粪便3300万t，其中约90%被运往农村，流入下水道的不足10%。随着管道化的普及和人们卫生意识的提高，城市粪便的农业利用自80年代后呈现迅速衰退的趋势。据对北京、西安、上海、长春等城市粪便还田利用率统计仅为31%，高者达48%，低者仅10%，北京市为调节农田用肥量曾在郊区建设的30多座粪库，1993年仅剩下10座左右。城市粪便传统出路受阻对粪便处理提出了严峻的挑战。目前，我国城市粪便主要处理方式有：1）单独的完整无害化处理。粪便隔渣后发酵处理，污水处理后达标排放；2）与城市污水处理厂联合处理。粪便隔渣，污水输入城市污水处理厂，污泥脱水后送入填埋场；3）与生活垃圾填埋场联合处理。粪便隔渣，污水与渗滤液一同处理，污泥脱水后填埋。
4、城市生物质固废处理存在问题
4.1单独处理规模小，环境污染重
目前，我国城市生物质固废单独无害化、资源化处理规模小，通常与普通生活垃圾混合进行填埋或焚烧处理，导致处理过程效率低、二次污染严重等问题。该问题突出表现为生活垃圾卫生填埋、焚烧和堆肥处理的诸多问题:填埋过程产生大量的高浓度渗滤液、恶臭和温室气体甲烷，填埋压实施工难度大，不均匀沉降，及填埋堆体失稳等；城市生物质废物的含水率过高，致使生活垃圾热值偏低，制约我国垃圾焚烧的发展；垃圾含水率过高造成好氧堆肥过程氧气分布不均，易产生局部厌氧，产生恶臭气体。
4.2资源化利用效率低
城市生物质固废不仅是废弃物更是具有较高利用价值的城市资源，与普通生活垃圾混合处理，只实现了处理，却大大降低了资源化利用价值。城市生物质固废单独无害化、资源化处理才刚刚起步，由于资源化利用技术水平限制，目前多以无害化处理为主，资源化利用为辅。如与普通生活垃圾填埋处理，降解慢、产气速率低、甲烷含量低、稳定化周期较长，不利于沼气收集利用；应用干化+焚烧技术单独处理，产生的热量完全用于干化所消耗的热量，无能源利用可言。
5、城市生物质固废处理展望
城市生物质固废主要包括高有机质含量的生活垃圾、餐厨垃圾、剩余污泥、城市粪便等，其物理组分特点是复杂多样，但生物化学组分都是以碳水化合物、蛋白质、脂肪为主要成分的易降解有机物。主要特征是含水率高、易降解有机物含量高、产生量大、易滋生致病菌、污染强度高、粘度高、脱水难、具有较好的生物降解性等。含水率高、粘度高、脱水难致使其燃烧热值低，甚至不能单独引燃，需要添加助燃剂，故采用直接燃烧的方式处理城市生物质固废，将无法实现资源回收、能源利用；将其直接填埋处理较为经济、简单易行，但降解效率低、不利沼气收集利用；且高含水率和高有机物含量还会造成较严重的二次污染（渗滤液、臭气、温室气体等）。而该类固废具有较好的生物降解性，好氧堆肥、厌氧消化等生物化学转化技术成为适用于城市生物质固废无害化处理、资源化利用的共性技术。近年来，随着能源短缺危机、人类环保意识增强及人们对资源再生利用重要性认识的提高，城市有机质固废处理方式已开始从单纯消纳处置，逐渐向资源回收利用方式转化，我国在北京、上海、广州等大中型城市，已开始尝试利用好氧混合堆肥技术、厌氧消化产甲烷技术处理餐厨垃圾、城市污泥、城市粪便等城市生物质固废。
5.1好氧堆肥技术
堆肥是指在人工控制的条件下，利用微生物作用使有机固体废物稳定化的过程。好氧堆肥过程是在有氧条件下，利用好氧微生物分泌的胞外酶将有机物固体分解为可溶性有机物质，再深入到细胞中，通过微生物的新陈代谢，实现整个堆肥过程。好氧堆肥能否成功的关键是微生物菌种的选择，堆肥物料C/N的调节，水分、温度、氧气与酸碱度的适当控制。城市生物质固废成分复杂、有机质含量高、营养元素全面，而且惰性废物含量少，是微生物良好的营养物质。该处理方法简单、堆肥产品，可用于城市绿化用有机肥、农田用有机肥或土壤改良剂。但占地面积大、稳定周期长，堆肥过程中产生的污水和臭气会对周边环境造成二次污染，制约了好氧堆肥工艺的广泛应用。因此，近年来，大型反应器、强制通风静态垛和条垛堆肥等都受到极大限制，堆肥设备正向小型化、移动化和专用化趋势发展。
5.2厌氧消化技术
厌氧消化技术是指在无氧或缺氧条件下，通过厌氧微生物的作用将物料中所含的各种复杂有机物，如碳水化合物、脂肪、蛋白质等转化为CH4和CO2等物质的生化过程。利用厌氧消化技术处理生物质废物在发达国家已广泛应用，甚至在十几年前已有大规模工业化生产。在我国，厌氧消化处理技术主要应用于畜禽粪便、麦秸与畜禽粪便混合物、剩余污泥和高浓度有机废水处理等，最典型的应用是近年推行的农村小沼气池。厌氧消化制氢、产甲烷，即可实现无害化、减量化，又可实现资源化利用，但是操作技术要求高、处理效率低、稳定周期长、初投资较大等。
由于城市生物质固废厌氧消化，发酵底物通常是以颗粒形式存在。颗粒有机物水解过程主要包括初步分解生成蛋白质、碳水化合物及脂类等大分子有机物；随后大分子有机物在微生物胞外酶作用下发生水解，转化成溶解性小分子（如单糖、氨基酸、脂肪酸等小分子有机物）；最后溶解性水解产物穿过固体颗粒与溶液之间的水膜，向液相主体扩散。其水解过程相当缓慢，已成为厌氧消化反应的限速步骤。
5.3预处理+厌氧消化技术
一般地，城市生物质固废厌氧消化水解缓慢、产气速率低、不利于沼气收集利用。近来通过预处理技术改善城市生物质固废厌氧消化性能，加速厌氧消化，提高产气速率，获得越来越的关注。通过预处理促进基物细胞破壁、溶出细胞质、增强其生物可降解性。目前国内外厌氧消化预处理技术主要包括机械预处理、化学预处理、热水解预处理和生物预处理等。
5.3.1机械预处理
机械处理主要是使进料的颗粒粒径变小，减小颗粒粒径的增大表面积，同时还利于细胞破壁，溶出细胞质，促进生物过程。在用稻草为底物固态发酵产沼中采用研磨和切碎两种机械预处理方法处理稻草发现，研磨比切碎的预处理方法更有效，在相同的颗粒大小下(25mm)，研磨比切碎的预处理方法在沼气产量上提高了12.5%；而切碎的预处理方法与没切碎相比并没有表现出明显的不同。这说明研磨不仅减小了颗粒的大小，而且破坏了秸秆的内部组织结构，使其更容易降解。在研究有机废物厌氧消化颗粒大小的影响，对于纤维素含量高的固体废物，粉碎能显著提高沼气产量和有机物的降解率以及缩短消化时间，而且更为重要的是通过粉碎使得原来不均匀的固体废物混合均匀，减少了消化体积。研究发现粪肥中的生物纤维成分经机械软化后，粪肥的产沼潜力提高了17%。研究表明，用直径为0. 2～0. 25 mm磨珠对污泥进行预处理能够取得最好的破碎效果,通过9 min破碎使污泥中SCOD从原来的1% ～5%提高到了47%。
当消化底物含固率较高、或粒径较大、或纤维素、木质素等含量较高时多采用机械预处理，但由于能耗较高、运行费用较大等限制了机械预处理技术的推广应用。
5.3.2化学预处理
化学处理是采用酸碱、氧化剂等方法对物料进行预处理，以打开纤维素、半纤维和木质素之间的酯键，溶解纤维素、半纤维素和部分木质素及硅酸盐，以提高固体废物的厌氧消化效果。采用NaOH对秸秆进行固态化学预处理。结果表明,预处理后秸秆的单位TS产气量比未处理提高26.02%～65.43%,反应起始时间提前1～2 天。研究表明，NaOH质量百分数为6%时，木质素含量下降最多，单位总固体产气率为246.6ml/g；NaOH质量百分数为8%时，总产气量最高；综合考虑，NaOH最佳质量百分数为6%。
此外，氧化预处理利于分裂污泥中细胞体。对剩余污泥进行臭氧氧化预处理（臭氧用量为0.1gO3/TSS），污泥中的溶解性COD浓度从256mg/L增加到2126mg/L。在研究碱与强氧化剂联合作用预处理效果时发现，2%NaOH+3%H2O2预处理的处理效果最佳，与未经预处理的效果相比，总产气量提高了9.89%，消化时间缩短了14d，TS和VS降解率分别提高15.23%和17.85%。
利用酸、碱、氧化剂对发酵底物进行预处理，操作简单易行、处理费用较低，但过高的Na+或K+浓度、pH值、氧化剂余量可能会对厌氧消化菌有抑制作用。因此，应用时需慎重考虑预处理过程的不利效应。
5.3.3热水解预处理
热水解是一种有效的预处理技术。经过热水解后，微生物细胞破裂，细胞的有机质（如蛋白质、脂肪和碳水化合物）被释放，利于进一步水解。研究发现，剩余污泥在170℃预处理30min后再厌氧消化，总COD(TCOD)去除率从预处理前的38.11%提高到56.78%,污泥中TCOD的沼气产率从160mL/g提高到250mL/g. 在进行稻草厌氧消化的研究中，对稻草分别进行60、90和110℃的热处理，结果是温度越高，固体减少量越多，甲烷生成量越大，与没有采取热处理相比，总固体和挥发性固体减少量分别增加到22.4%和22.6%。
通过热水解预处理提高城市生物质废物的固体有机物溶解率,提高生物质废物厌氧消化效率。在175℃水解60 min,餐厨垃圾、果蔬垃圾和污泥的挥发性悬浮固体(VSS)的溶解率分别为31.30%、31.9%和49.70%；在水力停留时间(HRT) 20 d的条件下, 2个ASBR反应器(A1和A2)与1个CSTR连续流完全混合反应器（C）同时启动,COD容积负荷3.2～3.6 kg/(m3•d)，3个反应器平均日产气量分别为：5656 mL/d (A1)、6335mL/d(A2)、3103mL/d(C)；VSS的降解率分别为45.3% (A1)、50.87% (A2)、20.81% (C)；TCOD的去除率分别为88.1%(A1)、90% (A2)、72.60% (C)。
高温热水解技术处理工艺相对复杂，但性能与效果稳定，运行费用适中。污泥高温热水解+厌氧消化处理工艺在欧洲兴起，并得到广泛的实际应用，已是较为成熟的污泥处理技术。1997年,挪威的Cambi公司将其开发的“热水解-厌氧消化”工艺(称之为Cambi工艺)首次用于挪威Hammer污水处理厂,随后在泰晤士水厂、苏格兰、爱尔兰等地应用。特别是近年瑞典普拉克公司已将Cambi热水解预处理技术应用到中国多个有机质处理项目。
5.3.4生物预处理
生物预处理主要有两种方法：一是利用具有强降解能力的微生物强化水解、发酵；二是生物酶技术，向消化底物中投加能够分泌胞外内的细菌或溶菌酶，破坏微生物的细胞壁，使胞内有机质溶出，强化后续厌氧消化。研究添加纤维素酶对玉米秸秆厌氧发酵的影响，结果表明，纤维素酶的添加量对产气量没有显著影响，较好的添加方法为反应末期添加，可使累计产气量提高16.8%。白腐真菌是为数很少的能使木质素降解的一类真菌。研究发现，经P．florida转化后的稻草基质用于沼气生产时，其纤维素酶的释放能力比原稻草要高4.3倍。用白腐菌 (Pc)和褐腐菌 (Po)对原料进行预处理，结果表明处理后沼气产量和甲烷产量有显著提高，Pc菌丝体4天后表现出巨大的木质素降解性，Po菌丝体在8天后也表现出良好的降解性。3周后Pc菌丝体处理的秸秆木质素的降解率为47.51%，而Po菌丝体处理后的秸秆木质素的降解率为19.87%。Pc处理后稻秸的生物气和甲烷的产量分别提高了34.73%和46.19%，而Po处理后稻秸的生物气和甲烷的产量分别提高了21.12%和31.94%。何荣玉等利用复合菌剂处理玉米秸秆，产气量提高了29．54%，甲烷含量高达68．33%。黄如一等利用绿秸灵、腐秆灵等复合菌预处理的秸秆进行厌氧发酵试验，产气量提高了33.65%，38.32%。
生物预处理技术处理费用较低、处理规模大、处理效率高，但菌种培育、筛选难，影响因素复杂、多样，操作维护复杂，技术水平要求高，处理效果不稳定。因此，生物预处理技术的应用受到了限制。
6、结论与建议
根据已有的研究发现，城市生物质固废具有高含水率、高有机质含量、较好的生物降解性，好氧堆肥、厌氧消化等生物化学转化技术成为适用于城市生物质固废无害化处理、资源化利用的共性技术。好氧堆肥能有效实现生物质固废的无害化、减量化和资源化，但由于堆肥产品的滞销和二次污染较重，使得该技术的推广受到制约。厌氧消化能回收利用沼气资源、无臭、低污染、残渣可作肥料，有较高的环保价值和经济价值。但是固体有机物厌氧消化时，水解速率低成限速步骤。
近来通过预处理技术改善城市生物质固废厌氧消化性能，加速厌氧消化，提高产气速率，获得越来越的关注。利用机械预处理、化学预处理、热水解预处理和生物预处理等预处理技术改变消化底物性能，加速底物降解，提高厌氧消化效率。但“预处理+厌氧消化”技术在我国应用较少、或才起步，处理工艺需要根据消化底物特性进行改进、完善和优化。
在石化燃料日益枯竭、全球能源短缺危机日趋加重的今天，城市生物质固废型生物质能源的开发利用成为研究的热点和推广应用的重点。不断提高资源化处理技术水平，完成关键技术突破。
