厨余垃圾厌氧消化技术研究

摘要:介绍了厌氧消化技术处理厨余垃圾的基本原理及其影响因素。从两相厌氧消化、高温和超高温厌氧消化、强化预处理等方面详细的探讨了目前厌氧消化技术研究热点,为解决我国的厨余垃圾处理问题提供参考。

关键词:厨余垃圾;厌氧消化;研究热点

中图分类号:X705

文献标识码:A

文章编号:1674-9944(2010)07-0132-02

1 厌氧消化的基本原理

厨余垃圾是家庭、餐饮服务业的固体废物的统称,其在城市生活垃圾中占的比例很大[1]。厨余垃圾含水率多在85%~90%,因此在采用焚烧处理时,由于热值偏低,往往需要额外添加燃料,如果参与填埋处理,则高的有机物含量又会产生大量COD值极高的渗滤液,难以处理,且填埋条件下产生的甲烷是一种温室气体,如不能有效收集,则对环境带来更大的负面影响。因此应将其从城市生活垃圾中分离,并采用合适的方法处理。在对厨余垃圾进行处理的众多技术中,厌氧消化具有明显优势,如污泥产生量小,能耗低,运行费用小,占地面积小,并且能产生甲烷或者有机酸等产物,且具有一定经济效益。[2]

对厌氧消化原理的研究,经历了一个不断深入的过程。 由最初的两阶段理论,到三阶段理论再到三阶段四类群理论。在厨余垃圾等复杂的有机废物在厌氧条件下,难溶的大分子有机物被分解为可溶的小分子脂肪酸,然后在产酸菌的作用下,被转化为乙酸,丙酸,氢气等。在这个过程中,专性产乙酸产氢菌会利用其他有机酸生成乙酸和氢气,最后在产甲烷菌的作用下,将乙酸和氢气转化为甲烷。对厨余等复杂有机废物,水解阶段往往是整个反应的限速阶段[3]。

2 影响因素

2.1 底物特性

底物的不同对厌氧消化的结果有较大影响,在厌氧消化过程中,为了满足整个微生物种群的生长代谢,需要一定量的营养物质,主要是需要保持碳、氮、磷等元素的比例合适。氮元素含量过高,会导致溶液中氨氮浓度过高,从而对厌氧消化过程产生抑制效应[4],而氨氮浓度过低,则不能为微生物细胞生长提供必要的营养。在厨余垃圾厌氧消化的过程中,有时为了调整底物的营养组成,往往采取将厨余垃圾与污泥联合消化的方式,可以取得更好的消化结果。

底物的颗粒粒径也是影响厌氧消化的一个主要因素,由于水解阶段往往成为厨余垃圾厌氧消化全过程的限速步骤,因此促进水解反应的进行,对改进厌氧消化的效果是有利的。过大的底物粒径使得其中的大分子有机物不易溶解转化为小分子有机物。I.S. Kim等研究了粒径对厌氧消化的影响作用,发现当底物的平均粒径由1.02mm上升到2.14mm时,整个底物的利用常数从0.0033hr-1下降到了0.0015hr-1,这表明底物粒径是影响厨余垃圾厌氧消化的一个重要因素[5]。

2.2温度

厌氧消化过程中,甲烷菌对环境温度的变化非常敏感,其活性对温度的依赖性很强。通常在37 ℃(中温条件)和55 ℃(高温条件)两个条件下,产甲烷菌的活性较高。中温厌氧消化,运行费用较低,因此实际中应用较多,而高温厌氧消化相比中温消化,产甲烷速率更高,而且可以实现更短的固体停留时间和更小的反应器体积,但是由于需要将反应器维持在更高的温度,因此需要的运行费用较高,因此对有机物含量较低的废水,采用高温厌氧消化优势不明显,但是对高浓度有机废水和厨余等有机固体废弃物,宜采用高温厌氧消化。

2.3pH值

产甲烷菌对pH值的要求非常严格,pH值的微小波动会导致微生物代谢活动的停止。厌氧消化过程中,最佳的pH值范围为6.8~7.5,应尽量将其控制在中性范围。若pH值过低,则使得反应期内有机酸含量增高,控制不当会造成系统酸化,厌氧消化失败,如pH值过高,则使得溶液中的NH4+转化为NH3,对厌氧消化同样具有抑制作用。

2.4毒性物质的抑制作用

在厌氧消化过程中,如果底物中含有较多的毒性物质,则会抑制微生物的代谢,使得系统难以正常运行,对厌氧消化具有抑制作用的物质还包括重金属,毒性化学物质等,在厌氧消化的实际运行过程中,应该注意控制这些物质的含量在安全范围内,同时通过对微生物的驯化,增强其对有毒物质的耐受性,降低对系统的危害。

3 厨余垃圾厌氧消化研究进展

3.1两相厌氧消化

传统的的厌氧消化,产酸过程和产甲烷过程是在一个反应器内实现的,而产酸菌和产甲烷菌在代谢途径、营养需求、生长动力学以及对环境的敏感程度上有较大差异。因此如何更好的维持系统的稳定和两大类细菌种群间的平衡一直是许多研究者所关注的问题。对于厨余垃圾而言,由于其较高的有机物含量,因此在反应初期,由于有机酸的积累,会造成反应器内pH值明显下降,这会对产甲烷菌的活动带来严重的抑制作用。因此,Ghosh和klass在1978年提出了两相厌氧的概念[6]。在两相厌氧消化过程中,通过使不同种群获得各自生长所需的最佳环境条件,发挥它们的活性,提高处理效率,增加运行的稳定性。按照厌氧消化阶段的不同,将水解酸化阶段和产乙酸产甲烷阶段分别在两个反应器内进行。

Scherer等用两相厌氧系统处理厨余垃圾,在第一相温度65℃,HRT 4.3d,第二相温度55°C,HRT 14.2d的条件下,得到了80%的VS降解率[7]。用两相厌氧系统处理厨余垃圾,在总的HRT为12d的条件下,得到的最大产气率为0.6m3/Kg Vs[8]。两相厌氧在产气量和底物利用速率上较单相厌氧有优势,但是较为负责的控制和较高的费用,限制了其在工业上的使用。

3.2高温和超高温厌氧消化

厌氧消化工艺的运行效果与温度有密切的关系,在一定的范围内,温度越高,则产期速率越高。厌氧消化存在两个产期高峰区,一个在35°C左右,另一个在55°C左右。高温厌氧消化,可以得到更高的产气量,实现更短的固体停留时间和更小的反应器体积,因此得到了越来越多的关注。吴满昌等研究了城市生活垃圾的高温厌氧消化,发现其具有启动时间短,产气量高等特点[9]。

3.3 强化预处理

为了得到更好的厌氧消化效果,近年来许多研究也采取了生物,物理、化学等方法对底物进行预处理。Hasegawa和Katsura等发现在厌氧消化之前采取有氧的加热预处理,使得甲烷产率提高了50%[10]。研究还发现,高温好氧菌可以分泌能有效溶解底物的胞外酶。Wellinger等采取类似的预处理手段,取得了相似的结果。Rademacher等采取向反应器内添加酶的方法,改进了整个厌氧消化的效率。Lissens G等对厨余垃圾进了湿热氧化预处理,然后进行厌氧消化,发现甲烷产率提高了35%~70%,而且相比其它预处理手段,其经济效益更高。

4 结语

相比国外的厌氧消化处理技术,我国目前在厨余垃圾厌氧消化工程方面的应用较少,厌氧消化的研究主要集中在水处理方面。但随着我国经济的快速发展,和城市生活垃圾产生量的快速增加,厨余垃圾的处理问题越来越成为研究的热点。厌氧消化技术由于具有一系列的优点,将会得到越来越广泛的应用。

参考文献:

[1] 耿土锁.高含水率有机垃圾资源化处置对策[J].江苏环境科技,2002,15(2):24~25.

[2] 王旭明,汪群慧,任南琪,等. 解淀粉乳酸细菌在厨余垃圾乳酸发酵中的应用[J]. 环境科学,2006,27(4):800~804.

[3] Veeken A,Hamelers B. Effect of substrate seed mixing and leachate recirculation on solid state digestion of biowaste[J].Water Science and Technology,2000,41(3):255~262.

[4] Angelidaki I,Ahring B. Thermophilic anaerobic digestion of livestock waste- the effect of ammonia[J].Applied Microbiology and Biotechnology,1993,38(4): 560~564.

[5] I.S.Kim, D.H.Kim and S-H. Hyun. Effect of particle size and sodium ion concentration on anaerobic thermophilic food waste digestion[J].Water Science and Technology,2000,41(3):67~73.

[6] Ghosh,S,D.L. Klass. Two-phase anaerobic digestion[J]. Process Biochemistry,1978(43):15~24.

[7]Scherer P.A.,Vollmer GR,Fakhouri T. Development of a methanogenic process to degrade exhaustively the organic fraction of municipal “grey waste” under thermophilic and hyperthermophilic conditions[J]. Water Science and Technology,2000,41(3): 83~91.

[8] Vieitez ER,Ghosh S. Biogasification of solid wastes by two-phase anaerobic fermentation[J]. Biomass and Bioenergy,1999,16(5):299~309.

[9] 吴满昌,孙可伟,李如燕,等.城市生活垃圾高温厌氧转化生物质能研究[J].水土保持研究,2000,13(4):125~129.

[10] Hasegawa S, KatsuraK. Solubilization of organic sludge by thermophilic aerobic bacteria as a pre-treatment for an anaerobic digestion[J].Barcelona,2001(1):145~152.