摘?要：厭氧消化技術(shù)是有機(jī)固體廢物處理與資源化的重要渠道之一，能夠通過微生物的三階段厭氧分解，將廢物中的大分子有機(jī)物降解為小分子物質(zhì)，并產(chǎn)生可提供能源的沼氣。該技術(shù)可按固體濃度大小被分為低固體厭氧消化技術(shù)和高固體厭氧消化技術(shù)，前者應(yīng)用范圍廣，但費(fèi)用昂貴，后者的廣泛運(yùn)用受技術(shù)限制，但能產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益?？傮w而言，在妥善解決固體廢物的處置與管理問題后，厭氧消化技術(shù)可以有效地提高物質(zhì)的回收利用率，前景廣闊。

關(guān)鍵詞：厭氧消化技術(shù);有機(jī)固體廢物;原理與工藝;現(xiàn)狀;前景

Research?on?Anaerobic?Digestion?Technology?of?Organic?Solid?Waste

and?Prospect?Analysis

Li?Ruyi

School?of?Environment?Tsinghua?University?Beijing?100084

Abstract：Anaerobic?digestion?technology?is?one?of?the?important?channels?for?the?treatment?and?recycling?of?organic?solid?waste.It?can?degrade?the?large?molecules?of?organic?matter?in?the?waste?into?small?molecules?through?the?threestage?anaerobic?decomposition?of?microorganisms，and?generate?biogas?that?can?provide?energy.The?technology?can?be?divided?into?low?solid?anaerobic?digestion?technology?and?high?solid?anaerobic?digestion?technology?according?to?the?solid?concentration，the?former?is?widely?used?but?expensive，while?the?latter?is?widely?used?but?can?produce?considerable?economic?benefits.In?general，after?the?disposal?and?management?of?solid?waste?is?properly?solved，anaerobic?digestion?technology?can?effectively?improve?the?material?recovery?efficiency?and?has?a?broad?prospect.

Keywords：Anaerobic?digestion?technology;organic?solid?waste;?principle?and?technology;?the?status?quo;?prospect

1?緒論

有機(jī)廢物厭氧消化處理技術(shù)歷史悠久[1]，人們在早期利用禽畜糞便和農(nóng)業(yè)廢物厭氧發(fā)酵，釋放甲烷用于產(chǎn)生熱能。20世紀(jì)中葉，全球?qū)σ淮文茉吹男枨罅考ぴ觯?、石油、天然氣等化石能源的價(jià)格瘋長。為解決供應(yīng)問題，許多國家開始尋找新的替代能源，這使得厭氧消化處理有機(jī)廢物的優(yōu)勢越發(fā)突出[2]，需要重點(diǎn)關(guān)注厭氧消化技術(shù)的原理、工藝流程和技術(shù)方案以及評估其效益和應(yīng)用前景。

2?厭氧消化原理

厭氧消化過程就是在一定的厭氧條件下，有機(jī)物質(zhì)被微生物分解，將碳素物質(zhì)轉(zhuǎn)化為兩種溫室氣體——二氧化碳和甲烷的過程。在這個(gè)過程中，底物的大部分能量仍然以有機(jī)物的形式儲存在沼氣中，只有一小部分的碳素氧化成了二氧化碳[3]，微生物借此發(fā)酵過程獲得生命活動所必需的物質(zhì)和能量。

2.1?厭氧消化產(chǎn)生沼氣的途徑

由于厭氧發(fā)酵的環(huán)境各有不同，涉及的微生物種類繁多，其中物質(zhì)的代謝、轉(zhuǎn)化與產(chǎn)生過程較為復(fù)雜，國內(nèi)外對此做了大量研究，但仍有許多技術(shù)性的問題亟待解決[4]。20世紀(jì)上半葉，在學(xué)術(shù)界中流行的是厭氧消化的二階段論，即粗略地將此復(fù)雜的過程分為產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷兩個(gè)過程。半個(gè)世紀(jì)后，有科學(xué)家對二階段理論作了補(bǔ)充和修正，由此產(chǎn)生了更廣為人接受的三階段理論，強(qiáng)調(diào)了產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌在此過程中的關(guān)鍵地位[5]。

厭氧消化反應(yīng)的三階段理論可概括如下：第一階段，在無氧條件下，通過厭氧或兼性厭氧微生物將大分子有機(jī)物（如糖類、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)）轉(zhuǎn)化為小分子化合物的分解過程，以有利于微生物的吸收和利用。常通過微生物厭氧呼吸或發(fā)酵來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)該分解過程需要先通過與好氧分解類似的消化作用，再通過發(fā)酵性細(xì)菌，產(chǎn)生脂肪酸、醇類等物質(zhì)。第二階段，在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌的作用下將第一階段產(chǎn)生的物質(zhì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣和二氧化碳。在第三階段中，產(chǎn)甲烷細(xì)菌將第二階段的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為甲烷，并產(chǎn)生能量[6]。厭氧消化反應(yīng)的具體原理過程如下圖所示。

厭氧消化的生物化學(xué)原理圖

2.1.1?產(chǎn)酸發(fā)酵階段機(jī)理

產(chǎn)酸發(fā)酵階段的微生物將糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等物質(zhì)通過生物降解作用轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，它們以有機(jī)脂肪酸為主。該過程的主要作用菌群包括芽孢桿菌、擬桿菌等嚴(yán)格厭氧菌，它們將糖類通過糖酵解途徑轉(zhuǎn)化為丙酮酸，進(jìn)而產(chǎn)生各種有機(jī)含羰基的化合物;將氨基酸通過氧化還原脫氮反應(yīng)，去除其中的氨基;對于脂肪酸，飽和脂肪酸直接或不飽和脂肪酸加氫后在β氧化反應(yīng)鏈的作用下，依次脫去兩個(gè)碳原子，最終自發(fā)形成乙酸、丙酸等有機(jī)發(fā)酵產(chǎn)物[7]。在此以葡萄糖、丙氨酸和甘氨酸、十七碳脂肪酸為例說明生物降解過程：

2.1.2?產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段機(jī)理

第二階段的厭氧微生物將產(chǎn)酸發(fā)酵階段的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為更簡單的有機(jī)酸、氫氣和二氧化碳等物質(zhì)，其中較為常見的有機(jī)酸為乙酸。研究表明[8]，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，乙醇、丁酸和丙酸不易被降解為丁酸，只有在能夠利用氫、系統(tǒng)中氫氣的分壓較低的前提下，吉布斯自由能才會變?yōu)樨?fù)值，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，這一過程離不開產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌及后一階段的產(chǎn)甲烷菌的協(xié)同作用。此外，同型產(chǎn)乙酸菌可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙酸，并利用環(huán)境中的氫離子，上述反應(yīng)的具體過程如下：

CH3CH2COO-+3H2O→CH3COO-+H++HCO3-+3H2

HCO3-+4H2+H+→CH3COO-+H2O

2.1.3?產(chǎn)甲烷階段機(jī)理

在這一階段，絕對厭氧的產(chǎn)甲烷菌把產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段的產(chǎn)物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳，這一步是厭氧消化反應(yīng)的決速步，標(biāo)志著有機(jī)固體廢物穩(wěn)定化的開始[1]。產(chǎn)甲烷菌的主要類群有索式甲烷絲菌、巴氏產(chǎn)甲烷八疊球菌等，它們能將利用乙酸、氫氣分別產(chǎn)生約70%和30%的甲烷[4]。化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

利用乙酸：CH3COOH→CH4+CO2

利用H2和CO2：4H2+CO2→2CH4+2CO2

2.2?厭氧消化影響因素

上述三個(gè)厭氧發(fā)酵階段往往在同一反應(yīng)器中進(jìn)行，一個(gè)階段的產(chǎn)物可能被后一個(gè)階段所利用，三種類型的反應(yīng)存在一定的動態(tài)平衡，影響著反應(yīng)的速度和完成程度[9]，底物因素和環(huán)境因素都可能影響反應(yīng)的進(jìn)行。

2.2.1?底物因素

Kayhanian[10]的研究發(fā)現(xiàn)不同的底物組成最終生物可降解性有很大差異，因?yàn)閰捬跎锾幚硐到y(tǒng)中，微生物完成生長、代謝活動需要充足的碳、氮、磷等元素及水和無機(jī)鹽，如果營養(yǎng)物質(zhì)不足，三階段過程的反應(yīng)的穩(wěn)定性和效率都有所降低。例如，在秸稈一類的微生物中，碳源由于纖維素的大量存在而十分豐富，而相對應(yīng)的氮元素的含量較少，在補(bǔ)充氮源以達(dá)到合適的C/N比時(shí)，最終的沼氣產(chǎn)量可以提升65%[11]。

2.2.2?環(huán)境因素

影響厭氧消化過程的環(huán)境因素主要包括溫度和pH。三個(gè)階段的所有微生物都有一個(gè)最適于生命活動的溫度，在低于此溫度的范圍內(nèi)，隨著溫度的升高生長速率逐漸上升，達(dá)到極大值后，生長速率又會隨溫度而下降。溫度通過影響反應(yīng)速率常數(shù)和半飽和常數(shù)來間接影響反應(yīng)的進(jìn)程。Veeken等[12]通過測定35℃下固體廢物中六種組分的降解速率，計(jì)算得到了反應(yīng)速率常數(shù)，并發(fā)現(xiàn)在20℃時(shí)該常數(shù)在0.03～015/d的范圍內(nèi)，而到40℃時(shí)提高了近2倍，而隨著溫度的升高，反應(yīng)的半飽和常數(shù)降低幅度大，反應(yīng)更容易達(dá)到平衡。與此同時(shí)，厭氧消化過程需要一個(gè)穩(wěn)定的pH范圍，產(chǎn)酸菌適宜的pH值范圍寬，在5～8.5的范圍內(nèi)均可生長，而產(chǎn)甲烷菌的適宜pH范圍較窄，僅在6.5～7.5之間[1314]，故為保證產(chǎn)氣過程的正常進(jìn)行，反應(yīng)體系的pH應(yīng)該嚴(yán)格控制。

3?厭氧消化工業(yè)流程和技術(shù)方案

目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的厭氧消化處理工藝眾多，根據(jù)廢物中有機(jī)固體濃度的大小可以分為低固體厭氧消化技術(shù)和高固體厭氧消化技術(shù);根據(jù)反應(yīng)的級數(shù)可以分為單相厭氧消化工藝和兩相厭氧消化工藝，其中后者將厭氧消化過程單獨(dú)在兩個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行，為三階段的不同細(xì)菌種群提供了各自所需的適宜生長條件，推動了反應(yīng)的高效、有序進(jìn)行;根據(jù)運(yùn)行的連續(xù)程度可以分為連續(xù)和間歇的厭氧消化工藝;根據(jù)厭氧消化微生物適宜的溫度范圍可以將其分為中溫和高溫消化[15]。在此重點(diǎn)介紹按固體濃度區(qū)分的低固體厭氧消化技術(shù)和高固體厭氧消化技術(shù)。

3.1?低固體厭氧消化技術(shù)

低固體厭氧消化技術(shù)的固體濃度小于等于4%～8%，應(yīng)用的原料常常是人畜糞便、農(nóng)業(yè)廢物和生活垃圾[1]。在運(yùn)用此項(xiàng)工藝時(shí)，固體廢物應(yīng)先進(jìn)行破碎，并加入適量的水進(jìn)行稀釋，使得固體濃度滿足要求，并需要在后續(xù)處理中脫水[16]。按流程與步驟而言，在分揀及縮小粒徑后，需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的營養(yǎng)物質(zhì)濃度、控制適宜的溫度和pH條件使反應(yīng)進(jìn)行，在產(chǎn)生一定量沼氣后將其收集和存儲，最后對污泥進(jìn)行處置和分離。為保證廢物具有較高的黏度，低固體厭氧消化技術(shù)對設(shè)備有嚴(yán)格的要求，并需要及時(shí)補(bǔ)充氮元素和無機(jī)鹽，以保障小型生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，操作煩瑣且成本較高[17]。

3.2?高固體厭氧消化技術(shù)

高固體厭氧消化技術(shù)又稱干法厭氧消化工藝，即保持固體廢物的總固體含量大于22%，僅僅對固體濃度大于60%的物料才進(jìn)行稀釋。與低固體厭氧消化技術(shù)相比，此項(xiàng)技術(shù)對物料的分揀要求不高，只需簡單篩去粒徑過大的固體顆粒，且不需要經(jīng)過污泥脫水和消化處置等工作。高固體厭氧消化技術(shù)比低固體厭氧消化技術(shù)有更高的有機(jī)負(fù)荷率，單位時(shí)間產(chǎn)生的甲烷量更大，但由于需要處理的固體濃度更高，此項(xiàng)技術(shù)需要選擇和衡量微生物的種類和數(shù)量、環(huán)境參數(shù)對產(chǎn)氣效率的影響。目前，由于技術(shù)的限制，國內(nèi)大規(guī)模的高固體厭氧消化工程較少，成熟的厭氧發(fā)酵工藝在國際上也應(yīng)用不多，經(jīng)過文獻(xiàn)調(diào)研，典型的厭氧干發(fā)酵工藝可列舉如下表。

4?厭氧消化技術(shù)的前景展望

厭氧消化技術(shù)處理固體廢物發(fā)展前景廣大，其制約因素主要在發(fā)酵工藝和二次污染兩方面，為更好地發(fā)揮該技術(shù)的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益，還應(yīng)對技術(shù)做出調(diào)整。

4.1?發(fā)展現(xiàn)狀

厭氧消化技術(shù)作為充分利用生物質(zhì)能的關(guān)鍵技術(shù)之一，在處理工、農(nóng)廢水、餐廚垃圾、一般生活垃圾和市政污泥中發(fā)揮著重要的作用[2]。由于固體廢物不可避免地含有或攜帶有害物質(zhì)，具有資源可利用性和環(huán)境危害性的雙重屬性，如果不能得到回收利用、變廢為寶，將會對環(huán)境造成污染，威脅人體健康和社會穩(wěn)定，而通過厭氧消化處理的固體廢物，其有機(jī)物含量可降低30%～50%[1]，最終降低對環(huán)境的危害。因此，促進(jìn)厭氧消化處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用對節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境都有著不可忽視的作用。

通過不同厭氧消化技術(shù)處理固體廢物，最終將其中的可回收物質(zhì)再利用，可以達(dá)到固體廢物的資源化、無害化和減量化處理，將垃圾變廢為寶，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。孫艷的研究表明[21]，以我國的處理技術(shù)，每噸的城市生活垃圾可以產(chǎn)生100～150m3的沼氣。李玉春等對北京市2008年的生活垃圾及廚余垃圾進(jìn)行估算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)年生活垃圾產(chǎn)量為673萬噸，而廚余垃圾約占五分之二。廚余垃圾有機(jī)物含量高、可供生物降解的物質(zhì)濃度高，與一般生活垃圾相比可產(chǎn)生更多的沼氣。總體而言，2008年北京市通過厭氧消化處理過程可以從生活及廚余垃圾中獲得近5億m3的沼氣，產(chǎn)生近8億kW·h的電。此外，該過程的污泥、污水等產(chǎn)物還可以作為肥料和飼料進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高了物質(zhì)的利用率。

然而，由于傳統(tǒng)的厭氧消化技術(shù)的處理過程是將垃圾直接堆放，而在漫長的處理周期中，固體廢物占地面積大、與土壤、空氣和水的接觸時(shí)間長，可能對環(huán)境介質(zhì)造成二次污染。研究表明，消化過程廢水中的COD和氨氮濃度高于微生物適宜生長的范圍，且容易累積重金屬，若將發(fā)酵產(chǎn)品作為商業(yè)化原料可能最終對人體健康造成不利影響[22]。為了防止上述不良后果的產(chǎn)生，我國還應(yīng)改善垃圾的管理體制和優(yōu)化厭氧消化技術(shù)。

4.2?分析與建議

針對目前厭氧消化技術(shù)面臨的二次污染和發(fā)酵工藝問題，可以提出如下建議：

（1）根據(jù)固體廢物組成特性調(diào)整厭氧消化處理設(shè)備和工藝[23]。一些固體廢物種類如餐廚垃圾，其理化性質(zhì)可能會對環(huán)境造成更大的危害，而一般可回收垃圾更具環(huán)境友好性，對于不同的垃圾種類應(yīng)使用不同處理設(shè)備和工藝，可以在產(chǎn)生沼氣的同時(shí)適當(dāng)提高或降低減毒力度，從而保障產(chǎn)生污泥和污水的無害化。

（2）采用厭氧和好氧的組合工藝處理固體廢物中的有害物質(zhì)，提高沼氣的產(chǎn)生效率[24]。好氧分解是在有氧氣存在的條件下，由好氧生物將環(huán)境中的有機(jī)大分子化合物轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)的分解過程，常通過微生物的好氧呼吸來實(shí)現(xiàn)。與厭氧分解相比，有機(jī)物的好氧分解的有機(jī)物降解速率快、更徹底，能量的利用率高，菌體的合成系數(shù)大、速率快，使得更大比例的物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為菌體，因此可以更快速地降解污染物，產(chǎn)生更具價(jià)值的氣體。

（3）更合理和系統(tǒng)地配置厭氧消化的環(huán)境，調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)配比。資料表明[11]，可以利用控制磷元素在反應(yīng)體系中的含量來達(dá)到污泥減量化的效果，而低濃度（0.2～0.4mmol/L）的硫酸鹽可以促進(jìn)某些產(chǎn)甲烷細(xì)菌的生命活動。對于微量元素而言，增加鐵元素的投入量可以使某些產(chǎn)甲烷菌主導(dǎo)系統(tǒng)的污泥的產(chǎn)氣量翻倍，缺乏鋅、銅、錳等微量元素的厭氧消化系統(tǒng)無法產(chǎn)生甲烷氣體[11]。Lay等[14]指出產(chǎn)甲烷速率最高的pH范圍出現(xiàn)在中性偏堿性的范圍內(nèi)，因此控制反應(yīng)條件十分關(guān)鍵。

5?結(jié)語

厭氧消化技術(shù)以資源化為導(dǎo)向，不僅可以有效降低廢物中可生物降解有機(jī)質(zhì)的濃度，也能使其中可回收利用的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣以再利用。國內(nèi)外關(guān)于該項(xiàng)技術(shù)的基本原理、工藝流程和技術(shù)手段已有了眾多的研究，盡管面臨著二次污染等挑戰(zhàn)，在解決好固體廢物管理系統(tǒng)的確立和完善問題后，厭氧消化技術(shù)前景廣闊，產(chǎn)生了可觀的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡介：李如意（2000—?），女，漢族，四川德陽人，本科，學(xué)生，研究方向：環(huán)境工程。