有机垃圾厌氧消化应用研究进展*

梅　冰，陆　翔，李显秋，窦法楷，汪慧莲（云南农业大学，节能减排检测工程中心，云南省高校生物天然气产业化技术工程研究中心，昆明650201）



有机垃圾厌氧消化应用研究进展*

梅冰，陆翔，李显秋，窦法楷，汪慧莲
（云南农业大学，节能减排检测工程中心，云南省高校生物天然气产业化技术工程研究中心，昆明650201）

摘要：本文从工程应用和工艺的角度介绍了有机垃圾消化领域的研究进展。本文引用了大量的资料,特别是近年来在有机垃圾厌氧消化应用研究领域的资料，在消化工艺方面,主要介绍了两相消化和连续式消化等方面的研究进展。

关键词：有机垃圾；厌氧消化；能源

有机废物的厌氧消化过程就是微生物在厌氧条件下将有机质进行分解质分解为甲烷和CO2。随着能源的日益紧缺，各种废弃物的处置逐渐转向资源化。厌氧发酵法处理有机垃圾将越来越受到重视，并逐渐成为当前研究的热点［1］。本文简要介绍了有机垃圾厌氧消化国内外应用的相关研究进展。

1　厌氧发酵的环境因素

1.1接种物

接种物中含有的产甲烷细菌的数量和活性，直接影响到厌氧消化系统的启动速度。一般而言厌氧消化系统的接种物为污水厂消化池产生的厌氧消化污泥。马磊等发现在厌氧消化启动阶段，通过添加厌氧消化污泥不仅可以明显提高系统厌氧微生物的数量，还能够使厌氧消化系统的酸碱缓冲能力得到增强，使厌氧消化系统的pH值维持在比较合适的范围内［2］。张翔等发现厌氧消化系统使用不同来源的污泥做为接种物对厌氧消化系统启动的时间有较大影响，沉淀池做为接种物系统启动时间最快，浓缩污泥池的污泥做为接种物次之，河床污泥做为接种物菌种数量及含量最少，接种效果最差［3］。

1.2温度

温度是影响厌氧发酵效率的最为重要的因素。依据厌氧消化系统在不同温度范围内的最佳处理效果，将厌氧发酵依据发酵温度划分为常温发酵、中温发酵、高温发酵。有报道称高温发酵在处理有机废物的过程中，消化处理时间短，处理有机负荷高，并且沼气产率和有机物降解率明显高于其它处理方式，但由于系统能耗较大，使其应用没有中温发酵普遍。随着国家对机废物处理排放的卫生指标的日益提高，高温发酵处理有机废物的技术越来越受到社会的高度关注［4］。

1.3pH值与碱度

pH值是厌氧发酵过程中重要的环境因素。产酸菌所适应的pH值范围较广，当pH值为5～8时产酸菌活性较好，而产甲烷菌所能适应的pH值范围较狭窄，pH值在6.8～7.2之间，产甲烷菌有较强的活性。在单相反应器中，pH值一般控制在中性。当厌氧消化系统中产生的挥发性脂肪酸（VFA）超出了系统的利用能力，VFA开始出现积累，导致系统pH值下降，进而影响厌氧消化系统的性能。国内外学者发现，将厌氧消化的碱度控制在2500～7500mg· L-1的范围内，系统拥有充足的缓冲能力，能够防止系统pH值的突然下降［5］。

2　有机废物厌氧消化历史沿革

1630年Van Helmont首先发现在动物肠道中能够产生一种可燃性气体。1808年Humphry Davy发现厌氧消化产生的沼气中存在甲烷气体。1896年，英国首先使用污水厂厌氧消化池产生的沼气做为街道上的照明燃料。进人二十世纪后，人们逐步清楚的认识到有机物厌氧消化产沼气的微生物学原理。

随着城市化和工业化的进程加快，产生了大量的有机废物急需要高效的处理处置方法，在这种背景下开发出来了一系列的厌氧生物处理工艺。1967年，J. C. Young等人开发出来了利用微生物固定化原理的高速厌氧滤池。1974年荷兰G. Lettinga等人开发出了上流式厌氧污泥床反应器。二十世纪80年代以后，一大批高效厌氧反应器相继开发出来，例如：1978年厌氧膨胀颗粒污泥技术，1980年的厌氧生物转盘技术，1981年的厌氧膨胀颗粒污泥床技术，1982年的厌氧折流板式反应器技术以及1985年的厌氧内循环反应器［6］。二十世纪70年代，美国建成了世界上第一个具有生产规模的厌氧消化厂在［7］。该厂采用湿式厌氧消化方法处理有机垃圾，通过加水稀释使进料含水率在93%～95%之间，但由于搅拌和浮渣等问题得不到根本的解决，系统运行效果不理想。后来相继出现了Kompogas、Dranco、Valorga、BTALinde BRV和Linde KCA等工艺。近几年来，欧洲发达国家纷纷立法有机物含量高于5%的垃圾即被禁止进入卫生填满厂，导致有机垃圾需要通过厌氧处理的产量不断增长。尤其在瑞典、法国、德国、英国、意大利、芬兰、奥地利等国家发展尤其迅速。因而，厌氧消化处理技术已成为欧洲有机垃圾处理的一种非常重要的技术方式［8］。

3　有机垃圾厌氧消化工艺现状

目前，在欧州等发达国家有机垃圾厌氧消化技术已经比较成熟。已成功运行的有机废物厌氧消化工艺可分为以下几类：

（1）干式消化与湿式消化一般来说，厌氧消化的物料含水率大于85%的工艺属于干式厌氧消化，湿式厌氧消化是指进料含水率为60%～80%的厌氧消化工艺。国内学者早期对厌氧消化工艺技术的研究热点主要集中在湿式厌氧消化上面，但是湿式厌氧消化需要添加水对物料进行稀释，并且干式厌氧消化具有较高的产气效率，因此，干式厌氧消化技术越来越受到关注。Kompogas、Dranco、Valorga、Biopercolat及Biocel工艺都属于干式厌氧消化工艺［8］。

（2）单相消化与多相消化单相消化是指厌氧消化过程均在一个消化器中完成；多相消化是指厌氧消化过程在多个消化器内完成，一般由产酸相和产甲烷相两个消化器组成，所以又称为两相厌氧消化。两相厌氧消化将产酸相与产甲烷相完全分离，使产酸细菌与产甲烷细菌都能够在醉适宜的环境下生长，从而提高系统的消化效率与稳定性能。Ghosh等通过单相厌氧消化器和两相厌氧反应器对有机垃圾进行厌氧消化处理，实验结果表明，两相厌氧反应器处理有机垃圾比单相厌氧消化器可以提高甲烷产量的20%［9］。

尽管很多研究报道两相厌氧消化技术在很多方面优于单相消化，但在实际工程应用上，单相厌氧消化技术占据了市场上的绝对优势，两相消化仅占市场上的11.5%［10］，主要原因是由于现有的两相厌氧消化工艺在系统操作和维护方面比单相系统复杂的多的缘故。

（3）序批式消化与连续式消化连续式厌氧消化是指反应器在正常工作情况下，每天定时添加消化物料及排出消化沼渣。序批式厌氧消化指反应器在正常工作情况下一次性投放消化物料，当反应器完成成一个厌氧消化过程以后排掉消化沼渣并重新装填物料发酵。序批式厌氧消化技术具有工艺简单、设备造价低等优点，非常适合经济不发达地区有机废物的处理处置。

（4）常温、中温消化与高温消化高温厌氧消化的温度范围为50～55℃，物料降解速度快、厌氧消化需求时间短，并且在高温过程中具备杀灭病菌及寄生虫的功能。目前，世界各国多采用alorga、WABIO、VBiopercolat、BTA等高温厌氧消化工艺［11］。中温厌氧消化的温度在30～40℃之间，由于中温厌氧消化系统所需要的提供的能源比高温厌氧消化系统要少，从能量回收的角度来看，中温厌氧消化系统经济效益更好一些。同时由于中温厌氧消化系统启动时间快、热量消耗少，系统运行比较稳定，易于控制有机废物的降解消化速度，因此，中温厌氧消化被认为是一种较为理想的厌氧消化工艺。

4　结语

目前，我国已经建成大中型沼气工程2000多座，每年能够产生沼气60多亿m3。我国沼气工程的成套技术已日趋成熟，部分单项工业技术指标和生物厌氧发酵机理研究都已接近国际水平，相关配套产业也有了一定的发展［12］。我国沼气工程技术仍然存在较多问题，主要表现在：系统运行和管理自动化平台水平不高；产气率较低；沼气工程综合利用配套设备不成熟等；但这并不意味着我国可以放弃厌氧消化技术,随着中国的经济快速发展,社会公从的环保意识逐渐的提高,相信在不久的未来，我国的有机垃圾厌氧消化技术会达到世界先进水平。

参考文献

［1］Zhang Yan, Zamudio C E M, Zhu Zhenwei, et al. Robustness of archaeal populations in anaerobic co-digestion of dairy and poultry wastes［J］. Bioresource Technology, 2011,102（2）: 779-785.

［2］马磊，王德汉，谢锡龙，等.接种量对餐厨垃圾高温厌氧消化的影响［J］.农业工程学报，2008，24（12）:178-182.

［3］张翔，余建峰，刘金盾，等.不同接种物对牛粪高温厌氧发酵的影响［J］.广西师范大学学报（自然科学版），2007，25（1）:78-81.

［4］LISSENSG, VANDEVIVERE P, DE BL. Solid waste digester: process performance and practice for municipal solid waste digestion ［J］. Water Science and Technology, 2001, 44（8）: 91-102.

［5］边炳鑫，赵由才，康文泽，等.农业固体废物的处理与综合利用［M］.北京:化学工业出版社，2004.205-206.

［6］席北斗,魏自民,刘鸿亮.有机固体废弃物管理与资源化技术［M］.北京:国防工业出版社, 2006.1；61-66.

［7］赵由才.实用环境工程手册:固体废物污染控制与资源化［M］.北京:化学工业出版社, 2002.397-404.

［8］Bouallagui H, Touhami Y, Ben CR, et al. Bioreactor performance in anaerobicdigestionoffruitandvegetablewastes［J］.ProcessBiochemistry, 2005, 40（3）:989-995.

［9］Ghosh S, Henry MP, Sajjad A, et al. Pilot-scale gasification ofmunicipal solid waste by high-rate and two-phase anaerobic digestion （TPAD）［J］.Water Scienceand Technology,2000,41（3）:101-110.

［10］De Baere L. Anaerobic digestion of solid waste: State-of-the-art ［J］. Water Science and Technology, 2000, 41（3）: 283-290.

［11」ChoJK，ParkSC，Cha:19HN，et al. Bioehemieal methane Potentia land solid State anaerobie digestion of Korean food wastes［J］. Bioresource Technology，1995,52（3）:245-253.

A review on the application development of anaerobic digestion of organic wastes*

MEI Bing，LU Xiang，LI Xian-qiong，DOU Fa-kai，WANG Hui-lian
（Yunnan Agricultural University，Faculty of Civil and Architectural Engineering，Engineering and Research Center for Industrial Biogas Technology of Yunnan Province University，Kunming 650201，China）

Abstract:Many latest materailswas quoted to introduce the development in the research on anearobic digestion of organic wastes. Application development of anaerobic digestion of organic wastes was introduced, focusing on process technologies, especially, two-phase and continuous digestion.

Key words:organic wastes；anaerobic digestion；energy

中图分类号：X783

文献标识码：A

DOI：10.16247/j.cnki.23-1171/tq. 20160543

收稿日期：2016-01-17

基金项目：云南农业大学科研启动基金；云南农业大学校企合作项目（KX141111）

作者简介：梅冰（1982-），男，博士，讲师，从事固体废物处理与处置方面的研究。