厭氧消化技術在有機固體廢棄物處理中的應用

(四川大學建筑與環境學院，四川成都,610065)

1 有機固體廢物的產量及特性

有機固體廢棄物是人類在生產和生活活動中產生的，有機質含量高，具有可生物降解性的固體或半固體廢棄物，主要包括農業有機固體廢棄物和城市有機固體廢棄物[1-2]。農業有機固體廢棄物主要由作物秸稈和畜禽糞便等組成，城市有機固體廢物主要由城市有機生活垃圾和城市污水處理廠的污泥等組成。妥善、科學、有效地處理有機固體廢棄物不僅能夠變廢為寶，還可以減緩環境壓力和生產具有更高價值的資源，真正實現有機固體廢棄物的減量化、無害化和資源化，適應循環經濟的發展。

我國不僅是人口大國，還是一個農業大國，隨著我國工農業的快速發展和城市化進程加快，各種有機固體廢棄物均以較快的速度增長。據統計，目前我國的有機固體廢棄物產量位居世界前列，幾種主要有機固體廢棄物的年產量和養分含量見表1。

表1 我國主要有機固體廢棄物的年產量和養分含量

a，脫水污泥含水率為80%。

中國作為農業大國，每年產生的農業固體廢棄物也是世界上最大的國家，年產量約40多億噸。據統計我國每年作物秸稈的產量約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]；其他類有機廢棄物約0.5億噸。

據統計數據，2014年我國的城市生活垃圾清運量達到1.8億噸[10]，成為世界上生活垃圾年產量最高的國家。我國的城市生活垃圾有機成分含量相對較低，約占36%-45%，大部分為廚余垃圾[11]。隨著社會經濟和城市化的快速發展，我國城鎮污水處理率不斷提高，污泥的產量也在不斷增加，2015年全國城鎮污水處理廠產生的污泥產量約3500萬噸[12]。如果不合理地處置，將會造成環境污染、危害城市生態環境等一系列影響。

有機固體廢棄物是一種非均一的混合物，其理化性質受其來源與結構組成的影響較大。不同種有機固體廢棄物的理化性質見表2。

表2 主要有機固體廢棄物的理化性質

從表2可以看出不同種類的有機固體廢棄物有機質含量差異較大，其中作物秸稈的有機物含量最高(80%以上)，而生活垃圾的有機質含量較低(50%以下)，從能源回收的角度來看有機質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質含量，但是二者的C/N比較低[13]，同時具有較好的生物轉化率[14-15]，通常采用厭氧消化的方法回收能源。

2 厭氧消化技術

厭氧消化是利用微生物在厭氧的條件下消耗有機物，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和能量，同時將大部分物質轉化為甲烷和二氧化碳的過程[16]。厭氧消化系統是一個多種功能不同的微生物在厭氧的環境中共同生存、相互依賴、相互制約的生態平衡系統。

2.1 厭氧消化原理

厭氧消化理論經過不斷的發展，從兩段論逐漸發展為四段論，分別為水解、酸化、產氫產乙酸和產甲烷四個階段。

水解階段：主要由系統中的水解細菌擔任主要角色，有機物中的大分子聚合物(碳水化合物、蛋白質、脂質等)受到水解菌分泌的胞外酶作用解聚轉變為單體物質(糖類、氨基酸、脂肪酸等)。酸化階段：水解階段產生的單體物質作為酸化細菌的底物被轉化為短鏈脂肪酸(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的轉化，氫分壓越高，短鏈脂肪酸的生成就越少。產氫產酸階段：上一階段產生的短鏈脂肪酸和醇類為該階段微生物的基質，經過微生物的代謝將基質轉變為乙酸、二氧化碳和氫，該階段有機酸氧化菌和產甲烷菌為共生關系，有機酸氧化菌將短鏈脂肪酸和醇類轉化為乙酸，乙酸作為產甲烷菌的基質。產甲烷階段：產甲烷菌屬于絕對厭氧微生物，該過程屬于放能過程，產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，產甲烷菌比產酸菌對溫度的變化更為敏感[19]。因此，對厭氧消化系統溫度的控制顯得尤為重要，不然將會造成系統的崩潰。經過大量的研究，目前厭氧消化過程常采用中溫(37℃)和高溫(55℃)。

高溫厭氧細菌的代謝速率一般比中溫厭氧細菌的要快，因此，高溫消化具有較高的反應速率和有機負荷，相對于中溫消化具有更高的甲烷產量。Ghosh等[20]發現高溫處理的甲烷產量要比中溫處理高7%。中溫消化過程相對于高溫過程具有更好的系統穩定性，微生物群落更加豐富，但是其產酸過程效率較低，是厭氧消化過程的限速步驟，因此，甲烷產量要低于高溫過程[21]。

2.2.2 pH值對厭氧消化的影響

厭氧消化過程中有機物的分解和甲烷產量均與pH值有關，因此，厭氧消化需要一個相對穩定的pH值范圍。產酸菌適應的pH值范圍較寬，最適pH值在6.5～7.5之間，一些產酸菌甚至可以在pH值<5的環境下生長；而產甲烷菌對pH值的敏感度要比產酸菌高，其最適pH值范圍在6.5～8.0之間，一旦消化系統的pH值過高(>8.0)或過低(<6.0)，產甲烷菌的生長代謝過程將會受到抑制，導致系統酸堿失衡，最終導致反應系統的崩潰。鑒于產酸菌和產甲烷菌的最適pH值范圍不同，一些學者將產酸菌和產甲烷菌分開開發了兩相厭氧消化工藝。

2.2.3 有機負荷對厭氧消化的影響

厭氧消化過程中隨著有機負荷提高，產氣量也會隨著增加，但是當超過一定范圍之后，繼續提高負荷，提高了水解菌和產酸菌的活性，大量的底物被水解菌和酸化菌轉化為揮發性有機酸，導致系統有機酸積累，形成酸抑制，降低系統的穩定性[22-23]。研究表明[24]，易降解有機物厭氧消化的有機負荷一般為1～6.8g-VS/(L·d)，兩相厭氧消化工藝的有機負荷一般高于單相厭氧消化工藝，單相厭氧消化工藝的有機負荷一般不超過5g-VS/(L·d)。

3 有機固體廢棄物厭氧消化研究

3.1 木質纖維素類物質發酵產甲烷

作物秸稈是常見的木質纖維素類原料，具有發酵產甲烷的巨大潛力，不同的作物秸稈由于性質的差異，其產甲烷潛力也不同。沼氣產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纖維素，纖維素、半纖維素和木質素之間存在緊密的結構，因此秸稈很難被降解，發酵過程中的實際甲烷產量一般低于理論產量。Adl等[26]研究棉花秸稈厭氧消化時得到甲烷的實際產量為240mL/g-VS，而棉花秸稈厭氧發酵的甲烷理論產量為356.7mL/g-VS。所以秸稈的厭氧消化必須對其進行預處理，目前預處理的方法有很多種，包括化學法、物理法和生物法，但不同的方法存在各自的局限性。預處理技術雖可以提高沼氣產量，但仍存在一些問題，例如：需要消耗大量的化學物質，同時這些化學物質還會造成一些環境污染、腐蝕發酵裝置；生物處理過程需要嚴格的厭氧環境，要想得到較高的生物轉化效率必須要較高的前期投入。

3.2 畜禽糞便厭氧消化產甲烷

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物質的共消化，通常作為共消化的物質有秸稈、雜草、蔬菜等。Chen等[27]將牛糞和米草進行共消化，其甲烷產量提高了7.09%～44.26%，Zhang等[28]將三種作物秸稈(小麥、玉米和水稻)與羊糞進行共消化，沼氣產量相對于秸稈單獨消化提高了62.1%～111.28%，相對于羊糞單獨消化提高了23.04%～54.44%。總的來說，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行共消化能夠消除氨抑制，還可以提高甲烷的產量。

3.3 餐廚垃圾厭氧消化產甲烷

餐廚垃圾的碳氮比一般在20～35，其營養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理劑調節碳氮比。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，當餐廚垃圾和牛糞的比例為2:1時，共消化的沼氣產量和甲烷產量最高；Tian等[30]在研究餐廚垃圾與豬糞的共消化時發現當兩者的混合比例為1:1時，生物降解性最大，甲烷的產量也最大，達到409.5mL/g-VS。餐廚垃圾單獨厭氧消化過程中容易出現氨抑制或酸抑制，但當餐廚垃圾與其他有機物(牛糞、豬糞、污泥等)以合適的比例混合后進行共消化，不僅可以消除氨抑制或酸抑制，還可以獲得較高的甲烷產量，可見餐廚垃圾與其他有機物共消化優于其單獨厭氧消化。

3.4 污泥厭氧消化產甲烷

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行了對比，結果略差于低固體含量厭氧消化，延長消化時間可以達到低固體含量厭氧消化有機物的去除率，但高固體含量可以提高單位體積生物氣的產生速率。Fierro[32]和Rivero等[33]采用共消化的方法處理污泥，Fierro等研究了畜禽糞便與污泥的共消化，甲烷產量可以提升近一倍；Rivero等將污泥和甘油進行聯合厭氧消化，發現有機物的去除率最高可以達到93%，但在最適條件下有機物的去除率為89%，甲烷的產量為1.48L/g-VS。

4 結語

我國是有機固體廢棄物產生大國，年產量近45億噸，有機固體廢物是放錯了位置的資源，如果不合理的進行處理處置，將會造成環境污染和資源的浪費。鑒于有機物具有較高的有機質含量，容易腐敗等理化特性，厭氧消化術在處理有機固體廢棄物中具有明顯的優勢。

高的有機質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——甲烷，厭氧消化技術不僅實現了有機固廢的減量化，還實現了有機固廢的資源化。由于不同來源的有機固廢理化性質存在一定的差異，有些物料進行單獨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境，因此，經過研究常常采用預處理技術或共消化的方法進行處理，這樣可以提高有機物的去除率和甲烷產量。經過一大批學者的研究，無論采用預處理或是共消化，均能夠高效地處理有機固廢，提升甲烷產量。