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1、餐厨垃圾的厌氧消化技术现状分析莒国上善餐厨垃圾的厌氧消化技术现状分析2010年07月18日1 餐厨及食品垃圾的厌氧产气潜力 美国、日本、韩国对餐厨垃圾的常规处理方式为堆肥及填埋，但随着各国环保法规的修改，这些国家纷纷调整了传统的处理方式，将研究重点转移到对环境二次污染少的厌氧消化技术上来。然而餐厨垃圾的特性不同于工业污水和污泥，其固含量、油脂、盐份均大大超过工业污水和污泥，因此众多科研学者进行了大量的餐厨垃圾厌氧产气潜力的研究。 餐厨垃圾与城市污泥混合厌氧消化是处理餐厨垃圾的可行模式，它不仅利用了餐厨垃圾中丰富的淀粉、碳水化合物作为厌氧微生物的养分来源，同时也利用了污泥作为厌氧消化的菌种来源，
2、除此之外，联合厌氧消化的运行成本也要明显低于分别处理餐厨垃圾、城市污泥时的费用。Sang-Hyoun Kim等人进行了餐厨垃圾与污泥的联合产氢潜力研究，试验在32个415 mL的血清瓶内进行，餐厨垃圾与污泥的用量比控制在1000， 8020， 6040， 4060， 2080， 0100，VS浓度为05%， 10%， 15%， 20%， 30%，3550%。研究发现餐厨垃圾产氢潜力明显优于污泥，两者的比产氢率分别为1216 mLgCOD-1，326 mLgCOD-1；餐厨垃圾与污泥的用量比为87 %13 %，VS浓度3%时，达到最大比产氢率1229 mLgCOD-1。 餐厨垃圾厌氧消化处理工艺
3、的选择十分重要。Sun-Kee Han等人进行了两级法产沼气的可行性研究。处理流程由两部分组成：流化床反应器产氢气，UASB反应器产甲烷。试验主要装置为4个流化床反应器(产氢)及一个UASB反应器(产甲烷)。厨余垃圾先进行破碎、分选等预处理。分选后的厨余垃圾投入流化床反应器，用污水处理系统的污泥消化塔污泥接种。污泥经热处理，以抑制氢解细菌的活性。流化床反应器每两天由搅拌装置搅拌一次，以匀化反应底物。产生于流化床的厌氧消化液输送到UASB反应器进行甲烷发酵。UASB的出流液体回流入流化床反应器，液体回流时定期以清水稀释以减轻产氢气阶段的生物负荷。产氢阶段的污泥经重力脱水后，再进行好氧曝气，以减少
4、污泥的体积。研究发现，反应最初阶段碳水化合物的迅速降解导致pH的下降，产生抑氢现象，提高底物稀释率后，减少了抑氢现象。在高挥发性固体(VS)负荷下(119 kgm3d-1)，VS去除率达到725%。经去除的VS中有282%转化为H2，699%的VS转化为CH4，流化床的H2产率为363 m3m-3d-1，UASB反应器的CH4产率为175 m3m-3d-1。 Jae Kyong Cho等人进行了不同餐厨垃圾两级干法产气潜力研究。餐厨垃圾TS浓度在15% 30%，水解相、甲烷相分别采用固定床、上流式厌氧污泥床技术，容器体积分别为5 L，8 L，研究发现熟肉食品、纤维素、熟米饭、蔬菜、混合餐厨垃圾
5、的沼气产率分别为482，356，294，277，472 mlCH4gVS-1，碳素甲烷转化率分别为82%，92%，72%，73%，86%。酸化相TS降解率达到87%90%，VS的甲烷转化率达到90%。研究认为，餐厨垃圾的厌氧处理速度依赖于甲烷反应器的性能以及甲烷相出水的回流比、水力停留时间。 2 提高餐厨垃圾厌氧消化气产率的研究 提高有机垃圾厌氧消化气产量的方法有很多种，它们大多源于工业上高浓度有机废水的厌氧处理，污泥的厌氧消化法，以及农业有机废弃物的厌氧消化。本文选择了适合餐厨垃圾厌氧消化的几种类型，以下分别介绍。 21 使用添加物 合适的天然植物添加物可以刺激微生物的生理活动，提高发酵底物
6、的局部浓度，创造更适合微生物活动的环境，从而提高沼气的产量。Chowdhry等人的研究表明，某些植物的叶以及豆类植物，(如Gul-mohar，leucacena leucocephala，Acacia auriculiformis，Dalbergia sisoo，Eucalyptus tereticonius)，可以提高18%40%的沼气产量。Babu等人发现，在芒果制品废渣的厌氧消化过程中，添加1500 ppm的菜豆，黑鹰嘴豆，革荚豆的混合提取物可以使沼气产量提高23倍。Zennaki等人发现，豆类植物Pistiastratiotes与牛粪等混合消化时沼气产量可达062 m3m-3d-1，其
7、中甲烷含量为768%，HRT为15天。Sharma利用400 L的转鼓式生物反应器进行有机垃圾的厌氧消化，研究发现在添加了1%的洋葱渣后，沼气的产量提高了40%80%。生物添加物一般均为微生物，如细菌、真菌类，它们可以提高某些特定酶的活性，从而提高沼气产量。有研究发现纤维素降解菌，如actinomycetes，可以明显提高纤维类有机垃圾的厌氧消化产气量。Geeta等人也发现经纤维素降解菌Phanerochaete chrusosporium处理三周后的甘蔗渣，其厌氧消化产气率有明显的提高。 金属阳离子的添加可以促使微生物群体的富集，从而提高微生物的停留时间以及微生物浓度，增加沼气产量。Geet
8、a等人发现，向底物中添加Ni离子溶液，当Ni+浓度达到25 ppm和5 ppm时，可以提高54%的沼气产量，其研究认为Ni+的添加可以促进依赖Ni+的特异酶的活性，从而促进底物的充分甲烷化，提高沼气产量。Mathiesen认为添加Ca2+，Mg2+不仅可以提高沼气产量，还可以避免底物消化时产生泡沫。 应用无机吸附材料提高沼气产率的研究也屡见报道。Madamwar等人的研究发现，向厌氧消化液中添加10 gL-1的商品果胶，其产气量提高到原来的150%，其中甲烷含量为65%。Kumar等人将商品木炭DarcoG-60应用于有机垃圾的厌氧消化中，研究发现在批序式试验和半连续试验中，产气量与相应的空白
9、对照分别有17%，347%的提高。Chika Tada等人研究了沸石对富含NH4+-N的有机废弃物厌氧消化的影响，试验选用的沸石种类为：发光沸石、斜发沸石、3A沸石、4A沸石。研究发现。所选用的沸石均对NH4+有明显的去除作用，但是对沼气产量有促进作用的只有发光沸石。研究者认为，发光沸石释放出的Ca2+促使了产气量的增加。 22 采用消化流出物回流提高产气量 将消化流出物回流入生物反应器可以减少微生物的流失，从而促进底物的充分降解，提高沼气产量，同时也可以减少消化液的排放量，降低消化液后续处理的费用，但过高的回流量会导致一些不良物质的积累从而影响消化性能。为此不少学者展开了此方面的研究。 Ma
10、lik和Tauro的研究发现，在1m3的连续进料转鼓反应器中，当底物回流比控制为03 m3m-3d-1，HRT控制为30 d时，产气量有188%的增加。DeliaTeresa Sponza等人利用容积为70 L的生物反应器进行餐厨垃圾的厌氧消化试验。试验采用2个不同的回流比，以未采用回流的处理作为对照，回流量分别是：9 Ld-1，21 Ld-1。在消化到第50天时，沼气中甲烷的含量分别为：30%(对照)，50%(9 Ld-1)，40%(21 Ld-1)。研究者认为，合适的回流比可以促进甲烷菌的增殖，从而提高产气量。而过高的回流比会造成底物的酸化，抑制甲烷菌的活性。Rein-hart D等人回流
11、的试验产气量也比对照处理高。 2.3 原料的预处理 预处理的方法可分为机械预处理、化学预处理、生物预处理。机械和化学预处理可以把原料的复杂有机结构转变为易于生物降解的小分子物质，破坏原料的长链状或网状结构，提高底物的比表面积，增加微生物与底物接触的机率，从而提高产气效率。生物预处理主要为添加高纯度生物菌种，利用微生物所分泌的胞外酶等物质来预先水解底物。餐厨垃圾由于已经经过蒸煮过程，其中蛋白质、淀粉、碳水化和物有一定程度的水解，所以其中纤维类物质较多，因此适用于机械和生物方法的预处理。 L.M.Palmowski等研究了厌氧消化有机废物时颗粒大小的影响，对于纤维素含量高的固体废物，粉碎能显著提高
12、沼气产量和有机物的降解率以及缩短消化时间，而且更为重要的是通过粉碎使得原来不均匀的固体废物混匀了，减少了消化体积。 H.R.Srilatha等人研究了生物预处理法对柑桔渣的厌氧消化产气量的影响。他们的试验在自制生物反应器内进行，预处理法为：利用Sporotrichum，Aspergillus，Fusarium等真菌进行消化预处理，研究发现经真菌预处理后的柑桔渣中纤维素、半纤维素、脂肪、蛋白质、木质素、还原糖含量均有不同程度的减少，而非还原糖的含量有大幅度增加，提高的柑桔渣的生物降解性，认为真菌的预处理不仅可以提高沼气产率，而且还可提高柑桔渣厌氧工艺负荷。 3 两级厌氧消化与一级法产沼气的对比研
13、究 目前的有机废弃物厌氧消化技术主要以两段法厌氧消化工艺与整体一段法为主，两段法把消化过程中的水解酸化阶段和甲烷发酵阶段分离开来，使得任何一个单一阶段的工艺参数优化成为可能。而一段法则整合了这两个阶段，这两种工艺有其各自的优点，但是究竟哪一种方法更适合餐厨垃圾的厌氧消化还存在一定争议，因此研究学者开展了这方面的研究。R.Sarada等人利用番茄加工尾料进行了两级厌氧消化与一级法产沼气的对比试验，研究发现在未调节pH的情况下酸化和甲烷化分离的两级法产沼气的效率优于一级法，试验中两级厌氧消化法与一级法的实际碳素甲烷转化率分别达到理论值的80%，70%，两级法的甲烷及总产气量在同等条件下高出一级法4
14、0%50%。 Mtz.Viturtia等人的研究认为一级法不仅操作简单，而且产气量与两级厌氧消化法相比差异不大。他们的试验在实验室的恒温箱内进行，温度控制在35，底物为切碎后蔬菜水果垃圾(比重0995 gcm-3)，两级厌氧消化装置为：渗滤床(水解相)+UBF(甲烷相)，渗滤床有效容积1.3 L，底部放置Raschig工程塑料环(5 mm)以利于消化液的排出，消化液经蠕动泵送入UBF。UBF有效容积05 L，顶部装置有聚亚安酯泡沫(孔径15 mm)作为担体，以利于气水分离。试验得到的两级厌氧消化与一级法的比产气量值分别为：063 m3kgVS-1，0623 m3kgVS-1。同时发现在高有机负
15、荷状态时，两级厌氧消化法的产气性能不如一级法，主要原因是由于高有机负荷抑制了底物的水解，造成VFA浓度偏低从而影响了产气性能。 SJeyaseelan等人的研究则认为两级厌氧消化法具有明显的优越性，他们利用牛奶和脱脂牛奶作为底物，在20时进行产气性能对比研究。两级厌氧装置为：CSRT(酸化水解相)+UBF。研究发现，停留时间为2d时，一级法产气率为7.7 mLd-1L-1，两级法产气率为18.7 mLd-1L-1，停留时间为1d时，一级法与两级法产气速率分别为14.8，29.5 mLd-1L-1。Poirrier等人利用啤酒厂废渣，在中温条件下选用两级厌氧消化法进行试验，研究同样支持两级厌氧消
16、化法具有明显优越性的结论。对于半流态或干发酵工艺而言，两级厌氧消化法常常被作为首选技术，特别是在处理易生物降解的有机易腐垃圾方面。PPavan等人为此做了大量细致的研究工作，包括两级厌氧消化法的动力学研究以及酸化水解相和甲烷相工艺参数的探索。 4 厌氧消化和好氧堆肥的比较 堆肥是一项十分成熟的有机固体废弃物处理技术。Britt Faucette等人于1999年进行了利用密封式容器处理餐厨垃圾的可行性研究。G.Tripathi等人试验利用蚯蚓处理餐厨垃圾与牛粪混合物。吕凡等人利用自制的装置，对餐厨垃圾进行高温好氧消化工艺的研究。厌氧消化属于产能型资源化技术，而好氧堆肥则属于耗能型资源化技术，从能量守恒的角度来评价两者，厌氧消化法具有明显的优势，然而并不能单
