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WTE-技术
厌氧消化
废弃物能源化利用研究与技术(中国)  2011-9-21 16:39:35

生活垃圾厌氧消化技术(部分资料来自维普文献)
 
        生活垃圾厌氧消化是指在没有溶解氧和硝酸盐的条件下, 微生物将有机物转化为甲烷、二氧化碳、无机营养物质、腐殖质等的过程。
        厌氧降解过程包括3个阶段: 水解/液化、产酸和产甲烷。具体过程如下: 水解细菌分泌胞外酶将聚合物水解为单体化合物(如葡萄糖和氨基酸), 再经产乙酸细菌的作用生成挥发性脂肪酸、氢气、二氧化碳和乙酸, 最后由产甲烷细菌将氢气、二氧化碳和乙酸转化为甲烷。固体垃圾的厌氧消化原理与废水的相似, 但由于固体垃圾和废水本身性质不一样, 处理要求和过程也存在差别。MSW厌氧消化处理流程包括4个阶段: 预处理、垃圾消化、气体回收和消化残余物处理, 厌氧消化流程示意图如图1所示。(来源:生物质化学工程,vol 42, 2008, 43-50)
        大部分消化系统需要垃圾的预处理以获得均质原料, 包括垃圾破碎及非消化性原料(玻璃、金属和碎石等)的分离等。进入反应器的可讲解废弃物有源头分选和机械分选两种类型。根据发酵原料的浓度、温度、消化级数和连续性, 厌氧消化过程分为不同的工艺。厌氧发酵回收的气体可作为燃料或集中发电资源, 发酵残余物主要是作为肥料应用。
 

 
 
生活垃圾厌氧消化影响因素
 
pH 值
        厌氧微生物的活性对pH 值极为敏感,pH 值是监测厌氧消化过程的重要工艺参数,有机垃圾厌氧消化的最适pH值为6.4-7.2。研究表明,有机垃圾厌氧消化容易造成挥发性有机酸的严重积累,引起“酸中毒”,抑制厌氧消化的进行,推荐采用NaOH 或KOH 来调节pH 值。
 
温度
        影响厌氧微生物生长以及产甲烷活性的另一个重要因素是温度。产甲烷菌有中温型和高温型两类菌种,产甲烷的最佳温度范围分别为30-35℃和50-65℃。研究表明,温度对发酵效率、产气质量等有重要影响。温度升高,发酵效率增大,产气量增大,产气质量下降。一般条件下,中温发酵过程需要25-30d 的停留时间,而高温发酵只需要中温消化的一半时间。高温发酵的另外一个优点是对病原微生物有较高的杀灭率。但由于高温发酵过程需要较高的加热能耗,并且管理复杂,其应用中不如中温发酵普遍。
 
垃圾成分
        垃圾成分相当复杂,垃圾的内容物决定了有机质含量。挥发性固体(volatile solid, VS)是衡量有机质含量的指标,VS由易生物降解部分(biodegradable volatile solid, BVS)和难生物降解部分(refractory volatile solid, RVS)组成。BVS 可以较好地评估垃圾的生物降解能力、生物气产率、有机负荷和碳氮比(C/N)。木质素等是较难被微生物降解的复杂有机成分,构成了有机垃圾中RVS 的主要部分。具有高VS 低RVS 含量特征的垃圾最适合厌氧消化。
 
生物学因素
        厌氧消化是一个复杂的过程,是由不同类型微生物群落参与完成的,厌氧发酵过程的微生物来源于垃圾本身和接种物。适合的接种剂以及接种量能提高消化效率。合理的微生物群落结构对于厌氧消化的有效进行至关重要,垃圾成分中的营养结构对微生物的生长也非常重要。微生物对碳、氮、磷、硫、钾以及微量元素的比例都有一定的要求。厌氧消化合适的C /N 为(20~30)/1, 产甲烷菌对氮的快速消耗会提高C/N,造成产气减少;而较低的C/N 会引起氨积累,使pH 值超过8.5 从而抑制产甲烷菌的活性。为了获得适宜的C/N,可以将高C/N 原料(如BOFM SW)和低C/N 原料(如污泥或动物粪便)进行联合消化。磷主要用来合成生物核酸,50/1 的碳磷比(C/P)是厌氧发酵比较合适的比值。
 
总固体含量和有机负荷率
        由于城市生活垃圾的成份和性质不同,其总固体含量(total solids content, TS)也不同。TS 太高,许多影响微生物活性的条件就变得更为严格,例如,氨、重金属、硫酸盐和挥发性有机酸等抑制物质的浓度就会升高,对细菌的活性产生影响。另外,很高的TS 给搅拌装置和过程带来麻烦,反应启动条件苛刻,菌种驯化任务艰巨且接种量大。有机负荷率(organic Loading Rate, OLR )是衡量厌氧消化系统生物转化能力的重要指标。增加反应器中的TS,即提高OLR 可以相应地减少反应器体积,但OLR 不是越高越好,过载后容易引起酸化,降低生物气产率,最终导致消化失败。因此在厌氧消化过程中应选择合适的OLR。
 
厌氧处置技术的现状和发展趋势
 
        在欧洲, 目前厌氧消化技术已经用于农业废弃物, 城市生活垃圾甚至工业垃圾的处理中。20世纪90年代初, 主要处理的是混合垃圾, 1997年欧洲许多国家实行垃圾分类后, 新建的工程主要是处理源头分选的生物垃圾(bio waste)。但同时出现了第一个主要以剩余垃圾( residual waste)为处理对象的消化工程, 剩余垃圾指生物垃圾分选剩下的混合垃圾。此后的许多工程不仅能在垃圾源头分选比较普遍的国家处理生物垃圾, 而且能在像法国和西班牙等源头分选不普遍的国家处理混合垃圾。
        目前有机垃圾的厌氧消化处理技术在流程的各个环节上还需要不断完善。一方面,从工艺来看, 未经预处理的垃圾, 水解时间长。现有的预处理工艺成本较高, 由于垃圾的固体含量较高, 给搅拌装置的选择和动力配给带来困难。从微生物学角度来看, 由于固体含量较高, 产酸阶段的VFAs容易积累, 造成酸中毒; 缺乏适合垃圾厌氧发酵的高效微生物菌群, 启动困难, 菌种较难驯化; 氨、重金属、硫酸盐等抑制物含量较高, 抑制细菌活性, 运行中存在较高的不稳定性。因此, 在机理以及工艺方面均需要进一步研究。另一方面, 垃圾分选效率将直接影响处理效率、成本以及产品质量, 国内垃圾处理技术相对滞后的一个重要原因是没有进行很好的分类。
        目前, 我国利用厌氧消化技术处理城市垃圾的实例较少, 仅有几个单位进行了实验室规模的小试研究, 而且垃圾成分单一, 有的甚至是配比的模拟垃圾, 通过这些还难以做出较为准确的经济分析。国外厌氧消化处理城市垃圾的经验对我国城市垃圾处理有很好的借鉴作用, 但是由于各国的风俗习惯及消费结构不同, 垃圾成分及物性也不同, 因此应针对中国城市生活垃圾成分和产出量, 开发合适的综合处理技术, 制定合理的政策和法律法规。
 
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