有机固废厌氧消化技术研究进展

1、有机固废厌氧消化技术研究进展摘要厌氧消化技术可以实现废弃物污染防治和综合利用的双重目的，是有机固废处理与处置的开展趋势。对厌氧消化技术处理有机固废的微生物学机理、影响因素以及消化工艺的研究进展进展了综述。关键词厌氧消化有机固体废物两相消化有机固体废物通常是指含水率低于85%90%可生化降解的有机废物,它们一般具有可生化降解性。这些废物中蕴含着大量的生物质能,有效利用这类生物质能源,对实现环境和经济的可持续开展具有重要意义。有机固体废物处理的方法很多。由于有机固废的可生化降解性高，利用生物技术处理有机废物具有潜在优势。生物处理法包括好氧堆肥法和厌氧消化法。近几年来，欧洲各国纷纷将目光投向厌氧消化

2、，兴建有机固废厌氧消化处理厂，日本等国也先后建立了有机固废厌氧消化处理示范工程。但在国内，尽管农村早有小型沼气池的应用，高浓度有机污水及污泥处理中也普遍采用厌氧消化的工艺，但应用于固废处理领域的理论很少。因此，很有必要针对国内的实际情况，对有机固废的厌氧消化进展系统研究。1厌氧消化机理在理论研究方面，国内外一些学者对厌氧发酵过程中物质的代谢、转化和各种菌群的作用等进展了大量的研究，但仍有许多问题需进一步讨论。对厌氧消化的微生物学认识，经历了一个由浅薄到逐渐完善的过程。20世纪30年代，厌氧消化被概括地划分为产酸阶段和产甲烷阶段，即两阶段理论。70年代初bryantlzgl等人对两阶段理论进展了

3、修正，提出了厌氧消化的三阶段理论，突出了产氢产乙酸菌的地位和作用。与此同时，zeikusla等人提出了厌氧消化的四类群理论，反映了同型产乙酸菌的作用。该理论认为厌氧发酵过程可分为四个阶段，第一阶段水解阶段：将不溶性大分子有机物分解为小分子水溶性的低脂肪酸；第二阶段酸化阶段：发酵细菌将水溶性低脂肪酸转化为h2、h3000h、h3h2h等，酸化阶段料液ph值迅速下降；第三阶段(产氢产乙酸阶段)：专性产氢产乙酸菌对复原性有机物的氧化作用，生成h2、h3、h3h。同型产乙酸细菌将h2、h3转化为h3h，此阶段由于大量有机酸的分解导致ph值上升；第四阶段(甲烷化阶段)：产甲烷菌将乙酸转化为h4和2，利用

4、h2复原2成h4，或利用其他细菌产生甲酸形成h4。无论是三阶段理论，还是四类群理论，本质上都是对两阶段理论的补充和完善，较好地提醒了厌氧发酵过程中不同代谢菌群之间互相作用、互相影响、互相制约的动态平衡关系，说明了复杂有机物厌氧消化的微生物过程。2厌氧消化影响因素2.1底物组成研究发现不同底物组成，其可生化降解性大不一样5%90%。brja等研究了不同底物组成和浓度的有机固废的厌氧消化过程，认为在其他条件一样时沼气产量相差很大，甚至到达65。这个结果与jkela等的研究所得根本一致。另外，底物组成不同,在发酵过程中的营养需求与调控也不同。对于像以秸秆为主的底物，须补充n源的营养，以到达厌氧消化适

5、宜的/n比。目前国内外很多机构开展了生活垃圾、污泥及畜禽粪便结合厌氧消化产沼的研究。结合发酵可以在消化物料间建立起一种良性互补，从而进步产气量，而且仪器设备的共享在进步经济效益方面的作用也是非常明显的。kayhanian评估了以城市固体垃圾生物可降解部分为底物的高固体厌氧消化示范试验。结果说明,美国典型b/f(可降解垃圾与总物料之比)的垃圾缺乏活泼而又稳定降解所需要的宏量或微量元素,假设补充以富含营养的污泥和畜禽粪便,可以进步b/f，大大进步产气率并增加过程的稳定性。国内在这方面的研究仅限于实验室程度，未见相关工程应用的报道。2.2温度有机固废厌氧消化一般在中温或高温下进展,中温的最正确温度为

6、35左右,高温为55左右。ghsh等利用厌氧消化处理垃圾衍生燃料(rdf)，比照了单相式和两相式反响器的处理效果，发如今传统单相式反响反响条件转变为高温消化时甲烷产量可进步14。高温消化可以比中温消化有更短的固体停留时间和更小的反响器容积。然而高温消化所需热量多,运行也不稳定。最近有研究说明厌氧消化在65时水解活性可进一步进步。还有将超高温水解作为一个专门的反响器，对厌氧消化进展处理研究。高温可以比中温产能多，但高温需要更多的能量，在实际情况中加热所需的能量往往与多产出的能量差不多。虽然沼气产量和生物反响动力学都说明高温消化更有优势，但理想的条件决定于底物类型和使用的系统情况。2.3ph值产甲

7、烷菌对ph值的要求非常严格，ph值的微小波动有可能导致微生物代谢活动的终止。在发酵初期由于产生大量有机酸，假设控制不当容易造成部分酸化，延长发酵周期，进而破坏整个反响一般说来酸化相对保持略偏酸性,产甲烷相需要略偏碱性,但没有一个绝对适宜的量,只需系统可以保持稳定高效便是最正确状态。ph值是厌氧消化过程的重要监测指标和控制参数。2.4抑制厌氧消化过程中抑制作用非常普遍，包括ph抑制、氢抑制、氨抑制、弱酸弱碱抑制、长链脂肪酸(vfa)抑制等。许多学者都研究了厌氧消化中氨抑制的问题。当氨氮浓度从740g/l至3500g/l时，葡萄糖降解速度急剧下降，可以认为氨积聚对糖酵解过程有一定的抑制作用。sun

8、g等研究了以有机固废为底物的常温厌氧消化过程中氨氮浓度对甲烷产气量的影响，常温消化当总氨氮浓度(tan)从0.40g/l依次升至1.20、3.05、4.92、5.77g/l时，反响salinen指出渗滤液回流与ph值调节相结合可以降低酸积累的抑制效应，加速消化降解速率。然而当系统中活性产酸菌和产甲烷菌数量较少时，回流渗滤液会引起vfa积聚。larksn和xia对废报纸进展厌氧消化的研究发现，水解反响是其中限制性步骤，高浓度的丙酸盐对其具有抑制作用。2.5搅拌当消化底物为固态时，水解通常成为整个反响的限制性阶段。很多经典文献中强调了消化过程中应充分混和搅拌以促进反响器中酶和微生物的均匀分布。然而

9、近年来有试验说明降低搅拌程度可以进步反响器的效率。说明当有机负荷偏高时，搅拌强度加大会导致反响器运行失败，低强度搅拌是消化过程顺利完成的关键；当有机负荷偏低时，搅拌强度对反响反响器中甲烷区形成的假设，认为甲烷区的形成对抵抗酸化过程中产生的抑制起重要作用。在此根底上他提出了均质柱形反响器的二维分布式模型2ddistributeddels，模型基于以下假设：在维持产甲烷菌繁殖代谢处于较优程度的前提下，反响器中甲烷区所占空间存在一个最小值。通过对消化过程的模拟，认为有机负荷高时，反响初始阶段甲烷区与产酸区在空间上别离是固废物转化为甲烷的关键因素，而初始阶段甲烷区中生物量的多少那么是这些活性区保存的决

10、定性因素。此时假如高强度搅拌，甲烷区由于vfa的抑制作用会逐渐萎缩直至消失。然而当有机负荷偏低时，大部分甲烷区均能幸存并逐步扩大到整个反响器。strt等学者认为剧烈搅拌会破坏微生物絮团的构造，从而打乱了厌氧体系中有机体间的互相关系。一个连续运转的消化器在启动阶段应逐步增大有机负荷以防止运转失败。当产甲烷阶段是限制性反响时高强度搅拌并不适宜，因为产甲烷菌在这种快速水解酸化的环境中很难适应，因此在启动阶段应采取适量搅拌。假如水解阶段为限制性反响，此时反响器内底物浓度较大，高强度搅拌对水解起促进作用。因此为到达有机物厌氧转化的最正确条件，应综合考虑搅拌所带来的积极和负面影响。2.6预处理根据现有的研

11、究发现,固体厌氧消化的速度较慢,对固体废物采用物理法、化学法、生物法等预处理可以进步甲烷产气量。liu等人通过对消化底物进展240的蒸汽热处理5分钟，使甲烷产气率进步一倍，最终的甲烷产量增加40。木质素和纤维素由于其本身构造，是公认的难降解物质，也是很多厌氧消化过程中的限制性因素。larksn等对废报纸进展厌氧消化研究，发现碱预处理可以显著进步废纸的可生物降解性，但延长浸泡时间或增大反响温度并不能进步转化率。hartann等在传统的厌氧反响器前端设计了一个生物活性反响器，对厌氧消化进展预处理研究。该反响器用于68对底物进展超高温水解，这种反响器别离的设计是为了更大程度降解有机物为vfa，从而获

12、得更高的产气量，同时超高温反响器可以有效去除氨的影响。结果说明vs去除率为7889，产气量640790l/g。超高温反响器中氨负荷降低7。目前对固态厌氧消化底物的物理和化学预处理方法研究较多，对生物预处理的研究那么较少。peter等从高温反响器中别离到能分解有机固体废物的嗜温微生物,用该微生物对污水污泥进展预处理,在12d内近40%的有机物被分解,而且与没有经过该预处理相比,厌氧消化过程中沼气产量进步50%；ejlertssn研究说明，在消化开场阶段进展间歇曝气能有效去除易降解的固废，克制高浓度vfa带来的抑制问题；shandete等研究了纸浆厌氧发酵系统中，启动阶段进展9h堆肥预处理后甲烷产

13、量进步26%；katsura和hasegaa进展了类似的预处理研究，对污泥进展微好氧热处理后甲烷产量进步50。研究者认为高温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厌氧消化工艺厌氧消化处理固体废物，通过技术革新逐步形成了以湿式完全混合厌氧消化、厌氧干发酵、两相厌氧消化等为主的工艺形式。湿式完全混合厌氧消化工艺即湿式工艺的应用最早也最为广泛。此工艺条件下固体浓度维持在15%以下，其液化、酸化和产气3个阶段在同一个反响器中进展，具有工艺过程简单、投资孝运行和管理方便的优点。这种工艺条件下浆液处于完全混合的状态，容易受到氨氮、盐分等物质的抑制，因此产气率较低。厌氧干发酵又称高固体厌氧

14、消化，在传统的厌氧消化工艺中固体含量通常较低，而高固体消化中固体含量可到达20%35%。高固体厌氧消化主要优点是单位容积的产气量高、需水量少、单位容积处理量大、消化后的沼渣不需脱水即可作为肥料或土壤调节剂。随着固体浓度的加大，干发酵工艺中需设计抗酸抗腐蚀性强的反响器，同时还得解决干发酵系统中输送流体粘度大以及高固体浓度带来的抑制问题。两相厌氧消化工艺即创造两个不同的生物和营养环境条件，如温度和ph等。ghsh最早提出优化各个阶段的反响条件可以进步整体反响效率,增加沼气产量，从而提出了两相厌氧消化。动力学控制是两相系统促进相别离最常用的手段，根据酸化菌和产甲烷菌生长速率的差异来进展相别离。还有一

15、些技术可促进厌氧系统的相别离，如滤床在处理不溶性的有机物时可用来到达相别离。渗析、膜别离和离子交换树脂等也可用于相别离。大多数观点认为，采用相别离技术创造有利于发酵细菌的生态环境，防止有机酸的大量积累，会进步系统的处理才能。ghsh等利用厌氧消化处理垃圾衍生燃料(rdf)，比照了单相式和两相式反响器的处理效果，发现两相消化比传统单相式反响器，甲烷产量进步20左右。gel等人对茶叶渣进展两相厌氧消化研究，发现每去除1kgd，平均产气量为0.483，d去除率93，甲烷含量73。两相厌氧工艺的主要优点不仅是反响效率的进步而且增加了系统的稳定性，加强了对进料的缓冲才能。许多在湿式系统中生物降解不稳定的

16、物质在两相系统中的稳定性很好。虽然两相工艺有诸多的优点，但由于过于复杂的设计和运行维护，实际应用中选择的并不多。目前为止，两相消化在工业应用上并没有表现出明显的优越性，投资和维护是其主要的限制性因素。4结语edelann利用生命周期分析(la)认为，厌氧消化是最适宜的有机固废处理方法。有机固废的厌氧消化技术已引起国内外的广泛关注，它们在消纳大量有机废物的同时，可获得高质量的堆肥产品和沼气，实现生物质能的多层次循环利用。我国目前在有机垃圾厌氧消化工程应用方面的研究很少，厌氧消化的研究主要集中在水处理方面。各种厌氧发酵工艺实际应用中所存在的最大问题是规模化运行的自动化程度较低，技术装备差。因此，对

17、厌氧消化的最正确生物转化条件、生态微环境以及设计完善的过程控制系统等方面，还需要进一步深化研究，以到达最正确的处理效果。参考文献1brjar，rinnb，rapsfetalkinetisfesphilianaerbidigestinfthet-phaseliveillslidastejbiheialengineeringjurnal，2022152ghsh,s，henry.p，sajjadaetalpilt-salegasifiatinfuniipalslidastesbyhigh-rateandt-phaseanaerbidigestinjatersieneandtehnlgy，2000(3)3hinrihhartann，birgittek.ahinganvelpressnfiguratinfranaerbidigestinftherphilipst-treatentjbitehnlgyandbiengineerin