有機(jī)垃圾厭氧消化應(yīng)用研究進(jìn)展*

梅　冰，陸　翔，李顯秋，竇法楷，汪慧蓮（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，節(jié)能減排檢測(cè)工程中心，云南省高校生物天然氣產(chǎn)業(yè)化技術(shù)工程研究中心，昆明650201）

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有機(jī)垃圾厭氧消化應(yīng)用研究進(jìn)展*

梅冰，陸翔，李顯秋，竇法楷，汪慧蓮
（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，節(jié)能減排檢測(cè)工程中心，云南省高校生物天然氣產(chǎn)業(yè)化技術(shù)工程研究中心，昆明650201）

摘要：本文從工程應(yīng)用和工藝的角度介紹了有機(jī)垃圾消化領(lǐng)域的研究進(jìn)展。本文引用了大量的資料,特別是近年來(lái)在有機(jī)垃圾厭氧消化應(yīng)用研究領(lǐng)域的資料，在消化工藝方面,主要介紹了兩相消化和連續(xù)式消化等方面的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：有機(jī)垃圾；厭氧消化；能源

有機(jī)廢物的厭氧消化過(guò)程就是微生物在厭氧條件下將有機(jī)質(zhì)進(jìn)行分解質(zhì)分解為甲烷和CO2。隨著能源的日益緊缺，各種廢棄物的處置逐漸轉(zhuǎn)向資源化。厭氧發(fā)酵法處理有機(jī)垃圾將越來(lái)越受到重視，并逐漸成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)［1］。本文簡(jiǎn)要介紹了有機(jī)垃圾厭氧消化國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的相關(guān)研究進(jìn)展。

1　厭氧發(fā)酵的環(huán)境因素

1.1接種物

接種物中含有的產(chǎn)甲烷細(xì)菌的數(shù)量和活性，直接影響到厭氧消化系統(tǒng)的啟動(dòng)速度。一般而言厭氧消化系統(tǒng)的接種物為污水廠消化池產(chǎn)生的厭氧消化污泥。馬磊等發(fā)現(xiàn)在厭氧消化啟動(dòng)階段，通過(guò)添加厭氧消化污泥不僅可以明顯提高系統(tǒng)厭氧微生物的數(shù)量，還能夠使厭氧消化系統(tǒng)的酸堿緩沖能力得到增強(qiáng)，使厭氧消化系統(tǒng)的pH值維持在比較合適的范圍內(nèi)［2］。張翔等發(fā)現(xiàn)厭氧消化系統(tǒng)使用不同來(lái)源的污泥做為接種物對(duì)厭氧消化系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)間有較大影響，沉淀池做為接種物系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間最快，濃縮污泥池的污泥做為接種物次之，河床污泥做為接種物菌種數(shù)量及含量最少，接種效果最差［3］。

1.2溫度

溫度是影響厭氧發(fā)酵效率的最為重要的因素。依據(jù)厭氧消化系統(tǒng)在不同溫度范圍內(nèi)的最佳處理效果，將厭氧發(fā)酵依據(jù)發(fā)酵溫度劃分為常溫發(fā)酵、中溫發(fā)酵、高溫發(fā)酵。有報(bào)道稱高溫發(fā)酵在處理有機(jī)廢物的過(guò)程中，消化處理時(shí)間短，處理有機(jī)負(fù)荷高，并且沼氣產(chǎn)率和有機(jī)物降解率明顯高于其它處理方式，但由于系統(tǒng)能耗較大，使其應(yīng)用沒有中溫發(fā)酵普遍。隨著國(guó)家對(duì)機(jī)廢物處理排放的衛(wèi)生指標(biāo)的日益提高，高溫發(fā)酵處理有機(jī)廢物的技術(shù)越來(lái)越受到社會(huì)的高度關(guān)注［4］。

1.3pH值與堿度

pH值是厭氧發(fā)酵過(guò)程中重要的環(huán)境因素。產(chǎn)酸菌所適應(yīng)的pH值范圍較廣，當(dāng)pH值為5～8時(shí)產(chǎn)酸菌活性較好，而產(chǎn)甲烷菌所能適應(yīng)的pH值范圍較狹窄，pH值在6.8～7.2之間，產(chǎn)甲烷菌有較強(qiáng)的活性。在單相反應(yīng)器中，pH值一般控制在中性。當(dāng)厭氧消化系統(tǒng)中產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸（VFA）超出了系統(tǒng)的利用能力，VFA開始出現(xiàn)積累，導(dǎo)致系統(tǒng)pH值下降，進(jìn)而影響厭氧消化系統(tǒng)的性能。國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)，將厭氧消化的堿度控制在2500～7500mg· L-1的范圍內(nèi)，系統(tǒng)擁有充足的緩沖能力，能夠防止系統(tǒng)pH值的突然下降［5］。

2　有機(jī)廢物厭氧消化歷史沿革

1630年Van Helmont首先發(fā)現(xiàn)在動(dòng)物腸道中能夠產(chǎn)生一種可燃性氣體。1808年Humphry Davy發(fā)現(xiàn)厭氧消化產(chǎn)生的沼氣中存在甲烷氣體。1896年，英國(guó)首先使用污水廠厭氧消化池產(chǎn)生的沼氣做為街道上的照明燃料。進(jìn)人二十世紀(jì)后，人們逐步清楚的認(rèn)識(shí)到有機(jī)物厭氧消化產(chǎn)沼氣的微生物學(xué)原理。

隨著城市化和工業(yè)化的進(jìn)程加快，產(chǎn)生了大量的有機(jī)廢物急需要高效的處理處置方法，在這種背景下開發(fā)出來(lái)了一系列的厭氧生物處理工藝。1967年，J. C. Young等人開發(fā)出來(lái)了利用微生物固定化原理的高速厭氧濾池。1974年荷蘭G. Lettinga等人開發(fā)出了上流式厭氧污泥床反應(yīng)器。二十世紀(jì)80年代以后，一大批高效厭氧反應(yīng)器相繼開發(fā)出來(lái)，例如：1978年厭氧膨脹顆粒污泥技術(shù)，1980年的厭氧生物轉(zhuǎn)盤技術(shù)，1981年的厭氧膨脹顆粒污泥床技術(shù)，1982年的厭氧折流板式反應(yīng)器技術(shù)以及1985年的厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器［6］。二十世紀(jì)70年代，美國(guó)建成了世界上第一個(gè)具有生產(chǎn)規(guī)模的厭氧消化廠在［7］。該廠采用濕式厭氧消化方法處理有機(jī)垃圾，通過(guò)加水稀釋使進(jìn)料含水率在93%～95%之間，但由于攪拌和浮渣等問(wèn)題得不到根本的解決，系統(tǒng)運(yùn)行效果不理想。后來(lái)相繼出現(xiàn)了Kompogas、Dranco、Valorga、BTALinde BRV和Linde KCA等工藝。近幾年來(lái)，歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛立法有機(jī)物含量高于5%的垃圾即被禁止進(jìn)入衛(wèi)生填滿廠，導(dǎo)致有機(jī)垃圾需要通過(guò)厭氧處理的產(chǎn)量不斷增長(zhǎng)。尤其在瑞典、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、意大利、芬蘭、奧地利等國(guó)家發(fā)展尤其迅速。因而，厭氧消化處理技術(shù)已成為歐洲有機(jī)垃圾處理的一種非常重要的技術(shù)方式［8］。

3　有機(jī)垃圾厭氧消化工藝現(xiàn)狀

目前，在歐州等發(fā)達(dá)國(guó)家有機(jī)垃圾厭氧消化技術(shù)已經(jīng)比較成熟。已成功運(yùn)行的有機(jī)廢物厭氧消化工藝可分為以下幾類：

（1）干式消化與濕式消化一般來(lái)說(shuō)，厭氧消化的物料含水率大于85%的工藝屬于干式厭氧消化，濕式厭氧消化是指進(jìn)料含水率為60%～80%的厭氧消化工藝。國(guó)內(nèi)學(xué)者早期對(duì)厭氧消化工藝技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要集中在濕式厭氧消化上面，但是濕式厭氧消化需要添加水對(duì)物料進(jìn)行稀釋，并且干式厭氧消化具有較高的產(chǎn)氣效率，因此，干式厭氧消化技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注。Kompogas、Dranco、Valorga、Biopercolat及Biocel工藝都屬于干式厭氧消化工藝［8］。

（2）單相消化與多相消化單相消化是指厭氧消化過(guò)程均在一個(gè)消化器中完成；多相消化是指厭氧消化過(guò)程在多個(gè)消化器內(nèi)完成，一般由產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相兩個(gè)消化器組成，所以又稱為兩相厭氧消化。兩相厭氧消化將產(chǎn)酸相與產(chǎn)甲烷相完全分離，使產(chǎn)酸細(xì)菌與產(chǎn)甲烷細(xì)菌都能夠在醉適宜的環(huán)境下生長(zhǎng)，從而提高系統(tǒng)的消化效率與穩(wěn)定性能。Ghosh等通過(guò)單相厭氧消化器和兩相厭氧反應(yīng)器對(duì)有機(jī)垃圾進(jìn)行厭氧消化處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩相厭氧反應(yīng)器處理有機(jī)垃圾比單相厭氧消化器可以提高甲烷產(chǎn)量的20%［9］。

盡管很多研究報(bào)道兩相厭氧消化技術(shù)在很多方面優(yōu)于單相消化，但在實(shí)際工程應(yīng)用上，單相厭氧消化技術(shù)占據(jù)了市場(chǎng)上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，兩相消化僅占市場(chǎng)上的11.5%［10］，主要原因是由于現(xiàn)有的兩相厭氧消化工藝在系統(tǒng)操作和維護(hù)方面比單相系統(tǒng)復(fù)雜的多的緣故。

（3）序批式消化與連續(xù)式消化連續(xù)式厭氧消化是指反應(yīng)器在正常工作情況下，每天定時(shí)添加消化物料及排出消化沼渣。序批式厭氧消化指反應(yīng)器在正常工作情況下一次性投放消化物料，當(dāng)反應(yīng)器完成成一個(gè)厭氧消化過(guò)程以后排掉消化沼渣并重新裝填物料發(fā)酵。序批式厭氧消化技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)有機(jī)廢物的處理處置。

（4）常溫、中溫消化與高溫消化高溫厭氧消化的溫度范圍為50～55℃，物料降解速度快、厭氧消化需求時(shí)間短，并且在高溫過(guò)程中具備殺滅病菌及寄生蟲的功能。目前，世界各國(guó)多采用alorga、WABIO、VBiopercolat、BTA等高溫厭氧消化工藝［11］。中溫厭氧消化的溫度在30～40℃之間，由于中溫厭氧消化系統(tǒng)所需要的提供的能源比高溫厭氧消化系統(tǒng)要少，從能量回收的角度來(lái)看，中溫厭氧消化系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益更好一些。同時(shí)由于中溫厭氧消化系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間快、熱量消耗少，系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定，易于控制有機(jī)廢物的降解消化速度，因此，中溫厭氧消化被認(rèn)為是一種較為理想的厭氧消化工藝。

4　結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)已經(jīng)建成大中型沼氣工程2000多座，每年能夠產(chǎn)生沼氣60多億m3。我國(guó)沼氣工程的成套技術(shù)已日趨成熟，部分單項(xiàng)工業(yè)技術(shù)指標(biāo)和生物厭氧發(fā)酵機(jī)理研究都已接近國(guó)際水平，相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)也有了一定的發(fā)展［12］。我國(guó)沼氣工程技術(shù)仍然存在較多問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：系統(tǒng)運(yùn)行和管理自動(dòng)化平臺(tái)水平不高；產(chǎn)氣率較低；沼氣工程綜合利用配套設(shè)備不成熟等；但這并不意味著我國(guó)可以放棄厭氧消化技術(shù),隨著中國(guó)的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,社會(huì)公從的環(huán)保意識(shí)逐漸的提高,相信在不久的未來(lái)，我國(guó)的有機(jī)垃圾厭氧消化技術(shù)會(huì)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

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A review on the application development of anaerobic digestion of organic wastes*

MEI Bing，LU Xiang，LI Xian-qiong，DOU Fa-kai，WANG Hui-lian
（Yunnan Agricultural University，F(xiàn)aculty of Civil and Architectural Engineering，Engineering and Research Center for Industrial Biogas Technology of Yunnan Province University，Kunming 650201，China）

Abstract:Many latest materailswas quoted to introduce the development in the research on anearobic digestion of organic wastes. Application development of anaerobic digestion of organic wastes was introduced, focusing on process technologies, especially, two-phase and continuous digestion.

Key words:organic wastes；anaerobic digestion；energy

中圖分類號(hào)：X783

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.16247/j.cnki.23-1171/tq. 20160543

收稿日期：2016-01-17

基金項(xiàng)目：云南農(nóng)業(yè)大學(xué)科研啟動(dòng)基金；云南農(nóng)業(yè)大學(xué)校企合作項(xiàng)目（KX141111）

作者簡(jiǎn)介：梅冰（1982-），男，博士，講師，從事固體廢物處理與處置方面的研究。