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有機固廢厭氧消化技術研究進展
摘 要 厭氧消化技術能夠實現廢棄物污染防治和綜合利用的雙重目標，是有機固廢處理與處置的趨勢。對厭氧消化技術處理有機固廢的微生物學機理、因素以及消化工藝的進展進行了綜述。關鍵詞 厭氧消化 有機固體廢物 兩相消化
有機固體廢物通常是指含水率低于85%～90%可生化降解的有機廢物,它們一般具有可生化降解性。這些廢物中蘊含著大量的生物質能,有效利用這類生物質能源,對實現環境和的可持續發展具有重要意義。
有機固體廢物處理的很多。由于有機固廢的可生化降解性高，利用生物技術處理有機廢物具有潛在優勢。生物處理法包括好氧堆肥法和厭氧消化法。近幾年來，歐洲各國紛紛將目光投向厭氧消化，興建有機固廢厭氧消化處理廠，日本等國也先后建設了有機固廢厭氧消化處理示范工程。但在國內，盡管早有小型沼氣池的，高濃度有機污水及污泥處理中也普遍采用厭氧消化的工藝，但應用于固廢處理領域的實踐很少。因此，很有必要針對國內的實際情況，對有機固廢的厭氧消化進行系統研究。
1 厭氧消化機理
在研究方面，國內外一些學者對厭氧發酵過程中物質的代謝、轉化和各種菌群的作用等進行了大量的研究，但仍有許多需進一步探討。對厭氧消化的微生物學認識，經歷了一個由膚淺到逐漸完善的過程。20世紀30年代，厭氧消化被概括地劃分為產酸階段和產甲烷階段，即兩階段理論。70年代初Bryantlzgl等人對兩階段理論進行了修正，提出了厭氧消化的三階段理論，突出了產氫產乙酸菌的地位和作用。與此同時，Zeikuslao等人提出了厭氧消化的四類群理論，反映了同型產乙酸菌的作用。該理論認為厭氧發酵過程可分為四個階段，第一階段（水解階段）：將不溶性大分子有機物分解為小分子水溶性的低脂肪酸；第二階段（酸化階段）：發酵細菌將水溶性低脂肪酸轉化為H2、CH3000H、CH3CH2OH等，酸化階段料液pH值迅速下降；第三階段(產氫產乙酸階段)：專性產氫產乙酸菌對還原性有機物的氧化作用，生成H2、HCO3－、CH3COOH。同型產乙酸細菌將H2、HCO3－轉化為CH3COOH，此階段由于大量有機酸的分解導致pH值上升；第四階段(甲烷化階段)：產甲烷菌將乙酸轉化為CH4和CO2，利用H2還原CO2成CH4，或利用其他細菌產生甲酸形成CH4。無論是三階段理論，還是四類群理論，實質上都是對兩階段理論的補充和完善，較好地揭示了厭氧發酵過程中不同代謝菌群之間相互作用、相互影響、相互制約的動態平衡關系，闡明了復雜有機物厭氧消化的微生物過程。
2 厭氧消化影響因素
2.1 底物組成
研究發現不同底物組成，其可生化降解性大不相同（5%～90%）。Borja等研究了不同底物組成和濃度的有機固廢的厭氧消化過程，認為在其他條件相同時沼氣產量相差很大，甚至達到65％。這個結果與Jokela等的研究所得基本一致。另外，底物組成不同,在發酵過程中的營養需求與調控也不同。對于像以秸稈為主的底物，須補充N源的營養，以達到厭氧消化適宜的C/N比。
國內外很多機構開展了生活垃圾、污泥及畜禽糞便聯合厭氧消化產沼的研究。聯合發酵可以在消化物料間建立起一種良性互補，從而提高產氣量，而且儀器設備的共享在提高經濟效益方面的作用也是非常明顯的。Kayhanian評估了以城市固體垃圾生物可降解部分為底物的高固體厭氧消化示范試驗。結果表明,美國典型B/F(可降解垃圾與總物料之比)的垃圾缺乏活躍而又穩定降解所需要的宏量或微量元素,若補充以富含營養的污泥和畜禽糞便,可以提高B/F，大大提高產氣率并增加過程的穩定性。國內在這方面的研究僅限于實驗室水平，未見相關工程應用的報道。
2.2 溫度
有機固廢厭氧消化一般在中溫或高溫下進行,中溫的最佳溫度為35℃左右,高溫為55℃左右。Ghosh等利用厭氧消化處理垃圾衍生燃料(RDF)，對比了單相式和兩相式反應器的處理效果，發現在傳統單相式反應器中高溫(55℃)比常溫(35℃)消化的甲烷產量僅提高7％；RDF粒徑從2.1mm降至1.1mm在中溫消化下對甲烷產量無明顯影響，但當反應條件轉變為高溫消化時甲烷產量可提高14％。高溫消化可以比中溫消化有更短的固體停留時間和更小的反應器容積。然而高溫消化所需熱量多,運行也不穩定。最近有研究表明厭氧消化在65℃時水解活性可進一步提高。還有將超高溫水解作為一個專門的反應器，對厭氧消化進行處理研究。
高溫可以比中溫產能多，但高溫需要更多的能量，在實際情況中加熱所需的能量往往與多產出的能量差不多。雖然沼氣產量和生物反應動力學都表明高溫消化更有優勢，但理想的條件決定于底物類型和使用的系統情況。
2.3 pH值
產甲烷菌對pH值的要求非常嚴格，pH值的微小波動有可能導致微生物代謝活動的終止。在發酵初期由于產生大量有機酸，若控制不當容易造成局部酸化，延長發酵周期，進而破壞整個反應體系。研究發現pH值為6.6～7.8范圍內，水分含量為90%～96%時產甲烷速率較高；pH值低于6.1或高于8.3時，產甲烷菌可能會停止活動。
一般說來酸化相對保持略偏酸性,產甲烷相需要略偏堿性,但沒有一個絕對合適的量,只需系統能夠保持穩定高效便是最佳狀態。pH值是厭氧消化過程的重要監測指標和控制參數。
2.4 抑制
厭氧消化過程中抑制作用非常普遍，包括pH抑制、氫抑制、氨抑制、弱酸弱堿抑制、長鏈脂肪酸(VFA)抑制等。
許多學者都研究了厭氧消化中氨抑制的問題。當氨氮濃度從740mg/L至3 500mg/L時，葡萄糖降解速度急劇下降，可以認為氨積聚對糖酵解過程有一定的抑制作用。Sung等研究了以有機固廢為底物的常溫厭氧消化過程中氨氮濃度對甲烷產氣量的影響，常溫消化當總氨氮濃度(TAN)從0.40g/L依次升至1.20、3.05、4.92、5.77g/L時，反應器內呈現慢性抑制的現象。TAN為4.92或5.77g/L時，甲烷產量分別降低39％和64％。Fujishima等研究了常溫下污泥含水率對厭氧消化的影響，發現污泥的含水率低于91％時甲烷產量減少，這主要由于系統中高氨含量對氫營養甲烷菌的抑制作用。
Salminen指出滲濾液回流與pH值調節相結合可以降低酸積累的抑制效應，加速消化降解速率。然而當系統中活性產酸菌和產甲烷菌數量較少時，回流滲濾液會引起VFA積聚。Clarkson和Xiao對廢報紙進行厭氧消化的研究發現，水解反應是其中限制性步驟，高濃度的丙酸鹽對其具有抑制作用。
2.5 攪拌
當消化底物為固態時，水解通常成為整個反應的限制性階段。很多經典中強調了消化過程中應充分混和攪拌以促進反應器中酶和微生物的均勻分布。然而近年來有試驗表明降低攪拌程度可以提高反應器的效率。
Vavilin V.A.常溫消化下攪拌強度的，試驗表明當有機負荷偏高時，攪拌強度加大會導致反應器運行失敗，低強度攪拌是消化過程順利完成的關鍵；當有機負荷偏低時，攪拌強度對反應無明顯影響。由此Vavilin V.A.提出攪拌阻礙反應器中甲烷區形成的假設，認為甲烷區的形成對抵抗酸化過程中產生的抑制起重要作用。在此基礎上他提出了均質柱形反應器的二維分布式模型（2D distributed models），模型基于以下假設：在維持產甲烷菌繁殖代謝處于較優水平的前提下，反應器中甲烷區所占空間存在一個最小值。通過對消化過程的模擬，認為有機負荷高時，反應初始階段甲烷區與產酸區在空間上分離是固廢物轉化為甲烷的關鍵因素，而初始階段甲烷區中生物量的多少則是這些活性區保留的決定性因素。此時如果高強度攪拌，甲烷區由于VFA的抑制作用會逐漸萎縮直至消失。然而當有機負荷偏低時，大部分甲烷區均能幸存并逐步擴大到整個反應器。
Stroot等學者認為劇烈攪拌會破壞微生物絮團的結構，從而打亂了厭氧體系中有機體間的相互關系。一個連續運轉的消化器在啟動階段應逐步增大有機負荷以避免運轉失敗。當產甲烷階段是限制性反應時高強度攪拌并不合適，因為產甲烷菌在這種快速水解酸化的環境中很難適應，因此在啟動階段應采取適量攪拌。如果水解階段為限制性反應，此時反應器內底物濃度較大，高強度攪拌對水解起促進作用。因此為達到有機物厭氧轉化的最佳條件，應綜合考慮攪拌所帶來的積極和負面影響。
2.6 預處理
根據現有的研究發現,固體厭氧消化的速度較慢,對固體廢物采用物理法、化學法、生物法等預處理可以提高甲烷產氣量。Liu等人通過對消化底物進行240℃的蒸汽熱處理5分鐘，使甲烷產氣率提高一倍，最終的甲烷產量增加40％。木質素和纖維素由于其本身結構，是公認的難降解物質，也是很多厭氧消化過程中的限制性因素。Clarkson等對廢報紙進行厭氧消化研究，發現堿預處理可以顯著提高廢紙的可生物降解性，但延長浸泡時間或增大反應溫度并不能提高轉化率。
Hartmann等在傳統的厭氧反應器前端設計了一個生物活性反應器，對厭氧消化進行預處理研究。該反應器用于68℃對底物進行超高溫水解，這種反應器分離的設計是為了更大程度降解有機物為VFA，從而獲得更高的產氣量，同時超高溫反應器可以有效去除氨的影響。結果表明VS去除率為78～89％，產氣量640～790mL/g。超高溫反應器中氨負荷降低7％。
對固態厭氧消化底物的物理和化學預處理研究較多，對生物預處理的研究則較少。Peter等從高溫反應器中分離到能分解有機固體廢物的嗜溫微生物,用該微生物對污水污泥進行預處理,在1～2d內近40%的有機物被分解,而且與沒有經過該預處理相比,厭氧消化過程中沼氣產量提高50%；Ejlertsson研究表明，在消化開始階段進行間歇曝氣能有效去除易降解的固廢，克服高濃度VFA帶來的抑制；Mshandete等研究了紙漿厭氧發酵系統中，啟動階段進行9h堆肥預處理后甲烷產量提高26%；Katsura和Hasegawa進行了類似的預處理研究，對污泥進行微好氧熱處理后甲烷產量提高50％。研究者認為高溫好氧菌分泌的胞外酶比一般蛋白酶在溶解污泥方面更具活性。
3 厭氧消化工藝
厭氧消化處理固體廢物，通過技術革新逐步形成了以濕式完全混合厭氧消化、厭氧干發酵、兩相厭氧消化等為主的工藝形式。
濕式完全混合厭氧消化工藝（即濕式工藝）的最早也最為廣泛。此工藝條件下固體濃度維持在15%以下，其液化、酸化和產氣3個階段在同一個反應器中進行，具有工藝過程簡單、投資小、運行和管理方便的優點。這種工藝條件下漿液處于完全混合的狀態，容易受到氨氮、鹽分等物質的抑制，因此產氣率較低。
厭氧干發酵又稱高固體厭氧消化，在傳統的厭氧消化工藝中固體含量通常較低，而高固體消化中固體含量可達到20%～35%。高固體厭氧消化主要優點是單位容積的產氣量高、需水量少、單位容積處理量大、消化后的沼渣不需脫水即可作為肥料或土壤調節劑。隨著固體濃度的加大，干發酵工藝中需設計抗酸抗腐蝕性強的反應器，同時還得解決干發酵系統中輸送流體粘度大以及高固體濃度帶來的抑制問題。
兩相厭氧消化工藝即創造兩個不同的生物和營養環境條件，如溫度和pH等。Ghosh最早提出優化各個階段的反應條件可以提高整體反應效率,增加沼氣產量，從而提出了兩相厭氧消化。動力學控制是兩相系統促進相分離最常用的手段，根據酸化菌和產甲烷菌生長速率的差異來進行相分離。還有一些技術可促進厭氧系統的相分離，如濾床在處理不溶性的有機物時可用來達到相分離。滲析、膜分離和離子交換樹脂等也可用于相分離。
大多數觀點認為，采用相分離技術創造有利于發酵細菌的生態環境，避免有機酸的大量積累，會提高系統的處理能力。Ghosh等利用厭氧消化處理垃圾衍生燃料(RDF)，對比了單相式和兩相式反應器的處理效果，發現兩相消化比傳統單相式反應器，甲烷產量提高20％左右。Goel等人對茶葉渣進行兩相厭氧消化研究，發現每去除1kgCOD，平均產氣量為0.48m3，COD去除率93％，甲烷含量73％。
兩相厭氧工藝的主要優點不僅是反應效率的提高而且增加了系統的穩定性，加強了對進料的緩沖能力。許多在濕式系統中生物降解不穩定的物質在兩相系統中的穩定性很好。雖然兩相工藝有諸多的優點，但由于過于復雜的設計和運行維護，實際應用中選擇的并不多。目前為止，兩相消化在應用上并沒有表現出明顯的優越性，投資和維護是其主要的限制性因素。
4 結語
Edelmann利用生命周期(LCA)認為，厭氧消化是最適宜的有機固廢處理方法。有機固廢的厭氧消化技術已引起國內外的廣泛關注，它們在消納大量有機廢物的同時，可獲得高質量的堆肥產品和沼氣，實現生物質能的多層次循環利用。
我國目前在有機垃圾厭氧消化工程應用方面的研究很少，厭氧消化的研究主要集中在水處理方面。各種厭氧發酵工藝實際應用中所存在的最大問題是規�；\行的自動化程度較低，技術裝備差。因此，對厭氧消化的最佳生物轉化條件、生態微環境以及設計完善的過程控制系統等方面，還需要進一步深入研究，以達到最佳的處理效果。
文獻
1 Borja R，Rincon B，Raposo F et al．Kinetics of mesophilic anaerobic digestion of the two-phase olive mill solid waste[J]．Biochemical Engineering Journal，2003（15）
2 Ghosh, S，Henry M.P，Sajjad A et al．Pilot-scale gasification of municipal solid wastes by high-rate and two-phase anaerobic digestion[J]．Water Science and Technology，2000(3)
3 Hinrich Hartmann，Birgitte K. Ahing．A novel process configuration for anaerobic digestion of thermophilic post-treatment[J]．Biotechnology and bioengineering，2005(7)
4 Peter F. Pind，Irini Angelidaki，Birgitte K.Ahring． Dynamics of the Anaerobic Process: Effects of Volatile Fatty Acids[J]．Biotechnology and Bioengineering，2003(7)
5 Ejlertsson J，Karlsson A，Lagerkvist A et al．Effect of co-disposal of wastes containing organic pollutants with municipal solid waste-a landfill simulation reactor study[J]．Adv Environ，2003（7）
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