有機(jī)固體廢物處理處置與資源化技術(shù)

摘要:有機(jī)固體廢物通常是指含水率低于85%～90%可生化降解的有機(jī)廢物，它們一般具有可生化降解性。這些廢物中蘊(yùn)含著大量的生物質(zhì)能，有效利用這類生物質(zhì)能源，對(duì)實(shí)現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞:厭氧消化；有機(jī)固體廢物；兩相消化

1厭氧消化機(jī)理

20世紀(jì)30年代，厭氧消化被概括地劃分為產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段，即兩階段理論。70年代初Bryantlzgl等人對(duì)兩階段理論進(jìn)行了修正，提出了厭氧消化的三階段理論，突出了產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的地位和作用。與此同時(shí)，Zeikuslao等人提出了厭氧消化的四類群理論，反映了同型產(chǎn)乙酸菌的作用。該理論認(rèn)為厭氧發(fā)酵過程可分為四個(gè)階段，第一階段（水解階段）：將不溶性大分子有機(jī)物分解為小分子水溶性的低脂肪酸；第二階段（酸化階段）：發(fā)酵細(xì)菌將水溶性低脂肪酸轉(zhuǎn)化為H2、CH3000H、CH3CH2OH等，酸化階段料液pH值迅速下降；第三階段(產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段)：專性產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌對(duì)還原性有機(jī)物的氧化作用，生成H2、HCO3－、CH3COOH。同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌將H2、HCO3－轉(zhuǎn)化為CH3COOH，此階段由于大量有機(jī)酸的分解導(dǎo)致pH值上升；第四階段(甲烷化階段)：產(chǎn)甲烷菌將乙酸轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，利用H2還原CO2成CH4，或利用其他細(xì)菌產(chǎn)生甲酸形成CH4。無論是三階段理論，還是四類群理論，實(shí)質(zhì)上都是對(duì)兩階段理論的補(bǔ)充和完善，較好地揭示了厭氧發(fā)酵過程中不同代謝菌群之間相互作用、相互影響、相互制約的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，闡明了復(fù)雜有機(jī)物厭氧消化的微生物過程。

2厭氧消化影響因素

2.1 底物組成：研究發(fā)現(xiàn)不同底物組成，其可生化降解性大不相同（5%～90%）。Borja等研究了不同底物組成和濃度的有機(jī)固廢的厭氧消化過程，認(rèn)為在其他條件相同時(shí)沼氣產(chǎn)量相差很大，甚至達(dá)到65％。這個(gè)結(jié)果與Jokela等的研究所得基本一致。另外，底物組成不同，在發(fā)酵過程中的營養(yǎng)需求與調(diào)控也不同。對(duì)于像以秸稈為主的底物，須補(bǔ)充N源的營養(yǎng)，以達(dá)到厭氧消化適宜的C/N比。

2.2 溫度：有機(jī)固廢厭氧消化一般在中溫或高溫下進(jìn)行，中溫的最佳溫度為35℃左右，高溫為55℃左右。Ghosh等利用厭氧消化處理垃圾衍生燃料(RDF)，對(duì)比了單相式和兩相式反應(yīng)器的處理效果，發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)單相式反應(yīng)器中高溫(55℃)比常溫(35℃)消化的甲烷產(chǎn)量?jī)H提高7％；RDF粒徑從2.1mm降至1.1mm在中溫消化下對(duì)甲烷產(chǎn)量無明顯影響，但當(dāng)反應(yīng)條件轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵瘯r(shí)甲烷產(chǎn)量可提高14％。高溫消化可以比中溫消化有更短的固體停留時(shí)間和更小的反應(yīng)器容積。然而高溫消化所需熱量多，運(yùn)行也不穩(wěn)定。最近有研究表明厭氧消化在65℃時(shí)水解活性可進(jìn)一步提高。還有將超高溫水解作為一個(gè)專門的反應(yīng)器，對(duì)厭氧消化進(jìn)行處理研究。高溫可以比中溫產(chǎn)能多，但高溫需要更多的能量，在實(shí)際情況中加熱所需的能量往往與多產(chǎn)出的能量差不多。雖然沼氣產(chǎn)量和生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)都表明高溫消化更有優(yōu)勢(shì)，但理想的條件決定于底物類型和使用的系統(tǒng)情況。

2.3 pH值：產(chǎn)甲烷菌對(duì)pH值的要求非常嚴(yán)格，pH值的微小波動(dòng)有可能導(dǎo)致微生物代謝活動(dòng)的終止。在發(fā)酵初期由于產(chǎn)生大量有機(jī)酸，若控制不當(dāng)容易造成局部酸化，延長(zhǎng)發(fā)酵周期，進(jìn)而破壞整個(gè)反應(yīng)體系。研究發(fā)現(xiàn)pH值為6.6～7.8范圍內(nèi)，水分含量為90%～96%時(shí)產(chǎn)甲烷速率較高；pH值低于6.1或高于8.3時(shí)，產(chǎn)甲烷菌可能會(huì)停止活動(dòng)。Salminen指出滲濾液回流與pH值調(diào)節(jié)相結(jié)合可以降低酸積累的抑制效應(yīng)，加速消化降解速率。然而當(dāng)系統(tǒng)中活性產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌數(shù)量較少時(shí)，回流滲濾液會(huì)引起VFA積聚。Clarkson和Xiao對(duì)廢報(bào)紙進(jìn)行厭氧消化的研究發(fā)現(xiàn)，水解反應(yīng)是其中限制性步驟，高濃度的丙酸鹽對(duì)其具有抑制作用。

2.4 攪拌：當(dāng)消化底物為固態(tài)時(shí)，水解通常成為整個(gè)反應(yīng)的限制性階段。很多經(jīng)典文獻(xiàn)中強(qiáng)調(diào)了消化過程中應(yīng)充分混和攪拌以促進(jìn)反應(yīng)器中酶和微生物的均勻分布。然而近年來有試驗(yàn)表明降低攪拌程度可以提高反應(yīng)器的效率。Vavilin V.A.研究常溫消化下攪拌強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)表明當(dāng)有機(jī)負(fù)荷偏高時(shí)，攪拌強(qiáng)度加大會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器運(yùn)行失敗，低強(qiáng)度攪拌是消化過程順利完成的關(guān)鍵；當(dāng)有機(jī)負(fù)荷偏低時(shí)，攪拌強(qiáng)度對(duì)反應(yīng)無明顯影響。由此Vavilin V.A.提出攪拌阻礙反應(yīng)器中甲烷區(qū)形成的假設(shè)，認(rèn)為甲烷區(qū)的形成對(duì)抵抗酸化過程中產(chǎn)生的抑制起重要作用。在此基礎(chǔ)上他提出了均質(zhì)柱形反應(yīng)器的二維分布式模型（2D distributed models），模型基于以下假設(shè)：在維持產(chǎn)甲烷菌繁殖代謝處于較優(yōu)水平的前提下，反應(yīng)器中甲烷區(qū)所占空間存在一個(gè)最小值。通過對(duì)消化過程的模擬，認(rèn)為有機(jī)負(fù)荷高時(shí)，反應(yīng)初始階段甲烷區(qū)與產(chǎn)酸區(qū)在空間上分離是固廢物轉(zhuǎn)化為甲烷的關(guān)鍵因素，而初始階段甲烷區(qū)中生物量的多少則是這些活性區(qū)保留的決定性因素。此時(shí)如果高強(qiáng)度攪拌，甲烷區(qū)由于VFA的抑制作用會(huì)逐漸萎縮直至消失。然而當(dāng)有機(jī)負(fù)荷偏低時(shí)，大部分甲烷區(qū)均能幸存并逐步擴(kuò)大到整個(gè)反應(yīng)器。

2.5 預(yù)處理：目前對(duì)固態(tài)厭氧消化底物的物理和化學(xué)預(yù)處理方法研究較多，對(duì)生物預(yù)處理的研究則較少。Peter等從高溫反應(yīng)器中分離到能分解有機(jī)固體廢物的嗜溫微生物，用該微生物對(duì)污水污泥進(jìn)行預(yù)處理，在1～2d內(nèi)近40%的有機(jī)物被分解，而且與沒有經(jīng)過該預(yù)處理相比，厭氧消化過程中沼氣產(chǎn)量提高50%；Ejlertsson研究表明，在消化開始階段進(jìn)行間歇曝氣能有效去除易降解的固廢，克服高濃度VFA帶來的抑制問題；Mshandete等研究了紙漿厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，啟動(dòng)階段進(jìn)行9h堆肥預(yù)處理后甲烷產(chǎn)量提高26%；Katsura和Hasegawa進(jìn)行了類似的預(yù)處理研究，對(duì)污泥進(jìn)行微好氧熱處理后甲烷產(chǎn)量提高50％。研究者認(rèn)為高溫好氧菌分泌的胞外酶比一般蛋白酶在溶解污泥方面更具活性。

3厭氧消化工藝

厭氧消化處理固體廢物，通過技術(shù)革新逐步形成了以濕式完全混合厭氧消化、厭氧干發(fā)酵、兩相厭氧消化等為主的工藝形式。

濕式完全混合厭氧消化工藝（即濕式工藝）的應(yīng)用最早也最為廣泛。此工藝條件下固體濃度維持在15%以下，其液化、酸化和產(chǎn)氣3個(gè)階段在同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行，具有工藝過程簡(jiǎn)單、投資小、運(yùn)行和管理方便的優(yōu)點(diǎn)。這種工藝條件下漿液處于完全混合的狀態(tài)，容易受到氨氮、鹽分等物質(zhì)的抑制，因此產(chǎn)氣率較低。

厭氧干發(fā)酵又稱高固體厭氧消化，在傳統(tǒng)的厭氧消化工藝中固體含量通常較低，而高固體消化中固體含量可達(dá)到20%～35%。高固體厭氧消化主要優(yōu)點(diǎn)是單位容積的產(chǎn)氣量高、需水量少、單位容積處理量大、消化后的沼渣不需脫水即可作為肥料或土壤調(diào)節(jié)劑。隨著固體濃度的加大，干發(fā)酵工藝中需設(shè)計(jì)抗酸抗腐蝕性強(qiáng)的反應(yīng)器，同時(shí)還得解決干發(fā)酵系統(tǒng)中輸送流體粘度大以及高固體濃度帶來的抑制問題。

結(jié)語:我國目前在有機(jī)垃圾厭氧消化工程應(yīng)用方面的研究很少，厭氧消化的研究主要集中在水處理方面。各種厭氧發(fā)酵工藝實(shí)際應(yīng)用中所存在的最大問題是規(guī)?；\(yùn)行的自動(dòng)化程度較低，技術(shù)裝備差。因此，對(duì)厭氧消化的最佳生物轉(zhuǎn)化條件、生態(tài)微環(huán)境以及設(shè)計(jì)完善的過程控制系統(tǒng)等方面，還需要進(jìn)一步深入研究，以達(dá)到最佳的處理效果。

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