干-湿联合两相厌氧发酵技术处理村镇固体废弃物研究进展

张议心， 赵立欣， 冯 晶， 钱名宇，江 皓， 姚宗路

(1.农业部规划设计研究院，农业部农业废弃物能源化利用重点实验室, 北京 100125； 2.中国石油大学(北京)， 北京 102249)

中国是人口大国，同时也是农业大国，每年会产生大量的生活垃圾和农业废弃物，这些高固含量的废弃物都是潜在的生物质能资源，如果得不到合理的利用，如秸秆焚烧，未经处理的垃圾填埋，畜禽粪便任意堆弃等，都将给环境带来严重破坏。随着城镇化推进的加快，农村人口开始大量向城镇聚集，生活方式的转变以及产业结构的调整带来了大量的环境问题，村镇地区处于农村向城镇发展的转型阶段，面临农业废弃物与生活垃圾并存的问题。近年来，大量学者针对农业废弃物处理技术进行了研究，利用其含热量高、可燃性及其它生化、物理特性，开发了如秸秆还田技术，秸秆饲料化技术，热解及炭化技术，厌氧发酵制沼气技术，生产建筑材料和焚烧发电技术等；针对生活垃圾的处理技术研究也较多，如卫生填埋技术，堆肥技术，厌氧发酵技术及焚烧发电等。然而针对村镇地区农业废弃物与生活垃圾的混合原料，目前的研究较少。大量文献表明，在众多处理方法中，厌氧发酵技术是最有潜力的处理方法之一。

1 两相厌氧发酵

厌氧发酵按照含固率可以分为湿式厌氧发酵(10%～15%)，干式厌氧发酵(20%～40%)[1]。目前，常见的湿式反应器类型包括完全混合式厌氧反应器(CSTR)、升流式厌氧污泥床(UASB)、厌氧滤器(AF)、升流式厌氧复合床(UBF)和厌氧附着膜膨胀床(AAFEB)等；常见的干式反应器包括车库式反应器(Garage)，浸出床反应器(LBR)，Dranco竖式推流反应器等[2-3]。

国外干法厌氧发酵技术主要包括德国BIOFerm公司和BIKON公司的车库式发酵工艺、法国Valogra公司的仓筒型干发酵工艺、瑞典的Kompogas工艺、比利时的Dranco工艺等，国内农业部规划设计研究院的覆膜槽干法发酵工艺，南京农机化研究所的柔性顶膜车库式干发酵工艺等。

传统单相厌氧发酵将产酸菌和产甲烷菌置于一个反应器内，属于单相反应器，不利于其充分发挥各自的优势。为了克服单相厌氧发酵系统的缺陷，20世纪70年代，Ghosh和Poland根据厌氧发酵机理和微生物类群理论首先提出了相分离的理念。目前常见的两相厌氧发酵按照干湿工艺大体可分为两种，湿-湿联合和干湿联合，如表1所示。

表1 常用两相厌氧发酵工艺

两相厌氧消化工艺酸化和甲烷化两个阶段分别在两个串联反应器内进行，可以使产甲烷菌和产酸菌在各自最适环境条件下生长，有利于增加整个消化反应系统的稳定性。并且由于酸化相的存在，系统能够承载更高负荷的原料，同时提高了甲烷相的产气效率，避免微生物和代谢产物之间的抑制作用，使整个厌氧工艺达到最佳状态[4-6]。

我国村镇地区所产生的固体废物中，以秸秆和餐厨垃圾等为主，含固率较高，可达40%。从含固率看，该类原料宜采用干法发酵。并且，采用干法发酵处工艺，可避免产生大量沼液，减轻污染环境的风险。同时，由于秸秆等农业废弃物降解慢，而餐厨垃圾等易腐烂废弃物降解速度较快，两类废弃物混合发酵时，发酵速度不匹配，若采用单相干法发酵工艺，易产生前期酸抑制、后期产气缓慢和氨抑制的问题。采用干-湿联合两相厌氧发酵工艺，利用干发酵箱作为产酸相、湿发酵相为产甲烷相，可解决上述问题，其流程示意图如图1所示。在干发酵相内，混合原料内的秸秆作为支撑物，提高孔隙率并使餐厨垃圾快速降解产酸，产生的酸经过喷淋进入甲烷相厌氧发酵产甲烷。同时，由于采用两相厌氧发酵系统，产酸相和产甲烷相分别处于优势发酵条件，系统的厌氧发酵效率高。

图1 干-湿联合两相厌氧发酵流程示意图

本文重点对目前两相厌氧发酵技术研究现状进行综述，系统总结了两相厌氧发酵的影响因素以及调控技术，以期为下一步开展两相厌氧发酵产酸研究提供参考。

2 两相厌氧发酵影响因素

2.1 物料特性

2.1.1 C/N

厌氧微生物生长繁殖需要摄入一定比例的碳、氮、磷以及其它微量元素。Shen[7]等研究发现，在联合厌氧发酵过程中，C/N是影响产甲烷体积和COD去除率的重要因素。一般认为C/N在20～30范围对微生物厌氧发酵过程是最为有利[8-10]。如Bouallagui[11]等以果蔬垃圾为发酵原料，研究了C/N在22.58～34.2范围内厌氧发酵产甲烷和产VFA情况，发现当C/N在22～25范围内，产气效果最好，在27～30范围内产VFA效果较好。但不同微生物在不同发酵条件下，所需C/N也不完全一致。Yen[12]等研究发现C/N过低会导致氨氮积累，抑制厌氧发酵过程；C/N过高则会导致氨氮含量过低从而导致厌氧微生物数量减少。Liu[13]等通过试验发现，当C/N在5～10之间时，总VFAs产量从183.3±9.3 mgCOD·g-1VS增加到220.7±20.9mgCOD·g-1VS，当C/N从10增加到30时，总VFAs产量急剧增至702 ± 24.5 mg COD·g-1VS。

2.1.2 TS

TS也是影响厌氧发酵代谢途径的物料特性因素之一。Benbelkacem[14]等研究发现在高固含量MSW厌氧发酵过程中，最有利于产甲烷的TS范围为20%～22%，当TS超过30%时，甲烷产量开始下降，挥发性脂肪酸(Volatile fatty acids,VFAs)积累量开始增加。Motte[15]等以小麦秸秆为原料，研究了当TS分别为10%，14%，19%，28%时底物转化率，结果显示当TS达到28%时，底物转化率开始下降，但是VFA积累量开始上升，意味着代谢途径开始发生变化。由此可以看出，TS的增加在一定程度上可以增大产气量，但是达到一定限度之后，会造成VFA的浓度升高。

2.2 pH值

pH值是有机废弃物厌氧发酵的重要影响因素之一。产甲烷菌对pH值的要求较为严格(6.5～7.8)，过碱或者过酸都会严重影响甲烷菌的生长代谢，因此产甲烷相需要严格控制pH值。水解产酸菌适宜的pH值范围比甲烷菌要大一些，因此产酸相pH值控制范围较为宽松。Wu[16]等研究发现当初沉污泥在碱性条件下发酵，5天之后，VFA积累量达到312.9 mgCOD·g-1VSS，远高于中性和酸性条件下。Wu认为碱性环境有利于有机物水解，直接导致更多可溶性蛋白和碳水化合物生成，并且碱性环境下产甲烷菌活性较弱，更有利于短链挥发性脂肪酸积累。Yuan[17]等利用剩余污泥分别在pH值4.0到11.0条件下进行厌氧发酵试验，结果显示8天之后，pH值为9.0和10.0条件下SCFAs产量远高于其它组，最高产量达256.2 mgCOD·g-1VSS，经过分析认为可溶性COD的增加，为SCFAs的生成提供了更多基质。 Stein[18]等研究表明餐厨垃圾厌氧发酵在碱性条件下进行可以显著提高VFA产量，在55℃和pH值为7.0条件下，丁酸浓度可达到10.55 g·L-1。经过大量研究可以发现产酸相pH值并不是越低越好，控制在中性甚至偏碱条件下，得到的VFA产量更大，并且更容易与后续产甲烷阶段对接。

2.3 温度

厌氧发酵微生物降解过程受温度和温度波动的影响，微生物在其温度适宜的范围内生长速率和活性都较好。从反应动力学来看，温度主要会影响其中两个参数，最大比基质去除速率和半饱和常数。根据微生物所适应的环境温度不同分为3种处理工艺：低温(0℃～25℃)、中温(35℃～40℃)、高温(50℃～55℃)。目前厌氧消化常利用的工艺主要为中温和高温厌氧发酵[19-20]。对于一些难降解的有机废弃物如农作物秸秆等，采用高温厌氧发酵处理效率较高。Cha[21]等研究发现，温度对水解酸化阶段有显著影响，结果显示，水解酸化阶段温度快速下降会抑制碳水化合物的水解和VFA的生成。Li[22]等使用餐厨垃圾与剩余污泥混合物分别在55℃和35℃条件下进行厌氧发酵，发现高温更有利于蛋白质类水解和产生乙酸发酵型甲烷化，并且高温条件下发酵液缓冲能力较好，能够保证在高有机负荷时系统的稳定性。但是在实际应用中，高温工艺能耗较高，容易引起酸化和氨氮中毒，稳定性较差，因此很难工程化。另外值得注意的是，微生物对温度变化非常敏感，温度波动会对微生物代谢造成很大影响，严重时会造成产气停止，因此在实际工程中，需要对温度进行实时监控、精确控制，并且做好好相应的保温措施。

2.4 ORP

厌氧发酵过程实际上也是胞外和胞内物质间的电子传递过程，因此ORP也是一个重要影响因素。各种微生物对环境的ORP要求是不同的，通过ORP可以判断和控制微生物的代谢途径。在两相厌氧发酵过程中，通过调控ORP可以控制产酸类型，得到目标产物。Jun[23]等研究了ORP对餐厨垃圾厌氧发酵的影响，控制pH值为6.0，经过适当曝气之后，当氧化还原电位在-100 ～-200 mV范围内，水解酸化阶段的VFA产量较高

在实际工程应用中，往往需要综合考虑以上因素，并且能量转换效率和经济成本也是不可忽略的考衡指标。但是由于目前工业化规模乃至中试规模的研究成果较少，有关干式厌氧发酵技术的研究多停留在实验室阶段，如原料预处理、影响因素分析、产气特性等工艺条件优化方面。

3 调控技术

3.1 预处理

由于农作物秸秆的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素等致密物质，微生物难以快速降解，采取适当的预处理手段能够有效提高处理效率，同时还能保证纤维素类成分的降解率[24-27]。罗[28]等研究发现，使用NaOH预处理玉米秸秆可以提高玉米秸秆厌氧发酵产气量，当NaOH添加量为玉米秸秆干重的8%时，与未经处理的对照组相比，单位TS产气量提高了13.1%～48.3%。Li[29]等研究发现蒸汽爆破预处理后的玉米秸秆厌氧发酵产气量达223.2 mL·g-1VS，比未经处理的对照组(143.8 mL·g-1VS)提高了55.2%，使用KOH预处理的结果为208.6 mL·g-1VS，而两者同时经过蒸汽爆破和碱处理组的产气量达到258.8 mL·g-1VS。在实际应用中，应综合考虑可实施性和经济型，确定适当的预处理方法。

3.2 原料配比

混合物料联合厌氧发酵通常含有两种及两种以上具有互补特性的发酵底物，能够起到平衡营养元素、调节干物质浓度、碳氮比互补等作用，因此最终沼气产量通常优于单组份底物发酵[30-32]。针对我国目前城镇化进程中垃圾混杂的特性，以混合原料为发酵基质将是发展所趋。Cabbai[33]等利用CSTR反应器进行了OFMSW与城市污泥联合厌氧发酵中试试验，有机负荷3.2 kgVS·m-3d-1，产气率达0.95 m3·m-3d-1，甲烷含量达64%～71%。Dai[34]等通过试验对比干污泥与厨余垃圾联合厌氧发酵与单独发酵发现，在高固含量的干污泥厌氧发酵中加入厨余垃圾，系统稳定性及最终沼气产量都得到提高；在高固含量厨余垃圾厌氧发酵中加入干污泥，系统稳定性得到提高的同时，还降低了原有的Na+离子的抑制作用。

3.3 渗滤液回流

针对发酵传质不均、传热效果差、局部有机酸过量积累等问题，干发酵通常采用渗滤液回流的方式，提高反应器内物料含水率，增加微生物接触面积，提高传质传热效果[35-36]。渗滤液回流技术是将消化容器中收集的渗滤液采用回流的方式，重新与发酵底物接触。目前针对此项技术的研究主要涉及3个变量参数，回流液体积，回流液与基质比(L∶S)和回流周期[37-39]。但是目前对渗滤液回流的研究多集中于垃圾填埋领域[40-41]，针对两相厌氧干发酵的研究并不多。Xu[42]等利用餐厨垃圾为发酵底物，采用渗滤液回流方式，发现蛋白质降解率提高了40%，并且产气量也优于对照组。Rico[43]以牛粪为发酵底物，发现提高渗滤液间歇回流速率有助于系统稳定和甲烷产量的提高，并且提高系统缓冲能力，不受高VFA含量抑制。

3.4 接种方式

3.4.1 固体接种

常见的固体接种物有畜禽粪便、消化污泥、微生物菌剂等[44-46]。Dhamodharan[47]等研究了不同畜禽粪便作为餐厨垃圾厌氧发酵接种物的效果，发现牛粪的接种效果最好，甲烷产量达到227 mL·g-1VS，VS降解率达到54.58%。Forster-Carneiro[48]以OFMSW为发酵底物，使用6种不同接种物，研究其对COD 去除率和VS降解率和产气量的影响，结果发现消化污泥的接种效果最好，COD去除率达到44%，沼气产量78.9 mL·d-1，其次是消化污泥与猪粪的混合物。

3.4.2 液体接种

常见的液体接种物有渗滤液、沼液、动物瘤胃胃液等[49-50]，接种方式多采用回流的手段，使接种物与底物充分接触。Lin[51]使用渗滤液作为庭院垃圾厌氧发酵的接种物，采用渗滤液回流的方式接种，通过对比产气率和甲烷含量，发现当接种比例(I/S)为1∶1时，要优于1∶2和1∶3。Zhang[52]等使用MSW为发酵底物，渗滤液回流接种，研究其对水解过程的影响，当接种比例(I/S)为1∶20时，水解效率提高了27.4%，随着接种比例降低，对水解作用影响也降低，随着接种比例升高到10%，对水解作用开始产生抑制，研究表明合适的接种比例能够有效缩短水解的时间。由以上研究发现，发酵底物和接种物不同，最适接种比例也不同。

4 总结与展望

村镇垃圾是我国新型城镇化进程中需要面对的主要环境污染源之一，我国农村地区废弃物产量大、种类复杂，且增长迅速，对村镇生态环境的影响日趋严重，甚至危害到城市周边环境。但村镇垃圾中的固体废弃物同时蕴藏着丰富的生物质能源，随着农村地区对清洁能源的需求越来越大，农村规模化沼气工程具有巨大的开发潜力。针对我国当前村镇固体垃圾废弃物的特性，采用干-湿联合两相厌氧发酵途径产沼气，可替代部分化石燃料进行发热发电，并且沼液、沼渣可以制成优质肥料，代替部分化肥，有利于治理农业污染，促进农村生态循环经济发展。目前国内大中型农村沼气工程的开发备受重视，涌现出许多新技术、新工艺，但是关于干-湿联合两相厌氧发酵技术研究多停留在实验室规模，尚有很多技术问题亟待突破。在今后的研究中： 1)将重点关注渗滤液回流喷淋工艺的改进，选取水解酸化的最佳反应条件，提高酸化液中VFA特别是乙酸的含量； 2)选取农作物秸秆与MSW最佳混合比例，采用合适的预处理方式，加快其降解速率； 3)寻找渗滤液和沼渣的合适的处理方式，避免其对环境的二次污染，提高综合利用率； 4)改进发酵装置，降低制造成本和运营成本。如以上研究能有所突破，村镇固体废弃物干-湿联合厌氧发酵制沼气工程将会具有广阔的应用前景。