固体有机垃圾厌氧消化研究应用进展

固体有机垃圾厌氧消化研究应用进展陈庆今,刘焕彬,胡勇有(华南理工大学造纸与环境工程学院,广东广州　510640)摘　要:本文从工程应用和工艺的角度介绍了有机垃圾消化领域的进展。

有机垃圾厌氧消化处理量在欧洲已占总有机垃圾量的25%。

在消化工艺方面,主要介绍了两相消化和联合消化等方面的研究进展。

关键词:固体有机垃圾;厌氧消化中图分类号:X705,S21614 文献标识码:A 文章编号:1000-1166(2001)04-0011-04Application Development of Anaerobic Digestion T echnologies of Solid Organic W astesΠCHEN Q ingΟjin,LIU H u anΟbin,HU YongΟyouΠ(College of P aperΟm aking and E nvironmental E ngineering,South China U niversity of T echnolo2 gy,G u angzhou510640,China)Abstract:Application development of anaerobic digestion of s olid organic wastes(S OW)was introduced,focusing on process technologies,especially,tw oΟphase and coΟdigestion.K eyw ords:s olid organic wastes;anaerobic digestion1　国内外垃圾厌氧消化工程应用情况根据De Baere[1]的资料[1],在过去的10年中,欧洲固体垃圾总的厌氧处理量由1990年的122000t・yr-1发展到2000年的1000000t・yr-1以上,增长了750%,即欧洲的有机垃圾量已有四分之一是经厌氧处理的。

而且,发展速度逐年增大,1990～1995年的发展速度为30000t・yr-1,1996～2000年为150000t・yr-1。

预计2001年的增加容量为2000000t・yr-1。

相比于堆肥厂的装机容量,厌氧处理量还不算大。

随着源分选垃圾的逐渐增加,分选出的有机垃圾量也越来越大,这部分有机垃圾非常适合于进行厌氧消化处理,有机垃圾厌氧处理所占比例将快速增加。

国内厌氧消化应用最广泛的是农村沼气发酵。

而在城市垃圾处理方面的应用,除少量废水处理厂的污泥进行厌氧处理外,真正城市垃圾进行厌氧消化处理的很少见报道。

2　消化工艺研究虽然厌氧消化工艺日趋成熟,但研究仍在继续,主要集中在以下方面。

2.1　反应级数:单相或两相许多论文都是对不同构造有机固体垃圾厌氧消化器性能的讨论。

实际上,许多对反应器性能的研究都在探讨进行两相发酵的可能性。

有机垃圾两相厌氧消化的目的主要是为了创造两个不同的生物相和营养环境条件(温度、pH值等),其依据是有机物质厌氧消化的阶段理论,一般第一相为水解酸化相,第二相为产甲烷相,都是厌氧环境,与废水的多级处理有差别。

Scherer(1999)[2]用厌氧消化处理有机垃圾的试验是用两相反应,达到了80%的挥发性固体的降解。

反应器第一相为65℃高温,水力停留时间为4.3d,第二相为55℃,水力停留时间为14.2d,产气量达到了理论产气量的98%。

G hosh等[3]用试验规收稿日期:2000-12-04 修回日期:2001-05-15作者简介:陈庆今(1971-),男,江西人,在读博士生,主要从事有机废物的生物处理研究。

模的传统高效反应器和两相反应器处理由未分选垃圾制得的垃圾燃料团粒(refuseΟderived fuel pellets),甲烷产量在用两相处理时大约可以提高20%。

Vieitez(1999)认为两相消化是处理源分选高固体有机垃圾和来自水果蔬菜市场的有机垃圾(可分解性高)的正确选择(Pavan)。

另一个支持两相反应的试验是由P oirrier 等在中温条件下完成的,试验底物为酿酒残渣。

G abriele S(1999)[4]对比了在中温和高温条件下一相和两相消化的情况。

主要结论是,市政固体垃圾应该在一个两相反应器中进行,同时在两个反应器之间应设一个浓缩装置。

在这种优化条件下,短的固体滞留时间就能获得高达90%的有机物质转化率。

笔者在研究瘤胃微生物对纤维素的降解时也发现,水解酸化和产甲烷两者适合的pH 值有较大差异,且对两个过程的影响都很明显,所以,最好将两个过程分开在两个容器中进行。

值得指出的是,在工业应用水平上,单相反应占了绝对优势(De Baere,1999),可能是因为单相更便宜且容易操作和维护。

2.2　垃圾分选Pavan(1999)[5]在一个示范规模的反应器中,用半干基单相高温厌氧消化工艺对两种不同垃圾进行了消化试验:机械分选有机垃圾和源分选有机垃圾,两者具有明显不同的可消化性。

实验用消化器是CSTR类型,进料采用两种垃圾不同配比的混合物。

结论是,为保证操作的绝对稳定,在源分选有机垃圾所占比例增大时,必须降低有机负荷率。

当完全用源分选有机垃圾作为进料时,或者进料为水果或蔬菜垃圾时,总而言之,进料为容易降解的有机垃圾时,最好是使用两相厌氧工艺,两相工艺的负荷率可以更高。

2.3　接种在批量处理中,每批料都要进行接种。

在工艺上需要确定接种源和接种量。

Si2 lvey[6]研究发现在淅沥床工艺中,接种应在前一个发酵进行到18～38d时用发酵料接种下一批发酵,而不是用60～90d后发酵结束时的料液。

很显然,不同发酵阶段的接种液中,其优势菌群是不同的,单相反应和两相反应适应的接种菌肯定有差别,单相反应应接种两类菌群都很活跃的料液,而两相的酸化相肯定应接种酸化菌,产甲烷相应接种产甲烷菌。

Nallathambi[7]研究了不同的接种量对一种草料的降解。

接种液Π底物比为1000时,新鲜草料的甲烷产率达最大值152±15m L・gVS-1。

在接种Π底物比低于67,发酵35d后的新鲜草料的甲烷产率大大低于最大值。

2.4　温度和pH值固体垃圾厌氧消化一般在中温或高温下进行,中温的最佳温度为35℃左右,高温为65℃左右。

G hosh等(1999)使用传统高效反应器,观察到55℃的高温比35℃的处理只使甲烷产量提高了7%。

将垃圾颗粒粒径从2.2mm降低到1.1mm对中温消化没有有益的影响,但从中温转到高温条件时,甲烷产量却提高了14%。

张光明[8]从试验中发现中温所需热量少,运行稳定,便于管理。

高温所需热量多,运行也不稳定,但处理能力是中温的2.5～3倍。

Cecchi等(1991)在一个示范规模的研究中发现高温有利于消化机械分选的市政有机垃圾。

但是这种优势在消化源分选有机垃圾时不再存在(Bernal,1992)。

Beeken (1999)研究了中温下生物垃圾中六种成分的水解和生物降解速率。

一级反应速率常数在20℃时为0.03～0.15d-1,在40℃为0.24～0.47d-1。

生物垃圾成分的降解率为5%到90%,但与温度无关。

Nimmrichter等在实验室测试中发现,虽然高温可以比中温产能多,但是高温需要更多的能量加热系统,在许多案例中加热所需的能量与多产出的能量差不多。

虽然沼气产量和生物反应动力学都表明高温消化更有优势,但理想的条件决定于底物类型(可生物降解性)和使用的系统(单相或两相)。

pH值方面,Lay等(1997)[9]发现在pH值为6.6到7.8范围内,水分含量为90%～96%时的产甲烷速率较高,pH值低于6.1或高于8.3时,产甲烷可能会停止。

R obles-Martinez(1999)研究了pH对家庭垃圾的生物降解作用。

当垃圾用水饱和,pH值调整到6.5以上后,降解明显提高。

在厌氧消化方面,一般说来酸化相要保持在略偏酸性,产甲烷相需要略偏碱性,但没有一个绝对合适的量,只需系统能够保持稳定高效就是最佳状态。

pH值是监测指标之一。

2.5　水分含量S.Funishima(2000)研究了在中温条件下水分含量对脱水污泥厌氧消化的影响。

当污泥的水分含量从97.0%下降到89.0%时,挥发性固体物质的去除率从45.6%下降到33.8%。

碳水化合物的去除效率也从71.1 %下降到27.8%。

当污泥含水率低于91.1 %时,甲烷产量下降。

当水分含量从91.1%下降到89.0%时,葡萄糖利用产酸菌量从3.1ⅹ109・m L-1下降到3.1ⅹ108・m L-1。

水分含量低于91.1%时,氢甲烷菌和乙酸甲烷菌的数量都降低了一个数量级。

Lay等(1997)[18]研究了水分含量的极限值,在极限值时产甲烷活力降为零。

对污泥饼来说,极限值为56..6%,但对于肉,胡萝卜和甘蓝来说,极限值大于80%。

在一个高固体含量的污泥消化中,当水分含量从96%下降为90 %时,产甲烷活力从100%下降为53%。

2.6　反应器有机固体厌氧消化反应器方面的研究报道较少,因为反应器往往是属于专利。

有几个相关的研究是塞流式反应器方面的。

Liu (1998)[10]试验了一个改进的塞流式反应器在固体进料浓度为3%～16%,水力停留时间为32.1～13.1d时厌氧消化情况。

反应器靠近进口的前部相当于产酸相,靠近出口的后部相当于产甲烷相,当进料浓度低于10%时,运行非常成功。

大于16%后,产甲烷相难以形成。

与传统的CSTR相比,在同样的进料浓度和操作条件下,其转化效率和总的生物转化量明显具有优势。

国外由于具有很好的工艺技术和控制水平,所以反应器一般可以达到要求。

而国内则必须加强反应器的研究,以适应国内的工艺技术和控制水平。

2.7　联合消化要提高固体垃圾厌氧消化的沼气产量,联合消化是一个有意义的选择。

联合消化可以在消化物料间建立起一种良性互补,所以在许多情况下都可以提高产沼气量。

而且,仪器设备的共享在提高经济效益方面的作用也是非常明显的。

有些时候,联合消化也可以调节发酵物料的含水量。

联合消化的其他方面的优势包括容易处理混合垃圾,可以利用空余的设备,产生规模效益。

在城市垃圾联合处理方面,研究得最多的是城市有机垃圾和污水污泥的联合厌氧消化。

Y.S.G.Chan[11]将污泥、海上漂浮垃圾和市政垃圾以13种比例混合发酵36d。

与污泥和垃圾单独发酵相比,将污泥和漂浮垃圾加入市政垃圾中促进了产甲烷过程。

在市政垃圾∶污泥∶漂浮垃圾为75∶20∶5时,得到最高的甲烷产量。

Hamzawi(1998)[12]探讨了这种工艺的技术可行性,用生物活性测定的方法确定了一个产沼气的最佳配比为:25%的市政垃圾和75%的污泥(65%的初级污泥和35%的浓缩活性污泥)。

Demirekler(1998)在测试了污泥与垃圾比为100∶0,80∶20和60∶40之后,建议的比例为80∶20。