厭氧消化—微生物電解工藝在有機廢物降解中的應用研究

蔣忠新+江國防+蔣穎

摘 要：垃圾中的有機物還有主要元素碳氫，如何合理利用其中的有用元素是科學家們一直在尋找的變廢為寶的方法。本文介紹了我們研發的厭氧消化-微生物電解偶聯工藝在有機廢物降解中的應用。利用電化學和生物有機化學的學科交叉，結合有機廢物主成分-碳、氫元素的性質，設計了一種有機廢物厭氧消化-微生物電解偶合的反應系統，該系統由微生物催化電解、厭氧消化、主產物收集利用和副產物脫離技術復合而成。

關鍵詞：厭氧消化；微生物電解；有機廢物回收利用；環境友好

中圖分類號：X705 文獻標識碼：A

生活生產垃圾中的物質含量變化很大，不同時期的垃圾中物質含量不一樣，不同來源的垃圾中的物質種類和含量都不一樣。但是無論如何，垃圾中的成分主要是有機物和無機物兩大類。由于有機物固有的反應活性低、降解速率低、對催化劑的專一性要求高、反應后的產物多樣性等原因，特別是反應后產物多樣性與不可控性，使得垃圾中有機物的處理非常困難。對于垃圾中有機物的降解需要尋找科學、可靠、可持續發展的處理方法。目前對待有機廢物的處理方法通常就是利用有機物易燃的性質采用焚燒的方法。有機物的焚燒帶來的環境負影響很大，焚燒所產生的有毒有害物質造成更加嚴重的二次污染。在此背景下，長沙加中環保科技有限公司和湖南大學化學化工學院聯合研發出了厭氧消化-微生物電解工藝來處理垃圾中的有機廢物。

一、厭氧消化-微生物電解法反應技術

厭氧消化是一種微生物轉化技術，尤其適合于易降解有機廢物的處理和能源化轉化。因此，特別適合食品加工、廚余和餐廚垃圾及畜禽糞便等有機廢物的處理。該方法不僅可把這類有機廢物高效率地轉化為可再生能源——生物燃氣，同時，還可產生有機肥料，從而實現有機廢物的完全循環和高效利用。

我們利用電化學和生物有機化學的學科交叉，結合有機廢物主成分-碳、氫元素的性質，設計了一種有機廢物厭氧消化-微生物電解耦合的反應系統，該系統由微生物催化電解、厭氧消化、主產物收集利用和副產物脫離技術復合而成。其設備示意圖如圖1所示。

預處理廢物通過磨碎機進入攪動式厭氧消化反應器，厭氧消化反應器的工作溫度為55℃～60℃，有機廢物的固含率達到20%以上，經過連續式反應，釋放生物燃氣，將所得到的生物燃氣收集利用。厭氧消化反應后的殘渣進入微生物電解反應器。微生物電解設備內設有微生物電解裝置和電解水裝置，電解水裝置的輸出端與厭氧消化反應器相連接，該設備通過閥門控制水流方向，排出的水通過水管可以提供生活用水，也可以輸送回預處理裝置，達到零排放的目的。脫水后的有機廢物成為肥料，可做固體有機肥而出售。微生物電解裝置包括陽極、陰極和電源。厭氧消化設備與微生物電解催化設備相連接并產生一系列反應，該設備主要是加快厭氧消化，縮短其自身反應所需要的時間，而得到的沼氣用于發電，從而達到化廢為寶的目的。厭氧消化器實物如圖2所示。

二、厭氧消化-微生物電解耦合技術工藝

厭氧消化-微生物電解耦合技術工藝包括預處理、厭氧消化-微生物電解耦合、脫水以及后續收集利用等程序。

1.預處理（絮凝）：在裝有垃圾滲濾液的預處理池中投加混凝劑，把其中的懸浮物生成絮狀體，且在沉降過程中它們互相碰撞凝聚，其尺寸和質量不斷變大，沉降速度不斷增加，使其沉淀并去除，得到較為清澈的液體流入厭氧發酵池中。

2.厭氧消化-微生物電解耦合反應：包括攪拌裝置、厭氧消化反應器和微生物催化電解裝置。

攪拌：在厭氧消化反應器中設有能轉動的攪拌裝置，對有機廢物進行充分混合，增加物料與微生物接觸概率，使系統內的物料和溫度分布均勻，防止局部出現堆積和局部溫度過高，使生物反應生成的硫化氫、甲烷等對厭氧菌活動有阻礙的氣體迅速排出，使產生的浮渣被充分破碎。

厭氧消化-微生物電解：首先電解水產氫，從電解水裝置中得到大量的氫氣和氧氣。有機廢物經過進料口輸入厭氧消化反應器，進行有機廢物的微生物電解和厭氧消化，利用電解水產生的氫氣，結合二氧化碳生成甲烷氣體，反應式如下：H2+CO2→CH4（甲烷）+2H2O，從而增加了甲烷的生成量。利用電解水生成的氧氣用于厭氧生物反應器內，不僅能提高有機物的水解速率，還加速了氧和硫化氫反應，使硫化氫濃度降低，減少了硫化氫對細菌的傷害。

3.脫水：厭氧消化-微生物電解后的產物，首先進行固液分離。分離后的液體通過納米過濾膜處理，在常壓下對液體進行過濾，納米過濾膜能有效阻隔不帶電溶質等大分子（分子、原子等尺寸大于1nm）物質，只允許單價離子和水分子通過，從而獲得潔凈的鹽水和液肥。鹽水經納米過濾膜后，接著經過反滲透膜設備，經加壓后，鹽水中的水經過反滲透膜得到純水，用于澆灌花草、清洗道路、沖洗廁所等用水，而剩下壓縮后的高濃度的鹽水將與漂水結合，用于濕式噴淋塔中，用于煙氣凈化，從而達到零排放效果。

三、厭氧消化-微生物電解法反應技術優點

厭氧消化-微生物電解法可以用于降解廣泛的廢棄有機化合物，特別適合處理COD濃度高（超過152g COD/L）的廢水，有機固體懸浮液或漿（15%總固體含量）。該技術提供了一種生物反應器，包括微生物電解與厭氧消化反應技術的耦合，比傳統厭氧發酵設備產生更多富含甲烷的沼氣。電解效率高，而且避免使用貴金屬催化劑。

電解水在厭氧降解的微生物作用下，產生氫氣，將有機物降解，提高了沼氣的質量，增加了硫化氫和氧結合成二氧化硫的速度，消除了有毒硫化氫，同時電解水和二氧化碳還原成甲烷。

發酵池內的碳水化合物、蛋白質、脂肪被分解成甲烷和NH4OH，所產生的NH4OH和二氧化硫結合，生成硫酸銨。

電解催化有利地減少了高效電解所需功率。使用間隔分開的電極，一對或幾個電極成對（如堆棧上的順序放置陰極和陽極電極）實現電解，既可以保持優秀的電解效率，同時達到造價低廉，腐蝕性小的優點。

結語

通過實驗室小試，工業化中試和放大，我們的有機廢物厭氧消化-微生物電解偶合的反應系統，能夠有效降解垃圾中的有機廢物，充分利用了有機物中的碳和氫原子，把垃圾變成了燃氣和有機肥料，綜合利用效率高，經濟效益和社會效益高。是目前為止國內外先進的垃圾處理方法。

參考文獻

[1]劉君寒，胡光榮，李福利，等.厭氧消化系統微生物菌群的研究進展[J].工業水處理，2011，31（10）：10-14.

[2]王建晨，周大石.厭氧消化處理制藥廢水微生物類群的研究[J].環境保護科學，1993（2）：34-49.

[3]陳小粉，曾光明，等.微生物電解產氫新技術研究現狀與進展[J].環境科學與技術，2010，33（9）：89-93.