城市生活垃圾厌氧消化处理工艺探讨_计算机在环境科学中的应用论文.doc
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1、 计算机在环境科学中 的应用(论文)题 目:城市生活垃圾厌氧消化处理工艺探讨学 院: 市政与环境工程学院 专 业: 环境科学 姓 名: 刘继东 学 号: 0224101 指导老师: 刘雪平 二0一三年十一月计算机在环境科学中的应用(论文) 摘要摘要随着人民生活水平的提高,城市垃圾的产生量日益增大,成为影响人类生存环境和社会发展的重大问题之一,许多城市已经陷入垃圾的包围之中。在垃圾的处理方式中,作为一种可回收能源的有机废物处理方法,厌氧消化在城市有机垃圾的处理方面越来越受到青睐。本文首先对我国城市生活垃圾的来源、组成、特性、危害及常用的垃圾处理技术进行了简要概括,指出垃圾焚烧、垃圾填埋和堆肥处理
2、的都不是可持续发展的要求。着重讨论了城市生活垃圾厌氧消化处理技术:厌氧消化技术的原理、发展历程、优势及工艺类型。通过详细分析垃圾成分、碳氮比、接种物、温度、PH值、总固含率、有机负荷率以及搅拌对厌氧消化的影响,并通过探讨典型的城市生活垃圾厌氧消化处理工艺,提出了适宜于我国城市生活垃圾厌氧消化处理技术-单相厌氧中温消化工艺。关键词:城市生活垃圾,垃圾处理,厌氧消化,沼气I计算机在环境科学中的应用(论文) 目录目录摘要I目录II1城市生活垃圾的现状以及常用处理方法11.1城市生活垃圾的现状1 1.1.1城市生活垃圾的产生量1 1.1.2生活垃圾的分类2 1.1.3垃圾的危害31.2城市生活垃圾的处
3、理技术4 1.2.1填埋处理4 1.2.2 堆肥处理5 1.2.3 焚烧处理5 1.2.4技术比较62城市生活垃圾的厌氧消化处理技术72.1厌氧消化处理技术概况7 2.1.1厌氧消化处理原理7 2.1.2厌氧消化技术发展历程9 2.1.3厌氧消化处理的优势102.2厌氧消化处理工艺流程11 2.2.1厌氧消化处理工艺的类型11 2.2.2厌氧消化过程的影响因素13 2.2.3典型工艺及流程153.厌氧消化处理城市垃圾的应用趋势193.1城市生活垃圾厌氧消化技术潜力分析19 3.1.1垃圾成分的变化19 3.1.2厌氧消化处理方法的多样性20 3.1.3国情下厌氧消化的实际效益213.2城市生活
4、垃圾厌氧消化处理工艺选择21 3.2.1参数的优化21 3.2.2发展趋势254总结26参考文献27II计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的现状以及常用处理方法1城市生活垃圾的现状以及常用处理方法进入20世纪90年代以来,全世界每年平均新增垃圾(不包括工业废渣)约17.85亿万吨,平均每天新增垃圾486.04万吨。在全球经济发展缓慢(年平均增长速度在35%)的情况下,垃圾却以年平均8.37%的速度增长。据此速度计算,到2100年,地球陆地表面将被垃圾包围,21世纪地球将成为垃圾的世界1。我国城市生活垃圾随着我国经济的不断发展,城市化进程越来越快,人口的急速增长,城市生活垃圾问题愈发
5、的严重。城市垃圾的产生量以每年89%的速度迅速增长,城市人均垃圾日产生量超过1kg/d,接近工业发达国家的水平2,不完全统计资料显示,目前我国城市生活垃圾累积堆存量已达70亿吨,占地约5.3万hm2且呈不断增长态势。全国668个城市中有约2/3处于垃圾包围之中。城市生活垃圾的产生及特点由于我国正处于发展之中,城市中除了常住居民外,还有大量的流动人口涌入,导致城市生活垃圾倍增。1.1城市生活垃圾的现状1.1.1城市生活垃圾的产生量城市生活垃圾,是指在城市日常生活中或者为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物以及法律、行政法规规定视为城市生活垃圾的固体。它们是在一定时间和地点无法利用而被丢弃的
6、污染环境的固体、半固体废弃物质。我国自1979年以来,我国城市生活垃圾的产生总量以每年8%10%的速度增长,少数经济发达城市如北京则达到15%20%。2000年我国城市生活垃圾清运总量为1.18亿吨。城市生活垃圾的快速激增主要由城市化进程加快,导致城市人口、城市规模增加所至。研究表明,城市生活垃圾的产生量一般随经济发展而增长, 当达到发达国家水平后垃圾产生量会趋向平稳增长。表1.1 我国近年来人均垃圾产生量年份总产量(亿吨)总产变化率%人均产生量(dun/年)人均产生量变化率%变化率%19961.080.0819981.130.0290.74-0.02520001.180.0350.71-0.
7、01520021.360.0130.74-0.02920041.550.0440.740.007220061.48-0.050.7-0.0720082.20.04820103.520.60.52据有关资料报道,目前我国城市垃圾人均年产生量达到440kg,2010年我国城市生活垃圾量达到了3.52亿t,居世界第一,且每年以8%10%的速度增长。中国近年来的“城中村改造”和“新农村”的建设,城镇化的加速发展,加上人民生活水平提高,人均消费水平的提高,使生活垃圾产生量急剧上升。1.1.2生活垃圾的分类根据垃圾不同的来源,城市垃圾可分为居民生活垃圾,街道保洁垃圾和集团垃圾三大类3。不同规模的城市,其生
8、活垃圾的组成成分也不尽相同。城市生活垃圾主要包括:居民的生活垃圾;清扫垃圾;社会团体垃圾。居民的生活垃圾主要包括食品残渣、纸屑、布料、木材、金属、玻璃、塑料、橡胶、陶瓷、燃料灰渣、碎砖瓦、废弃具、杂品等。清扫垃圾中主要是指公共场所所产生的废弃物,包括泥沙、灰土、枯枝败叶、商品的包装等。而社会团体垃圾主要指的是商业、工业、事业单位所产生的废弃物,不同的单位产生的垃圾成分有较大的不同。三者比例大致为:60%、10%和30%。生活垃圾主要特点是含水率低、含有高热值废物、易燃物质较多。如表1.2所示:随着地域的变化,生活垃圾中各组分的比例也有较大的变化,城市垃圾的成分多以厨余垃圾为主。表1.2 中国部
9、分城市垃圾的组成成分有机物(%)无机物(%)城市厨余废纸纤维木材塑料橡胶玻璃陶瓷金属煤灰泥砖其他北京39.00 18.20 3.56 -10.35 13.02 2.96 10.93 2.00 天津50.11 5.53 0.68 -4.81 -上海70.00 8.00 2.80 0.89 12.00 4.00 2.19 2.19 -重庆38.79 1.04 0.97 1.58 9.10 9.03 37.99 37.99 1.00 广州63.00 4.80 3.60 2.80 14.10 4.00 3.80 3.80 -深圳58.00 7.90 2.80 5.19 13.70 3.20 8.00
10、8.00 -南京52.00 4.90 1.18 1.08 11.20 4.09 20.64 20.64 3.00 无锡41.00 2.90 4.98 3.05 9.83 9.47 25.29 25.29 2.58 合肥44.97 3.57 2.98 2.52 10.22 4.24 28.40 28.40 2.30 宜昌29.54 1.22 0.73 1.05 1.13 8.03 55.82 55.82 2.00 1.1.3垃圾的危害侵占土地城市生活垃圾(MSW)的恶性累计,已成为世界性的环境灾难。据不完全统计,近年来我国城市固体废弃物堆放量已高达7.0109t,侵占土地面积约6.0108m2。
11、城市生活垃圾大量堆放,不仅侵占了大量的农田、滩涂、河道和山沟,甚至有的地区城乡交界处的道路两侧和自然风景区也随处可见大量生活垃圾。全国668座城市中约有200座城市处于垃圾污染重围之中4-6。长期的堆放加上城市垃圾中有机物含量的提高,垃圾会因为自然发酵产生大量甲烷引起爆炸事故和火灾。1994年1月8日湖南省岳阳市羊角山垃圾填埋场发生了垃圾大爆炸。污染大气城市垃圾在城市和城市周围大量堆积,会严重污染着空气。生活垃圾中富含有机物,露天堆放时会自然发酵,产生大量的有害气体,周边臭气袭人。正常大气中二氧化碳浓度约为300ppm,即0.03%;当浓度达到0.05%时,会对人体产生危害。空气中甲烷浓度达2
12、5%30%时,会导致头晕乏力,不及时撤离会使人窒息死亡。硫化氢遇空气后氧化成二氧化硫,大气中二氧化硫浓度达到(13)ppm时多数人开始会感觉到刺激;在(400500)ppm时人会出现肺水肿等症状直至窒息死亡。污染水体城市生活垃圾中含有病原微生物,在堆放腐败过程中会产生大量的酸性和碱性有机污染物,并会将垃圾中的重金属溶解出来,形成有机物、重金属和病原微生物三位一体的污染源。任意堆放的垃圾或简易填埋的垃圾,其所含水分和淋入垃圾中的降水产生的渗淋液流入其周围的地面水体和渗入土壤,会造成地面水体和地下水体的污染7-9。污染土壤危害农业生态垃圾中的重金属污染元素,会直接破坏土壤结构和水质,从而破坏农业生
13、产。金属在自然界中衰减缓慢,通过在作物、水生物或饮用水中积聚并通过食物链最终危害人体健康。1.2城市生活垃圾的处理技术目前,我国现有的城市生活垃圾主要处理方式有填埋、堆肥、焚烧、厌氧发酵。1.2.1填埋处理填埋又称土地填埋,即采用适当的方法,把垃圾掩埋到土地中去使之不再污染大气、水体、威胁人类健康。填埋用于最终处置,已有多年历史。以前是简单填埋,20世纪20年代起发展成科学填埋,分为卫生填埋与安全填埋两种。长期以来,大部分城市垃圾都是采用露天堆放、填坑和填沟等自然方式处理。随着城市化进程的加速、城市管理者环保理念的增强,近年来,许多大中型城市根据本地区垃圾成分特点,在考虑了环保因素的前提下,相
14、继建成了一批具有较高环保水平的卫生填埋场。此种方式目前仍为我国最主要的垃圾处理方式。填埋方式具有处理量大,过程简单且成本较低的优点。虽然考虑到了一些制约因素,但缺点明显,容易造成二次污染,对垃圾填埋场周围空气造成严重污染。同时,垃圾渗滤液对地下水的影响严重。垃圾渗滤液具有三氮、总硬度、盐类浓度高的特点,工业垃圾还可能含有浓度高的有毒有害有机污染物,一旦渗漏进入地下水,将会对地下水造成严重污染。1.2.2 堆肥处理垃圾堆肥,将垃圾在在一定人工控制条件下,通过生物化学作用,是垃圾中的有机成分分解转化为比较稳定的腐殖质肥料的过程,其实质是一种发酵过程。根据发酵过程中微生物对氧的需求关系,又可分为好氧
15、与厌氧。厌氧堆肥是将垃圾与空气隔绝的条件下堆积发酵,其机制与污水处理厂污泥厌氧消化过程相似。由于厌氧堆肥所需要时间较长,一般需要10个月,且环境恶劣,仅适用于小规模农家堆肥。好氧堆肥通过好氧微生物的作用使垃圾中有机物发生一系列分解反应,最终转化为简单而稳定的腐殖质的过程,并利用垃圾或土壤中存在微生物,在温度、水分和氧气等一定条件作用下,使垃圾中的有机物发生生物化学反应而降解(消化),形成一种类似腐蚀质土壤的物质,可改良土壤肥度。近年来,我国垃圾堆肥发展较快。许多城市建立适合本地特色的机械化垃圾堆肥处理生产线(如北京南宫堆肥厂),还有相当一部分的简易垃圾堆肥厂。堆肥能够把垃圾再次利用,减少了资源
16、的浪费,但是过程较长,且工艺复杂。1.2.3 焚烧处理焚烧是一种城市垃圾的高温热处理方法,即在8001000的高温下,使垃圾燃烧分解以达到稳定化、减量化,同时回收垃圾中的热能。焚烧法多用于热值较高的垃圾。焚烧法的主要优点有:占地面积少,处理周期短(几个小时即可);效果好,减量率可达到90%;残渣性质稳定;处理不受天气影响;而且可以回收热能;对热值高的垃圾,不但不需要补充辅助燃料,还可输出热能以供发电10。其中主要缺点是:投资大、处理费用高、对垃圾热值有一定的要求(800kcal/kg)、焚烧废气对大气有严重污染,在焚烧过程中所排烟气中存在一种二恶英的有毒有害气体,是能够引发癌症、皮肤病和生殖障
17、碍的环境激素。为此,预防垃圾焚烧产生二次污染,加强排烟监测和控制二恶英产生量等,仍是制约此项技术广泛推广应用的重要因素。1.2.4技术比较表1.3 我国生活垃圾几种处理技术的比较指标卫生填埋焚烧好氧堆肥投资(104/d)20-3040-6525-35经济规模100050-150投资风险低中等较高对垃圾的要求无要求热值有机物含量高二次污染渗透液烟气渗透液环境效益低较好中 我国城市生活垃圾的处理方式主要有填埋、焚烧和堆肥。2005年底统计的城市生活垃圾处理设施中85.2%为填埋,5.6%为焚烧,9.2%为堆肥。这3种方式都具有各自的优势和特点,也具有技术本身的弊端。卫生填埋占地面积大,而且对于土壤
18、、地下水和大气都会造成现实的影响和潜在的危害;焚烧对于热值低的废物来说是对资源的极大浪费,而且在焚烧的过程中易产生烟尘及剧毒二恶英(dioxin)污染物而形成二次污染;好氧堆肥是一个耗能过程,需要输入能量去曝气,最后又产生温室气体CO211。由于目前立法对环境的要求越来越严格,加上城市垃圾实现了分类收集,这些都为垃圾的处理提供了条件。在各种处理方法中,生物方法是处理分类收集有机部分的一种较好方式,它能最大程度地循环再用和富集废物中的有用成分。采用厌氧消化技术处理城市生活垃圾,不仅可以解决环境问题,减少温室效应气体的排放,还可以产生洁净能源、有机肥料和土壤改良剂,能真正实现垃圾处理的“无害化、减
19、量化和资源化”。32计算机在环境科学中的应用(论文) 城市生活垃圾的厌氧消化处理技术 2城市生活垃圾的厌氧消化处理技术2.1厌氧消化处理技术概况 厌氧消化处理废弃物已有多年历史,但工业化的大规模运用从二十世纪初才开始,由于运转不稳定,操作较复杂,运用一直不多,直道70年代,由于能源危机,许多国家开始寻找新能源,从而把目光转向了可产生沼气的厌氧消化技术。特别是近二十年的发展。据统计,在德国大约有520座厌氧消化处理反应器。在欧美,固体废物的厌氧消化在研究和实际应用中都得到了很好的发展, 现在已经是一项很成熟的技术。根DeBaere的资料,在过去的10年中,欧洲固体垃圾总的厌氧处理量由1990的1
20、.22105t/a发展2000年的1107t/a以上,即欧洲的有机垃圾量已有四分之一是经厌氧处理的。我国在厌氧消化处理生活垃圾的发展较晚,目前也兴建了一些生活垃圾综合处理厂,如采用湿式厌氧中温消化工艺技术的上海综合垃圾处理厂。2.1.1厌氧消化处理原理厌氧消化是生活垃圾的厌氧发酵是指微生物在无氧条件下分解有机物产生沼气的过程。复杂的有机物首先通过快速增值和对pH 敏感的酸化菌将其水解和发酵转化为挥发酸。挥发酸通过乙酸菌氧化为乙酸盐、分子氢和二氧化碳, 甲烷菌再将这些物质转化为甲烷. 一般厌氧消化可分为水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段12。厌氧消化是一种普遍存在与自然界的生物学过程,是一
21、个复杂的过程。工业化的厌氧消化工艺是指人工的控制厌氧消化所需要的环境条件和营养条件,使整个发酵过程快速、高效、稳态的进行。这可使自然厌氧发酵的时间降低几十倍。厌氧消化是在厌氧环境下(氧化还原电位为负值)有机质自然降解的过程。在这个过程中,有机物不断被几种微生物分解,最后将其中的碳以甲烷和二氧化碳的形式释放出来。决定甲烷生成的环境条件主要有温度(介质温度或热度)、pH 值(7.0 左右)、厌氧条件(氧化还原电位)、C/N(氨密度平衡)、微生物营养(如 Ni、Co、Mo)、有毒物质和抑制剂的多少、有机负荷率、含水率、搅拌装置、破碎程度等13。厌氧发酵是一个复杂的生物学过程,在自然界内厌氧发酵过程也
22、广泛存在着。有机物在有水的地方,在无氧条件下,很容易发生厌氧发酵,产生厌氧发酵的代表产物 甲烷和硫化氢。厌氧微生物,即能在无氧条件下分解有机物的微生物,在地球上的分布是十分广泛,其中包括人和动物的肠胃、植物的木质组织、江河湖海的沉积物,另外在各种污泥、粪便、沼泽、生活垃圾和稻田土壤中,都有不同数量的厌氧微生物存在。项目开发的生活垃圾厌氧发酵工艺,是用人工的方法创造厌氧微生物所需要的营养条件和环境条件,使设备内积累高浓度的厌氧微生物,以加速发酵过程,使生活垃圾迅速转化为甲烷和二氧化碳。人工厌氧发酵的速度大大超过自然界中自发的厌氧发酵过程。与传统的卫生填埋相比,厌氧消化过程由几年缩短到15天左右;
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