餐厨垃圾厌氧消化工艺的影响与优化
0 引言
随着我国经济的快速发展，城市生活垃圾中以餐厨垃圾为主的易腐性有机物含量不断增加，造成的环境污染日益严重，成为可持续发展的隐患之一，引起了全社会的关注；而另一方面，餐厨垃圾有机质含量高、易生物降解的特性又为其能量回收利用提供了极好的条件。随着人民生活水平的日益提高和城市环境管理强度的加大，对餐厨垃圾实施专门管理势在必行，对餐厨垃圾进行减量化、无害化、资源化利用具有广阔的前景。餐厨垃圾厌氧消化技术完全能够达到上述要求，目前，国内外对这方面都有了较为广泛且深入的研究。
在此，从厌氧消化工艺选择、产甲烷性能优化和联合消化等3个方面，结合相关文献，分析目前国内外餐厨垃圾厌氧消化工艺的特点及研究进展，以期为餐厨垃圾厌氧消化产甲烷性能优化及我国工业化应用的研究方向提供一定借鉴。
1 工艺形式选择
1.1湿式与干式消化
湿式消化采用低固体的浆液或液态消化，技术相对成熟，应用最为广泛。但湿式消化对于有机固体废物的处理存在预处理复杂、处理能力较低的问题，且更易受到氨氮、盐份等物质的抑制。
针对湿式消化存在的问题，研究者提出了干式消化的概念。干式消化系统的固体浓度可维持在20%～40%，大大提高了处理能力，而且在系统投资、设备效率、物料综合利用等方面具有明显优势。但固体浓度的增加同时导致物料中毒性物质及传质的影响加强，在具体技术应用上尚存在较多的不确定性和难度。因此，干式消化工艺参数的确定、反应器的构建及过程的控制等方面是其研究的重点。
餐厨垃圾的含固率较高，一般在20%左右，且物料组成复杂，有机质含量高，极易酸化，从而对产甲烷菌活性产生抑制。采用干式厌氧消化，则餐厨垃圾易酸化的特点使如何控制反应器内的产酸速率和维持pH值的稳定成为工艺的难点；采用湿式消化，可降低物料中毒性物质的影响，但处理能力较低。所以，保持餐厨垃圾原有基质状态加以适当调理，在较为合适的含固率下进行厌氧消化处理，符合餐厨垃圾处理产业化的要求。
1.2单相与两相消化
单相消化过程简单，易于控制，但由于各阶段在同一条件下进行，无法实现各阶段的最佳反应条件，反应器在相互制约的条件下运行，难以实现较高的产甲烷效率。
为弥补单项厌氧消化的缺陷，GHOSH于1983年提出一种改进的两相消化过程来处理有机垃圾。该消化系统包括水解酸化反应器和产甲烷反应器2个部分，从而为2类微生物菌群分别提供适宜的生长环境，提高了整个厌氧消化的效率。
两相消化的重点在于相分离，因此，针对不同的废水(废物)，结合各种新型高效厌氧反应器的特点和运行参数控制进行产酸相和产甲烷相的组合以达到更好的处理效果成为新的研究方向。近年来，基于两相消化的半连续式固液混合厌氧系统(hybrid anaerobic solid-liquid，HASL)和三段式消化系统(three stage fermentation system)在实际运用中得到了较好的运行效果，并在进一步的研究和优化中。
1.3中温与高温消化
目前，中温和高温消化各有其优势：中温消化较早应用于实际工程中，具有较低的能耗、较高的处理能力及更为成熟的工艺控制，而且有研究发现中温消化对温度变化有较强的适应性；而高温消化则具有处理负荷高、反应时间短和反应器容积小等优点，且高温条件可有效杀灭病原菌、降解有机物，并能降低后续处理中污泥脱水的难度。但高温消化对环境有更为苛刻的要求。因此，高温消化过程的稳定性及条件优化成为目前研究的热点之一。
然而，厌氧消化的保温能耗是整个工艺的主要能耗之一，如何在保证其产甲烷性能的前提下，降低能耗，也是今后研究的方向之一。
2 餐厨垃圾厌氧消化产甲烷性能优化
2.1预处理
厌氧消化的预处理一般是对物料进行热预处理。近年来，STABNIKOVA从餐厨垃圾处理的实际情况出发，将餐厨垃圾进行冰冻/解冻预处理，发现其水解和发酵过程得到了强化，且使得序批处理时间减少了42%，能量需求比同等热预处理少3倍。
此外，研究人员对物料进行了物理、化学、生物溶胞预处理研究。溶胞预处理可破坏细胞膜(壁)使细胞内物质流出，增加可溶性COD，使微生物易于粘附，有利于酶作用，从而促进底物的消化。
餐厨垃圾中含有纤维素，在其含量较多时，可考虑采用溶胞预处理的方式，促进物料的消化，从而提高厌氧消化系统产气效率。此外，针对餐厨垃圾高油脂、高油份的特性，研究适合餐厨垃圾厌氧消化的预处理方法同样重要。
2.2添加剂投加
在厌氧消化工艺中，微量金属元素的加人能使厌氧反应器中甲烷菌的优势菌种发生变化，从而提高乙酸利用率，并对毒性物质产生拮抗作用。潘云锋等研究发现：在其他条件相同的条件下，投加Fe，Co，Ni等痕量金属离子比没有投加的系统产气量、甲烷含量及COD去除率均有不同幅度的提高，同时还有利于缩短停留时间并减小发酵罐的体积。
王星等评价了各类矿物材料对含盐餐厨垃圾厌氧消化的促进影响，其中膨润土的促进作用最大。这是因为膨润土对Na于具有良好的吸附性能并能释放大量的Ca2+，M2+，从而改变细胞的通透性，使微生物选择性的吸收自身所需要的养分。
餐厨垃圾厌氧消化过程中投加适当的添加剂，可有效提高系统产甲烷性能，同时也会增加相应的运行费用，该措施在工程运用中的可行性仍需进一步研究。
2.3消化液回流
当系统中出现抑制作用时，将消化液回流可缓解抑制作用。王星等研究了消化液回流比与有机负荷率(organic loading rate，OLR)对餐厨垃圾厌氧消化的联合影响，结果表明当系统处于低水平OLR时，可逐步提高消化液回流比以促进消化过程的进行；当系统处于高水平OLR时，回流比的选择应以低水平为宜。
此外，不同阶段反应器中的消化液进行交换对产甲烷性能的影响也有相关研究。DEARMAN等将启动和成熟的序批式厌氧反应器消化液以不同比例交换回流，结果表明随着2套反应器中消化液的增加，物料的降解时间缩短，但总产甲烷量并无明显变化，每千克进料VS的甲烷产量在229～214L之间，不过由于启动装置中高浓度挥发性脂肪酸(VFA)渗滤液的增加，成熟装置中CO2和甲烷混合物发生了改变。
2.4工艺条件优化
厌氧消化反应中生物相和反应环境相对好氧反应更为复杂，要提高工艺产甲烷速率，则须在原有的厌氧消化条件下，更深入地细化、优化工艺条件，以达到理想的产甲烷状态。
2.4.1物料成分组成
CHO等对不同餐厨垃圾成分及混合物(mixed food waste，MFW)进行产气潜能研究，测量其生化产甲烷潜能(biochemical methane potentials，BMP)。研究发现熟肉食品、纤维素、米饭、蔬菜、MFW的每千克进料VS的甲烷产量分别为482，356，294，277和472mL。由此可看出，餐厨垃圾中肉类对提高产甲烷量有着重要的作用，同时肉类降解所产生的氨氮、VFA对于产甲烷系统的平衡有着重要的意义，因此需要找到控制的平衡点。厌氧消化系统中微生物相复杂，对于氨氮、VFA的平衡关系主要从系统pH值上直接体现。因此，可通过实验研究氨氮、VFA与pH值的变化关系，从而为工业应用的运行控制做相应的参考。
2.4.2 pH值
厌氧消化过程中的pH值不但对产甲烷菌的活性及种类有重要影响，对产酸相也有影响。产酸相中VFA作为后续产甲烷过程中产氢产乙酸菌和产甲烷菌可直接利用的基质，利于甲烷的产生；而乳酸不但能够引起水解酸化阶段pH的急剧下降，且极可能在产甲烷阶段转化为丙酸，将不利于产氢产乙酸过程的正常进行。因此希望能利用各种方法尽量减少乳酸在水解酸化阶段的产量。
张波等发现，采取不同方式调节pH值，VFA组分有所不同。其中，通过调节进料m(C):m(N)来调节餐厨垃圾水解酸化过程的pH值，可取得更高的水解速率常数和VFA产率，并且在实验后期产生更低的乳酸浓度。对于m(C):m(N)调节pH值对氨氮浓度的变化影响未有提及，因此，可在后续的研究中与系统氨氮、VFA平衡关系相联系，进一步地来考察m(C):m(N)调节pH值对整个厌氧消化过程的影响。
2.4.3颗粒粒度
研究人员发现颗粒粒度减小可使比表面积增大，一方面提高纤维素的可生化性，加大产气量，使垃圾的减量化程度提高；另一方面减少有机废物消化的时间。KIM等研究了餐厨垃圾的颗粒粒度对基质利用率的影响，结果表明：当餐厨垃圾颗粒尺寸由1.02mm增加到2.14mm时，基质最大利用率由0.0033/h降至0.0015/h。这证明了颗粒粒度在餐厨垃圾的厌氧消化过程中是一个重要的影响因素。
2.5抑制物控制
高浓度的抑制物是厌氧反应器失衡的最初原因。厌氧反应器中的抑制因素通常包括氨氮、硫化物、金属离子和有机物。
氨氮的抑制性浓度，各研究者有着不同的观点，一般质量浓度在1.7～14g/L范围的总氨氮(total ammonia nitrogen，TAN)浓度会对厌氧消化产生抑制作用，这与研究的反应器环境和微生物驯化不同有关。对于氨氮抑制性的控制大致可从浓度、pH值、温度、其他离子的存在及环境适应性上着手。
对于硫化物毒性的控制，主要是降低产甲烷阶段溶液中H2S的浓度。其途径有提高pH值、利用高温、稀释废水、采用钼酸盐抑制剂、气体吹脱、化学沉淀、两相厌氧消化等。
适量的碱金属有助于厌氧微生物的生命活动，可刺激微生物的活性；但含量过多，则会抑制微生物的生长。KIM等在研究过程中发现：当Na+的质量浓度超过5000mg/L的时候，餐厨垃圾厌氧消化的甲烷产量逐渐降低。重金属对细菌的毒害作用主要是由溶解成离子状态的重金属所致，若可溶性重金属与硫化物结合形成不溶性盐类，则对微生物无恶毒影响。
2.2添加剂投加
在厌氧消化工艺中，微量金属元素的加人能使厌氧反应器中甲烷菌的优势菌种发生变化，从而提高乙酸利用率，并对毒性物质产生拮抗作用。潘云锋等研究发现：在其他条件相同的条件下，投加Fe，Co，Ni等痕量金属离子比没有投加的系统产气量、甲烷含量及COD去除率均有不同幅度的提高，同时还有利于缩短停留时间并减小发酵罐的体积。
王星等评价了各类矿物材料对含盐餐厨垃圾厌氧消化的促进影响，其中膨润土的促进作用最大。这是因为膨润土对Na于具有良好的吸附性能并能释放大量的Ca2+，M2+，从而改变细胞的通透性，使微生物选择性的吸收自身所需要的养分。
餐厨垃圾厌氧消化过程中投加适当的添加剂，可有效提高系统产甲烷性能，同时也会增加相应的运行费用，该措施在工程运用中的可行性仍需进一步研究。
2.3消化液回流
当系统中出现抑制作用时，将消化液回流可缓解抑制作用。王星等研究了消化液回流比与有机负荷率(organic loading rate，OLR)对餐厨垃圾厌氧消化的联合影响，结果表明当系统处于低水平OLR时，可逐步提高消化液回流比以促进消化过程的进行；当系统处于高水平OLR时，回流比的选择应以低水平为宜。
此外，不同阶段反应器中的消化液进行交换对产甲烷性能的影响也有相关研究。DEARMAN等将启动和成熟的序批式厌氧反应器消化液以不同比例交换回流，结果表明随着2套反应器中消化液的增加，物料的降解时间缩短，但总产甲烷量并无明显变化，每千克进料VS的甲烷产量在229～214L之间，不过由于启动装置中高浓度挥发性脂肪酸(VFA)渗滤液的增加，成熟装置中CO2和甲烷混合物发生了改变。
2.4工艺条件优化
厌氧消化反应中生物相和反应环境相对好氧反应更为复杂，要提高工艺产甲烷速率，则须在原有的厌氧消化条件下，更深入地细化、优化工艺条件，以达到理想的产甲烷状态。
2.4.1物料成分组成
CHO等对不同餐厨垃圾成分及混合物(mixed food waste，MFW)进行产气潜能研究，测量其生化产甲烷潜能(biochemical methane potentials，BMP)。研究发现熟肉食品、纤维素、米饭、蔬菜、MFW的每千克进料VS的甲烷产量分别为482，356，294，277和472mL。由此可看出，餐厨垃圾中肉类对提高产甲烷量有着重要的作用，同时肉类降解所产生的氨氮、VFA对于产甲烷系统的平衡有着重要的意义，因此需要找到控制的平衡点。厌氧消化系统中微生物相复杂，对于氨氮、VFA的平衡关系主要从系统pH值上直接体现。因此，可通过实验研究氨氮、VFA与pH值的变化关系，从而为工业应用的运行控制做相应的参考。
2.4.2 pH值
厌氧消化过程中的pH值不但对产甲烷菌的活性及种类有重要影响，对产酸相也有影响。产酸相中VFA作为后续产甲烷过程中产氢产乙酸菌和产甲烷菌可直接利用的基质，利于甲烷的产生；而乳酸不但能够引起水解酸化阶段pH的急剧下降，且极可能在产甲烷阶段转化为丙酸，将不利于产氢产乙酸过程的正常进行。因此希望能利用各种方法尽量减少乳酸在水解酸化阶段的产量。
张波等发现，采取不同方式调节pH值，VFA组分有所不同。其中，通过调节进料m(C):m(N)来调节餐厨垃圾水解酸化过程的pH值，可取得更高的水解速率常数和VFA产率，并且在实验后期产生更低的乳酸浓度。对于m(C):m(N)调节pH值对氨氮浓度的变化影响未有提及，因此，可在后续的研究中与系统氨氮、VFA平衡关系相联系，进一步地来考察m(C):m(N)调节pH值对整个厌氧消化过程的影响。
2.4.3颗粒粒度
研究人员发现颗粒粒度减小可使比表面积增大，一方面提高纤维素的可生化性，加大产气量，使垃圾的减量化程度提高；另一方面减少有机废物消化的时间。KIM等研究了餐厨垃圾的颗粒粒度对基质利用率的影响，结果表明：当餐厨垃圾颗粒尺寸由1.02mm增加到2.14mm时，基质最大利用率由0.0033/h降至0.0015/h。这证明了颗粒粒度在餐厨垃圾的厌氧消化过程中是一个重要的影响因素。
2.5抑制物控制
高浓度的抑制物是厌氧反应器失衡的最初原因。厌氧反应器中的抑制因素通常包括氨氮、硫化物、金属离子和有机物。
氨氮的抑制性浓度，各研究者有着不同的观点，一般质量浓度在1.7～14g/L范围的总氨氮(total ammonia nitrogen，TAN)浓度会对厌氧消化产生抑制作用，这与研究的反应器环境和微生物驯化不同有关。对于氨氮抑制性的控制大致可从浓度、pH值、温度、其他离子的存在及环境适应性上着手。
对于硫化物毒性的控制，主要是降低产甲烷阶段溶液中H2S的浓度。其途径有提高pH值、利用高温、稀释废水、采用钼酸盐抑制剂、气体吹脱、化学沉淀、两相厌氧消化等。
适量的碱金属有助于厌氧微生物的生命活动，可刺激微生物的活性；但含量过多，则会抑制微生物的生长。KIM等在研究过程中发现：当Na+的质量浓度超过5000mg/L的时候，餐厨垃圾厌氧消化的甲烷产量逐渐降低。重金属对细菌的毒害作用主要是由溶解成离子状态的重金属所致，若可溶性重金属与硫化物结合形成不溶性盐类，则对微生物无恶毒影响。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
