(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)固體廢棄物是人類在生產(chǎn)和生活活動中產(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)具有更高價值的資源，真正實現(xiàn)有機(jī)固體廢棄物的減量化、無害化和資源化，適應(yīng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

我國不僅是人口大國，還是一個農(nóng)業(yè)大國，隨著我國工農(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。據(jù)統(tǒng)計，目前我國的有機(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)分含量見表1。

表1 我國主要有機(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%。

中國作為農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)固體廢棄物也是世界上最大的國家，年產(chǎn)量約40多億噸。據(jù)統(tǒng)計我國每年作物秸稈的產(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，豆類和雜糧作物秸稈1.0億噸，花生、薯類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]；其他類有機(jī)廢棄物約0.5億噸。

據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2014年我國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)量最高的國家。我國的城市生活垃圾有機(jī)成分含量相對較低，約占36%-45%，大部分為廚余垃圾[11]。隨著社會經(jīng)濟(jì)和城市化的快速發(fā)展，我國城鎮(zhèn)污水處理率不斷提高，污泥的產(chǎn)量也在不斷增加，2015年全國城鎮(zhèn)污水處理廠產(chǎn)生的污泥產(chǎn)量約3500萬噸[12]。如果不合理地處置，將會造成環(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，通過微生物的分解代謝活動獲得自身生長繁殖所需的物質(zhì)和能量，同時將大部分物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳的過程[16]。厭氧消化系統(tǒng)是一個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、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、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、氫和二氧化碳，該階段氫分壓會影響單體物質(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為該階段微生物的基質(zhì)，經(jīng)過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)甲烷菌屬于絕對厭氧微生物，該過程屬于放能過程，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 厭氧消化過程的影響因素

2.2.1 溫度對厭氧消化的影響

有研究表明，厭氧生物比好氧生物對溫度的變化更敏感，產(chǎn)甲烷菌比產(chǎn)酸菌對溫度的變化更為敏感[19]。因此，對厭氧消化系統(tǒng)溫度的控制顯得尤為重要，不然將會造成系統(tǒng)的崩潰。經(jīng)過大量的研究，目前厭氧消化過程常采用中溫(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%。中溫消化過程相對于高溫過程具有更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，微生物群落更加豐富，但是其產(chǎn)酸過程效率較低，是厭氧消化過程的限速步驟，因此，甲烷產(chǎn)量要低于高溫過程[21]。

2.2.2 pH值對厭氧消化的影響

厭氧消化過程中有機(jī)物的分解和甲烷產(chǎn)量均與pH值有關(guān)，因此，厭氧消化需要一個相對穩(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；而產(chǎn)甲烷菌對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值過高(>8.0)或過低(<6.0)，產(chǎn)甲烷菌的生長代謝過程將會受到抑制，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)甲烷菌分開開發(fā)了兩相厭氧消化工藝。

2.2.3 有機(jī)負(fù)荷對厭氧消化的影響

厭氧消化過程中隨著有機(jī)負(fù)荷提高，產(chǎn)氣量也會隨著增加，但是當(dāng)超過一定范圍之后，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)纖維素類物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)甲烷

作物秸稈是常見的木質(zhì)纖維素類原料，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)酵過程中的實際甲烷產(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得到甲烷的實際產(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，但仍存在一些問題，例如：需要消耗大量的化學(xué)物質(zhì)，同時這些化學(xué)物質(zhì)還會造成一些環(huán)境污染、腐蝕發(fā)酵裝置；生物處理過程需要嚴(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，目前對于畜禽糞便的厭氧消化過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)量相對于秸稈單獨(dú)消化提高了62.1%～111.28%，相對于羊糞單獨(dú)消化提高了23.04%～54.44%?？偟膩碚f，畜禽糞便富含氮元素，厭氧消化過程中容易累積氨，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程，當(dāng)餐廚垃圾和牛糞的比例為2:1時，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發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩者的混合比例為1:1時，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程，并與低固體含量厭氧消化進(jìn)行了對比，結(jié)果略差于低固體含量厭氧消化，延長消化時間可以達(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

我國是有機(jī)固體廢棄物產(chǎn)生大國，年產(chǎn)量近45億噸，有機(jī)固體廢物是放錯了位置的資源，如果不合理的進(jìn)行處理處置，將會造成環(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。

高的有機(jī)質(zhì)含量可以在厭氧條件下通過厭氧微生物的消化作用獲得具有較高價值的清潔能源物質(zhì)——甲烷，厭氧消化技術(shù)不僅實現(xiàn)了有機(jī)固廢的減量化，還實現(xiàn)了有機(jī)固廢的資源化。由于不同來源的有機(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)的厭氧消化不能夠為厭氧微生物提供一個良好的生長代謝環(huán)境，因此，經(jīng)過研究常常采用預(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)過一大批學(xué)者的研究，無論采用預(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。