固态物料两相厌氧消化工艺的研究进展

收稿日期： 2011-10-08 项目来源： 国家科技支撑课题 － 固体物料两相沼气发酵新工艺技术研究与工程示范（ 2008 － 2010） 作者简介： 万小春（ 1975 － ） ，女，工程师，主要研究方向为环境保护与农业废弃物资源化利用，E － mail： xchunw1123@ 126． com 通讯作者： 赵立欣，E － mail： zhaolixin5092@ yahoo． cn
Study Progress of Two- phased Anaerobic Digestion Technical for Solid Organic Waste / WAN Xiao-chun，DONG Bao-cheng，ZHAO Li-xin，CHEN Ling，GAO Xin-xing，LUO Juan（ Chinese Academy of Agriculture Engineering，Beijing 100125，China） Abstract： Anaerobic digestion technical is regarded as an important sustainable method to use agricultural wastes environmentally friendly and produce cleaning energy in present situation of greenhouse emission and fossil shortage． Two phase anaerobic digestion process for solid organic waste has expansive usage with no extra waste liquid． It’s suitable of effective utilization for large quantity of excrement，crop straws and rural rubbish． This paper reviews the two-phase anaerobic digestion process at home and abroad，especially for solid materials． The emphases were put on raw materials，acidifications and their coordinations． Key words： solid organic waste； two-phased anaerobic digestion process； study progress
针对不同物料特性，国内外学者根据各种高效 厌氧反应器的特点，在产酸相和产甲烷相匹配协调 方面做了大量研究。根据产酸菌和产甲烷菌的不同 生理特点，将两相相对分开，借助产酸发酵细菌的水 解、产酸发酵作用，加速固态物料的降解，并分阶段 将固体反应器中的渗滤液进行收集调质后进入液体 反应器，不仅提高固态物料降解率，而且稳定了进入 液相的有机酸成分和浓度，有利于提高产甲烷细菌 的产气效果。根据原料不同，两相工艺的研究目的 也不同，以工业污水处理为原料的两相工艺，通过两 步处理，可进一步加大 COD 去除率，实现污水达标 排放； 而以固态物含量较高的有机物料，侧重研究传 统单相工艺难以解决的酸累积问题，以及如何减少 固态物料酸化水解需要的大量额外水问题。由于两 相厌氧消化工艺不仅解决了固态有机物料废弃造成 的环境污 染 问 题，而 且 产 生 了 额 外 的 清 洁 优 质 能 源—沼气，因 此，近 年 来 逐 步 成 为 研 究 的 热 点。 诸 如： 为处理水果蔬菜的混合废弃物，Viturtia 等［12］设 计了水解酸化反应器串联一个产甲烷反应器（ UASB + AF） 的批式进料两相厌氧消化试验，得出了最佳 的滤膜孔径和容积比例，并研究了水力停留时间、回 流率及连续进料对两相系统的影响。Yu 等［13］利用 一个 8 m3 的固体床和两个 190 L 的上流式厌氧滤 池系统，对青草废弃物进行批式处理。美国加州大 学戴维斯分校 Zhang Ruihong 教授等［10］对餐厨垃圾 两相厌氧消化工艺进行了大量的研究和开发，综合 考虑了物料特性、水力滞留时间、反应器体积及投资 成本与操作复杂程度等因素，开发了固、液反应器个 数比为 4∶ 1 的厌氧分段固体床反应系统（ APS － digestion system） ，固体产酸阶段以产 CO2 和 H2 为主； 液体产甲烷阶段以产 CO2 和 CH4 为主。重庆大学 国家“十五”攻关课题组［21］提出了城镇有机垃圾序 批式水 解 － UASB 组 合 工 艺，分 别 采 用 产 甲 烷 相
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（ APS － digestion system） 进 行 了 大 量 的 研 究 和 开 发［10］； Bouallagui 对水果蔬菜垃圾进行了两相处理 的研究，两相反应器由两个序批式厌氧反应器（ ASBR） 组成［11］； Viturtia 等设计了水解酸化反应器串联 一个产甲烷反应器（ UASB + AF） 进行批式进料两相 厌氧消化试验，研究了两相系统中水解酸化阶段和 产甲烷阶段的 VFA 变化趋势、去除率、产甲烷相的 VFA 负荷浓度以及乙酸百分比的变化趋势［12］； Yu 等（ 补年份） 利用一个 8 m3 的固体床和两个 190 L 的上流式厌氧滤池对青草废弃物进行批次处理［13］。 此外，还 有 Myungyeol Lee［14］，G N Demirer 和 S Chen［15］等均对两相厌氧消化工艺进行了研究。 2． 2 国内研究现状
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刘海庆、李文哲、吴志清等［24 ～ 25］研究了牛粪两 相系统中温度对水解酸化阶段的影响，得出最佳酸 化温度为 35℃ ，而且较低的底物质量浓度有利于酸 化率的提高。Sandhya［26］研究了菠萝固体废弃物在 水解反应器中 pH 和起始 VFA 浓度对产酸性能的影 响，pH 值处在 6 ～ 7 之间时产生最大 VFA，在中性条 件下，起始 VFA 浓度对酸的产生和产气量等没有明 显差别。任南琪等［27］在实验室模拟条件下研究得出两 相反应中乙酸的产生速度是水解反应的限速步骤。 3． 3 匹配协调研究
3 固态物料两相厌氧消化工艺的研究进展
固态物料两相厌氧消化工艺是以畜禽粪便、农 作物秸秆等有机固体废弃物为主要发酵原料，固态 物料分别在固体反应器和液体反应器中进行水解酸 化和产甲烷，液体反应器中的沼液通过喷淋、浸泡等 方式回流至固体反应器，同时，固体反应器的渗滤液 回收后进入液体反应器，通过固相酸化液和液相沼 液的循环回流实现两相匹配协调。这样，不仅可以 缓解固相酸 抑 制，增 强 传 质 传 热，同 时 沼 液 循 环 利 用，不外排，解决了沼液难以消纳的问题，降低了运 行能耗，从根本上实现农业有机废弃物的无害化处
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固态物料两相厌氧消化工艺的研究进展
万小春，董保成，赵立欣，陈 羚，高新星，罗 娟
（ 农业部规划设计研究院，北京 100125）
摘 要： 随着全球气候变暖及化石能源的日益紧缺，厌氧消化制沼气技术在世界范围内日益受到重视。固态物料 两相厌氧消化工艺由于整个反应系统没有外排废液，克服了单相发酵工艺及传统两相厌氧消化工艺的缺点，适宜 我国资源丰富的畜禽粪污、农作物秸秆及农村生活垃圾等废弃资源高效处理及能源化利用。本文综述了国内外两 相厌氧消化工艺及固态物料两相厌氧消化工艺的研究进展，尤其是固态物料两相厌氧消化工艺在发酵原料、产酸 规律及匹配协调等方面的研究进展。 关键词： 固态物料； 两相厌氧消化工艺； 研究进展 中图分类号： X7； S216． 4 文献标识码： A 文章编号： 1000 － 1166（ 2011） 06 － 0020 － 04
作为可再生的清洁能源，沼气工程在我国的发 展已有较长时间。从两相厌氧消化工艺的提出到 20 世纪 80 年代，该工艺主要用于高浓度有机污水 处理。同济大学的俞汉青和俞亚明于 1998 年对有 机废水中微生物酸化和间歇厌氧消化过程中基质的 降解规律进行了研究，建立了有机物去除负荷率与 水力停留时间的相关模式［16 ～ 17］。90 年代以来，研 究原料从常规的有机废水向固体废弃物等更广的领 域扩展。针对不同物料，开发新型高效两相厌氧消 化工艺成为新的研究方向。西北农林科技大学张莉 平对城市污泥进行了两相和单相厌氧消化工艺的比 较研究，发现两相的 COD 去除率、产气速率和产气 量均优于单相［18］。近年来，随着卫生防疫要求的逐 步提高，养殖场与农村集中居住区的距离越来越远， 为解决农村居民集中供气问题，必须拓展沼气发酵 原料来源。一些研究部门对以农作物秸秆为主要发酵 原料的沼气工艺进行了深入研究，开发出了多种以农 作物秸秆为主要发酵原料的两相厌氧消化工艺［19］。
1 引言
厌氧消化技术在处理有机废弃物过程中能耗 低、效率高，同时能生产新能源，因此，被认为是最可 持续 发 展 的 技 术 之 一。 目 前，国 内 外 通 常 采 用 CSTR 和 USR 等单相厌氧消化工艺处理农业有机废 弃物。与以上工艺相比，两相厌氧消化工艺通过分 离产酸相和产甲烷相，从而为两类微生物菌群分别 提供最佳生长环境，从而可提高整个系统厌氧消化 效率［1 ～ 2］。从厌氧消化机理上，两相厌氧消化工艺 比传统单相厌氧消化工艺具有更加优越的微生物代 谢及生长 条 件，废 物 处 理 能 力 得 到 相 应 提 高［3 ～ 5］。 本文综述了国内外两相厌氧消化工艺及固态物料两 相厌氧消化工艺的研究进展，尤其是固态物料两相 厌氧消化工艺在发酵原料、产酸规律及匹配协调等
在固态 物 料 两 相 厌 氧 消 化 中，挥 发 性 脂 肪 酸 （ VFA） 是评价固体产酸反应器状态的重要指标之 一。高浓度 VFA 会导致 pH 下降，同时抑制水解酸 化和产甲烷过程，导致反应失败。为此，众多学者研 究了 VFA 的转化规律以提高产酸相的水解酸化效 率。Bouallagui［11］对果蔬废弃物进行两相厌氧消化 处理，结果表明，VFA 的产生随着有机污染负荷的 增大 而 增 大，当 负 荷 为 10． 1 kgCOD · m － 3 d － 1 时， VFA 达到最大，为 13． 3 g·L － 1 ； 结果表明通过两相 分离不仅实现了高的系统稳定性，而且 COD 去除率 达到 96% 。Viturtia 等［12］研究了两相系统中水解酸 化阶段的 VFA 变化趋势和降解率，以及产甲烷阶段 的 VFA 负荷浓度。
方面的研究进展。
2 国内外两相厌氧消化工艺的研究进展
2． 1 国外研究现状 20 世纪 50 年代，国外开始对两相厌氧消化工
艺开展研究。1958 年，Babbitt 和 Bauman 首次提出 沼气 发 酵 可 分 段 进 行［6］。 1971 年，美 国 戈 什 （ Ghosh） 和波兰特（ Pohland） 等通过研究工业有机废 水的处理 而 开 发 出 了 两 相 厌 氧 消 化 工 艺［7］。 随 着 对厌氧消化机理研究的不断深入和微生物学的发 展，20 世纪 90 年代后，国外开始研究畜禽粪便中两 相厌氧发酵的产沼气效果，结果显示，通过控制两相 的 pH 值、有机负荷和水力停留时间等相关因素，实 现了两相的良好分离［8 ～ 9］。美国加州大学戴维斯分 校 Zhang Ruihong 等 对 厌 氧 分 段 固 体 床 反 应 系 统
理和资源的循环利用。近年来，诸多科研人员对发 酵原料、产酸规律、产酸产甲烷匹配协调等进行了大 量研究。 3． 1 发酵原料
目前，各国学者已对蔬菜、稻草、秸秆、香蕉茎、 苹果渣、茶叶渣、厨余和庭院废弃物、粪便混合物、固 体有机垃圾等十余种固体原料进行了两相和单相的 厌氧消化研究，其中 G N Demirer 和 S Chen［15］对牛 粪两相工艺研究得出： 两相分离为产酸菌和产甲烷 菌提供了较佳的生长条件，提高了有机负荷率，降低 了水力停留时间，提高整个反应系统的处理效率和 稳定性。Bouallagui［20］以果蔬废弃物为原料，研究了 物料配比 对 两 相 处 理 效 果 的 影 响，得 出 混 合 原 料 C / N在 22 ～ 25 之 间 时 处 理 效 果 最 优。Myungyeol Lee 等［14］对 活 性 污 泥 和 厨 余 垃 圾 混 合 物 在 中 温 35℃ ，高温 55℃ 和 65℃ 下进行了两相消化对比研 究，发 现 产 酸 反 应 器 物 料 降 解 速 率 以 65℃ 最 高， 55℃ 次之，35℃ 最低。刘广青［12］等对厨余和杂草废 弃混合物料进行两相研究，得出两相厌氧消化系统 污染负荷高、产气稳定、周期短，是处理有机固态废 弃物的有效 方 法。 罗 伟［21］ 对 城 镇 有 机 垃 圾 进 行 两 相厌氧消化研究，得出两相反应系统沼气产量远高 于常规厌氧 反 应 器 的 结 论。 卞 永 存［22］ 对 农 作 物 秸 秆两相工艺的研究得出，若能将秸秆和其它有机废 弃物混合 发 酵，有 利 于 提 高 混 合 物 料 水 解 酸 化 率。 张爱军等［23］对秸秆、垃圾等有机固体废物进行两相 厌氧消化处理，得出有机固体废弃物由于含有大量 木质素和纤维素等难降解成分，通过汽爆预处理方 式能够加快分解速度，提高处理效率。 3． 2 产酸规律研究