厭氧消化技術(shù)在有機(jī)固體廢棄物處理中的應(yīng)用

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都,610065)

1 有機(jī)固體廢物的產(chǎn)量及特性

有機(jī)固體廢棄物是人類(lèi)在生產(chǎn)和生活活動(dòng)中產(chǎn)生的，有機(jī)質(zhì)含量高，具有可生物降解性的固體或半固體廢棄物，主要包括農(nóng)業(yè)有機(jī)固體廢棄物和城市有機(jī)固體廢棄物[1-2]。農(nóng)業(yè)有機(jī)固體廢棄物主要由作物秸稈和畜禽糞便等組成，城市有機(jī)固體廢物主要由城市有機(jī)生活垃圾和城市污水處理廠的污泥等組成。妥善、科學(xué)、有效地處理有機(jī)固體廢棄物不僅能夠變廢為寶，還可以減緩環(huán)境壓力和生產(chǎn)具有更高價(jià)值的資源，真正實(shí)現(xiàn)有機(jī)固體廢棄物的減量化、無(wú)害化和資源化，適應(yīng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

我國(guó)不僅是人口大國(guó)，還是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，隨著我國(guó)工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，各種有機(jī)固體廢棄物均以較快的速度增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)的有機(jī)固體廢棄物產(chǎn)量位居世界前列，幾種主要有機(jī)固體廢棄物的年產(chǎn)量和養(yǎng)分含量見(jiàn)表1。

表1 我國(guó)主要有機(jī)固體廢棄物的年產(chǎn)量和養(yǎng)分含量

a，脫水污泥含水率為80%。

中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)固體廢棄物也是世界上最大的國(guó)家，年產(chǎn)量約40多億噸。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)每年作物秸稈的產(chǎn)量約8.5億噸[3-4]，其中水稻秸稈約3.1億噸[5]，玉米秸稈2.2億噸，小麥秸稈0.4億噸，豆類(lèi)和雜糧作物秸稈1.0億噸，花生、薯類(lèi)蔓藤和甜菜葉等蔬菜廢棄物1.8億噸[6-7]；畜禽糞便年產(chǎn)量約32.5億噸[8]，其中牛糞11.0億噸，豬糞6.4億噸，羊糞4.3億噸，家禽糞便2.4億噸，役畜及其他畜禽糞便8.4億噸[9]；其他類(lèi)有機(jī)廢棄物約0.5億噸。

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2014年我國(guó)的城市生活垃圾清運(yùn)量達(dá)到1.8億噸[10]，成為世界上生活垃圾年產(chǎn)量最高的國(guó)家。我國(guó)的城市生活垃圾有機(jī)成分含量相對(duì)較低，約占36%-45%，大部分為廚余垃圾[11]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市化的快速發(fā)展，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理率不斷提高，污泥的產(chǎn)量也在不斷增加，2015年全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠產(chǎn)生的污泥產(chǎn)量約3500萬(wàn)噸[12]。如果不合理地處置，將會(huì)造成環(huán)境污染、危害城市生態(tài)環(huán)境等一系列影響。

有機(jī)固體廢棄物是一種非均一的混合物，其理化性質(zhì)受其來(lái)源與結(jié)構(gòu)組成的影響較大。不同種有機(jī)固體廢棄物的理化性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 主要有機(jī)固體廢棄物的理化性質(zhì)

從表2可以看出不同種類(lèi)的有機(jī)固體廢棄物有機(jī)質(zhì)含量差異較大，其中作物秸稈的有機(jī)物含量最高(80%以上)，而生活垃圾的有機(jī)質(zhì)含量較低(50%以下)，從能源回收的角度來(lái)看有機(jī)質(zhì)含量越高具有的熱值也越高，可以從中獲得更高的能量。畜禽糞便和脫水污泥具有較高的含水率和有機(jī)質(zhì)含量，但是二者的C/N比較低[13]，同時(shí)具有較好的生物轉(zhuǎn)化率[14-15]，通常采用厭氧消化的方法回收能源。

2 厭氧消化技術(shù)

厭氧消化是利用微生物在厭氧的條件下消耗有機(jī)物，通過(guò)微生物的分解代謝活動(dòng)獲得自身生長(zhǎng)繁殖所需的物質(zhì)和能量，同時(shí)將大部分物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳的過(guò)程[16]。厭氧消化系統(tǒng)是一個(gè)多種功能不同的微生物在厭氧的環(huán)境中共同生存、相互依賴(lài)、相互制約的生態(tài)平衡系統(tǒng)。

2.1 厭氧消化原理

厭氧消化理論經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，從兩段論逐漸發(fā)展為四段論，分別為水解、酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷四個(gè)階段。

水解階段：主要由系統(tǒng)中的水解細(xì)菌擔(dān)任主要角色，有機(jī)物中的大分子聚合物(碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等)受到水解菌分泌的胞外酶作用解聚轉(zhuǎn)變?yōu)閱误w物質(zhì)(糖類(lèi)、氨基酸、脂肪酸等)。酸化階段：水解階段產(chǎn)生的單體物質(zhì)作為酸化細(xì)菌的底物被轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸(乙酸、丙酸、丁酸等)、醇類(lèi)、氫和二氧化碳，該階段氫分壓會(huì)影響單體物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，氫分壓越高，短鏈脂肪酸的生成就越少。產(chǎn)氫產(chǎn)酸階段：上一階段產(chǎn)生的短鏈脂肪酸和醇類(lèi)為該階段微生物的基質(zhì)，經(jīng)過(guò)微生物的代謝將基質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜?、二氧化碳和氫，該階段有機(jī)酸氧化菌和產(chǎn)甲烷菌為共生關(guān)系，有機(jī)酸氧化菌將短鏈脂肪酸和醇類(lèi)轉(zhuǎn)化為乙酸，乙酸作為產(chǎn)甲烷菌的基質(zhì)。產(chǎn)甲烷階段：產(chǎn)甲烷菌屬于絕對(duì)厭氧微生物，該過(guò)程屬于放能過(guò)程，產(chǎn)甲烷途徑有兩條分別為乙酸途徑(約占72%)和氫與二氧化碳途徑(約占28%)[17-18]。

2.2 厭氧消化過(guò)程的影響因素

2.2.1 溫度對(duì)厭氧消化的影響

有研究表明，厭氧生物比好氧生物對(duì)溫度的變化更敏感，產(chǎn)甲烷菌比產(chǎn)酸菌對(duì)溫度的變化更為敏感[19]。因此，對(duì)厭氧消化系統(tǒng)溫度的控制顯得尤為重要，不然將會(huì)造成系統(tǒng)的崩潰。經(jīng)過(guò)大量的研究，目前厭氧消化過(guò)程常采用中溫(37℃)和高溫(55℃)。

高溫厭氧細(xì)菌的代謝速率一般比中溫厭氧細(xì)菌的要快，因此，高溫消化具有較高的反應(yīng)速率和有機(jī)負(fù)荷，相對(duì)于中溫消化具有更高的甲烷產(chǎn)量。Ghosh等[20]發(fā)現(xiàn)高溫處理的甲烷產(chǎn)量要比中溫處理高7%。中溫消化過(guò)程相對(duì)于高溫過(guò)程具有更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，微生物群落更加豐富，但是其產(chǎn)酸過(guò)程效率較低，是厭氧消化過(guò)程的限速步驟，因此，甲烷產(chǎn)量要低于高溫過(guò)程[21]。

2.2.2 pH值對(duì)厭氧消化的影響

厭氧消化過(guò)程中有機(jī)物的分解和甲烷產(chǎn)量均與pH值有關(guān)，因此，厭氧消化需要一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的pH值范圍。產(chǎn)酸菌適應(yīng)的pH值范圍較寬，最適pH值在6.5～7.5之間，一些產(chǎn)酸菌甚至可以在pH值<5的環(huán)境下生長(zhǎng)；而產(chǎn)甲烷菌對(duì)pH值的敏感度要比產(chǎn)酸菌高，其最適pH值范圍在6.5～8.0之間，一旦消化系統(tǒng)的pH值過(guò)高(>8.0)或過(guò)低(<6.0)，產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)代謝過(guò)程將會(huì)受到抑制，導(dǎo)致系統(tǒng)酸堿失衡，最終導(dǎo)致反應(yīng)系統(tǒng)的崩潰。鑒于產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的最適pH值范圍不同，一些學(xué)者將產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌分開(kāi)開(kāi)發(fā)了兩相厭氧消化工藝。

2.2.3 有機(jī)負(fù)荷對(duì)厭氧消化的影響

厭氧消化過(guò)程中隨著有機(jī)負(fù)荷提高，產(chǎn)氣量也會(huì)隨著增加，但是當(dāng)超過(guò)一定范圍之后，繼續(xù)提高負(fù)荷，提高了水解菌和產(chǎn)酸菌的活性，大量的底物被水解菌和酸化菌轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性有機(jī)酸，導(dǎo)致系統(tǒng)有機(jī)酸積累，形成酸抑制，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性[22-23]。研究表明[24]，易降解有機(jī)物厭氧消化的有機(jī)負(fù)荷一般為1～6.8g-VS/(L·d)，兩相厭氧消化工藝的有機(jī)負(fù)荷一般高于單相厭氧消化工藝，單相厭氧消化工藝的有機(jī)負(fù)荷一般不超過(guò)5g-VS/(L·d)。

3 有機(jī)固體廢棄物厭氧消化研究

3.1 木質(zhì)纖維素類(lèi)物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)甲烷

作物秸稈是常見(jiàn)的木質(zhì)纖維素類(lèi)原料，具有發(fā)酵產(chǎn)甲烷的巨大潛力，不同的作物秸稈由于性質(zhì)的差異，其產(chǎn)甲烷潛力也不同。沼氣產(chǎn)量最高的為小麥秸稈，之后依次為水稻秸稈、玉米秸稈、花生秸稈和大豆秸稈[25]。作物秸稈含有大量的木質(zhì)纖維素，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間存在緊密的結(jié)構(gòu)，因此秸稈很難被降解，發(fā)酵過(guò)程中的實(shí)際甲烷產(chǎn)量一般低于理論產(chǎn)量。Adl等[26]研究棉花秸稈厭氧消化時(shí)得到甲烷的實(shí)際產(chǎn)量為240mL/g-VS，而棉花秸稈厭氧發(fā)酵的甲烷理論產(chǎn)量為356.7mL/g-VS。所以秸稈的厭氧消化必須對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，目前預(yù)處理的方法有很多種，包括化學(xué)法、物理法和生物法，但不同的方法存在各自的局限性。預(yù)處理技術(shù)雖可以提高沼氣產(chǎn)量，但仍存在一些問(wèn)題，例如：需要消耗大量的化學(xué)物質(zhì)，同時(shí)這些化學(xué)物質(zhì)還會(huì)造成一些環(huán)境污染、腐蝕發(fā)酵裝置；生物處理過(guò)程需要嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，要想得到較高的生物轉(zhuǎn)化效率必須要較高的前期投入。

3.2 畜禽糞便厭氧消化產(chǎn)甲烷

由于畜禽糞便的C/N比較低，目前對(duì)于畜禽糞便的厭氧消化過(guò)程的研究多集中在和其他有機(jī)物質(zhì)的共消化，通常作為共消化的物質(zhì)有秸稈、雜草、蔬菜等。Chen等[27]將牛糞和米草進(jìn)行共消化，其甲烷產(chǎn)量提高了7.09%～44.26%，Zhang等[28]將三種作物秸稈(小麥、玉米和水稻)與羊糞進(jìn)行共消化，沼氣產(chǎn)量相對(duì)于秸稈單獨(dú)消化提高了62.1%～111.28%，相對(duì)于羊糞單獨(dú)消化提高了23.04%～54.44%?？偟膩?lái)說(shuō)，畜禽糞便富含氮元素，厭氧消化過(guò)程中容易累積氨，形成氨抑制，因此將畜禽糞便與其他碳含量較高的物料進(jìn)行共消化能夠消除氨抑制，還可以提高甲烷的產(chǎn)量。

3.3 餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷

餐廚垃圾的碳氮比一般在20～35，其營(yíng)養(yǎng)水平正好在厭氧微生物的最適水平，因此餐廚垃圾的厭氧消化不需要添加其他調(diào)理劑調(diào)節(jié)碳氮比。目前，對(duì)于餐廚垃圾的厭氧消化處理多采用共消化的方法，裴占江等[29]在中溫條件下研究了餐廚垃圾與牛糞的共消化過(guò)程，當(dāng)餐廚垃圾和牛糞的比例為2:1時(shí)，共消化的沼氣產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量最高；Tian等[30]在研究餐廚垃圾與豬糞的共消化時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩者的混合比例為1:1時(shí)，生物降解性最大，甲烷的產(chǎn)量也最大，達(dá)到409.5mL/g-VS。餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化過(guò)程中容易出現(xiàn)氨抑制或酸抑制，但當(dāng)餐廚垃圾與其他有機(jī)物(牛糞、豬糞、污泥等)以合適的比例混合后進(jìn)行共消化，不僅可以消除氨抑制或酸抑制，還可以獲得較高的甲烷產(chǎn)量，可見(jiàn)餐廚垃圾與其他有機(jī)物共消化優(yōu)于其單獨(dú)厭氧消化。

3.4 污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷

Li等[31]研究了高固體含量污泥的厭氧消化過(guò)程，并與低固體含量厭氧消化進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果略差于低固體含量厭氧消化，延長(zhǎng)消化時(shí)間可以達(dá)到低固體含量厭氧消化有機(jī)物的去除率，但高固體含量可以提高單位體積生物氣的產(chǎn)生速率。Fierro[32]和Rivero等[33]采用共消化的方法處理污泥，F(xiàn)ierro等研究了畜禽糞便與污泥的共消化，甲烷產(chǎn)量可以提升近一倍；Rivero等將污泥和甘油進(jìn)行聯(lián)合厭氧消化，發(fā)現(xiàn)有機(jī)物的去除率最高可以達(dá)到93%，但在最適條件下有機(jī)物的去除率為89%，甲烷的產(chǎn)量為1.48L/g-VS。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)是有機(jī)固體廢棄物產(chǎn)生大國(guó)，年產(chǎn)量近45億噸，有機(jī)固體廢物是放錯(cuò)了位置的資源，如果不合理的進(jìn)行處理處置，將會(huì)造成環(huán)境污染和資源的浪費(fèi)。鑒于有機(jī)物具有較高的有機(jī)質(zhì)含量，容易腐敗等理化特性，厭氧消化術(shù)在處理有機(jī)固體廢棄物中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

高的有機(jī)質(zhì)含量可以在厭氧條件下通過(guò)厭氧微生物的消化作用獲得具有較高價(jià)值的清潔能源物質(zhì)——甲烷，厭氧消化技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了有機(jī)固廢的減量化，還實(shí)現(xiàn)了有機(jī)固廢的資源化。由于不同來(lái)源的有機(jī)固廢理化性質(zhì)存在一定的差異，有些物料進(jìn)行單獨(dú)的厭氧消化不能夠?yàn)閰捬跷⑸锾峁┮粋€(gè)良好的生長(zhǎng)代謝環(huán)境，因此，經(jīng)過(guò)研究常常采用預(yù)處理技術(shù)或共消化的方法進(jìn)行處理，這樣可以提高有機(jī)物的去除率和甲烷產(chǎn)量。經(jīng)過(guò)一大批學(xué)者的研究，無(wú)論采用預(yù)處理或是共消化，均能夠高效地處理有機(jī)固廢，提升甲烷產(chǎn)量。