市政有機(jī)廢棄物厭氧消化工藝綜述

王益棟，湯寅生，姜鵬飛，黃 吉，鄭 華

（維爾利環(huán)?？萍技瘓F(tuán)股份有限公司，江蘇 常州 213125）

隨著社會的快速發(fā)展，市政有機(jī)廢棄物的產(chǎn)生量逐年增加。市政有機(jī)廢棄物的主要成分為廚余垃圾，其富含可生物降解的有機(jī)質(zhì)，在厭氧條件下通過多種微生物的作用，有機(jī)質(zhì)降解轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳，因此厭氧消化工藝被廣泛應(yīng)用于有機(jī)廢棄物的處置。厭氧消化工藝可以對市政有機(jī)廢棄物進(jìn)行有效處理，實(shí)現(xiàn)減量化、資源化和無害化處置，提高經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。

1 厭氧消化的影響因素

厭氧消化是一種在厭氧微生物作用下有控制地將可降解有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和其他穩(wěn)定物質(zhì)的生化過程。厭氧消化過程可以分為3 個階段[1]，即水解、產(chǎn)氫產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷。厭氧消化的影響因素主要有溫度、pH、養(yǎng)分、攪拌、抑制性物質(zhì)等[2]。

1.1 溫度

溫度對厭氧消化的影響較大，主要通過影響微生物酶活性來影響其生長和基質(zhì)代謝。厭氧細(xì)菌分為嗜溫菌（中溫菌）和嗜熱菌（高溫菌），其對應(yīng)的厭氧消化為中溫厭氧（35 ～38 ℃）和高溫厭氧（50 ～55 ℃）。高溫厭氧的效率高，降解速度快，所需的停留時間短，病原微生物殺滅率高。但從項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行來看，中溫厭氧的穩(wěn)定性更優(yōu)。厭氧消化允許的溫度波動范圍為1.5 ～2.0 ℃。如果溫度變化超過3 ℃，會抑制菌群的生物活性，影響消化速率。如果溫度變化達(dá)到5 ℃，產(chǎn)氣量會大幅降低，有機(jī)酸大量積累，破壞厭氧系統(tǒng)[3]。

1.2 pH

pH 不僅影響厭氧消化過程的菌群種類，還會影響微生物酶活性。產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌對pH 的適應(yīng)性強(qiáng)，pH 宜控制在5.0 ～8.5，而甲烷菌生長和代謝的最適宜pH 為6.8 ～8.0，當(dāng)pH 低于6.3 或高于8.0 時，甲烷菌活性降低，進(jìn)而影響產(chǎn)甲烷效率。因此，厭氧消化系統(tǒng)的pH 通常要控制在6.8 ～7.5。

1.3 養(yǎng)分

原料中的有機(jī)物是產(chǎn)沼氣的基礎(chǔ)，有機(jī)質(zhì)在降解過程中不斷為各型微生物提供必要的養(yǎng)分。微生物對碳和氮的需求相對固定，因此厭氧過程將反應(yīng)物的碳氮比控制在20 ～30。

1.4 攪拌

為保證厭氧消化過程中原料分布均勻，原料與微生物充分接觸，提高傳質(zhì)效率，厭氧消化裝置一般都要設(shè)計(jì)攪拌功能。攪拌可以破除浮渣層，減少反應(yīng)器底部重質(zhì)雜物沉降。攪拌的形式可以是機(jī)械強(qiáng)制攪拌，也可以是厭氧消化過程產(chǎn)生的沼氣形成攪拌效果。

1.5 抑制性物質(zhì)

很多化學(xué)物質(zhì)會抑制厭氧消化過程中微生物的生長繁殖，抑制性物質(zhì)分為3 類。一是金屬微量元素。一定量的金屬微量元素對厭氧菌群的活性產(chǎn)生積極作用，否則會對微生物的生長產(chǎn)生抑制作用。二是重金屬離子?？扇苄灾亟饘匐x子會對細(xì)菌會產(chǎn)生毒害，當(dāng)環(huán)境存在硫化物時，可溶性重金屬離子會結(jié)合硫化物形成不溶性鹽類，則不會毒害微生物。三是氨氮。氨氮濃度與產(chǎn)甲烷菌的生長密切相關(guān)，氨氮濃度為50 ～200 mg/L，會刺激產(chǎn)甲烷菌的生長；氨氮濃度為1 500 ～3 000 mg/L，就會抑制產(chǎn)甲烷菌的生長[4]。

2 厭氧消化工藝的分類

按照進(jìn)料固含量，厭氧消化工藝分為濕式厭氧和干式厭氧；按照溫度，分為中溫厭氧和高溫厭氧；按照階段數(shù)，分為單相厭氧和兩相厭氧。

2.1 濕式厭氧消化和干式厭氧消化

濕式厭氧消化的含固率一般在6%～15%，有機(jī)質(zhì)在反應(yīng)器中混合均勻，增加有機(jī)廢棄物與微生物的接觸率，可連續(xù)平穩(wěn)產(chǎn)氣。干式厭氧消化的含固率一般在20%～40%。干式厭氧屬于全物料厭氧，其產(chǎn)氣量較大，但市政有機(jī)廢棄物富含易降解有機(jī)質(zhì)，在反應(yīng)器中酸化快，易造成物料分層，進(jìn)而停產(chǎn)清罐。目前，市政有機(jī)廢棄物的主流處理工藝是預(yù)處理+厭氧消化，預(yù)處理產(chǎn)生的漿液更適合采用濕式厭氧消化工藝。

2.2 中溫厭氧消化和高溫厭氧消化

厭氧消化有2 種適宜溫度，即中溫（35 ～38 ℃）和高溫（50 ～55 ℃）。高溫厭氧消化效率高，整體罐容小，但高溫厭氧菌群對溫度、pH 的要求更加嚴(yán)格，而且容易引起氨中毒，其運(yùn)行穩(wěn)定性不如中溫厭氧，目前國內(nèi)成功運(yùn)行案例較少。

2.3 單相厭氧消化和兩相厭氧消化

單相厭氧消化是將水解酸化菌和產(chǎn)甲烷菌置于同一反應(yīng)器內(nèi)，而它們對溫度、pH 等的要求不同，不同菌群會有一定的相互制約。兩相厭氧消化是把產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷兩個階段分離而布置在兩個串聯(lián)的反應(yīng)器中，產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌能夠在各自適宜的環(huán)境中生長，發(fā)揮菌群各自的生物活性，提高整體處理效果。與單相厭氧消化相比，兩相厭氧消化有一定優(yōu)勢，但實(shí)際應(yīng)用需要結(jié)合有機(jī)廢棄物的特性及成本等進(jìn)行綜合考慮[5]。

3 厭氧消化工藝在市政有機(jī)廢棄物處理中的應(yīng)用

在市政有機(jī)廢棄物處理領(lǐng)域，應(yīng)用較多的厭氧消化工藝是連續(xù)攪拌反應(yīng)器（CSTR）、升流式厭氧污泥床（UASB）、厭氧復(fù)合床（UBF）和內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器（IC）等。各厭氧反應(yīng)器的比較如表1 所示。

表1 各類厭氧反應(yīng)器的比較

3.1 連續(xù)攪拌反應(yīng)器

連續(xù)攪拌反應(yīng)器（CSTR）是在一個密閉罐體內(nèi)實(shí)現(xiàn)物料發(fā)酵、沼氣產(chǎn)生，能夠處理高懸浮固體含量的原料。反應(yīng)器內(nèi)的攪拌裝置可以使原料和微生物完全混合，分布均勻，避免分層，攪拌器轉(zhuǎn)動和液面升降的配合可有效避免反應(yīng)器表面的浮渣結(jié)殼現(xiàn)象。CSTR 采用強(qiáng)制的連續(xù)攪拌，強(qiáng)化罐內(nèi)物料和微生物的接觸，提高沼氣發(fā)酵速率。它適用于處理TS 含量高的物料，易啟動和管理。但是，攪拌強(qiáng)度高，投資和運(yùn)行成本較高。CSTR 處理高TS 含量的物料，因此不可避免存在物料短流、消化不充分的現(xiàn)象。

3.2 升流式厭氧污泥床

升流式厭氧污泥床（UASB）將污水從底部均勻引入，污水在上升過程中與高濃度污泥床充分接觸，其間有機(jī)質(zhì)被不斷降解轉(zhuǎn)化為沼氣。UASB 由進(jìn)水區(qū)、三相分離器和沼氣區(qū)三部分組成。污水從反應(yīng)器底部進(jìn)水區(qū)進(jìn)入，此區(qū)域留存大部分顆粒污泥和絮狀污泥，污水與污泥實(shí)現(xiàn)混合接觸，微生物分解原料中的有機(jī)物并將其轉(zhuǎn)化為沼氣，微小氣泡的沼氣在反應(yīng)過程中不斷被釋放，并在上升過程中不斷合并，逐漸形成較大的氣泡，由于沼氣升流的影響，部分污泥隨著氣和水形成混合體一起上升至三相分離器，混合體撞擊三相分離器下部的反射板，沼氣脫離并穿過水層進(jìn)入沼氣區(qū)，分離的沼氣經(jīng)導(dǎo)管排出反應(yīng)器，固液混合體則進(jìn)入三相分離器的沉淀區(qū)，污泥絮凝后在重力作用下沉降。厭氧消化后的出水從溢流堰上部溢出，排出反應(yīng)器。反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度較高，可處理高濃度污水；水力停留時間短，節(jié)省用地；設(shè)置三相分離器，無須配置攪拌設(shè)備；污泥床無須填料，不會發(fā)生填料堵塞問題。但是，進(jìn)水懸浮物濃度較高，容易堵塞三相分離器；反應(yīng)器存在短流的可能，影響出水指標(biāo)；水質(zhì)和負(fù)荷的突變對反應(yīng)器的影響較大。

3.3 厭氧復(fù)合床

厭氧復(fù)合床（UBF）是將厭氧生物濾池與升流式厭氧污泥床組合在一起。反應(yīng)器下部為污泥懸浮層，中上部裝有填料，厭氧微生物以生物膜形式附著在填料表面，在循環(huán)泵運(yùn)行或產(chǎn)生沼氣時，帶動污水形成升流狀態(tài)，污水先后經(jīng)過懸浮污泥層及填料層，其中的有機(jī)物與污泥及填料生物膜上的微生物充分接觸并被分解轉(zhuǎn)化為沼氣。微生物停留時間長，生物量大，可高效處理高濃度污水；無須配置攪拌設(shè)備，自身能耗低；耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；占地少，工期短。但是，要控制進(jìn)水懸浮物濃度；布水、填料裝置的設(shè)計(jì)及加工難度大；填料堵塞后，尚未有簡單有效的清洗方式。

3.4 內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器

內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器（IC）可視為兩個UASB 上下疊加而成。污水從反應(yīng)器底部進(jìn)入，升流過程中與污泥混合接觸，進(jìn)而被降解轉(zhuǎn)化為沼氣從反應(yīng)器頂部排出，凈化后的污水從反應(yīng)器上部溢流排出。IC 由混合區(qū)、上反應(yīng)區(qū)和下反應(yīng)區(qū)組成。反應(yīng)器底部進(jìn)水、污泥、回流的泥水混合物在混合區(qū)充分混合后在下反應(yīng)區(qū)內(nèi)與高濃度污泥接觸，大部分有機(jī)質(zhì)降解轉(zhuǎn)化成沼氣。借助上升流和產(chǎn)生的大量沼氣對下反應(yīng)區(qū)形成劇烈擾動，強(qiáng)化有機(jī)質(zhì)與污泥的傳質(zhì)效果。下反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的沼氣會帶動部分泥水混合物經(jīng)過三相分離器，沼氣會被分離并導(dǎo)出反應(yīng)器，泥水混合物則返回底部混合區(qū)。下反應(yīng)區(qū)處理后的污水進(jìn)入上反應(yīng)區(qū)，剩余有機(jī)質(zhì)進(jìn)一步被降解轉(zhuǎn)化為沼氣，泥水混合物經(jīng)過上反應(yīng)區(qū)的三相分離器，清液排出反應(yīng)器，污泥回流至上反應(yīng)區(qū)。反應(yīng)器內(nèi)部污泥濃度高，輔以內(nèi)循環(huán)，強(qiáng)化傳質(zhì)效果，適用于處理高有機(jī)負(fù)荷的污水；反應(yīng)器高徑比大，節(jié)省投資，占地面積?。粌?nèi)循環(huán)量調(diào)節(jié)范圍大，可有效應(yīng)對進(jìn)水濃度的波動；內(nèi)循環(huán)無須設(shè)泵，動力消耗低；啟動周期短，反應(yīng)器內(nèi)污泥活性高，生物繁殖快。但是，反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)施工要求高；高徑比大，增加進(jìn)水泵的動力消耗；水力停留時間較短，可生化性較差的污水處理效果一般。

4 結(jié)論

厭氧消化工藝是市政有機(jī)廢棄物的主要處理方式，與好氧處理工藝相比，其能耗低，同時產(chǎn)生的沼氣可以作為能源進(jìn)行利用。厭氧消化工藝類型多樣，不同應(yīng)用場景要因地制宜，合理選擇反應(yīng)器型式，從而充分發(fā)揮厭氧消化工藝的優(yōu)勢，有效處置市政有機(jī)廢棄物，營造美好的生活環(huán)境。