有机固体废物厌氧消化技术现状研究及前景分析

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，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。该技术可按固体浓度大小被分为低固体厌氧消化技术和高固体厌氧消化技术，前者应用范围广，但费用昂贵，后者的广泛运用受技术限制，但能产生可观的经济效益。总体而言，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;现状;前景

Research on Anaerobic Digestion Technology of Organic Solid Waste

and Prospect Analysis

Li Ruyi

School of Environment Tsinghua University Beijing 100084

Abstract：Anaerobic digestion technology is one of the important channels for the treatment and recycling of organic solid waste.It can degrade the large molecules of organic matter in the waste into small molecules through the threestage anaerobic decomposition of microorganisms，and generate biogas that can provide energy.The technology can be divided into low solid anaerobic digestion technology and high solid anaerobic digestion technology according to the solid concentration，the former is widely used but expensive，while the latter is widely used but can produce considerable economic benefits.In general，after the disposal and management of solid waste is properly solved，anaerobic digestion technology can effectively improve the material recovery efficiency and has a broad prospect.

Keywords：Anaerobic digestion technology;organic solid waste; principle and technology; the status quo; prospect

1 绪论

有机废物厌氧消化处理技术历史悠久[1]，人们在早期利用禽畜粪便和农业废物厌氧发酵，释放甲烷用于产生热能。20世纪中叶，全球对一次能源的需求量激增，煤、石油、天然气等化石能源的价格疯长。为解决供应问题，许多国家开始寻找新的替代能源，这使得厌氧消化处理有机废物的优势越发突出[2]，需要重点关注厌氧消化技术的原理、工艺流程和技术方案以及评估其效益和应用前景。

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[3]，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，涉及的微生物種类繁多，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[4]。20世纪上半叶，在学术界中流行的是厌氧消化的二阶段论，即粗略地将此复杂的过程分为产酸和产甲烷两个过程。半个世纪后，有科学家对二阶段理论作了补充和修正，由此产生了更广为人接受的三阶段理论，强调了产氢产乙酸菌在此过程中的关键地位[5]。

厌氧消化反应的三阶段理论可概括如下：第一阶段，在无氧条件下，通过厌氧或兼性厌氧微生物将大分子有机物（如糖类、蛋白质和脂质）转化为小分子化合物的分解过程，以有利于微生物的吸收和利用。常通过微生物厌氧呼吸或发酵来实现。实现该分解过程需要先通过与好氧分解类似的消化作用，再通过发酵性细菌，产生脂肪酸、醇类等物质。第二阶段，在产氢产乙酸细菌的作用下将第一阶段产生的物质进一步转化为乙酸、氢气和二氧化碳。在第三阶段中，产甲烷细菌将第二阶段的产物转化为甲烷，并产生能量[6]。厌氧消化反应的具体原理过程如下图所示。

厌氧消化的生物化学原理图

2.1.1 产酸发酵阶段机理

产酸发酵阶段的微生物将糖类、脂肪、蛋白质等物质通过生物降解作用转化为稳定的中间产物，它们以有机脂肪酸为主。该过程的主要作用菌群包括芽孢杆菌、拟杆菌等严格厌氧菌，它们将糖类通过糖酵解途径转化为丙酮酸，进而产生各种有机含羰基的化合物;将氨基酸通过氧化还原脱氮反应，去除其中的氨基;对于脂肪酸，饱和脂肪酸直接或不饱和脂肪酸加氢后在β氧化反应链的作用下，依次脱去两个碳原子，最终自发形成乙酸、丙酸等有机发酵产物[7]。在此以葡萄糖、丙氨酸和甘氨酸、十七碳脂肪酸为例说明生物降解过程：

2.1.2 产氢产乙酸阶段机理

第二阶段的厌氧微生物将产酸发酵阶段的产物转化为更简单的有机酸、氢气和二氧化碳等物质，其中较为常见的有机酸为乙酸。研究表明[8]，在标准条件下，乙醇、丁酸和丙酸不易被降解为丁酸，只有在能够利用氢、系统中氢气的分压较低的前提下，吉布斯自由能才会变为负值，反应自发进行，这一过程离不开产氢产乙酸菌及后一阶段的产甲烷菌的协同作用。此外，同型产乙酸菌可以将二氧化碳转化为乙酸，并利用环境中的氢离子，上述反应的具体过程如下：

CH3CH2COO-+3H2O→CH3COO-+H++HCO3-+3H2

HCO3-+4H2+H+→CH3COO-+H2O

2.1.3 产甲烷阶段机理

在这一阶段，绝对厌氧的产甲烷菌把产氢产乙酸阶段的产物进一步转化为甲烷和二氧化碳，这一步是厌氧消化反应的决速步，标志着有机固体废物稳定化的开始[1]。产甲烷菌的主要类群有索式甲烷丝菌、巴氏产甲烷八叠球菌等，它们能将利用乙酸、氢气分别产生约70%和30%的甲烷[4]。化学反应方程式如下：

利用乙酸：CH3COOH→CH4+CO2

利用H2和CO2：4H2+CO2→2CH4+2CO2

2.2 厌氧消化影响因素

上述三个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[9]，底物因素和环境因素都可能影响反应的进行。

2.2.1 底物因素

Kayhanian[10]的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，三阶段过程的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%[11]。

2.2.2 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。三个阶段的所有微生物都有一个最适于生命活动的温度，在低于此温度的范围内，随着温度的升高生长速率逐渐上升，达到极大值后，生长速率又会随温度而下降。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。Veeken等[12]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，并发现在20℃时该常数在0.03～015/d的范围内，而到40℃时提高了近2倍，而随着温度的升高，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，厌氧消化过程需要一个稳定的pH范围，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[1314]，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。

3 厭氧消化工业流程和技术方案

目前国内外广泛应用的厌氧消化处理工艺众多，根据废物中有机固体浓度的大小可以分为低固体厌氧消化技术和高固体厌氧消化技术;根据反应的级数可以分为单相厌氧消化工艺和两相厌氧消化工艺，其中后者将厌氧消化过程单独在两个反应器中进行，为三阶段的不同细菌种群提供了各自所需的适宜生长条件，推动了反应的高效、有序进行;根据运行的连续程度可以分为连续和间歇的厌氧消化工艺;根据厌氧消化微生物适宜的温度范围可以将其分为中温和高温消化[15]。在此重点介绍按固体浓度区分的低固体厌氧消化技术和高固体厌氧消化技术。

3.1 低固体厌氧消化技术

低固体厌氧消化技术的固体浓度小于等于4%～8%，应用的原料常常是人畜粪便、农业废物和生活垃圾[1]。在运用此项工艺时，固体废物应先进行破碎，并加入适量的水进行稀释，使得固体浓度满足要求，并需要在后续处理中脱水[16]。按流程与步骤而言，在分拣及缩小粒径后，需要调节系统中的营养物质浓度、控制适宜的温度和pH条件使反应进行，在产生一定量沼气后将其收集和存储，最后对污泥进行处置和分离。为保证废物具有较高的黏度，低固体厌氧消化技术对设备有严格的要求，并需要及时补充氮元素和无机盐，以保障小型生态系统的稳定性，操作烦琐且成本较高[17]。

3.2 高固体厌氧消化技术

高固体厌氧消化技术又称干法厌氧消化工艺，即保持固体废物的总固体含量大于22%，仅仅对固体浓度大于60%的物料才进行稀释。与低固体厌氧消化技术相比，此项技术对物料的分拣要求不高，只需简单筛去粒径过大的固体颗粒，且不需要经过污泥脱水和消化处置等工作。高固体厌氧消化技术比低固体厌氧消化技术有更高的有机负荷率，单位时间产生的甲烷量更大，但由于需要处理的固体浓度更高，此项技术需要选择和衡量微生物的种类和数量、环境参数对产气效率的影响。目前，由于技术的限制，国内大规模的高固体厌氧消化工程较少，成熟的厌氧发酵工艺在国际上也应用不多，经过文献调研，典型的厌氧干发酵工艺可列举如下表。

4 厌氧消化技术的前景展望

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。

4.1 发展现状

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[2]。由于固体废物不可避免地含有或携带有害物质，具有资源可利用性和环境危害性的双重属性，如果不能得到回收利用、变废为宝，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的固体废物，其有机物含量可降低30%～50%[1]，最终降低对环境的危害。因此，促进厌氧消化处理技术的广泛应用对节约能源、保护环境都有着不可忽视的作用。

通过不同厌氧消化技术处理固体废物，最终将其中的可回收物质再利用，可以达到固体废物的资源化、无害化和减量化处理，将垃圾变废为宝，具有可观的经济效益。孙艳的研究表明[21]，以我国的处理技术，每吨的城市生活垃圾可以产生100～150m3的沼气。李玉春等对北京市2008年的生活垃圾及厨余垃圾进行估算，发现当年生活垃圾产量为673万吨，而厨余垃圾约占五分之二。厨余垃圾有机物含量高、可供生物降解的物质浓度高，与一般生活垃圾相比可产生更多的沼气。总体而言，2008年北京市通过厌氧消化处理过程可以从生活及厨余垃圾中获得近5亿m3的沼气，产生近8亿kW·h的电。此外，该过程的污泥、污水等产物还可以作为肥料和饲料进行农业生产，提高了物质的利用率。

然而，由于传统的厌氧消化技术的处理过程是将垃圾直接堆放，而在漫长的处理周期中，固体废物占地面积大、与土壤、空气和水的接触时间长，可能对环境介质造成二次污染。研究表明，消化过程废水中的COD和氨氮浓度高于微生物适宜生长的范围，且容易累积重金属，若将发酵产品作为商业化原料可能最终对人体健康造成不利影响[22]。为了防止上述不良后果的产生，我国还应改善垃圾的管理体制和优化厌氧消化技术。

4.2 分析与建议

针对目前厌氧消化技术面临的二次污染和发酵工艺问题，可以提出如下建议：

（1）根据固体废物组成特性调整厌氧消化处理设备和工艺[23]。一些固体废物种类如餐厨垃圾，其理化性质可能会对环境造成更大的危害，而一般可回收垃圾更具环境友好性，对于不同的垃圾种类应使用不同处理设备和工艺，可以在产生沼气的同时适当提高或降低减毒力度，从而保障产生污泥和污水的无害化。

（2）采用厌氧和好氧的组合工艺处理固体废物中的有害物质，提高沼气的产生效率[24]。好氧分解是在有氧气存在的条件下，由好氧生物将环境中的有机大分子化合物转化为小分子物质的分解过程，常通过微生物的好氧呼吸来实现。与厌氧分解相比，有机物的好氧分解的有机物降解速率快、更彻底，能量的利用率高，菌体的合成系数大、速率快，使得更大比例的物质能转化为菌体，因此可以更快速地降解污染物，产生更具价值的气体。

（3）更合理和系统地配置厌氧消化的环境，调节营养物质配比。资料表明[11]，可以利用控制磷元素在反应体系中的含量来达到污泥减量化的效果，而低浓度（0.2～0.4mmol/L）的硫酸盐可以促进某些产甲烷细菌的生命活动。对于微量元素而言，增加铁元素的投入量可以使某些产甲烷菌主导系统的污泥的产气量翻倍，缺乏锌、铜、锰等微量元素的厌氧消化系统无法产生甲烷气体[11]。Lay等[14]指出产甲烷速率最高的pH范围出现在中性偏碱性的范围内，因此控制反应条件十分关键。

5 结语

厌氧消化技术以资源化为导向，不仅可以有效降低废物中可生物降解有机质的浓度，也能使其中可回收利用的物质转化为沼气以再利用。国内外關于该项技术的基本原理、工艺流程和技术手段已有了众多的研究，尽管面临着二次污染等挑战，在解决好固体废物管理系统的确立和完善问题后，厌氧消化技术前景广阔，产生了可观的环境和经济效益。

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作者简介：李如意（2000— ），女，汉族，四川德阳人，本科，学生，研究方向：环境工程。