市政有机废弃物厌氧消化工艺综述

2023-10-13王益栋汤寅生姜鹏飞

中国资源综合利用 2023年9期

王益栋，汤寅生，姜鹏飞，黄吉，郑华

（维尔利环保科技集团股份有限公司，江苏常州 213125）

随着社会的快速发展，市政有机废弃物的产生量逐年增加。市政有机废弃物的主要成分为厨余垃圾，其富含可生物降解的有机质，在厌氧条件下通过多种微生物的作用，有机质降解转化成甲烷和二氧化碳，因此厌氧消化工艺被广泛应用于有机废弃物的处置。厌氧消化工艺可以对市政有机废弃物进行有效处理，实现减量化、资源化和无害化处置，提高经济效益、社会效益和环境效益。

1 厌氧消化的影响因素

厌氧消化是一种在厌氧微生物作用下有控制地将可降解有机质转化为甲烷、二氧化碳和其他稳定物质的生化过程。厌氧消化过程可以分为3 个阶段[1]，即水解、产氢产酸、产甲烷。厌氧消化的影响因素主要有温度、pH、养分、搅拌、抑制性物质等[2]。

1.1 温度

温度对厌氧消化的影响较大，主要通过影响微生物酶活性来影响其生长和基质代谢。厌氧细菌分为嗜温菌（中温菌）和嗜热菌（高温菌），其对应的厌氧消化为中温厌氧（35 ～38 ℃）和高温厌氧（50 ～55 ℃）。高温厌氧的效率高，降解速度快，所需的停留时间短，病原微生物杀灭率高。但从项目实际运行来看，中温厌氧的稳定性更优。厌氧消化允许的温度波动范围为1.5 ～2.0 ℃。如果温度变化超过3 ℃，会抑制菌群的生物活性，影响消化速率。如果温度变化达到5 ℃，产气量会大幅降低，有机酸大量积累，破坏厌氧系统[3]。

1.2 pH

pH 不仅影响厌氧消化过程的菌群种类，还会影响微生物酶活性。产氢产乙酸菌对pH 的适应性强，pH 宜控制在5.0 ～8.5，而甲烷菌生长和代谢的最适宜pH 为6.8 ～8.0，当pH 低于6.3 或高于8.0 时，甲烷菌活性降低，进而影响产甲烷效率。因此，厌氧消化系统的pH 通常要控制在6.8 ～7.5。

1.3 养分

原料中的有机物是产沼气的基础，有机质在降解过程中不断为各型微生物提供必要的养分。微生物对碳和氮的需求相对固定，因此厌氧过程将反应物的碳氮比控制在20 ～30。

1.4 搅拌

为保证厌氧消化过程中原料分布均匀，原料与微生物充分接触，提高传质效率，厌氧消化装置一般都要设计搅拌功能。搅拌可以破除浮渣层，减少反应器底部重质杂物沉降。搅拌的形式可以是机械强制搅拌，也可以是厌氧消化过程产生的沼气形成搅拌效果。

1.5 抑制性物质

很多化学物质会抑制厌氧消化过程中微生物的生长繁殖，抑制性物质分为3 类。一是金属微量元素。一定量的金属微量元素对厌氧菌群的活性产生积极作用，否则会对微生物的生长产生抑制作用。二是重金属离子。可溶性重金属离子会对细菌会产生毒害，当环境存在硫化物时，可溶性重金属离子会结合硫化物形成不溶性盐类，则不会毒害微生物。三是氨氮。氨氮浓度与产甲烷菌的生长密切相关，氨氮浓度为50 ～200 mg/L，会刺激产甲烷菌的生长；氨氮浓度为1 500 ～3 000 mg/L，就会抑制产甲烷菌的生长[4]。

2 厌氧消化工艺的分类

按照进料固含量，厌氧消化工艺分为湿式厌氧和干式厌氧；按照温度，分为中温厌氧和高温厌氧；按照阶段数，分为单相厌氧和两相厌氧。

2.1 湿式厌氧消化和干式厌氧消化

湿式厌氧消化的含固率一般在6%～15%，有机质在反应器中混合均匀，增加有机废弃物与微生物的接触率，可连续平稳产气。干式厌氧消化的含固率一般在20%～40%。干式厌氧属于全物料厌氧，其产气量较大，但市政有机废弃物富含易降解有机质，在反应器中酸化快，易造成物料分层，进而停产清罐。目前，市政有机废弃物的主流处理工艺是预处理+厌氧消化，预处理产生的浆液更适合采用湿式厌氧消化工艺。

2.2 中温厌氧消化和高温厌氧消化

厌氧消化有2 种适宜温度，即中温（35 ～38 ℃）和高温（50 ～55 ℃）。高温厌氧消化效率高，整体罐容小，但高温厌氧菌群对温度、pH 的要求更加严格，而且容易引起氨中毒，其运行稳定性不如中温厌氧，目前国内成功运行案例较少。

2.3 单相厌氧消化和两相厌氧消化

单相厌氧消化是将水解酸化菌和产甲烷菌置于同一反应器内，而它们对温度、pH 等的要求不同，不同菌群会有一定的相互制约。两相厌氧消化是把产酸和产甲烷两个阶段分离而布置在两个串联的反应器中，产酸菌和产甲烷菌能够在各自适宜的环境中生长，发挥菌群各自的生物活性，提高整体处理效果。与单相厌氧消化相比，两相厌氧消化有一定优势，但实际应用需要结合有机废弃物的特性及成本等进行综合考虑[5]。

3 厌氧消化工艺在市政有机废弃物处理中的应用

在市政有机废弃物处理领域，应用较多的厌氧消化工艺是连续搅拌反应器（CSTR）、升流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧复合床（UBF）和内循环厌氧反应器（IC）等。各厌氧反应器的比较如表1 所示。

表1 各类厌氧反应器的比较

3.1 连续搅拌反应器

连续搅拌反应器（CSTR）是在一个密闭罐体内实现物料发酵、沼气产生，能够处理高悬浮固体含量的原料。反应器内的搅拌装置可以使原料和微生物完全混合，分布均匀，避免分层，搅拌器转动和液面升降的配合可有效避免反应器表面的浮渣结壳现象。CSTR 采用强制的连续搅拌，强化罐内物料和微生物的接触，提高沼气发酵速率。它适用于处理TS 含量高的物料，易启动和管理。但是，搅拌强度高，投资和运行成本较高。CSTR 处理高TS 含量的物料，因此不可避免存在物料短流、消化不充分的现象。

3.2 升流式厌氧污泥床

升流式厌氧污泥床（UASB）将污水从底部均匀引入，污水在上升过程中与高浓度污泥床充分接触，其间有机质被不断降解转化为沼气。UASB 由进水区、三相分离器和沼气区三部分组成。污水从反应器底部进水区进入，此区域留存大部分颗粒污泥和絮状污泥，污水与污泥实现混合接触，微生物分解原料中的有机物并将其转化为沼气，微小气泡的沼气在反应过程中不断被释放，并在上升过程中不断合并，逐渐形成较大的气泡，由于沼气升流的影响，部分污泥随着气和水形成混合体一起上升至三相分离器，混合体撞击三相分离器下部的反射板，沼气脱离并穿过水层进入沼气区，分离的沼气经导管排出反应器，固液混合体则进入三相分离器的沉淀区，污泥絮凝后在重力作用下沉降。厌氧消化后的出水从溢流堰上部溢出，排出反应器。反应器内污泥浓度较高，可处理高浓度污水；水力停留时间短，节省用地；设置三相分离器，无须配置搅拌设备；污泥床无须填料，不会发生填料堵塞问题。但是，进水悬浮物浓度较高，容易堵塞三相分离器；反应器存在短流的可能，影响出水指标；水质和负荷的突变对反应器的影响较大。

3.3 厌氧复合床

厌氧复合床（UBF）是将厌氧生物滤池与升流式厌氧污泥床组合在一起。反应器下部为污泥悬浮层，中上部装有填料，厌氧微生物以生物膜形式附着在填料表面，在循环泵运行或产生沼气时，带动污水形成升流状态，污水先后经过悬浮污泥层及填料层，其中的有机物与污泥及填料生物膜上的微生物充分接触并被分解转化为沼气。微生物停留时间长，生物量大，可高效处理高浓度污水；无须配置搅拌设备，自身能耗低；耐冲击负荷能力强；占地少，工期短。但是，要控制进水悬浮物浓度；布水、填料装置的设计及加工难度大；填料堵塞后，尚未有简单有效的清洗方式。

3.4 内循环厌氧反应器

内循环厌氧反应器（IC）可视为两个UASB 上下叠加而成。污水从反应器底部进入，升流过程中与污泥混合接触，进而被降解转化为沼气从反应器顶部排出，净化后的污水从反应器上部溢流排出。IC 由混合区、上反应区和下反应区组成。反应器底部进水、污泥、回流的泥水混合物在混合区充分混合后在下反应区内与高浓度污泥接触，大部分有机质降解转化成沼气。借助上升流和产生的大量沼气对下反应区形成剧烈扰动，强化有机质与污泥的传质效果。下反应区产生的沼气会带动部分泥水混合物经过三相分离器，沼气会被分离并导出反应器，泥水混合物则返回底部混合区。下反应区处理后的污水进入上反应区，剩余有机质进一步被降解转化为沼气，泥水混合物经过上反应区的三相分离器，清液排出反应器，污泥回流至上反应区。反应器内部污泥浓度高，辅以内循环，强化传质效果，适用于处理高有机负荷的污水；反应器高径比大，节省投资，占地面积小；内循环量调节范围大，可有效应对进水浓度的波动；内循环无须设泵，动力消耗低；启动周期短，反应器内污泥活性高，生物繁殖快。但是，反应器内部结构复杂，设计施工要求高；高径比大，增加进水泵的动力消耗；水力停留时间较短，可生化性较差的污水处理效果一般。