厌氧消化—微生物电解工艺在有机废物降解中的应用研究

蒋忠新+江国防+蒋颖

摘 要：垃圾中的有机物还有主要元素碳氢，如何合理利用其中的有用元素是科学家们一直在寻找的变废为宝的方法。本文介绍了我们研发的厌氧消化-微生物电解偶联工艺在有机废物降解中的应用。利用电化学和生物有机化学的学科交叉，结合有机废物主成分-碳、氢元素的性质，设计了一种有机废物厌氧消化-微生物电解偶合的反应系统，该系统由微生物催化电解、厌氧消化、主产物收集利用和副产物脱离技术复合而成。

关键词：厌氧消化；微生物电解；有机废物回收利用；环境友好

中图分类号：X705 文献标识码：A

生活生产垃圾中的物质含量变化很大，不同时期的垃圾中物质含量不一样，不同来源的垃圾中的物质种类和含量都不一样。但是无论如何，垃圾中的成分主要是有机物和无机物两大类。由于有机物固有的反应活性低、降解速率低、对催化剂的专一性要求高、反应后的产物多样性等原因，特别是反应后产物多样性与不可控性，使得垃圾中有机物的处理非常困难。对于垃圾中有机物的降解需要寻找科学、可靠、可持续发展的处理方法。目前对待有机废物的处理方法通常就是利用有机物易燃的性质采用焚烧的方法。有机物的焚烧带来的环境负影响很大，焚烧所产生的有毒有害物质造成更加严重的二次污染。在此背景下，长沙加中环保科技有限公司和湖南大学化学化工学院联合研发出了厌氧消化-微生物电解工艺来处理垃圾中的有机废物。

一、厌氧消化-微生物电解法反应技术

厌氧消化是一种微生物转化技术，尤其适合于易降解有机废物的处理和能源化转化。因此，特别适合食品加工、厨余和餐厨垃圾及畜禽粪便等有机废物的处理。该方法不仅可把这类有机废物高效率地转化为可再生能源——生物燃气，同时，还可产生有机肥料，从而实现有机废物的完全循环和高效利用。

我们利用电化学和生物有机化学的学科交叉，结合有机废物主成分-碳、氢元素的性质，设计了一种有机废物厌氧消化-微生物电解耦合的反应系统，该系统由微生物催化电解、厌氧消化、主产物收集利用和副产物脱离技术复合而成。其设备示意图如图1所示。

预处理废物通过磨碎机进入搅动式厌氧消化反应器，厌氧消化反应器的工作温度为55℃～60℃，有机废物的固含率达到20%以上，经过连续式反应，释放生物燃气，将所得到的生物燃气收集利用。厌氧消化反应后的残渣进入微生物电解反应器。微生物电解设备内设有微生物电解装置和电解水装置，电解水装置的输出端与厌氧消化反应器相连接，该设备通过阀门控制水流方向，排出的水通过水管可以提供生活用水，也可以输送回预处理装置，达到零排放的目的。脱水后的有机废物成为肥料，可做固体有机肥而出售。微生物电解装置包括阳极、阴极和电源。厌氧消化设备与微生物电解催化设备相连接并产生一系列反应，该设备主要是加快厌氧消化，缩短其自身反应所需要的时间，而得到的沼气用于发电，从而达到化废为宝的目的。厌氧消化器实物如图2所示。

二、厌氧消化-微生物电解耦合技术工艺

厌氧消化-微生物电解耦合技术工艺包括预处理、厌氧消化-微生物电解耦合、脱水以及后续收集利用等程序。

1.预处理（絮凝）：在装有垃圾渗滤液的预处理池中投加混凝剂，把其中的悬浮物生成絮状体，且在沉降过程中它们互相碰撞凝聚，其尺寸和质量不断变大，沉降速度不断增加，使其沉淀并去除，得到较为清澈的液体流入厌氧发酵池中。

2.厌氧消化-微生物电解耦合反应：包括搅拌装置、厌氧消化反应器和微生物催化电解装置。

搅拌：在厌氧消化反应器中设有能转动的搅拌装置，对有机废物进行充分混合，增加物料与微生物接触概率，使系统内的物料和温度分布均匀，防止局部出现堆积和局部温度过高，使生物反应生成的硫化氢、甲烷等对厌氧菌活动有阻碍的气体迅速排出，使产生的浮渣被充分破碎。

厌氧消化-微生物电解：首先电解水产氢，从电解水装置中得到大量的氢气和氧气。有机废物经过进料口输入厌氧消化反应器，进行有机废物的微生物电解和厌氧消化，利用电解水产生的氢气，结合二氧化碳生成甲烷气体，反应式如下：H2+CO2→CH4（甲烷）+2H2O，从而增加了甲烷的生成量。利用电解水生成的氧气用于厌氧生物反应器内，不仅能提高有机物的水解速率，还加速了氧和硫化氢反应，使硫化氢浓度降低，减少了硫化氢对细菌的伤害。

3.脱水：厌氧消化-微生物电解后的产物，首先进行固液分离。分离后的液体通过纳米过滤膜处理，在常压下对液体进行过滤，纳米过滤膜能有效阻隔不带电溶质等大分子（分子、原子等尺寸大于1nm）物质，只允许单价离子和水分子通过，从而获得洁净的盐水和液肥。盐水经纳米过滤膜后，接着经过反渗透膜设备，经加压后，盐水中的水经过反渗透膜得到纯水，用于浇灌花草、清洗道路、冲洗厕所等用水，而剩下压缩后的高浓度的盐水将与漂水结合，用于湿式喷淋塔中，用于烟气净化，从而达到零排放效果。

三、厌氧消化-微生物电解法反应技术优点

厌氧消化-微生物电解法可以用于降解广泛的废弃有机化合物，特别适合处理COD浓度高（超过152g COD/L）的废水，有机固体悬浮液或浆（15%总固体含量）。该技术提供了一种生物反应器，包括微生物电解与厌氧消化反应技术的耦合，比传统厌氧发酵设备产生更多富含甲烷的沼气。电解效率高，而且避免使用贵金属催化剂。

电解水在厌氧降解的微生物作用下，产生氢气，将有机物降解，提高了沼气的质量，增加了硫化氢和氧结合成二氧化硫的速度，消除了有毒硫化氢，同时电解水和二氧化碳还原成甲烷。

发酵池内的碳水化合物、蛋白质、脂肪被分解成甲烷和NH4OH，所产生的NH4OH和二氧化硫结合，生成硫酸铵。

电解催化有利地减少了高效电解所需功率。使用间隔分开的电极，一对或几个电极成对（如堆栈上的顺序放置阴极和阳极电极）实现电解，既可以保持优秀的电解效率，同时达到造价低廉，腐蚀性小的优点。

結语

通过实验室小试，工业化中试和放大，我们的有机废物厌氧消化-微生物电解偶合的反应系统，能够有效降解垃圾中的有机废物，充分利用了有机物中的碳和氢原子，把垃圾变成了燃气和有机肥料，综合利用效率高，经济效益和社会效益高。是目前为止国内外先进的垃圾处理方法。

参考文献

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[2]王建晨，周大石.厌氧消化处理制药废水微生物类群的研究[J].环境保护科学，1993（2）：34-49.

[3]陈小粉，曾光明，等.微生物电解产氢新技术研究现状与进展[J].环境科学与技术，2010，33（9）：89-93.