有机固体废物厌氧消化技术

有机固体废物厌氧消化技术

黄琦

（重庆交通大学，重庆 400074）

摘要：厌氧消化技术是有机固体废物处理与资源化的重要渠道之一，长期用于处理有机固体废弃物，在这一技术之下，可以实现对有机固体废弃物的污染防治和综合性的利用，具有双重治理的意义和作用，代表了未来有机固体废弃物处置的方向和趋势。能够通过微生物的三阶段厌氧分解，将废物中的大分子有机物降解为小分子物质，并产生可提供能源的沼气。在妥善解决固体废物的处置与管理问题后，厌氧消化技术可以有效地提高物质的回收利用率，前景广阔。

关键词：厌氧消化技术；有机固体废物；原理与工艺

0引言

有机固体废弃物含水率较低，具有可以生化的降解性，它蕴含有大量的生物质能，这些生物质能可以在有效的厌氧消化技术运用之下，得到有效的利用。厌氧消化因具有高有机负荷、低成本、低能耗和产沼气的特性，而受到学者们的关注[1-2]。现实中，也已经有一些利用厌氧消化技术处理餐厨垃圾、市政污泥和农田废弃物的报道[3-5]。

可见，运用有机的固弃物厌氧消化技术对于环境的绿色环保具有可以预见的作用。我们可以运用较多的有机固体的废弃物处置方式，而生物技术处置方式具有明显的、不可替代的优势，我们需要加以系统的研究。

1有机固体废物处理现状分析

有机固体的废物进行处置的方式很多。对于城市的固体废物而言，目前的处置方式主要有卫生填埋、焚烧、堆肥，同时也可以采用厌氧发酵、热解的方式加以处置。

近几年，欧洲的很多国家都把目光转为了厌氧消化的方式,，积极的修建有机的固废厌氧消化处理厂，而在我国将厌氧消化技术用于处理固体废物的例子还较少。

2厌氧消化原理

厌氧消化过程就是在一定的厌氧条件下，有机物质被微生物分解，将碳素物质转化为两种温室气体——二氧化碳和甲烷的过程。在这个过程中，底物的大部分能量仍然以有机物的形式储存在沼气中，只有一小部分的碳素氧化成了二氧化碳[6]，微生物借此发酵过程获得生命活动所必需的物质和能量。

2.1 厌氧消化产生沼气的途径

由于厌氧发酵的环境各有不同，涉及的微生物种类繁多，其中物质的代谢、转化与产生过程较为复杂，国内外对此做了大量研究，但仍有许多技术性的问题亟待解决[6]。

厌氧消化的过程经历了四个连续的反应过程：水解；产酸；产乙酸；产甲烷[7]。厌氧消化的效果取决于这四个阶段各种微生物的相互作用过程。在实际反应过程中，四个过程按照降解路径依次反应，同时进行有机废物的降解，不断产生沼气，直到将污染物质全部降解。

2.2水解产酸阶段

厌氧消化过程通常会遇到许多复杂的有机聚合物。这些复杂聚合物无法进入细胞中，在新陈代谢下进行直接降解。在这个过程中，不同的有机物会生成不同的降解产物。水解过后的产物，通常能够穿过细胞膜进入细胞中，从而进行下一步的反应。

不同的有机物质，其水解速率也不相同。提高水解的速率，能够显著加快厌氧消化的反应过程。但这种速率的加快，可能会导致不稳定的生化反应，使得后续反应过程产生一系列问题。

2.3 厌氧发酵产酸阶段

在产乙酸过程中，醇和短链挥发性酸可进一步分解为乙酸和氢。由于这两个过程的最终产物是酸，因此将这两个过程合并为产酸作用。不同pH 条件下进行的产酸反应中，VFA 的浓度会有很大波动。

相较于其他阶段而言，产酸阶段的反应速率明显快于其他任何阶段。因此，此阶段的反应速率对厌氧消化整体反应速率的影响并不大。研究表明，当产酸速率太快时，会导致pH下降过大，引发对产甲烷菌的抑制作用。

2.4 产甲烷阶段

最后，产酸阶段的产物在产甲烷菌的作用下，进一步转化为甲烷和二氧化碳。过高或过低的pH 都将导致产甲烷菌活性的下降，其最适pH范围介于6.5到7.5。除此之外，产甲烷微生物也是厌氧消化过程中最敏感的微生物群，如对于氧气的急性敏感性，使得其暴露在氧气中时，产甲烷微生物大量死亡。

3厌氧消化影响因素

上述厌氧发酵阶段往往在同一反应器中进行，一个阶段的产物可能被后一个阶段所利用，三种类型的反应存在一定的动态平衡，影响着反应的速度和完成程度[8]，底物因素和环境因素都可能影响反应的进行。

3.1 底物因素

研究发现不同的底物组成最终生物可降解性有很大差异，因为厌氧生物处理系统中，微生物完成生长、代谢活动需要充足的碳、氮、磷等元素及水和无机盐，如果营养物质不足，反应的稳定性和效率都有所降低。例如，在秸秆一类的微生物中，碳源由于纤维素的大量存在而十分丰富，而相对应的氮元素的含量较少，在补充氮源以达到合适的 C/N 比时，最终的沼气产量可以提升 65%[9]。

3.2 环境因素影响

厌氧消化过程的环境因素主要包括温度和pH。温度通过影响反应速率常数和半饱和常数来间接影响反应的进程。研究发现通过测定35℃下固体废物中六种组分的降解速率，计算得到了反应速率常数，随着温度的升高，反应的半饱和常数降低幅度大，反应更容易达到平衡。与此同时，产酸菌适宜的pH值范围宽，在5～8.5的范围内均可生长，而产甲烷菌的适宜pH范围较窄，仅在6.5～7.5之间

[10]，故为保证产气过程的正常进行，反应体系的pH应该严格控制。

4 厌氧消化技术的前景展望

厌氧消化技术作为充分利用生物质能的关键技术之一，在处理工、农废水、餐厨垃圾、一般生活垃圾和市政污泥中发挥着重要的作用。由于固体废物含有或携带有害物质，将会对环境造成污染，威胁人体健康和社会稳定，而通过厌氧消化处理，其有机物含量可降低，最终降低对环境的危害。

厌氧消化技术处理固体废物发展前景广大，其制约因素主要在发酵工艺和二次污染两方面，为更好地发挥该技术的环保和经济效益，还应对技术做出调整。

5 结语

厌氧消化是一种成熟的过程，用于生物处理各种工业过程中的有机废物流。它在工业上的广泛采用也促使从这些有机原料生产沼气。水解，产酸，产乙酸和产甲烷是整个过程中的关键步骤。

尽管已经积累了对基础科学的大量理解并提出了许多优化方面的创新，但仍然存在一些差距，阻碍了研究人员对厌氧消化基础的复杂过程的全面理解。未来的厌氧消化技术，例如与综合生物精炼概念有关的技术，将在满足环境保护和生物能源生产的高需求方面发挥重要作用。

参考文献

[1] 周俊，王梦瑶，王改红，等.餐厨垃圾资源化利用技术研究现状及展望[J].生物资源，2020，42（1）：87-96.

[2] 戴晓虎. 我国城镇污泥处理处置现状及思考[J]. 给水排水，2012，48（2）：1-5.

[3] 孟昭辉，吴凡松，郭婉茜，等.餐厨垃圾与剩余污泥处理现状及技术展望[J].中国给水排水，2013，29（10）：9-11.

[4] 张本月，赵洪颜，于海茹，等.玉米秸秆厌氧消化性能评价[J].环境科学与技术，2016，39（6）：70-74.

[5] 王凯军，王婧瑶，左剑恶，等.我国餐厨垃圾厌氧处理技术现状分析及建议[J]. 环境工程学报，2020，14（7）： 1735-1742.

[6] 陈庆今，刘焕彬，胡勇有． 固体有机垃圾厌氧消化处理的研究进展［J］． 中国沼气，2001( 03) : 3-8．

[7] 吴云． 餐厨垃圾厌氧消化影响因素及动力学研究［D］． 重庆大学，2009．

[8] 左壮． 蔬菜废弃物厌氧消化产酸特性及回流调控研究［D］． 中国农业大学，2014．

[9] 胡纪萃． 废水厌氧生物处理理论与技术［M］． 中国建筑工业出版社，2003．

[10] 张光明． 城市垃圾厌氧消化产酸阶段研究［J］． 三峡环境与生态，1996，020( 001) : 35-37．