設(shè)施蔬菜廢棄物厭氧消化制取沼氣工藝的研究進(jìn)

展金慧　劉士輝　孫文華

摘 要：該文分別從單相發(fā)酵工藝、兩相發(fā)酵工藝、共發(fā)酵工藝及干式和濕式發(fā)酵工藝角度介紹了目前國(guó)內(nèi)外采用厭氧消化工藝處理設(shè)施蔬菜廢棄物的一些研究進(jìn)展情況，指出厭氧消化工藝是處理設(shè)施蔬菜廢棄物的一種很有前途的工藝。其中，利用兩相發(fā)酵工藝處理設(shè)施蔬菜廢棄物對(duì)發(fā)酵設(shè)備有一定的要求；另外設(shè)施蔬菜廢棄物由于其極易酸化、有機(jī)質(zhì)含量高和含固率較低的特點(diǎn)，采用濕式厭氧消化技術(shù)處理更符合設(shè)施蔬菜廢棄物處理產(chǎn)業(yè)化的要求；而利用共發(fā)酵工藝處理設(shè)施蔬菜廢棄物將是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：設(shè)施蔬菜廢棄物；厭氧消化；研究進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào) S63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2016）16-0072-02

隨著設(shè)施園藝的大面積推廣，大量設(shè)施園藝廢棄物（包括莖稈、爛果等）隨之產(chǎn)生。一個(gè)蔬菜大棚年產(chǎn)廢棄物（莖稈、爛果等）大約3t左右，大量堆積的設(shè)施園藝廢棄物對(duì)周邊環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染[1]。

1 單相發(fā)酵工藝

單相厭氧消化工藝在目前的沼氣工程中應(yīng)用最多，此工藝具有操作簡(jiǎn)便和低成本投入的特點(diǎn)。西班牙巴塞羅那大學(xué)的Mata-Alvarez[2]等對(duì)蔬菜廢棄物的連續(xù)單相厭氧發(fā)酵處理效果進(jìn)行了研究；北京化工大學(xué)的鄭明霞[3]等人采用兩步批式的厭氧消化方式，先將蔬菜廢物在反應(yīng)器中加水酸化處理若干天，在反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定后將酸液分離出來(lái)，之后在反應(yīng)體系運(yùn)行穩(wěn)定之后再將酸液分次加入反應(yīng)器中，從而實(shí)現(xiàn)了易酸化廢物單相厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；印度尼西亞丹戎布拉大學(xué)的Berlian Sitorus[4]等人對(duì)果蔬混合廢棄物單相分批補(bǔ)料厭氧消化過(guò)程進(jìn)行了研究。

2 兩相發(fā)酵工藝

在厭氧消化菌中，產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的適宜環(huán)境是不同的，為提高厭氧消化的效率，可把2種功能不同的菌分別在各自適應(yīng)的環(huán)境下進(jìn)行培養(yǎng)[5]。利用兩相發(fā)酵工藝處理果蔬廢棄物對(duì)發(fā)酵設(shè)備有一定的要求。近年來(lái)，研究人員開(kāi)發(fā)出了很多新型反應(yīng)器，使得反應(yīng)器的處理效率不斷提高。如升流式厭氧污泥床（UASB）、厭氧序批式反應(yīng)器（ASBR）、全混式反應(yīng)器（CSTR）、厭氧濾池（AF）和管式反應(yīng)器等。

西班牙巴塞羅那大學(xué)的Mtz.-Viturtia[6]、突尼斯的H. Bouallagui[7]、英國(guó)Glamorgan大學(xué)的Dinsdale R M[8]等對(duì)果蔬廢棄物的兩相厭氧消化工藝進(jìn)行了研究；遼寧石油化工大學(xué)的鳳頎等人從Holbak丹麥廢物處理廠收集的蔬菜廢物進(jìn)行了兩相厭氧消化產(chǎn)氣的研究[9]。北京化工大學(xué)的江志堅(jiān)[10]采用序批式連續(xù)攪拌反應(yīng)器對(duì)果蔬與餐廚垃圾混合兩相厭氧消化性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)序批式甲院相運(yùn)行的穩(wěn)定最佳負(fù)荷為4gVS·L-1·d-1水力停留時(shí)間為25d。最高可達(dá)4.5gVS·L-1·d-1。Yuanyuan Wu[11]等人對(duì)一種兩相厭氧消化的水果和蔬菜廢物的新方法進(jìn)行了研究。

3 共發(fā)酵工藝

將幾種發(fā)酵特性互補(bǔ)的原料混合在一起作為沼氣發(fā)酵的底物，稱(chēng)為共發(fā)酵。共發(fā)酵工藝易產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，可以解決由于單一原料造成的厭氧發(fā)酵過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)比例失調(diào)、穩(wěn)定性差、原料季節(jié)性短缺以及生物降解效率低等一系列問(wèn)題。因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于共發(fā)酵工藝進(jìn)行了大量的研究和探索。

北京化工大學(xué)的孟穎等人以餐廚與雞糞混合、果蔬與雞糞混合、餐廚果蔬（TS計(jì)，8∶5）與雞糞混合為原料，研究了多元混合物料在不同混合比例條件下厭氧消化性能[12]。西班牙卡斯蒂利亞-萊昂農(nóng)業(yè)技術(shù)研究所的Beatriz Molinuevo-Salces等人對(duì)豬糞和家禽墊料與蔬菜加工廢物混合厭氧共消化進(jìn)行了研究[13]。西班牙萊昂大學(xué)的X.Gómez[14]等人對(duì)初級(jí)污泥厭氧共同消化市政固體廢物水果和蔬菜的工藝條件進(jìn)行了研究。清華大學(xué)的Jia Lin[15]等人對(duì)果蔬垃圾跟餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵的混合比例進(jìn)行了研究。各項(xiàng)研究表明，將果蔬廢棄物與發(fā)酵特性互補(bǔ)的幾種原料混合處理效果優(yōu)于單純將果蔬廢棄物進(jìn)行厭氧消化。因此，利用共發(fā)酵工藝處理果蔬廢棄物將是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

4 干式和濕式發(fā)酵工藝

厭氧發(fā)酵以物料中的干物質(zhì)含量的不同，可以分為干式和濕式2大類(lèi)。通常原料含固量在25%～45%，揮發(fā)性固體含量（VS）占總固體含量控制在55%～75%稱(chēng)為干式發(fā)酵工藝。對(duì)于含水率較高的有機(jī)生物質(zhì)，其含水率控制在10%～20%之間，物料在反應(yīng)器內(nèi)部呈混合流動(dòng)態(tài)稱(chēng)為濕式發(fā)酵工藝。

楊林海[16]在有機(jī)垃圾干式厭氧發(fā)酵處理試驗(yàn)研究里面，以餐廚垃圾和果蔬垃圾為原料，在自制的厭氧發(fā)酵裝置內(nèi)進(jìn)行高溫干式厭氧發(fā)酵，對(duì)有機(jī)固體廢棄物發(fā)酵過(guò)程中的沼氣累計(jì)產(chǎn)量、日產(chǎn)氣量、pH值變化、氧化還原電位變化、COD變化、VFA變化、氨氮變化以及堿度的變化進(jìn)行了研究。西北農(nóng)林科技大學(xué)的周文娟[17]對(duì)新鮮的蔬菜秸稈（濕秸稈）與曬干的農(nóng)作物秸稈（干秸稈）厭氧發(fā)酵效果進(jìn)行了研究。在對(duì)黃瓜新鮮秸稈和干秸稈進(jìn)行比較后可知，以黃瓜新鮮秸稈為原料的處理相對(duì)于干秸稈的處理pH值較低，厭氧發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)酸階段較長(zhǎng)；黃瓜新鮮秸稈在發(fā)酵初期的產(chǎn)氣效果比干秸稈好，發(fā)酵后期則相反；綜合產(chǎn)氣速率和累積產(chǎn)氣量結(jié)果，常溫條件下，以黃瓜新鮮秸稈為原料進(jìn)行發(fā)酵，接種物濃度為30%最佳，以黃瓜干秸稈為原料進(jìn)行發(fā)酵，接種物濃度為20%最佳。蘭州理工大學(xué)的張慶芳[18]等人采用高溫滲濾床干式厭氧發(fā)酵技術(shù)對(duì)餐廚垃圾和果蔬垃圾進(jìn)行處理，最終垃圾減量化程度達(dá)到59.1%。針對(duì)蔬菜廢棄物極易酸化、有機(jī)質(zhì)含量高和含固率較低的特點(diǎn)。對(duì)蔬菜廢棄物采用更為實(shí)用成熟的濕式厭氧消化技術(shù)處理更符合產(chǎn)業(yè)化的要求。

5 小結(jié)

（1）利用兩相發(fā)酵工藝處理設(shè)施蔬菜廢棄物對(duì)發(fā)酵設(shè)備有一定的要求；（2）將發(fā)酵特性互補(bǔ)的幾種原料與設(shè)施蔬菜廢棄物混合處理效果要比單純采用設(shè)施蔬菜廢棄物進(jìn)行厭氧消化好。因此，利用共發(fā)酵工藝處理設(shè)施蔬菜廢棄物將是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)；（3）對(duì)于干式和濕式發(fā)酵工藝，設(shè)施蔬菜廢棄物由于其極易酸化、有機(jī)質(zhì)含量高和含固率較低的特點(diǎn)，因此，采用更為實(shí)用成熟的濕式厭氧消化技術(shù)處理更符合產(chǎn)業(yè)化的要求。

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（責(zé)編：徐煥斗）