厌氧消化工艺处理水果蔬菜废弃物的研究进展

水果和蔬菜 混合废弃物
水果和蔬菜 混合废弃物
总固体
119. 2 79. 4
384. 0
179. 4
110. 0
190. 0
90. 4
84. 4
挥发性固体 105. 5 72. 1
Βιβλιοθήκη Baidu
365. 0
171. 0
92. 4
180. 5
82. 9
77. 5
TCOD
126
97. 8
370.
185
-
-
104. 5
-
一般来说, 颗粒底物的水解是厌 氧消化过程的 限速步骤, 但对于低纤维素含量的水 果和蔬菜废弃 物来说, 产甲烷的反应过程对反应速 率的影响要大 于水解过程。在反应器中这些废弃物能够很快的水 解发酵成挥发性脂 肪酸( VFA) , 使得 pH 值 降低从 而对产甲烷细菌的活动产生抑制作用。在单相反应 器系统中, 所 有的反应 都在一个 反应器 中同 时进 行, 而两相和多相反应器系统中, 几个阶段的反应 是在至少两个反应器中分开进行的。一个理想的厌 氧消化系统是没有大量的中间代谢产物的积累, 如 果 VFA 在反应器中大量积累, 就会影响产甲烷过程 的进行, 所以有必要保持反应器中有足够的碱度来 缓冲, 通常要保证( 碱度- 0. 7 @ VFA) > 1500。
水果和蔬菜废弃物的厌氧消化过程是通过一系 列的生物化学反应进行的, 大致上可 以分为四个步 骤[ 10] 。首先纤维素、半纤维素、果胶和木质素等有
机物质被厌氧微生物产生的胞外酶水解, 水解速率 跟 pH 值、温度、底物组成、颗粒大小以及中间产 物的浓度有关; 然后水解生成的溶解性有机物被产 酸菌转化为有机酸、乙醇、氢和二氧化碳; 紧接着 酸化的产物转化为乙酸、氢和二氧化碳; 最终通过 产甲烷菌的活 动将乙酸、氢和二 氧化碳 转化 为甲 烷。
从目前的市场份额上看, 批 量式系统的应用并 不是很成功, 但是批量式系统的特点如设计和控制 简单、可处理污染程度高的废弃物、并且投 资省, 使 得它特别适合发展中国家使用。研究过程中采用批 量式系统通常是分析有机污染物的降解过程和产气
情况, 从而对连续流厌氧消化系统的运行提供一些 有用的数据以作为参考依据。
消化, 气体产率比土豆和甜菜叶单独 进行消化时要
高产气能力[ 7] 。F. J. Callaghan 等人将水果蔬菜废弃
高 20% 以上, 因此他们得出结论认为, 富含淀粉的废
物和牛粪混合消化也取得了满意的结果[ 8] 。
表 1 几 种水果蔬菜废弃物的主要组成
单位: g#kg- 1
组成份
土豆皮 生菜废弃物 苹果废弃物 豌豆和胡萝卜 糖用甜菜废弃物 土豆废弃物
2 水果和蔬菜废弃物的特点及厌氧消化的局限性
以前的研究中所采用的水果和蔬菜废弃物基本 上都是来自菜市场, 表 1 中介绍 了一些研究中所采 用的水果和蔬菜废弃物的主要组成成分。这些废弃 物的固体含量在 8% ~ 19% , 总挥发固体的含量占总 固体 80% 以上, 其中包括 75% 的糖类和半 纤维素, 9% 的纤维素及 5% 的木质素[ 1] 。其很高的含水量使 得它们很适宜采用生 物处理工艺[ 4] , 而厌氧消化工 艺则是处理这些废弃物的合理选择。好氧工艺不太 适合处理水果和蔬菜废弃物, 因为有机物含量高需 要大量的动力消耗。但并非所有的水果或蔬菜单独 消化都会取得令人满意的结果, Hamdi 等人在处理 橄榄油废水时就发现, 橄榄废弃物中含有大量的酚 类和一 些难以 进行生 物降解 的成分[ 5] 。A. G. Lane 在对杏的废弃物进行厌氧消化时发现, 在运行到 63 天后, 产 气 量 从 01477 L # gVS- 1 降 到 了 01137 L # gVS- 1, 说明反应器中产生了某种抑制作用, 但原因 不明[ 6] 。
A Review on the Development of Anaerobic Digestion of Fruit and Vegetable Waste / FU Sheng- tao, YU Shu-i li / ( School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150090, China) Abstract: This paper reviewed the studies on the anaerobic digestion of fruit and vegetable waste ( FVW) and their energetic potentials, examined the performance of several anaerobic processes used in FVW treatment, indicated that anaerobic process is one of the attractive alternatives for the FVW treatment. Key words: anaerobic digestion; fruit waste; vegetable waste
1 前言
水果蔬菜废弃物在我国城市垃圾中占有较大的 比重, 由 于其自身 较高的含 水率, 不宜采 用焚 烧工 艺; 同时因有机成分含量高, 其堆放或填埋会产生大 量的渗滤液, 造成严重的环境污染[ 1] 。在印度, 每年 产生水果和蔬菜废弃物多达 5. 6 @ 106 吨, 这些废弃 物大多被堆放在城市边缘[ 2] 。我国目前的处理状况 也大体如此, 因此采用合适的工艺将 这些废弃物妥 善处理势在必行。
目前在欧洲运行的处理城市垃圾和牲畜废弃物
的生产性厌氧消化处理工程中, 有 90% 都是采用连 续流单相系统。但大量的研究工作都是针对两相厌
氧消化系统 ) ) ) 产酸相和产甲烷相。众多研究者对 两相系统如此青睐可能在于采用两相和多相系统可
以控制和研究有机质消化过程的中间步骤。而从工 业应用上看, 更倾向于采用单相消化系统, 因为其设 计简单和投资节省。
PCOD
80. 6
39. 3
244. 2
123. 9
-
-
-
-
总悬浮性固体 80
39
305
145
-
-
-
58. 6
总凯式氮
-
-
-
2
3. 3
2. 85
-
2. 7
纤维素
12. 9
13. 5
-
16. 1
-
-
9. 2
-
文献
[ 9]
[ 9]
[ 9]
[ 9]
[ 7]
[ 7]
[ 4]
[ 1]
将水果和蔬菜废弃物投入反应器之前, 通常都 要经过一些预 处理。首 先要经过 充分破 碎使 其均 质, 有利于消化; 然后加水稀释, 降低有机物的浓度, 再在合理的有机负荷下运行。由于水果和蔬菜废弃 物的 pH 值较低, 有一些研究者认为需要加入氢氧化 钠调节 pH 值, 如果不调节, pH 值会很快降低从而抑 制甲烷 菌的活动。Converti 等 人发现废弃物中 的有 机物质在高温预处理后可以促进厌氧消化[ 3] 。
固体含量为 5% 的混合蔬菜废弃物的批量式厌 氧消化系统也得到成功的运行, 经过 47 天的消化, 在第 26 天 得到最 大产 气量为 0116 m3 #kgTS- 1[ 11] 。 Bouallagui[ 12] 和 Marouani[ 13] 等人在研究中发现, 水果 和蔬菜废弃物在固体含量为 8% 的批量式系统中, 由 于 VFA 的大量积累产生了抑制作用, 其 pH 值降低难 以再次上升, 为了解决这个问题, 需要提高接种物比 例。冷成保等人开发了一种/ 暗河0式反应 器, 是将 管道式反应器埋入地下, 其最大优点是不占用土地 资源, 采用干发酵, 固体含量在 25% ~ 30% , 在反应 第五天时 pH 值降到了 5 以下, 在第七天又回升到 7 以上, 使得反应顺利进行[ 14] 。
厌氧序批式( ASBR) 工艺处理水果和蔬菜废弃物 因其运行的灵活性也引起 了人们的兴趣, 一些研究
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中国沼气 China Biogas 2005, 23( 4)
机构进行了这方面的研究, 发现使用 ASBR 工艺处理 高固体含量的废弃物悬浮固体去除率达到了 90% ~ 93% 。 3. 2 连续流单相系统
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厌氧消化工艺处理水果蔬菜废弃物的研究进展
付胜涛, 于水利
( 哈尔滨工业大学市政环境工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150090)
摘 要: 本文主要介绍了目前国内外采用厌氧消 化工艺处理水果蔬菜废 弃物的一些 研究情况以 及处理这 些废弃物的 厌氧反应器的应用情况, 指出厌氧消化工艺是处 理蔬菜和水果废弃物的一种很有前途的工艺。 关键词: 蔬菜水果废弃物; 厌氧消化; 厌氧反应器 中图分类号: X705; S21614 文献标识码: A 文章编号: 1000- 1166( 2005) 04- 0018- 04
水果和蔬菜废 弃物的 COD/ N 约为 100/ 4, 因此 不需要另加氮源。对于产甲烷微生物来说, 合适的 COD/ N 通常是 100~ 128: 4。某些水果或蔬菜废弃物 的 COD/ N 可能不在这个合适的范围内, 因此有时把 两种或两种以上的废弃物混合进行消化, 保证了营
收稿日期: 2005-03-21
修回日期: 2005-07- 30
作者简介: 付胜涛( 1978- ) , 男, 满族, 黑龙江人, 在读博士生, 研究方向为固体废弃物处理。
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养平衡。W. Parawira 等人将土豆和甜菜叶进行混合
弃物和含氮量高的废弃物混合后进行消化会明显提
很多研究者采用不同的单相系统对处理蔬菜废 弃物做了大量的研究工作。Mata- Alvarez 等人采用单 相 CSTR 反应器对菜市场废弃物进行中温消化, 其最 大有机负荷低于 3 kgTVS#m- 3d- 1, 但类似的其他废弃 物的最大有机负荷却能够达到 6 kgTVS#m- 3d- 1, 认为 可能是因为大量的 VFA 快速的生成限制了有机负荷 的提高[ 15] 。Lane 的研究也发现, 在采用 CSTR 反应器 时, 当有机负荷为 4 kgTVS#m- 3d- 1时, pH 值会明显降 低, 产生的沼气中 CO2 的含量增加[ 6] 。还有人采用半 连续混合管式反应器厌氧消化蔬菜水果废弃物, 最优 的运行条件是在HRT 为 20 天, 有机负荷为 218 kgTVS# m- 3d- 1时。在水解过程中 pH 值也降到过 611, 但是大 多数时间都保持在 712, 当 HRT 减少到 10 天时, pH 值 降到 5, 系统产生抑制[ 15] 。管式反应器最大的特点就 是它能将产酸过程和产甲烷过程在反应器内纵向分
3 水果和蔬菜废弃物厌氧消化反应器的应用
3. 1 批量式系统 在批量式系统中, 进料一次性加入到反应器中,
添加或不添加接种物质, 厌氧消化的各个反应步骤 在反应器中依次进 行。Convert i 等人将水果 和蔬菜 废弃物 在中温和 高温条件 下进行了 批量式消 化研 究, 蔬菜混合废弃物的消化过程进行的很快, 其第一 动力学常数约为 411 @ 10- 3L#h- 1gVSS- 1[ 3] 。Lane 将 玉米、苹果、甜菜、菠萝等分别进行了消化试验, 产气 率在 01427 L#gVS- 1到 01568 L#gVS- 1[ 6] 之间。
相对于焚烧和堆肥工艺来说, 厌 氧消化工艺有 很多的优点。其最重要的优点就是能够产 生沼气, 可用于发电和供热, 减少 CO2 的排放, 消化后的产物 经过简单处理可作为优质的肥料[ 3] 。
厌氧消化工艺能够成功的应用于处理有机废物 在很大程度上取决于高效反应器的开发和应用, 而 反应器的设计对反应器的工作性能有很大 的影响。 近年来, 很多新型反应器被开发出来并得到采用, 反 应器的处理效 率也不断 提高。各 种不同 的厌 氧工 艺, 如批量式反应器、连续流单相反应器、不同形式 的连续流两相反应器、连续搅拌反应器( CSTR) 、管式 反应器、厌氧序批式反应器( ASBR) 、升流式厌氧污泥 床( UASB) 以及厌氧滤池( AF ) 等, 都曾被应用于水果 和蔬菜废弃物的处理。