城市生活有机垃圾厌氧消化技术进展

城市生活有机垃圾厌氧消化技术进展（共8篇）

篇1：城市生活有机垃圾厌氧消化技术进展

城市生活有机垃圾厌氧消化技术进展

（一）1．概况

目前我国城市生活有机垃圾的处理问题仍然是一项技术难题，进行好氧堆肥的运行成本高，而且肥料质量难以保证；进行填埋会产生大量的渗沥液及恶臭问题。而在欧洲，通常是采用厌氧消化技术处理有机垃圾的。有机垃圾固含率在30%～40%，含有溶解性物质（如糖、淀粉、氨基酸等有机酸）、纤维素。脂肪、蛋白质等物质，因此可以采用生化方法进行降解。厌氧反应是指在没有溶解氧和硝酸盐氮的条件下，微生物将有机物转化为甲烷、二氧化碳、无机营养物质和腐殖质的过程。厌氧生物处理的优点主要有：工艺稳定、运行简单、减少剩余污泥处置费用，具有生态和经济上的优点。在废水处理中，厌氧消化具有悠久的历史，目前应用最广泛的升流式厌氧污泥床(UASB），占67％左右，并子已开发了第二代高效厌氧处理系统，如厌氧颗粒污泥膨胀床（EGSB)工艺。而在有机垃圾处理中，厌氧消化的发展是从20世纪70年代能源危机开始的，特别是近20年发展速度很快。最近研究表明，在过去9年中，采用厌氧消化技术来处理城市团体垃圾的处理厂增加了750%。德国、瑞士、丹麦等西欧国家处于技术领先地位，并已经将此项技术成功地市场化，出现了像德国的Haase工程公司、瑞士Kompogas公司、比利时Organic Waste Systems公司等著名的工程公司。据统计，在德国大约有520座厌氧消化反应器，其中用于城市垃圾处理的大约有49座。相比较而言，美国、加拿大在制定基本政策制度以促进厌氧消化市场化方面还有较大差距。厌氧反应器组成：密闭反应器、搅拌系统、加热系统和固液气三相分离系统。按照厌氧反应器的操作条件如进料的固含率、运行温度等可分类以下：

1.1按照固含率可分为湿式、干式

湿式：垃圾固含率10%～15％。

干式：垃圾固含率20%～40%。

湿式单级发酵系统与在废水处理中应用了几十年的污泥厌氧稳定化处理技术相似，但是在实际设计中有很多问题需要考虑：特别是对于机械分选的城市生活垃圾，分选去除粗糙的硬垃圾、将垃圾调成充分连续的浆状的预处理过程非常复杂，为达到既去除杂质，又保证有机垃圾进入正常地处理，需要采用过滤、粉碎、筛分等复杂的处理单元（Farneti，1999）。这些预处理过程会导致15%～25%的挥发性固体损失。

浆状垃圾并不能保持均匀的连续性，因为在消化过程中重物质沉降，轻物质形成浮渣层，导致在反应器中形成了三种明显不同密度的物质层。重物质在反应器底部聚集可能破坏搅拌器，因此必须通过特殊设计的水力旋流分离器或者粉碎机去除。干式发酵系统的难点在于：其一，生物反应在高固含率条件下进行；其二，输送、搅拌固体流。但是在法国、德国已经证明对于机械分选的城市生活有机垃圾的发酵采用干式系统是可靠的。Dranco工艺中，消化的垃圾从反应器底部回流至顶部。垃圾固含率范围20%～50%。Kompogas工艺的工作方式相似，只是采用水平式圆柱形反应器，内部通过缓慢转动的桨板使垃圾均质化，系统需要将垃圾固含率调到大约23%。而Valorga工艺显著不同，同为在圆柱形反应器中水平塞式流是循环的，垃圾搅拌是通过底部高压生物气的射流而实现的（Frrteau de Laclos et al）。Valorg工艺优点是不需要用消化后的垃圾

来稀释新鲜垃圾，缺点是气体喷嘴容易堵塞，维护比较困难。Valorga工艺产生的水回流使反应器内保持30%的固含率，且艺能单独处理湿垃圾，因为在固含率20%以下时重物质在反应器内发生沉降。

1.2按照阶段数可分为单级、多级。

目前，工业上一般用单级系统，因为设计简单、一般不会发生技术故障。并且对于大部分有机垃圾而言，只要设计合理、操作适当，单级系统具有与多级系统相同的效能。

1.3按照进料方式分为序批式、连续式。

序批式：消化罐进料、接种后密闭直至完全降解。之后，消化罐清空，并进行下一批进料。连续式：消化罐连续进料，完全分解的物质连续从消化罐底部取出。

不同类型的厌氧反应器在市场中占的份额也不同：中温消化、高温消化都是可行的技术，实际运行的处理厂，中温消化占62％；湿式、干式系统各占一半；而单级消化、两相消化的比重相差大，其中两相消化占10.6%（DeBaere，1999比利时有机垃圾系统公司（Organnic Waste Systems N.V）。

考虑到工业化的处理厂处理量大多为2500t/a•（吨／年，下同）以上，所以下面主要对大型有机垃圾处理厂的厌氧消化工艺进行分类介绍。

2.工艺及实例

2.1湿式连续单级发醉系统

2.1.1 JVV oy工艺－德国Bottrop处理厂

Ecotech公司在德国柏林建造了处理量30，000t/a的有机垃圾处理厂。工流程图图2。分类收集的垃圾经过预粉碎阶段和磁选后，进人滚筒筛，分选出有机垃圾与可燃垃圾。可燃垃圾进入流化床焚烧炉，剩余的有机垃圾进入垃圾池，再加水调节固含率至15％。分离出惰性杂质后，通过泵将垃圾输送到厌氧消化器。

系统包含两个平行生产线。厌氧消化温度为35℃，固体停留时间15-20d。（此工艺也可以在55℃进行高温消化）。单个消化器容积可达5000m3。反应物质通过生物气混和搅拌。有机物质经发醉后，再进行巴斯德消毒（70℃，30min)就得到了卫生的肥料。

2.1.2 BTA工艺－德国Bavaria处理厂

BTA工艺是由造纸技术发展而来，能处理城市生活有机垃圾、有机商业垃圾（如食品业等）和农业垃圾，是一种成熟工艺，包括单级和多级工艺。

在德国、澳大利亚大约有10个处理量在2000t/a以上的采用BTA技术的单级发酵垃圾处理厂正在运行。如德国Bavaria处理厂，处理能力15000t/a。

2.2湿式连续多级发醉系统

多级工艺原理：按照消化过若翰勺规律，有机垃圾分别在不同的反应器内进行酸化水解、产甲烷。首先将垃圾通过固液

分离机分为固体和液体，液体部分直接进人产甲烷阶段反应器进行消化1－2d；固体部分进人水解池，2－4d以后垃圾再经过分离，再使液体进入产甲烷阶段反应器。经过消化，大约60%-70%的有机物质转化为生物气。

2.2.1 BTA工艺－丹麦Helsingor BTA/carlbro处理厂

丹麦Helsipgor BTA/carl bro处理厂即采用此项工艺，本厂建于1993年，处理分类收集的生活垃圾，处理量 20,000t/a。分类收集的垃圾先送到垃圾仓，再经过破袋、破碎、打浆、巴斯德消毒。这样，垃圾分为液体、固体部分：液体进入消化罐；而固体进入水解池，在水解池中固体分解为有机酸，池内的液体再送入消化罐。

Helsingor垃圾处理厂每年产生大约300万m3生物气，用于热电联产。垃圾处理厂配有换热器，可以用厌氧过程中产生的沼气来在预处理阶段加热垃圾。

2.2.2 TBW Biocomp工艺－德国Thronhofen处理厂

Thronhofen垃圾处理厂从1996年开始运营，处理能力13,000t/a，处理分类收集的有机垃圾和农业中的液态垃圾。Biocmp工艺是堆肥、发酵的结合。垃圾先经过滚动筛，分离出粗垃圾去堆肥，细垃圾去消化罐。再用手选来去除无机物，用磁选去除废铁。细的有机物质经过破碎机破碎后，加水稀释，使固含率为10%。接着混合物送到贮存池，中温（35℃）反应池（采用桨板搅拌。停留时间14d）。从一级消化池底部取出的活性污泥送入二级上向流高温（55℃）消化池，水力停留时间14d。经过高温消化后，大约60%的有机物质转化为生物气。

2.3干式单级发醉系统

2.3.1 Biocel工艺－荷兰Ielystad处理厂

Biocel工艺是中温干式序批式有机垃圾厌氧消化技术，处于发展阶段。

荷兰 lelystad处理厂，处理量50000t/a，反应器内垃圾固含率30%-40％，消化温度35-40℃，固体停留时间最少10d。

2.3.2 Dranco工艺－比利时Brecht处理厂

Dranco(Dry Anaerobic Composting）工艺是比利时有机垃圾系统公司（Organic Waste Systems）开发的，是一项成熟工艺。工艺的主要单元是单级高温反应器，负荷l0kgCOD/(m3d)，温度50-5890，停留时间为20d(15-30d)，生物气产量100-200m3/t垃圾，发电量170-350kwh/t垃圾。进料的固体浓度在15%-40%范围内。有机垃圾系统公司已开发出Dranco-Sep工艺，可在固含率5%-20%范围内操作。

欧洲现在至少有4座Dranco工艺大型垃圾处理厂，处理能力为11，000t/a到35,000t/a。在比利时北部Brecht的处理厂采用的就是本工艺，处理能力12，000t/a。有机垃圾先经过手工分选、切碎，筛分以去除大颗粒，用磁选分离金属物质，加水混和，接着送入808m3的消化器中。消化器的新鲜物料投配率为5%。消化液经过好氧塘处理之后，排放到当地污水处理厂。消化后的垃圾利用脱水机脱水至固含率55%，而经过好氧稳定两周，即可得到卫生、稳定化的肥料。

2.3.3瑞士Kompogas工艺

本工艺是干式、高温厌氧消化技术，由瑞士Kom-pogas AG公司开发，处于发展阶段。目前，在瑞士、日本等国家建立

大约18个垃圾处理厂，其中年处理量10,000t/a以上的有12个。

有机垃圾首先经过预处理达到以下要求：固含率（DS)30%-45%，挥发性固体含量(VS)55%-75%（of DS)。粒径<40mm，pH4.5-7，凯氏氮<4g/kg，C/N>18。然后进入水平的厌氧反应器进行高温消化。消化后的产物含水率高，首先进行脱水，压缩饼送到堆肥阶段进行好氧稳定化，脱出的水用于加湿进料或作为液态肥料。产生的生物气效益：10，000吨有机垃圾可产生118万Nm3 KOMPO-GAS气体，其中蕴含的总能量为684万kwh，相当于71万升柴油，可供车辆行驶1000万km。

2.3.4法国Valorga工艺

本工艺是由法国Steinmueller Valorga Sarl公司开发，采用垂直的圆柱形消化器，是一项成熟工艺。反应器内垃圾固含率25%-35%，停留时间14-28d，产气量80-180Nm3/t。消化后的固体稳定化需要进行14d的好氧堆肥。

目前已建成的处理厂有：法国Amiens处理厂（处理能力：85，000t/a）；德国Engelskirchen处理厂（处理能力：35，000t/a)、Freiberg处理厂（处理能力：36，000t/a）；比利时Mons处理厂（处理能力：58，700t/a)；瑞士Geneva处理厂（处理能力：10，000t/a)；西班牙CadiZ处理厂（处理能力：210，000t/a)等。

2.4其他新工艺

目前美国、德国等国家正在积极地进行城市生活有机垃圾的厌氧消化技术研究，其内容主要包括以下工艺：●序批式厌氧堆肥工艺（SEBAC，orLeach-BedProcess）（美国）

●干式厌氧消化＋好氧堆肥（美国）

●半干式厌氧消化＋好氧堆肥（意大利）

●渗沥液床两相厌氧消化（英国）

●两相厌氧消化（德国）

●有机垃圾处理工艺（Biowaste Process）（丹麦）

●干式厌氧消化＋好氧堆肥（美国）

●厌氧固体消化器（APS-Digester）（美国）

可以预见将来厌氧消化技术会取得飞跃的发展，在工程中的应用也会越来越广泛。

3结论

目前，厌氧消化技术在世界各地广泛应用，大部分处理城市生活有机垃圾的厂处理量在2500t/a以上。而在我国尚无采用这样的大型处理厂，可能是因为厌氧消化的投资成本比好氧堆肥要高，一般多1.2-1.5倍。但考虑到有机垃圾厌氧消化处理的良好经济效益（生物气用来发电或供热以及优质卫生的肥料），每吨垃圾的处理费用与传统的好氧堆肥相当（JMa-ta-Alvarez et al，1999）。并且厌氧消化具有良好的环境效益：与好氧堆肥相比占地少，大大减少了温室气体(CO2、CH4）、臭气的排放等。从生命周期观点看，厌氧消化比其他的处理方式更经济。因此，在我国厌氧消化工艺是一项具有很有前景的有机垃圾处理技术。

篇2：城市生活有机垃圾厌氧消化技术进展

城市有机垃圾间歇厌氧消化pH控制动力学研究

摘要：对厌氧消化系统的物料及电离平衡进行分析,利用底物降解和微生物生长动力学建立城市有机垃圾间歇厌氧消化pH值控制模型,并研制开发了间歇厌氧消化过程pH值与产气量最优化计算机软件.运用该模型可预测不同厌氧消化过程的最佳pH值,从而通过控制厌氧系统的`pH值使系统产气量达到最大,通过2组对比实验验证模型的有效性.结果表明,在相同的实验条件下厌氧系统的pH控制在最佳值时系统产气较未对pH值控制时稳定,且总产气量平均提高20%左右.作 者：刘存芳 袁兴中 曾光明 李文卫 孟佑婷 傅木星 LIU Cun-fang YUAN Xing-zhong ZENG Guang-ming LI Wen-wei MENG You-ting FU Mu-xing 作者单位：湖南大学环境科学与工程学院,长沙,410082期 刊：环境科学 ISTICPKU Journal：CHINESE JOURNAL OF ENVIRONMENTAL SCIENCE年，卷(期)：2006,27(8)分类号：X705关键词：厌氧消化 pH值 产气量 最优化 城市有机垃圾

篇3：城市生活有机垃圾厌氧消化技术进展

在城市生活垃圾中, 有机质占了相当大的比例。在发达国家的城市垃圾中, 有机成分的含量高达70%;我国的城市垃圾有机成分含量相对较低, 大部分为厨房垃圾, 约占36%~45%。大部分垃圾的不合理处置会产生一系列的影响, 加剧环境污染, 严重危害城市环境。从2005年起, 欧盟各国规定有机物含量大于5%的垃圾不能进入垃圾填埋场。目前, 全世界每年大约有100万t的固体废物 (湿重) 经过厌氧消化处理, 实现废物的减量化、能源化和资源化。在欧洲, 固体废物的厌氧消化技术是一项逐渐成熟的技术, 已有20多年的运行积累。然而, 城市有机生活垃圾的厌氧消化具有相对低的甲烷产量 (只占理论产量的50%~60%) 。目前, 大规模的厌氧消化设备需要15~20d的时间, 才能把易生物降解的部分转化为生物气, 消化后的稳定发酵物中仍含有木质纤维素。目前, 生活垃圾厌氧消化技术还存在较多的制约因素, 还需在反应器、工艺条件、抑制因素等方面进行大量的研究。

1 厌氧消化理论

厌氧消化技术指在没有外加氧化剂的条件下, 被分解的有机物作为还原剂被氧化, 而另一部分有机物作为氧化剂被还原的生物学过程。1930年Buswell和Neave根据代谢过程系统pH值的变化, 有机物厌氧消化过程分为酸性发酵和碱性发酵两个阶段, 根据两个过程是否有甲烷产生, 分别叫这两个阶段为产酸阶段和产甲烷阶段两阶段理论曾在几十年里占据统治地位, 随着厌氧微生物学研究的不断进展, 人们对厌氧消化的生物学过程和生化过程认识不断深化, 厌氧消化理论也不断发展。

M.P.Bryant (1979) 根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果, 认为两阶段理念不够完善, 提出了三阶段理论。该理论认为产甲烷菌不能利用除乙酸, H2/CO2和甲醇以外的有机酸和醇类, 长链脂肪酸和醇类必须经过产氢产乙酸转化为乙酸、H2和CO2等后, 才能被产甲烷菌利用。所以, 在两阶段的基础上增加了产氢产乙酸阶段。几乎与Bryant提出三阶段理论的同时, Zeikus等提出了厌氧消化的四阶段理论。该理论将厌氧消化过程划分为水解、产酸、产乙酸和产甲烷四个阶段。水解阶段指复杂有机物在厌氧菌胞外酶的作用下, 分解成简单的有机物, 如纤维素、淀粉等碳水化合物经水解转化成较简单的糖;蛋白质转化成较简单的氨基酸;油脂转化成脂肪酸和甘油等。产酸阶段是指水解阶段产生的较简单小分子化合物在产酸菌作用下转化为简单的以挥发性脂肪酸为主的末端产物, 如乙酸、丙酸、丁酸和甲醇等;产乙酸阶段是指在产氢产乙酸菌作用下, 将产酸阶段产生的除乙酸、甲酸、甲醇以外的脂肪酸和醇等转化为H2、CO2和乙酸;产甲烷阶段, 产甲烷菌把第一前几阶段产生的乙酸、H2和CO2等转化为甲烷。有机物厌氧消化过程示意如图所示四阶段理论明确每个阶段分别对应着独立的微生物菌群, 分别是水解发酵菌、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌 (又称耗氢产乙酸菌) 以及产甲烷菌, 各类菌群的有效代谢均相互密切关联, 达到一定的平衡, 不能单独分开, 是相互制约和促进的过程。

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相同 (5%~90%) 。Borja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, 认为在其他条件相同时沼气产量相差很大, 甚至达到65%。这个结果与Jokela等的研究所得基本一致。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, 以达到厌氧消化适宜的C/N比。

目前国内外很多机构开展了生活垃圾、污泥及畜禽粪便联合厌氧消化产沼的研究。联合发酵可以在消化物料间建立起一种良性互补, 从而提高产气量, 而且仪器设备的共享在提高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。结果表明, 美国典型B/F (可降解垃圾与总物料之比) 的垃圾缺乏活跃而又稳定降解所需要的宏量或微量元素, 若补充以富含营养的污泥和畜禽粪便, 可以提高B/F, 大大提高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水平, 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行, 中温的最佳温度为35℃左右, 高温为55℃左右。Ghosh等利用厌氧消化处理垃圾衍生燃料 (RDF) , 对比了单相式和两相式反应器的处理效果, 发现在传统单相式反应器中高温 (55℃) 比常温 (35℃) 消化的甲烷产量仅提高7%;RDF粒径从2.1mm降至1.1mm在中温消化下对甲烷产量无明显影响, 但当反应条件转变为高温消化时甲烷产量可提高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应器容积。然而高温消化所需热量多, 运行也不稳定。最近有研究表明厌氧消化在65℃时水解活性可进一步提高。还有将超高温水解作为一个专门的反应器, 对厌氧消化进行处理研究。

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应动力学都表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。

2.3 pH值

产甲烷菌对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, 若控制不当容易造成局部酸化, 延长发酵周期, 进而破坏整个反应体系。研究发现pH值为6.6~7.8范围内, 水分含量为90%~96%时产甲烷速率较高;pH值低于6.1或高于8.3时, 产甲烷菌可能会停止活动。

一般说来酸化相对保持略偏酸性, 产甲烷相需要略偏碱性, 但没有一个绝对合适的量, 只需系统能够保持稳定高效便是最佳状态。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740mg/L至3 500mg/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。Sung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, 反应器内呈现慢性抑制的现象。TAN为4.92或5.77g/L时, 甲烷产量分别降低39%和64%。Fujishima等研究了常温下污泥含水率对厌氧消化的影响, 发现污泥的含水率低于91%时甲烷产量减少, 这主要由于系统中高氨含量对氢营养甲烷菌的抑制作用。

Salminen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。Clarkson和Xiao对废报纸进行厌氧消化的研究发现, 水解反应是其中限制性步骤, 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应的限制性阶段。很多经典中强调了消化过程中应充分混和搅拌以促进反应器中酶和微生物的均匀分布。然而近年来有试验表明降低搅拌程度可以提高反应器的效率。

Vavilin V.A.常温消化下搅拌强度的, 试验表明当有机负荷偏高时, 搅拌强度加大会导致反应器运行失败, 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, 搅拌强度对反应无明显影响。由此Vavilin V.A.提出搅拌阻碍反应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。在此基础上他提出了均质柱形反应器的二维分布式模型 (2D distributed models) , 模型基于以下假设:在维持产甲烷菌繁殖代谢处于较优水平的前提下, 反应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, 反应初始阶段甲烷区与产酸区在空间上分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则是这些活性区保留的决定性因素。此时如果高强度搅拌, 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应器。

Stroot等学者认为剧烈搅拌会破坏微生物絮团的结构, 从而打乱了厌氧体系中有机体间的相互关系。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避免运转失败。当产甲烷阶段是限制性反应时高强度搅拌并不合适, 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。如果水解阶段为限制性反应, 此时反应器内底物浓度较大, 高强度搅拌对水解起促进作用。因此为达到有机物厌氧转化的最佳条件, 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提高甲烷产气量。Liu等人通过对消化底物进行240℃的蒸汽热处理5分钟, 使甲烷产气率提高一倍, 最终的甲烷产量增加40%。木质素和纤维素由于其本身结构, 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。Clarkson等对废报纸进行厌氧消化研究, 发现碱预处理可以显著提高废纸的可生物降解性, 但延长浸泡时间或增大反应温度并不能提高转化率。

Hartmann等在传统的厌氧反应器前端设计了一个生物活性反应器, 对厌氧消化进行预处理研究。该反应器用于68℃对底物进行超高温水解, 这种反应器分离的设计是为了更大程度降解有机物为VFA, 从而获得更高的产气量, 同时超高温反应器可以有效去除氨的影响。结果表明VS去除率为78~89%, 产气量640~790mL/g。超高温反应器中氨负荷降低7%。

对固态厌氧消化底物的物理和化学预处理研究较多, 对生物预处理的研究则较少。Peter等从高温反应器中分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行预处理, 在1~2d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提高50%;Ejlertsson研究表明, 在消化开始阶段进行间歇曝气能有效去除易降解的固废, 克服高浓度VFA带来的抑制;Mshandete等研究了纸浆厌氧发酵系统中, 启动阶段进行9h堆肥预处理后甲烷产量提高26%;Katsura和Hasegawa进行了类似的预处理研究, 对污泥进行微好氧热处理后甲烷产量提高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个阶段在同一个反应器中进行, 具有工艺过程简单、投资小、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达到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应器, 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。Ghosh最早提出优化各个阶段的反应条件可以提高整体反应效率, 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分离最常用的手段, 根据酸化菌和产甲烷菌生长速率的差异来进行相分离。还有一些技术可促进厌氧系统的相分离, 如滤床在处理不溶性的有机物时可用来达到相分离。渗析、膜分离和离子交换树脂等也可用于相分离。

大多数观点认为, 采用相分离技术创造有利于发酵细菌的生态环境, 避免有机酸的大量积累, 会提高系统的处理能力。Ghosh等利用厌氧消化处理垃圾衍生燃料 (RDF) , 对比了单相式和两相式反应器的处理效果, 发现两相消化比传统单相式反应器, 甲烷产量提高20%左右。Goel等人对茶叶渣进行两相厌氧消化研究, 发现每去除1kgCOD, 平均产气量为0.48m3, COD去除率93%, 甲烷含量73%。

两相厌氧工艺的主要优点不仅是反应效率的提高而且增加了系统的稳定性, 加强了对进料的缓冲能力。许多在湿式系统中生物降解不稳定的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

厌氧消化技术是较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, 它们在处理大量有机废物的同时, 可获得高质量的堆肥产品和生物沼气能源, 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, 对固体废物的处理处置还较少, 在厌氧发酵工艺中存在自动化程度低, 技术装备差的问题, 因此, 对厌氧消化的最佳生物转化条件、生态微环境以及设计完善的过程控制系统等方面, 还需要进一步深入研究, 以达到最佳的处理效果

摘要：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, 对固体废物的处理处置还较少, 在厌氧发酵工艺中存在自动化程度低, 技术装备差的问题, 厌氧消化工艺还有很多工作有待进一步研究, 本文主要对厌氧消化技术处理有机废物的微生物学机理、影响因素以及消化工艺的研究进展进行了综述, 对促进厌氧消化技术的研究具有重要意义。

关键词：有机废物,厌氧消化,厌氧工艺

参考文献

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篇4：有机固废厌氧消化技术研究进展

关键词：有机固体废弃物；厌氧消化技术；降解

中图分类号： C35 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）15-170-2

0 引言

有机固体废弃物含水率较低，具有可以生化的降解性，它蕴含有大量的生物质能，这些生物质能可以在有效的厌氧消化技术运用之下，得到有效的利用，可见，运用有机的固弃物厌氧消化技术对于环境的绿色环保具有可以预见的作用，同时，对于推动社会经济的可持续性发展也有不可忽视的意义，我们可以运用较多的有机固体的废弃物处置方式，而生物技术处置方式具有明显的、不可替代的优势，我们需要加以系统的研究。

1 有机的固体废弃物处理现状分析

在社会高速发展的态势之下，不同类型的固体废弃物对人体的健康造成较大程度的威胁，在资源日益枯竭的社会资源紧缺背景下，有机的固体废弃物必然将会成为未来的能源和资源，由于有机固体废弃物含有大量的有机质，同时含水量较低，厌氧生物消化技术便成为了一种有效的节能、产能的处置方法。

对于工业固体废弃物的厌氧消化处置技术的运用过程中，由于工业固体废弃物的成分较为单一，不易发生变化，因而，运用这一生物处置技术的综合性利用也较为方便，同时，对于不能利用的固体废弃物可以采用填埋的方式加以处置。

对于城市的固体废弃物而言，目前的处置方式主要有卫生填埋、焚烧、堆肥，同时也可以采用厌氧发酵、热解的方式加以处置。

对于农业的固体废弃物而言，由于农作物的秸秆资源较为丰富，主要采用还田的方式加以处理，其次是用作饲料和纤维利用的处置方式。

对于畜禽排泄物的处置方式而言，首先要减少畜禽粪便的排放污染，同时还可以采用生物技术法如：厌氧发酵法、好氧发酵法等。

2 厌氧消化技术应用于有机固体废弃物的研究进展

2.1 厌氧消化技术

厌氧消化技术有不同的三个阶段：水解发酵阶段、产氢、产乙酸阶段、产甲烷阶段，对于有机固体废弃垃圾而言，不同的基质条件下的厌氧消化的速率不同，通常来说，厌氧消化的速率较快的是碳水化合物；而厌氧消化的速率较慢的是蛋白质和脂肪；厌氧消化技术最难处置的是纤维素和木质素。同时，在厌氧消化技术运用中，要对有机固体废物植入菌种，这样可以有效地预防酸积累，保证发酵的正常进行。

2.2 厌氧消化技术工艺

2.2.1 单相及双相厌氧消化工艺

厌氧消化技术工艺主要分为单相处理和两相处理两种，其中，单相处理是在一个反应器中实现厌氧处理过程，力求降解反应各环节的加速。而两相处理是在两个不同的反应器中依次降解，由于微生物种群的环境条件不同，厌氧降解的过程也有较大的区别。这两种处理工艺都可以有效地减少有机酸的积累，创造有益于发酵细菌的生态环境，然而，相比较而言，两相处理的厌氧消化方式比单相处理方式更能提高甲烷的产量，而且两相处理工艺可以在增加系统稳定性的前提下，强化对进料的缓冲，最大程度地提升反应效能。然而，这种工艺处理技术也还受囿于投资和维护复杂的因素，在现实应用中还不是特别广泛。

2.2.2 厌氧发酵工艺

在厌氧发酵抑制的研究方面，由于有机固体废弃物的厌氧发酵极易挥发，会过量积累有机酸，导致“酸中毒”的现象和问题，并抑制厌氧发酵的实现，另外，游离氨会影响甲烷细菌的活性，因而也会抑制厌氧消化的进程。鉴于这些因素，可以采用预处理的方式，如：生物法、机械法、物理化学法等，提高有机固体废弃物的厌氧发酵效率，这些方法可以有效提高产气率和产气速度，极大地提升了气体的产量和固体的降解率。

2.2.3 湿式完全混合厌氧消化工艺

它要求固体的浓度在15%以下，分液化、酸化、产气三个不同的阶段，并在同一个反应器中实现，其浆液处于完全融合的状态，在氨氮、盐分的抑制作用下，产气率较低。

3 有机固体废弃物厌氧消化技术的相关因素分析

3.1 底物构成

不同的有机固体废弃物的底物构成会产生不同的可生化降解性能，在其他条件相同的前提下，不同的底物构成所需的发酵营养需求和状态调控也不尽相同，例如：在以秸秆为主的底物构成的有机固体废弃物之中，要补充N源营养，在适宜的C/N比例中，实现厌氧消化的目标。另外，对于一些城市生活垃圾、污泥、禽畜粪便等可以采用联合发酵的方式，在良性的互补状态下，可以提升产气量。

3.2 氧化还原电位

在有机固体废弃物的厌氧消化技术运用中，要具备适宜的厌氧环境，而这个适宜的厌氧环境则由氧化还原电位加以体现和反映。通常而言，在对有机固体废弃物实施发酵时，氧的掺入会直接影响氧化还原电势升高。另外，还有一些间接性的影响氧化还原电位升高的因素，如：氧化剂、氧化态物质的存在。当这些物质的浓度过量时，就会影响厌氧消化的进程。

3.3 温度

温度可以影响微生物的生化反应速率，在不同的温度条件下，有机固体废弃物的厌氧消化技术有不同的效应，通常来说，厌氧消化技术是在中温或高温的条件下实施，中温通常控制在35℃，高温通常控制在55℃。在比较单相处理和双相处理的过程，实验发现在高温条件下，甲烷的产量可以提升14%，高温比中温有更短的固体停留时间和更小的容积，然而，需要考虑的是，高温需要更多的能量，要进一步进行研究。

3.4 pH值

产甲烷菌对PH值的适应能力较差，极为微小的PH值变动都会改变或终止微生物的代谢活动，通常来说，产甲烷菌对PH值的适应范围为6.8-7.2，在这个范围之内，产甲烷具有较强的活性，而当PH值低于6.3或高于8.3时，厌氧发酵系统就会终止产气。总体而言，在发酵系统的过程中，酸化保持略酸性，产甲烷则略偏碱性，两者之间并没有明显的界定，只要保持发酵系统的高效化和稳定化即可。在厌氧消化过程中的PH缓冲溶液的总碱度可以反映出厌氧消化技术运用中对酸性物质的缓冲能力，并且在这个体系之中，要保持厌氧消化体系中的酸碱平衡，如：脂肪酸的电离平衡、氨氮的电离平衡、H2S的电离平衡等。同时，在厌氧消化体系中，还有一些生化反应，也会对厌氧消化体系的酸碱平衡造成影响，如：中性含碳有机物的转化、硫酸盐的还原等。

3.5 抑制物质

化学物质对于厌氧消化体系的影响主要与其浓度有关，当化学物质的浓度适宜时，可以对厌氧消化体系产生促进或刺激作用，而当其浓度过高时，便会产生强烈的抑制作用，在由刺激转为抑制的过程中，存在一个临界浓度区间，然而，这个临界浓度区间不太明晰且微小，不易观测，表现出不一致性。而且，有毒化学物质对于厌氧微生物的抑制作用也存在不同的状态，如：硫化物、氨氮、重金属、氰化物等，它们在高浓度的状态下会导致挥发性脂肪酸的累积，其缓冲能力无法补偿PH值的降低，最终失效。

3.6 食料微生物比

在厌氧消化体系中，其中重要的有机负荷、处理状态、产气量这三者之间，具有平衡关系，通常来说，有机负荷较高，则产气量较大，然而处理状态会降低。因而，要谨慎地选取有机负荷，不能让有机负荷过高而导致挥发酸的累积。

3.7 预处理

预处理方式可以极大地提升甲烷的产气量，在对消化底物实施高温的蒸汽热处理之后，甲烷的产气量明显提升了一倍左右。对于木质纤维素的难降解物质，也可以采用碱预处理的方式，提高木质纤维素的可生物降解性。对于污泥的厌氧消化处理也可以采用微生物氧化热的预处理方式，由于高温好氧菌分泌的胞外酶更具有活性，可以使甲烷的产气量提升一半。目前主要采用的预处理方式有物理法、化学法和生物法，还有待进一步深入研究。

4 结束语

综上所述，有机固体废弃物厌氧消化技术不仅可以消化有机废物，而且可以堆肥、产生沼气，用于多层次的重新利用，我国目前对于有机固体废弃物的厌氧消化技术研究还有待深入，要研究厌氧消化的生物转化条件和生态微环境，进一步完善和优化厌氧消化体系，从而实现生物质能的循环利用，提升有机固体废弃物的生物降解速度，做到无害化处理。

参 考 文 献

[1] 厌氧消化技术将垃圾变清洁能源[J].技术与市场，2012.

篇5：城市生活有机垃圾厌氧消化技术进展

城市生活垃圾中可生化单基质的厌氧消化

摘要：在厌氧消化系统中,发酵细菌最主要的利用基质是淀粉、纤维素、脂肪和蛋白质等.本试验分别选取米饭、黄豆、芹菜和肥肉为上述四种基质的代表物质,通过对各物质进行的厌氧消化试验,探讨了它们的`厌氧消化性能.结果表明,米饭在发酵初期降解速率最快,酸化也最明显.同时将消化初始阶段的pH控制在6.5时能使消化进入产甲烷阶段,没控制的只能停留在水解产酸阶段.将黄豆厌氧消化初期的pH控制在6.5并不能使消化顺利进行.将芹菜厌氧消化的初始pH值控制在6.5时可以加快它的降解速率.肥肉的厌氧消化也只有在对其消化进程控制pH值时才能顺利被降解.同时肥肉在厌氧消化进程中表现出了高产甲烷性能,产甲烷阶段累积产气量达13758mL,占总产气量的93.59%.作 者：付云霞    张文阳    王凤    朱亚兰    刘丹娅    FU Yun-xia    ZHANG Wen-yang    WANG Feng    ZHU Ya-lan    LIU Dan-ya  作者单位：西南交通大学环境科学与工程学院,成都,610031 期 刊：四川环境  ISTIC  Journal：SICHUAN ENVIRONMENT 年，卷(期)：, 27(2) 分类号：X705 关键词：厌氧消化    淀粉    蛋白质    纤维素    脂肪   

篇6：城市生活有机垃圾厌氧消化技术进展

pH值对易腐有机垃圾厌氧发酵产物分布的影响

摘要：易腐有机垃圾的厌氧发酵(水解和酸化)程度和发酵类型受pH值的影响.批式实验结果表明:发酵液pH=7时有利于微生物的生长繁殖,从而促进碳水化合物的水解和酸化过程,还能促进可溶性蛋白的`酸化过程.在不同pH值条件下,易腐有机垃圾的基本发酵类型为:pH=7时主要进行丁酸发酵;pH=8时丁酸发酵类型逐渐占优势;而pH=5时丙酸发酵类型逐渐占优势.乳酸是酸化初期的主要产物,但在发酵液的pH=5和pH=7条件下,乳酸可被微生物进一步代谢,而pH=8时乳酸却未能被代谢.在酸化初期醇的产生量大于挥发性脂肪酸,酸化后期pH=5和pH=7时挥发性脂肪酸与醇产生量比值为1.2～1.5:1,而pH=8时两者比值为1.6～2.5:1.pH为5、7和8三者的水解速率常数kh分别为0.000 8 h-1、0.000 9 h-1和0.000 2h-1.pH=7在反应时间t>100 h以后,发酵液中可溶态总有机碳全部由酸化产物组成,酸化完全;而pH=5和pH=8达到酸化完全的反应时间分别为t>300 h和t>600 h.作 者：吕凡 何品晶 邵立明 陈活虎 LU Fan HE Pin-jing SHAO Li-ming CHEN Huo-hu 作者单位：同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海,92期 刊：环境科学 ISTICPKU Journal：ENVIRONMENTAL SCIENCE年，卷(期)：,27(5)分类号：X382关键词：pH值 易腐有机垃圾 厌氧发酵 水解 酸化

篇7：城市生活有机垃圾厌氧消化技术进展

随着城市规模的扩大和居民消费能力的提高, 近年来我国生活垃圾数量急剧上升, 巨大数量的城市生活垃圾, 也阻碍了城市的发展。据调查研究, 城市生活垃圾中有机质含量丰富, 主要以果皮、菜叶以及脂肪和蛋白质为主[1]。由于营养物丰富, 有机垃圾极易滋生细菌和腐烂, 并产生大量恶臭气体和渗滤液[2], 同时如餐厨垃圾等城市有机生活垃圾高水分、高油脂、高盐分的特点, 也使得有机垃圾不适合于焚烧处理, 会成为产生二恶英的重要因子[3]。但是, 通过厌氧消化技术处理有机垃圾, 不仅可以防止恶臭的散逸, 解决渗滤液的问题, 还可以产生沼气能源用于发电或者制取优质燃气[4], 将有机垃圾变废为宝, 实现了较好的经济效益。

大中型规模化有机垃圾生物发酵制气工程在全国范围内得到了大力推广, 并形成初具规模的产业体系。由于餐厨垃圾自身的特点, 在高温单相湿式厌氧发酵制气工程中, 为满足发电机余热供给厌氧反应器增温所需能量平衡的需要, 并结合前期产气率研究, 保证进料浓度TS≥8%。含有较高TS浓度及高纤维物质 (如辣椒壳、花椒粒、竹木渣等) 的原料液在厌氧反应器内会形成分层现象, 上部的浮渣层由于纤维素的水解速度小于产酸和产甲烷速度, 附着生长性的微生物会首先吸收餐厨垃圾中的可溶性营养生长繁殖, 并在悬浮的惰性介质表面形成生物膜。当在水环境中形成的键能抵御水解作用时, 生物膜会在固体原料表面生长。随着膜厚度的增加, 膜内微生物会因为不能及时得到营养而自溶, 漂浮性增加。同时, 膜与膜之间会相互粘连, 影响通透性。因此, 在反应器底部, 营养消耗殆尽的细小微生物会产生气泡而上浮并聚集在结壳层下部;产生的沼气也会因为结壳层通透性的降低而在结壳层下部积聚, 二者都将导致结壳层上浮。位于液面之上的轻质原料及生物膜则在厌氧的气室中缩水、变硬、形成坚硬的结壳。最终导致厌氧反应器内产生的沼气聚集受阻, 无法进入气室。更为严重的, 甚至会导致浮渣堵塞出料管并引起反应器爆裂。浮渣如果不能及时排出, 在反应器中与发酵液分层的同时, 也会随着时间的积累, 越来越多, 排除非常困难。现多采用混合搅拌方式减低浮渣对消化反应的影响, 常见的混合搅拌方式包括反应器内部机械搅拌, 也可采用沼气回流与水力搅拌等方式替代机械搅拌, 或者采用二者相结合的方式[5]。主要的单相湿式反应器及其技术特点[6~8], 但效果不佳。因此, 浮渣的形成严重影响到有机垃圾圾厌氧发酵系统的正常运行, 必须采取合理有效的措施将影响降至最低。

2 厌氧反应器浮渣除去设备设计原理

在有机垃圾厌氧发酵工艺研究过程中, 针对高温单相湿式厌氧发酵罐的结构特点, 在罐体配套的排浮渣装置上展开了研究。首先考虑的是通过优化发酵条件, 及时有效地减少浮渣, 防止其大量积累;其次, 由于浮渣与发酵液分离, 缺少水分, 容易硬化、结壳, 我们采用破壳搅拌器打破分层, 使浮渣与发酵液充分混合;另一方面, 我们发现在厌氧发酵前的预处理阶段, 通过破碎机等切割、粉碎装置将进料中所含长草、塑料袋等切断、粉碎, 也是防止浮渣快速形成、管道堵塞的有效方法。

本文设计的一种厌氧罐浮渣去除设备, 包括用于缓存浮渣的缓存渣罐1, 如图1所示 (图1为厌氧罐浮渣去除结构安装后的结构示意图) 。

缓存渣罐1安装于厌氧罐2的内壁顶部, 缓存渣罐1内形成存渣腔, 缓存渣罐1的顶部敞开构成与存渣腔连通的进料口, 以当厌氧罐2内液面与进料口齐平时, 漂浮于液面上的浮渣可从进料口进入存渣腔内。在进料口上安装有与厌氧罐2内沼液旋转方向相垂直的挡料板13。缓存渣罐1的底部设有与存渣腔连通的出料口, 所述出料口经出料管3连通至厌氧罐2外, 且缓存渣罐1的底部为椎体型结构。出料管3穿出厌氧罐2后连接有储渣罐4。出料管3上设置有用于开闭出料管3的气动阀 (图中未示) ;在厌氧罐2的罐盖上安装有用于检测缓存渣罐1内的液位的液位计6, 液位计6连接有数显仪 (图中未示) , 数显仪与气动阀相连, 数显仪根据液位计6检测到的液位数据控制气动阀的开闭。本实施例中液位计6采用超声波液位计。

3 工作原理

(1) 厌氧罐2内沼液的顶部浮渣累计到一定厚度形成浮渣层, 厌氧罐2内沼液的液位到达与进料口所在位置齐平的高度, 由于厌氧罐2内有搅拌器, 会使得沼液旋转, 浮渣随着沼液旋转方向移动至进料口, 浮渣被进料口上部挡料板阻挡, 浮渣就自然进入到进料口中; (2) 在浮渣的自身重力作用下, 浮渣落至存渣腔内, 并逐渐累积, 液位计并实时检测存渣腔内浮渣的高度, 数显仪用于接收液位计的检测的高度数据, 显示出浮渣的实时高度, 并判断浮渣的实时高度是否高于警戒值; (3) 当数显仪得出浮渣的实时高度超过警戒值时, 会数显仪反馈信号至气动阀, 气动阀被打开, 浮渣在滋生的重力作用下, 随着管道排出至储渣罐4, 反之, 当浮渣的高度未高于警戒值时, 气动阀自动关闭。

4 工程应用

将开发出的浮渣除去设备安装于重庆黑石子餐厨垃圾处理厂扩建工程的厌氧罐内进行试验, 以验证该装置的效果和能力。统计了2015年7月份, 浮渣除去设备的处理能力如图2, 通过接收排除的浮渣, 在地磅上称重记录, 然后计算排除装置单位时间内的处理能力。我们可以看出, 餐厨垃圾厌氧发酵罐配套的浮渣除去装置能够有效排除发酵罐顶部浮渣, 这套装置对浮渣的排除能力能达到1.5t/h。

5 结语

在现有技术中, 厌氧发酵罐由于浮渣层较厚时, 完全不能将浮渣混入沼液中, 严重影响厌氧罐内的稳定性。将设计的浮渣除去系统设置于厌氧罐内后, 能够高效、快速的去除罐顶浮渣层, 保证了厌氧罐的稳定运行。随着研究的深入, 设备功能、工艺进一步完善, 厌氧反应器的浮渣除去系统将在有机垃圾处理领域有广阔的发展前景。

摘要：介绍了一种新型的有机垃圾厌氧消化反应器的浮渣除去设备, 通过厌氧反应器内部排除罐顶浮渣层, 从而保证厌氧消化过程的稳定运行。从工程应用表明, 该设备的浮渣去除能力达到1.5t/h, 能够高效、快速的去除罐顶浮渣层, 具有广阔应用前景。

关键词：有机垃圾,厌氧消化反应器,浮渣

参考文献

[1]吕凡, 何品晶, 邵立明, 等.餐厨垃圾高温好氧生物消化工艺控制条件优化[J].同济大学学报, 2003, 31 (2) :233~238.

[2]钱小青, 童桂凤, 何成达, 等.泔脚废物资源化处置技术现状及研究进展[J].环境卫生工程, 2005, 13 (6) :12~15.

[3]王星, 王德汉, 张玉帅, 等.国内外餐厨垃圾的生物处理及资源化技术进展[J].环境卫生工程, 2005, 13 (2) :25~29.

[4]王星, 王德汉, 李俊飞, 等.餐厨垃圾的厌氧消化技术现状分析[J].中国沼气, 2006, 24 (2) :35~39.

[5]蒋建国.固体废物处理处置工程[M].北京:化学工业出版社, 2005.

[6]Pratap C.Pullammanappallil, David P.Chynoweth, Gerasimos Lyberatos, et al.Stableperformance of anaerobic digestion in the presence of a high concentration of propionic acid[J].Bioresource technology, 2001, 78:165~169.

[7]LISSENS G, VANDEVIVERE P, DE B L.Solid waste digester:process performance andpractice for municipal solid waste digestion[J].Water Science and Technology, 2001, 44 (8) :91~102.

篇8：秸秆厌氧消化预处理技术研究进展

实际生产中, 秸秆的利用率普遍较低, 仅有约1/3的秸秆资源被利用, 通过技术处理再利用的仅占2.6%[1]。其主要原因有:一是堆积密度小, 分布较散且易燃, 收集和储存起来相对困难。二是秸秆的能量密度较低, 进行加工需要消耗较大的能量。三是秸秆细胞壁的高分子聚合物结构使得其难以被消化分解, 需要通过预处理来提高转化利用率。目前, 前两者可以通过先进的农业机械化和加工工艺得到解决, 后者通过戊糖发酵菌株的筛选工艺也取得了很多研究成果[2,3,4,5]。近年来, 很多学者对秸秆的预处理进行了研究。基于这些研究成果, 对秸秆预处理方法的研究现状及进展进行了综述。

1秸秆预处理的必要性

农作物秸秆是由植物细胞壁组成的含有大量粗纤维和无氮浸出物的一种重要的生物质资源, 主要成分是纤维素、半纤维素、木质素, 有机质含量约80%~90%[6]。秸秆成分中纤维素是由800~1 200个葡萄糖分子组成的线性高分子化合物。半纤维素主要是由木糖通过糖苷键连接而成, 其聚合度较低, 较易降解成单糖[7]。木质素则是一种长链杂聚体, 具有三维结构的芳香族高分子化合物, 很难被分解[8]。有研究发现, 微细纤维、半纤维素、木质素三者组分均呈不连续的层状结构, 彼此黏连又互相间断。微细纤维构成细胞壁的网状骨架, 而木质素和半纤维素犹如黏合剂和填充剂, 填充在纤维素之间[9]。木质素的存在, 使细胞壁具有疏水性, 使包裹在木质素内的纤维素很难水解[10]。所以, 在利用秸秆之前, 需要对原料进行预处理, 使纤维素同木质素分离, 结晶度降低[11], 易于分解利用。

2秸秆预处理方法研究现状

目前, 对农作物秸秆进行预处理的方法大体可以分为物理法、化学法、物理化学法和生物预处理方法等[12]。

2.1物理预处理

物理预处理法主要是通过缩小生物质的粒度来降低结晶度, 破坏木质素、纤维素、半纤维素之间的网状结构, 增加生物质秸秆的比表面积, 使得生物质软化而进一步分离、降解部分半纤维素, 从而增加酶对纤维素的可及性, 提高纤维素的酶解转化率。主要方法有机械粉碎、冷冻粉碎、高温分解、超声波、蒸汽爆破、微波处理、高能辐射处理等[13]。

2.1.1机械粉碎

机械粉碎是通过各种机械剪切力将秸秆原料变成小切片或细小的颗粒。粉碎后的原料聚合度降低, 纤维素的水解率增加。牛俊玲等[14]通过研究不同粉碎程度的麦秸中温厌氧干发酵气肥联产效果的影响, 结果表明, 当秸秆的粉碎程度为粉末时, 前期产气量最大。粉碎成1cm的麦秸的产气效果和纤维素类物质降解程度明显优于大粒径的其他试验组。由于机械粉碎工艺一般效率较低, 耗能较高, 一些学者就对其进行了优化试验。林增祥等[15]对球磨预处理过程中主要影响因素的研究, 得出行星式球磨机粉碎玉米秸秆的最佳工艺参数为:原料粒径0.5mm, 转速340r/min, 原料填装量3.4g, 装球量15个 (φ=10.0mm) , 交替运行时间5min。李稳宏等[16]通过研究粉碎预处理对麦秸酶解的影响, 结果表明, 秸秆的粉碎成度与表面积成正比, 酶解速度也随着粉碎程度加深而增大, 但粉碎所消耗的能量则随着粒径的减小而增加, 粉碎处理能耗占糖化过程总能耗的一半以上, 所以这种方法并不适合各种材料的处理。

2.1.2高温热解预处理

高温热解预处理包括液相高温热水分解和高温分解两种, 二者都需要很高的温度使秸秆原料中的纤维素、半纤维素等快速水解。水解产率高, 预处理后的纤维素具有较高的酶消化性。试验结果表明, 高温热解后的秸秆原料, 在进行中浓度酸水解时, 有80%~85%的纤维素转化为糖, 其中50%以上是葡萄糖[17], 同时高的液体流速有利于半纤维素的转化, 更有利于木质素的去除和纤维素的降解。但这种预处理方式需要消耗大量的水和热量, 使高温热解预处理具有较高的成本, 若进行工业化利用, 必须降低耗水量和能量[18]。

2.1.3蒸汽爆破预处理

蒸汽爆破预处理的作用机理是, 在蒸汽爆破的过程中, 通过纤维内部渗入了大量的高压蒸汽, 并以气流的方式从封闭的孔隙中释放出来, 促使纤维发生一定程度的机械断裂, 同时纤维素内部的氢键被破坏, 改变了纤维素内部的结构, 纤维素的吸附能力增强[19]。通过研究发现, 蒸汽爆破预处理, 使麦草总固形物和挥发性固形物含量分别降低了57.5%和62.1%, 半纤维素和纤维素降解率也显著提高, 木质素的含量变化不大, 汽爆后的总产气量增加明显, 是一种有效的预处理方式之一[20]。而对这种预处理效果影响最大的两个主要因素是汽爆温度或汽爆压力和保留时间。每一种物料都有个最佳的汽爆温度和保留时间。王许涛等[21]研究发现, 玉米秸秆在汽爆压力为2.0Mpa, 保留时间为120s条件下, 进行汽爆预处理后, 厌氧发酵产气量达到最大值428.5mL/g干物质, 发酵周期与未经汽爆预处理的秸秆相比大大缩短。但蒸汽爆破设备要求高压条件, 投资成本较高, 所以实际生产中常采用间歇性气喷和膨化技术, 蒸汽爆破的理论和技术还有待进一步研究和突破。

2.2化学预处理

化学预处理简单来说就是通过化学试剂或方法来分解氧化粗纤维的一种预处理方法。该方法能够破坏纤维素、半纤维素、木质素之间的结晶性, 可增加天然纤维素溶解, 如酸预处理、碱预处理、臭氧预处理等。

2.2.1酸预处理

常用的酸预处理剂包括硫酸、硝酸、磷酸等。酸预处理可提高反应速率, 增加纤维素的水解性。但酸对设备具有腐蚀性。高浓度的酸在常压下就可提高纤维的糖转化率, 但浓酸反应速度慢, 设备腐蚀严重, 浓酸必须回收且费用昂贵[22], 所以采用稀酸作为预处理剂的处理工艺相对成熟。覃国栋等[23]对经过不同浓度的稀酸处理的水稻秸秆进行了厌氧发酵试验, 结果发现, 酸处理显著改变了水稻秸秆的生物降解性质, 产气效率得到提升。酸浓度为6%的试验组产气效果最好, 单位固体产气率较未经预处理的空白对照组高出1倍, 预处理效果明显。田永兰等[24]通过试验发现, 酸预处理可以使单位干重玉米秸秆中挥发性固体、脂肪、纤维素、半纤维素、木质素所占比例增加。其中, 0%硫酸 (即未经硫酸处理的对照组) 、4%的乙酸和6%的磷酸试验组产气效果最好, 乙酸和磷酸预处理对半纤维素的降解作用较为明显, 硫酸则有利于木质素的降解。而早在1997年Esteghlalian等人就针对稀硫酸预处理中半纤维素的水解过程建立了一阶反应模型[25]。石河子大学通过正交试验确定了棉花秸秆的最优水解工艺条件:2.5%稀硫酸, 110℃, 水解4h, 固液比为1∶12, 水解率可达到29.61%[26]。经稀酸预处理后的秸秆原料需要将酸中和, 以及生成的盐需要去除, 且水解速度与水解温度成反比, 这些造成了稀酸预处理方法成本增加。

2.2.2碱预处理

碱预处理的主要作用是使包裹在外面的木质素大分子碎片化, 部分溶解于反应溶液中, 同时使纤维素膨胀, 半纤维素溶解, 进而提高剩余多聚糖的反应性, 但这种作用的效果取决于木质素的含量[27]。当原料中木质素的含量高于20%时, 碱预处理对后续酶的水解反应几乎不起作用。常用的碱预处理剂有NaO H、KOH、Ca (OH) 2和氨等。孔德成等[28]通过试验证明, 用1%的氢氧化钠溶液预处理玉米、小麦、水稻秸秆2h, 木质素的脱除率、纤维素与半纤维素的总保留率均在85%以上。宋籽霖等[29]研究Ca (OH) 2预处理对水稻秸秆厌氧发酵沼气产量的影响, 结果表明, 经8%的Ca (OH) 2溶液预处理后的秸秆产气量最高, 较未经预处理的试验组增加100.91%。可见, 碱溶液作为预处理剂的效果显著, 成本较低, 操作安全, 但与酸预处理类似, 存在后续残余物回收的问题, 这些预处理方法对环境均会造成污染。

2.3物理化学预处理

物理化学预处理法是人们将物理和化学预处理的优点相结合, 达到相互弥补缺陷的目的, 进而提高预处理效果。该方法预处理效果较好, 但同样存在成本高和污染环境的问题, 如氨纤维爆破法、酸性气体爆破法等。Ming等[30]的研究证明, 氨纤维爆破法减少了接种量, 且在厌氧发酵过程中不用添加氮营养物质, 大大减少了发酵成本。

2.4生物预处理

生物处理与其他预处理方法相比, 消耗较少的化学物质和能量, 是一种生物安全、环境友好的秸秆处理方式, 目前很多的研究都在寻求一种可控制的、快速有效的生物处理方法。

2.4.1微生物发酵预处理

自然界中最有效的降解秸秆中木质素的微生物是白腐菌类[31]。白腐菌、褐腐菌和软腐菌等能够破坏植物细胞壁中的木质素, 从而产生CO2, 褐腐菌能够使秸秆中的纤维类物质解聚而起到修饰木质素的作用, 一些软腐菌能够腐蚀次级细胞壁, 降低酸不溶物质的含量[32]。另外, 胡晓明[33]等用实验室培养的黑曲霉、青霉和根霉对稻草秸秆进行前期预处理, 以黑曲霉、青霉和根霉复合菌剂预处理的效果最好, 其TS产气潜力为136.03mL/g, 比对照组提高了64.22%。尽管生物预处理的主要优势是能耗较少, 反应条件较为缓和, 但是大多数的生物降解木质素存在处理周期较长、转化效率较低的缺点。

2.4.2酶水解预处理

酶水解纤维素通常具有高度的针对性, 纤维素被水解后, 通常会产生葡萄糖等一些糖类物质, 酶类发酵秸秆通常可以在比较温和的条件下进行 (p H4.5~4.8) , 与酸碱预处理秸秆相比, 成本较低不会腐蚀机器设备。苏丽萍等[34]用复合纤维素酶处理豌豆秸秆6h和12h, 显著提高了秸秆的营养价值。

3结语与展望

秸秆沼气工程能充分利用农村废弃秸秆, 提高能源转化和利用效率, 减少有害气体污染, 同时提供清洁的沼气能源, 因此, 全面推广秸秆沼气工程符合全面建成小康社会的精神和要求。而秸秆预处理工艺是影响沼气工程稳定运行的重要条件之一, 虽然秸秆预处理方法众多, 但真正能应用的几乎没有, 大多存在成本高、易造成二次污染以及造成秸秆组分浪费等缺陷, 而利用微生物预处理秸秆的方法已经受到各国学者的广泛关注, 所以开发更加优化高效的反应装置和预处理工艺, 是提高秸秆厌氧消化效率的有效手段, 相信在这些研究的基础上, 能对秸秆沼气工程的推广应用起到积极作用, 为兴建大型沼气工程提供基础。

摘要：农作物秸秆是地球上丰富的可再生能源, 具有很大的综合利用潜能。由于秸秆植物细胞壁组成结构比较复杂, 限制了秸秆的利用效率。目前, 对农作物秸秆进行预处理的方法大体可以分为物理法、化学法、物理化学法和生物预处理方法等, 希望能对秸秆沼气工程的推广应用起到积极作用。