有機固體廢物厭氧消化技術綜合評述教學文稿

有機固體廢物厭氧消化技術綜合評述精品文檔有機固體廢物厭氧消化技術綜合評述摘要：近年來，隨著城市化的發(fā)展，產生了越來越多的城市垃圾。而本文主要從基本原理、影響因素、工藝、特點、及其優(yōu)勢等方面對城市垃圾的厭氧消化處理做了一些介紹。主要集中于對厭氧消化技術的原理和國內外工藝的介紹。并對其發(fā)展前景做了一些簡單的分析。關鍵詞：厭氧消化；固體廢物；沼氣發(fā)酵一、 厭氧消化技術介紹1、厭氧消化技術的定義及其歷史發(fā)展厭氧消化技術指的是廢物中可生物降解的有機物質被厭氧微生物在厭氧條件下分解產生甲烷、二氧化碳和化學物質（如： N、P無機化合物等）的生物化學過程。無論是酸性發(fā)酵，還是沼氣發(fā)酵，參與生化反應的氧都是來自于水、有機物、硝酸鹽或被分解的亞硝酸鹽。人們對厭氧消化技術的利用早已有了十分悠久的歷史。自 20世紀50年代末期起，我國農村地區(qū)就開始興建沼氣池，利用人畜糞便和一些農業(yè)廢物進行厭氧發(fā)酵，從而產生沼氣以供家庭取暖、照明和炊事之用。在工業(yè)上，為使糞便和污泥減量化和穩(wěn)定化，厭氧消化技術也逐漸得到了極為廣泛的應用。近年來，隨著20世紀70年代能源危機的出現(xiàn)，許多國家積極開發(fā)新能源，而厭氧消化技術可以“變廢為寶”，將大量的可生物降解有機垃圾變成可再生的清潔能源，因此具有極大的優(yōu)勢。在有機廢物處理中，厭氧消化技術應用最多的，是歐洲的一些國家。截至2000年，歐洲的固體垃圾中，厭氧處理的垃圾總量已達 100萬t/a，占總處理量的收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系管理員刪除精品文檔1/4，且有逐年增加的趨勢。而在我國，畜禽糞便、農作物秸稈等農業(yè)廢物長期以來一直都是利用厭氧消化技術進行發(fā)酵產沼。早在 1999年，上海市就建成102個畜禽場污水治理工程；福建省福清市建成的治理畜禽場污水工程成功率和運行率達100%；河北省石家莊市采用微生物高溫發(fā)酵生產優(yōu)質有機料技術，建雞糞發(fā)酵廠治理雞糞污染；江蘇省靖江市為解決農村能源及畜禽糞便污染環(huán)境問題，有16家畜禽養(yǎng)殖場建起沼氣生物鏈工程。[1]目前，作為一種有機固體廢物的資源化技術，厭氧消化技術已經得到了極為普遍的應用。其中以歐洲國家為最。2、厭氧消化技術的基本原理目前，厭氧消化的生化過程主要有三種觀點：兩階段理論、三階段理論和四階段理論。2.1 二階段理論二階段理論由Thumm,Reichie(1914)和Imhoff(1916) 提出，經Buswell,Neave完善而成。1930年，根據(jù)代謝過程系統(tǒng)pH值的變化，Buswell和Neave將有機物厭氧消化過程分為酸性發(fā)酵和堿性發(fā)酵兩個階段，根據(jù)兩個過程是否有甲烷產生，分別叫這兩個階段為產酸階段和產甲烷階段。收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系管理員刪除精品文檔復雜有機物(糖類、脂類、蛋白酸性發(fā)酵作用H2、CO2、NH4+、有機酸和醇堿性發(fā)酵作用

第一階段酸性發(fā)酵階CH4、CO2、H2、H2S

第二階段堿性發(fā)酵階圖1二階段理論示意圖第Ⅰ階段——產酸階段不溶性大分子有機物，如多糖、脂類，蛋白質等在產酸菌 (厭氧和兼性厭氧菌)的作用下被分解成為低分子的中間產物，主要產物為一些低分子有機酸(如乙酸、丙酸、丁酸等)和醇類(如乙醇)，并有氫、CO2,NH4＋、H2S等氣體產生。由于該階段有大量的脂肪酸產生，使發(fā)酵液的pH值降低，所以此階段被稱為酸性發(fā)酵階段。第Ⅱ階段——厭氧發(fā)酵產氣階段第Ⅰ階段的產物甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和CO2+H2等小分子有機物在產甲烷菌(專性厭氧菌)的作用下，通過發(fā)酵過程將這些小分子有機物轉化為甲烷。在產酸階段階段COD、BOD值變化不很大，而在產氣階段由于構成 COD或BOD的有機物多以CO2和H2的形式逸出，使廢水中COD、BOD明顯下降。由于有機酸在第二階段的不斷被轉化為 CH4、CO2等，同時系統(tǒng)中有NH4＋存在，使發(fā)酵液的pH值升高，所以此階段被稱為堿性發(fā)酵階段，又稱為產甲烷階段。收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系管理員刪除精品文檔在酸化階段，發(fā)酵細菌將有機物水解轉化為能被甲烷菌直接利用的第一類小分子有機物，如乙酸、甲酸、甲醇和甲胺等；第二類為不能被甲烷菌直接利用的有機物，如丙酸、丁酸、乳酸、乙醇等，不完全厭氧消化或發(fā)酵到此結束。如果繼續(xù)全厭氧過程，則產氫、產乙酸菌將第二類有機物進一步轉化為氫氣和乙酸。第Ⅱ階段生化過程是產甲烷細菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等基質通過不同途徑轉化為甲烷，其中最主要的基質為乙酸。2.2 三階段理論兩階段理論曾在幾十年里占據(jù)統(tǒng)治地位，而隨著人們厭氧消化過程的研究不斷深化，厭氧消化理論也不斷發(fā)展。 1979年，M.P.Bryant根據(jù)對產甲烷菌和產氫產乙酸菌的研究結果，認為兩階段理念不夠完善，提出了三階段理論。三階段理論的厭氧消化如圖 2所示。收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系管理員刪除精品文檔有機物(多糖、脂肪、蛋白質)水解、發(fā)酵作用第一階段水解、發(fā)酵階A類有機B類有機CO2、H2NH3、產氫、產乙酸作第二階段乙酸氫產氫產乙酸階產甲烷作用第三階段產甲烷階4、CO232SCHNH、H圖表2二階段理論示意圖實際上，從圖中可以看出，相對于二階段理論，三階段理論增加了一個產氫產乙酸階段。該理論將酸化階段產生的有機物分為 A類有機物和B類有機物，增加了產氫產乙酸菌將 B類有機物轉化為乙酸和氫的過程，突出了產氫產乙酸菌的地位和功能。2.3 四階段理論（四種群理論）1979年，幾乎在Bryant提出三階段理論的同時，在第一屆國際厭氧消化會議上，Zeikus提出了四種群理論(四階段理論)。四階段理論厭氧消化過程如圖3所示：收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系管理員刪除精品文檔復雜有機物(糖類、脂類、蛋白質)類菌：水解發(fā)酵有機酸、醇類類菌：產氫產乙酸H2、CO2、甲酸、III類菌：同型產乙酸乙酸IV菌：產甲烷菌最終產物：CH4+CO2圖3四階段理論示意圖根據(jù)四階段理論，厭氧消化過程分為水解、產酸、產乙酸和產甲烷四個階段。水解階段：厭氧菌胞外酶將復雜有機物分解成簡單有機物，例如：在這個過程中，纖維素、淀粉等碳水化合物被轉化為較簡單的糖；蛋白質被轉化為的氨基酸；油脂被轉化為脂肪酸和甘油等。產酸階段：產酸菌將水解階段的產物——小分子化合物轉化為乙酸、丙酸、丁酸和甲醇等簡單的末端產物，以揮發(fā)性脂肪酸為主。；產乙酸階段：將產酸階段產生的的除乙酸、甲酸、甲醇以外的脂肪酸和醇等被產氫產乙酸菌轉化為 H2、CO2和乙酸；產甲烷階段：產甲烷菌前三個階段所產生的乙酸、 H2等轉化為甲烷。[2]3、厭氧消化的影響因素3.1 營養(yǎng)物質厭氧消化過程中，需要微生物的參與，因此，必須為微生物的生長提供必要的環(huán)境條件，對于微生物生長所必須的各種營養(yǎng)成分，不僅要提供足夠的量，還應使個營養(yǎng)成分之間保持合適的比例，當比例失調的時候，需要再通過收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系管理員刪除精品文檔添加額外底物或者接種物質來進行調節(jié)，以使比例達到平衡。其中最重要的是碳氮比，一般而言，對于厭氧消化過程最合適的碳氮比為 25~30。3.2 溫度有機固體廢物的厭氧消化過程一般在中溫或高溫下進行，中溫的最佳溫度為35℃左右，高溫為55℃左右。Ghosh等利用厭氧消化處理垃圾衍生燃料RDF），發(fā)現(xiàn)當反應條件轉變?yōu)楦邷叵瘯r，甲烷產量可提高14%。相比于中溫消化，高溫消化有較短的固體停留時間和較小的反應器容積。但是，高溫消化需要更多的熱量，運行也不穩(wěn)定。[3]3.3pH值pH值是厭氧消化過程中的一個非常重要的控制參數(shù)和監(jiān)測指標。由于產甲烷菌對pH值有著非常嚴格的要求，即便是 pH值十分微小波動都有可能導致微生物代謝活動的終止。且在厭氧消化過程初期，會產生大量有機酸，如若控制不當容易造成局部酸化，延長發(fā)酵周期，進而對整個反應體系造成破壞。此外，消化過程中的一些水解酶需要適宜的 pH值條件，不適宜的pH值會使這些酶的活性降低甚至失活，使厭氧消化結果受到影響。研究發(fā)現(xiàn)，當 pH值在6.6—7.8范圍內，水分含量為90％～96％時，產甲烷速率較高；而 pH值低于6.1或高于8.3時，產甲烷菌可能會停止活動。

[4]收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系管理員刪除精品文檔3.4 底物組成底物組成決定了底物的可生化降解性以及厭氧消化過程的產氣量。 Borj等研究了不同底物組成和濃度的有機固廢的厭氧消化過程，認為在其他條件相同時沼氣產量相差很大，甚至達到 65％。3.5 攪拌在厭氧消化過程中，充分的混和攪拌可促進反應器中酶和微生物的均勻分布，增加物料與微生物充分接觸的機會，并使反應產生的氣體迅速排出。4、厭氧消化工藝4.1 工藝分類對于厭氧消化的處理工藝，根據(jù)不同的劃分標準，有不同的分類方法。表1厭氧消化工藝分類一般從給料方式、消化溫度、消化階段、消化級差、料液流動方式等角度可作如下分類：[5]收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系管理員刪除精品文檔4.2 厭氧消化典型工藝及其應用1）Biocel工藝——荷蘭Ielystad處理廠Biocel是一種典型的間歇式厭氧消化工藝，處理量為 50000t/a，該工藝3采用中溫干式厭氧消化技術，一般由 14個混凝土澆注的有效容積為 480m的反應器組成。進入非攪拌反應器的垃圾預先和接種物充分混合，從反應器中收集得到的滲濾液再循環(huán)到反應器頂部，垃圾在反應器中停留超過 40d，直到停止產氣。垃圾處理量相同時，與單級濕式工藝相比， Biocel工藝產氣量低 40%左右。[6]2）Dranco工藝－比利時Brecht處理廠由比利時有機垃圾系統(tǒng)公司（ OrganicWasteSystems）開發(fā)的Dranco工藝是一項成熟工藝。其主要單元為單級高溫反應器，負荷 l0kgCOD/(m3·d)，溫度50-58℃，停留時間為20d(15-30d)，生物氣產量100-200m3/t垃圾，發(fā)電量170-350kw·h/t垃圾。進料的固體濃度在15%-40%范圍內。有機垃圾系統(tǒng)公司已開發(fā)出Dranco-Sep工藝，可在固含率5%-20%范圍內操作。歐洲現(xiàn)在至少有 4座Dranco工藝大型垃圾處理廠，處理能力為 11000t/a-35000t/a。位于比利時北部的 Brecht的處理廠，采用的就是 Dranco工藝，處理能力12，000t/a。有機垃圾先經過手工分選、切碎，篩分以去除大顆粒，用3磁選分離金屬物質，加水混和，接著送入 808m的消化器中。消化器的新鮮物料投配率為5%。消化液經過好氧塘處理之后，排放到當?shù)匚鬯幚韽S。消化后的垃圾利用脫水機脫水至固含率 55%，而經過好氧穩(wěn)定兩周，即可得到衛(wèi)生、穩(wěn)定化的肥料。收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系管理員刪除精品文檔3）Kompogas工藝-瑞士KompogasAG公司Kompogas工藝是一種干式、高溫(55～60℃)厭氧消化工藝，為塞流式反應器。來料首先被破碎后進行分類 ,除去塑料和玻璃等惰性物質，用磁力分選機回收含鐵物質；后經二次破碎篩分后進入儲存?zhèn)}，進行調節(jié)和加熱，停留 2d；然后將物料泵至反應罐中，停留 15～20d。沼渣脫水到50%固含量，污水回流，調整物料至28%的干物質含量。OtelfingenKompogas 厭氧消化廠于 1997年開始運行,處理源分選的有機廢物(70%～80%的園藝廢物和20%的餐廚垃圾)，處理量為13000t/a。[7,8]這一工藝由瑞士 Kom-pogasAG公司開發(fā)，處于發(fā)展階段。目前，在瑞士、日本等國家建立大約 18個垃圾處理廠，其中年處理量 10,000t/a 以上的有12個。（4）Valorga 工藝-法國SteinmuellerValorgaSarl 公司Valorga工藝由法國SteinmuellerValorgaSarl 公司開發(fā)，并于1987年在法國亞眠市建造了世界上第一座沼氣式垃圾處理廠。 [9]這一工藝采用的是滲濾液部分回流與沼氣壓縮攪拌相結合技術 , 具有較好的環(huán)境和經濟效益。該工藝采用垂直的圓柱形消化器，反應器內垃圾固含率 25%-35%，停留時間3。消化后的固體穩(wěn)定化需要進行14d的好氧堆肥。14-28d，產氣量80-180Nm/t（5）BTA工藝-丹麥HelsingorBTA/carlbro 處理廠BTA工藝可以將有機廢物轉化為生物氣和消化肥料，是一種新型資源化技術。在該工藝中，生物降解主要分為發(fā)生在兩個反應器中的兩個步驟：水解和收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系管理員刪除精品文檔產甲烷。稱重后的廢物先進行預處理；然后用離心機將其分離為固體和液體兩部分，固體部分進入水解反應器進行反應 , 液體部分則直接進入?yún)捬跸磻猍10]器，2～4d之后，將水解反應物脫水，料液進入?yún)捬跸磻鳌＝ㄓ?993年的丹麥HelsipgorBTA/carlbro 處理廠采用的正是這一工藝，處理分類收集的生活垃圾，處理量 20000t/a。6）TBWBiocomp工藝－德國Thronhofen處理廠Biocmp工藝是堆肥與發(fā)酵的結合。首先經過滾動篩，垃圾被分離出粗垃圾和細垃圾，粗垃圾去堆肥，細垃圾去消化罐。再手選除去無機物，磁選除去廢鐵。經過破碎機破碎后，細的有機物質加水稀釋，使含固率為 10%。將混合物送到貯存池，中溫（35℃）反應池（采用槳板攪拌。停留時間 14d）。從一級消化池底部取出的活性污泥送入二級上向流高溫（ 55℃）消化池，水力停留時間14d。經過高溫消化后，大約 60%的有機物質轉化為生物氣。1996年開始運營的德國 Thronhofen垃圾處理廠處理能力 13,000t/a，處理[11]分類收集的有機垃圾和農業(yè)中的液態(tài)垃圾。二、厭氧消化技術的特點及優(yōu)勢厭氧消化技術通過厭氧菌的作用，可以將可降解有機物質轉化為甲烷氣體，是實現(xiàn)有機固體廢物資源化的重要途徑之一。主要有以下特點：（1）過程可控性、降解快生產過程全封閉。（2）資源化效果好，可將潛在于廢棄物中的生物能轉化可直接利用的沼氣，實現(xiàn)能源的回收利用。收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系管理員刪除精品文檔（3）易操作，與好氧處理相比，厭氧消化處理不需要通風，設施簡單，成本低。（4）產物可再生利用，經厭氧消化后的廢物基本得到穩(wěn)定，可作農肥飼料或堆肥化原料。（5）厭氧微生物的生長率低，常規(guī)方法處理效率低。設備體積大，會產生H2S等臭氣。生活垃圾三種主要的傳統(tǒng)處理技術與資源化處理方法的比較如表 2所示。表2城市生活垃圾不同處理方法的比較[12]指標衛(wèi)生填埋焚燒好氧堆肥資源化（以厭氧消化為主）投資/（104元·T-1）20-3040-65t25-3515-25-1）->100050>50規(guī)模/(T·D投資風險低中等較高低對垃圾的要求無要求熱值有機物含量高無要求二次污染滲濾液煙氣滲濾液無環(huán)境效益低較好中好關鍵問題選址資金投入大市場認可分選困難從表中可以看出，對城市生活垃圾進行厭氧消化處理，費用較低，且對垃圾的各類物質均實現(xiàn)了資源化的利用或再生，實現(xiàn)了減量化、無害化和資源化的處理目標。所以，厭氧消化是我國有機固體廢物處理的一個良好的發(fā)展方向。三、有機固體廢物厭氧消化處理技術的前景展望有機固體廢物通過厭氧消化產沼氣，有利于提高廢物處理系統(tǒng)的整體效率 ,是以資源化為目標，對有機廢物進行無害化處理和資源化利用，從而從廢物處理處置的層面對于循環(huán)經濟的建設起到了推動作用，對實現(xiàn)節(jié)能減排目標具有較高的貢獻率。收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系管理員刪除精品文檔近年來，隨著城市化的發(fā)展，城市垃圾不斷增多，為厭氧消化處理提供了巨大的原料市場。據(jù)國家環(huán)?？偩诸A測， 2010年我國城市垃圾年產量將達到1.52億t，2015年和2020年將達到1.79億t和2.1億t。此外，厭氧消化技術已經趨于成熟。在我國農村地區(qū) , 畜禽糞便、農作物秸稈等農業(yè)廢物長期以來一直都是利用厭氧消化技術進行發(fā)酵產沼。而在國外，許多工程實例積累了較多的設計、運行經驗與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù) ,可以作為研究借鑒的參考對象。而且由于能源危機的爆發(fā)，世界各國都需要尋找一種新的替代能源，而厭氧消化技術可以將可生物降解有機垃圾作為可再生資源來利用，產生的沼氣也是一種清潔能源。因此，可以預見，有機固體廢物的厭氧消化處理是一種必然的趨勢！四、結語由上述分析易知，對垃圾的厭氧消化處理，能使我們同時獲得顯著的經濟效益、環(huán)境效益和社會效益，具有極其重要的推廣意義和應用價值。因此，有機固體廢物的厭氧消化處理將成為今后有機廢物資源化綜合利用領域最具競爭力的發(fā)展方向之一。References:[1].王建衛(wèi),姜永海與張麗穎,有機廢物厭氧消化工藝應用現(xiàn)狀及前景展望.再生資源與循環(huán)經濟,2008.1(4):第35-38頁.[2].陳杰,城市有機廢物厭氧消化技術研究進展.科技創(chuàng)新與應用,2012(18):第22-23頁.[3].王建衛(wèi),姜永海與張麗穎,有機廢物厭氧消化工藝應用現(xiàn)狀及前景展望.再生資源與循環(huán)經濟,2008.1(4):第35-38頁.收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系管理員刪除精品文檔[4]. 操宏慶,毛靜靜與李健 ,厭氧消化在有機固體廢棄物處理中的應用研究進展 .現(xiàn)代農業(yè)科技,2013(13):第251,255頁.[5