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厌氧消化技术在有机固体废弃物处理中的应用

厌氧消化技术在有机固体废弃物处理中的应用

张腾

【摘要】摘要

【期刊名称】《四川化工》

【年（卷）,期】2019（022）005

【总页数】5

【关键词】有机固体废弃物厌氧消化资源化

化工与环保

1有机固体废物的产量及特性

有机固体废弃物是人类在生产和生活活动中产生的，有机质含量高，具有可生物降解性的固体或半固体废弃物，主要包括农业有机固体废弃物和城市有机固体废弃物[1-2]。

农业有机固体废弃物主要由作物秸秆和畜禽粪便等组成，城市有机固体废物主要由城市有机生活垃圾和城市污水处理厂的污泥等组成。

妥善、科学、有效地处理有机固体废弃物不仅能够变废为宝，还可以减缓环境压力和生产具有更高价值的资源，真正实现有机固体废弃物的减量化、无害化和资源化，适应循环经济的发展。

我国不仅是人口大国，还是一个农业大国，随着我国工农业的快速发展和城市化进程加快，各种有机固体废弃物均以较快的速度增长。

据统计，目前我国的有机固体废弃物产量位居世界前列，几种主要有机固体废弃物的年产量和养分含量见表1。

a，脱水污泥含水率为80%。

中国作为农业大国，每年产生的农业固体废弃物也是世界上最大的国家，年产量约40多亿吨。

据统计我国每年作物秸秆的产量约8.5亿吨[3-4]，其中水稻秸秆约3.1亿吨[5]，玉米秸秆2.2亿吨，小麦秸秆0.4亿吨，豆类和杂粮作物秸秆1.0亿吨，花生、薯类蔓藤和甜菜叶等蔬菜废弃物1.8亿吨[6-7]；畜禽粪便年产量约32.5亿吨[8]，其中牛粪11.0亿吨，猪粪6.4亿吨，羊粪4.3亿吨，家禽粪便2.4亿吨，役畜及其他畜禽粪便8.4亿吨[9]；其他类有机废弃物约0.5亿吨。

据统计数据，2014年我国的城市生活垃圾清运量达到1.8亿吨[10]，成为世界上生活垃圾年产量最高的国家。

我国的城市生活垃圾有机成分含量相对较低，约占36%-45%，大部分为厨余垃圾[11]。

随着社会经济和城市化的快速发展，我国城镇污水处理率不断提高，污泥的产量也在不断增加，2015年全国城镇污水处理厂产生的污泥产量约3500万吨[12]。

如果不合理地处置，将会造成环境污染、危害城市生态环境等一系列影响。

有机固体废弃物是一种非均一的混合物，其理化性质受其来源与结构组成的影响较大。

不同种有机固体废弃物的理化性质见表2。

从表2可以看出不同种类的有机固体废弃物有机质含量差异较大，其中作物秸秆的有机物含量最高（80%以上），而生活垃圾的有机质含量较低（50%以下），从能源回收的角度来看有机质含量越高具有的热值也越高，可以从中获得更高的能量。

畜禽粪便和脱水污泥具有较高的含水率和有机质含量，但是二者的C/N比较低[13]，同时具有较好的生物转化率[14-15]，通常采用厌氧消化的方法回收能源。

2厌氧消化技术

厌氧消化是利用微生物在厌氧的条件下消耗有机物，通过微生物的分解代谢活动获得自身生长繁殖所需的物质和能量，同时将大部分物质转化为甲烷和二氧化碳的过程[16]。

厌氧消化系统是一个多种功能不同的微生物在厌氧的环境中共同生存、相互依赖、相互制约的生态平衡系统。

2.1厌氧消化原理

厌氧消化理论经过不断的发展，从两段论逐渐发展为四段论，分别为水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷四个阶段。

水解阶段：

主要由系统中的水解细菌担任主要角色，有机物中的大分子聚合物（碳水化合物、蛋白质、脂质等）受到水解菌分泌的胞外酶作用解聚转变为单体物质（糖类、氨基酸、脂肪酸等）。

酸化阶段：

水解阶段产生的单体物质作为酸化细菌的底物被转化为短链脂肪酸（乙酸、丙酸、丁酸等）、醇类、氢和二氧化碳，该阶段氢分压会影响单体物质的转化，氢分压越高，短链脂肪酸的生成就越少。

产氢产酸阶段：

上一阶段产生的短链脂肪酸和醇类为该阶段微生物的基质，经过微生物的代谢将基质转变为乙酸、二氧化碳和氢，该阶段有机酸氧化菌和产甲烷菌为共生关系，有机酸氧化菌将短链脂肪酸和醇类转化为乙酸，乙酸作为产甲烷菌的基质。

产甲烷阶段：

产甲烷菌属于绝对厌氧微生物，该过程属于放能过程，产甲烷途径有两条分别为乙酸途径（约占72%）和氢与二氧化碳途径（约占28%）[17-18]。

2.2厌氧消化过程的影响因素

2.2.1温度对厌氧消化的影响

有研究表明，厌氧生物比好氧生物对温度的变化更敏感，产甲烷菌比产酸菌对温度的变化更为敏感[19]。

因此，对厌氧消化系统温度的控制显得尤为重要，不然将会造成系统的崩溃。

经过大量的研究，目前厌氧消化过程常采用中温（37℃）和高温（55℃）。

高温厌氧细菌的代谢速率一般比中温厌氧细菌的要快，因此，高温消化具有较高的反应速率和有机负荷，相对于中温消化具有更高的甲烷产量。

Ghosh等[20]发现高温处理的甲烷产量要比中温处理高7%。

中温消化过程相对于高温过程具有更好的系统稳定性，微生物群落更加丰富，但是其产酸过程效率较低，是厌氧消化过程的限速步骤，因此，甲烷产量要低于高温过程[21]。

2.2.2pH值对厌氧消化的影响

厌氧消化过程中有机物的分解和甲烷产量均与pH值有关，因此，厌氧消化需要一个相对稳定的pH值范围。

产酸菌适应的pH值范围较宽，最适pH值在6.5～7.5之间，一些产酸菌甚至可以在pH值<5的环境下生长；而产甲烷菌对pH值的敏感度要比产酸菌高，其最适pH值范围在6.5～8.0之间，一旦消化系统的pH值过高（>8.0）或过低（<6.0），产甲烷菌的生长代谢过程将会受到抑制，导致系统酸碱失衡，最终导致反应系统的崩溃。

鉴于产酸菌和产甲烷菌的最适pH值范围不同，一些学者将产酸菌和产甲烷菌分开开发了两相厌氧消化工艺。

2.2.3有机负荷对厌氧消化的影响

厌氧消化过程中随着有机负荷提高，产气量也会随着增加，但是当超过一定范围之后，继续提高负荷，提高了水解菌和产酸菌的活性，大量的底物被水解菌和酸化菌转化为挥发性有机酸，导致系统有机酸积累，形成酸抑制，降低系统的稳定性[22-23]。

研究表明[24]，易降解有机物厌氧消化的有机负荷一般为1～6.8g-VS/（L·d），两相厌氧消化工艺的有机负荷一般高于单相厌氧消化工艺，单相厌氧消化工艺的有机负荷一般不超过5g-VS/（L·d）。

3有机固体废弃物厌氧消化研究

3.1木质纤维素类物质发酵产甲烷

作物秸秆是常见的木质纤维素类原料，具有发酵产甲烷的巨大潜力，不同的作物秸秆由于性质的差异，其产甲烷潜力也不同。

沼气产量最高的为小麦秸秆，之后依次为水稻秸秆、玉米秸秆、花生秸秆和大豆秸秆[25]。

作物秸秆含有大量的木质纤维素，纤维素、半纤维素和木质素之间存在紧密的结构，因此秸秆很难被降解，发酵过程中的实际甲烷产量一般低于理论产量。

Adl等[26]研究棉花秸秆厌氧消化时得到甲烷的实际产量为240mL/g-VS，而棉花秸秆厌氧发酵的甲烷理论产量为356.7mL/g-VS。

所以秸秆的厌氧消化必须对其进行预处理，目前预处理的方法有很多种，包括化学法、物理法和生物法，但不同的方法存在各自的局限性。

预处理技术虽可以提高沼气产量，但仍存在一些问题，例如：

需要消耗大量的化学物质，同时这些化学物质还会造成一些环境污染、腐蚀发酵装置；生物处理过程需要严格的厌氧环境，要想得到较高的生物转化效率必须要较高的前期投入。

3.2畜禽粪便厌氧消化产甲烷

由于畜禽粪便的C/N比较低，目前对于畜禽粪便的厌氧消化过程的研究多集中在和其他有机物质的共消化，通常作为共消化的物质有秸秆、杂草、蔬菜等。

Chen等[27]将牛粪和米草进行共消化，其甲烷产量提高了7.09%～44.26%，Zhang等[28]将三种作物秸秆（小麦、玉米和水稻）与羊粪进行共消化，沼气产量相对于秸秆单独消化提高了62.1%～111.28%，相对于羊粪单独消化提高了23.04%～54.44%。

总的来说，畜禽粪便富含氮元素，厌氧消化过程中容易累积氨，形成氨抑制，因此将畜禽粪便与其他碳含量较高的物料进行共消化能够消除氨抑制，还可以提高甲烷的产量。

3.3餐厨垃圾厌氧消化产甲烷

餐厨垃圾的碳氮比一般在20～35，其营养水平正好在厌氧微生物的最适水平，因此餐厨垃圾的厌氧消化不需要添加其他调理剂调节碳氮比。

目前，对于餐厨垃圾的厌氧消化处理多采用共消化的方法，裴占江等[29]在中温条件下研究了餐厨垃圾与牛粪的共消化过程，当餐厨垃圾和牛粪的比例为2:

1时，共消化的沼气产量和甲烷产量最高；Tian等[30]在研究餐厨垃圾与猪粪的共消化时发现当两者的混合比例为1:

1时，生物降解性最大，甲烷的产量也最大，达到409.5mL/g-VS。

餐厨垃圾单独厌氧消化过程中容易出现氨抑制或酸抑制，但当餐厨垃圾与其他有机物（牛粪、猪粪、污泥等）以合适的比例混合后进行共消化，不仅可以消除氨抑制或酸抑制，还可以获得较高的甲烷产量，可见餐厨垃圾与其他有机物共消化优于其单独厌氧消化。

3.4污泥厌氧消化产甲烷

Li等[31]研究了高固体含量污泥的厌氧消化过程，并与低固体含量厌氧消化进行了对比，结果略差于低固体含量厌氧消化，延长消化时间可以达到低固体含量厌氧消化有机物的去除率，但高固体含量可以提高单位体积生物气的产生速率。

Fierro[32]和Rivero等[33]采用共消化的方法处理污泥，Fierro等研究了畜禽粪便与污泥的共消化，甲烷产量可以提升近一倍；Rivero等将污泥和甘油进行联合厌氧消化，发现有机物的去除率最高可以达到93%，但在最适条件下有机物的去除率为89%，甲烷的产量为1.48L/g-VS。

4结语

我国是有机固体废弃物产生大国，年产量近45亿吨，有机固体废物是放错了位置的资源，如果不合理的进行处理处置，将会造成环境污染和资源的浪费。

鉴于有机物具有较高的有机质含量，容易腐败等理化特性，厌氧消化术在处理有机固体废弃物中具有明显的优势。

高的有机质含量可以在厌氧条件下通过厌氧微生物的消化作用获得具有较高价值的清洁能源物质——甲烷，厌氧消化技术不仅实现了有机固废的减量化，还实现了有机固废的资源化。

由于不同来源的有机固废理化性质存在一定的差异，有些物料进行单独的厌氧消化不能够为厌氧微生物提供一个良好的生长代谢环境，因此，经过研究常常采用预处理技术或共消化的方法进行处理，这样可以提高有机物的去除率和甲烷产量。

经过一大批学者的研究，无论采用预处理或是共消化，均能够高效地处理有机固废，提升甲烷产量。

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