厭氧消化—微生物電解工藝在有機(jī)廢物降解中的應(yīng)用研究

蔣忠新+江國防+蔣穎

摘 要：垃圾中的有機(jī)物還有主要元素碳?xì)?，如何合理利用其中的有用元素是科學(xué)家們一直在尋找的變廢為寶的方法。本文介紹了我們研發(fā)的厭氧消化-微生物電解偶聯(lián)工藝在有機(jī)廢物降解中的應(yīng)用。利用電化學(xué)和生物有機(jī)化學(xué)的學(xué)科交叉，結(jié)合有機(jī)廢物主成分-碳、氫元素的性質(zhì)，設(shè)計(jì)了一種有機(jī)廢物厭氧消化-微生物電解偶合的反應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由微生物催化電解、厭氧消化、主產(chǎn)物收集利用和副產(chǎn)物脫離技術(shù)復(fù)合而成。

關(guān)鍵詞：厭氧消化；微生物電解；有機(jī)廢物回收利用；環(huán)境友好

中圖分類號：X705 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

生活生產(chǎn)垃圾中的物質(zhì)含量變化很大，不同時期的垃圾中物質(zhì)含量不一樣，不同來源的垃圾中的物質(zhì)種類和含量都不一樣。但是無論如何，垃圾中的成分主要是有機(jī)物和無機(jī)物兩大類。由于有機(jī)物固有的反應(yīng)活性低、降解速率低、對催化劑的專一性要求高、反應(yīng)后的產(chǎn)物多樣性等原因，特別是反應(yīng)后產(chǎn)物多樣性與不可控性，使得垃圾中有機(jī)物的處理非常困難。對于垃圾中有機(jī)物的降解需要尋找科學(xué)、可靠、可持續(xù)發(fā)展的處理方法。目前對待有機(jī)廢物的處理方法通常就是利用有機(jī)物易燃的性質(zhì)采用焚燒的方法。有機(jī)物的焚燒帶來的環(huán)境負(fù)影響很大，焚燒所產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)造成更加嚴(yán)重的二次污染。在此背景下，長沙加中環(huán)?？萍加邢薰竞秃洗髮W(xué)化學(xué)化工學(xué)院聯(lián)合研發(fā)出了厭氧消化-微生物電解工藝來處理垃圾中的有機(jī)廢物。

一、厭氧消化-微生物電解法反應(yīng)技術(shù)

厭氧消化是一種微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，尤其適合于易降解有機(jī)廢物的處理和能源化轉(zhuǎn)化。因此，特別適合食品加工、廚余和餐廚垃圾及畜禽糞便等有機(jī)廢物的處理。該方法不僅可把這類有機(jī)廢物高效率地轉(zhuǎn)化為可再生能源——生物燃?xì)?，同時，還可產(chǎn)生有機(jī)肥料，從而實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢物的完全循環(huán)和高效利用。

我們利用電化學(xué)和生物有機(jī)化學(xué)的學(xué)科交叉，結(jié)合有機(jī)廢物主成分-碳、氫元素的性質(zhì)，設(shè)計(jì)了一種有機(jī)廢物厭氧消化-微生物電解耦合的反應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由微生物催化電解、厭氧消化、主產(chǎn)物收集利用和副產(chǎn)物脫離技術(shù)復(fù)合而成。其設(shè)備示意圖如圖1所示。

預(yù)處理廢物通過磨碎機(jī)進(jìn)入攪動式厭氧消化反應(yīng)器，厭氧消化反應(yīng)器的工作溫度為55℃～60℃，有機(jī)廢物的固含率達(dá)到20%以上，經(jīng)過連續(xù)式反應(yīng)，釋放生物燃?xì)?，將所得到的生物燃?xì)馐占?。厭氧消化反?yīng)后的殘?jiān)M(jìn)入微生物電解反應(yīng)器。微生物電解設(shè)備內(nèi)設(shè)有微生物電解裝置和電解水裝置，電解水裝置的輸出端與厭氧消化反應(yīng)器相連接，該設(shè)備通過閥門控制水流方向，排出的水通過水管可以提供生活用水，也可以輸送回預(yù)處理裝置，達(dá)到零排放的目的。脫水后的有機(jī)廢物成為肥料，可做固體有機(jī)肥而出售。微生物電解裝置包括陽極、陰極和電源。厭氧消化設(shè)備與微生物電解催化設(shè)備相連接并產(chǎn)生一系列反應(yīng)，該設(shè)備主要是加快厭氧消化，縮短其自身反應(yīng)所需要的時間，而得到的沼氣用于發(fā)電，從而達(dá)到化廢為寶的目的。厭氧消化器實(shí)物如圖2所示。

二、厭氧消化-微生物電解耦合技術(shù)工藝

厭氧消化-微生物電解耦合技術(shù)工藝包括預(yù)處理、厭氧消化-微生物電解耦合、脫水以及后續(xù)收集利用等程序。

1.預(yù)處理（絮凝）：在裝有垃圾滲濾液的預(yù)處理池中投加混凝劑，把其中的懸浮物生成絮狀體，且在沉降過程中它們互相碰撞凝聚，其尺寸和質(zhì)量不斷變大，沉降速度不斷增加，使其沉淀并去除，得到較為清澈的液體流入?yún)捬醢l(fā)酵池中。

2.厭氧消化-微生物電解耦合反應(yīng)：包括攪拌裝置、厭氧消化反應(yīng)器和微生物催化電解裝置。

攪拌：在厭氧消化反應(yīng)器中設(shè)有能轉(zhuǎn)動的攪拌裝置，對有機(jī)廢物進(jìn)行充分混合，增加物料與微生物接觸概率，使系統(tǒng)內(nèi)的物料和溫度分布均勻，防止局部出現(xiàn)堆積和局部溫度過高，使生物反應(yīng)生成的硫化氫、甲烷等對厭氧菌活動有阻礙的氣體迅速排出，使產(chǎn)生的浮渣被充分破碎。

厭氧消化-微生物電解：首先電解水產(chǎn)氫，從電解水裝置中得到大量的氫氣和氧氣。有機(jī)廢物經(jīng)過進(jìn)料口輸入?yún)捬跸磻?yīng)器，進(jìn)行有機(jī)廢物的微生物電解和厭氧消化，利用電解水產(chǎn)生的氫氣，結(jié)合二氧化碳生成甲烷氣體，反應(yīng)式如下：H2+CO2→CH4（甲烷）+2H2O，從而增加了甲烷的生成量。利用電解水生成的氧氣用于厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)，不僅能提高有機(jī)物的水解速率，還加速了氧和硫化氫反應(yīng)，使硫化氫濃度降低，減少了硫化氫對細(xì)菌的傷害。

3.脫水：厭氧消化-微生物電解后的產(chǎn)物，首先進(jìn)行固液分離。分離后的液體通過納米過濾膜處理，在常壓下對液體進(jìn)行過濾，納米過濾膜能有效阻隔不帶電溶質(zhì)等大分子（分子、原子等尺寸大于1nm）物質(zhì)，只允許單價(jià)離子和水分子通過，從而獲得潔凈的鹽水和液肥。鹽水經(jīng)納米過濾膜后，接著經(jīng)過反滲透膜設(shè)備，經(jīng)加壓后，鹽水中的水經(jīng)過反滲透膜得到純水，用于澆灌花草、清洗道路、沖洗廁所等用水，而剩下壓縮后的高濃度的鹽水將與漂水結(jié)合，用于濕式噴淋塔中，用于煙氣凈化，從而達(dá)到零排放效果。

三、厭氧消化-微生物電解法反應(yīng)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

厭氧消化-微生物電解法可以用于降解廣泛的廢棄有機(jī)化合物，特別適合處理COD濃度高（超過152g COD/L）的廢水，有機(jī)固體懸浮液或漿（15%總固體含量）。該技術(shù)提供了一種生物反應(yīng)器，包括微生物電解與厭氧消化反應(yīng)技術(shù)的耦合，比傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵設(shè)備產(chǎn)生更多富含甲烷的沼氣。電解效率高，而且避免使用貴金屬催化劑。

電解水在厭氧降解的微生物作用下，產(chǎn)生氫氣，將有機(jī)物降解，提高了沼氣的質(zhì)量，增加了硫化氫和氧結(jié)合成二氧化硫的速度，消除了有毒硫化氫，同時電解水和二氧化碳還原成甲烷。

發(fā)酵池內(nèi)的碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪被分解成甲烷和NH4OH，所產(chǎn)生的NH4OH和二氧化硫結(jié)合，生成硫酸銨。

電解催化有利地減少了高效電解所需功率。使用間隔分開的電極，一對或幾個電極成對（如堆棧上的順序放置陰極和陽極電極）實(shí)現(xiàn)電解，既可以保持優(yōu)秀的電解效率，同時達(dá)到造價(jià)低廉，腐蝕性小的優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)室小試，工業(yè)化中試和放大，我們的有機(jī)廢物厭氧消化-微生物電解偶合的反應(yīng)系統(tǒng)，能夠有效降解垃圾中的有機(jī)廢物，充分利用了有機(jī)物中的碳和氫原子，把垃圾變成了燃?xì)夂陀袡C(jī)肥料，綜合利用效率高，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益高。是目前為止國內(nèi)外先進(jìn)的垃圾處理方法。

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