有机固体废物干法厌氧发酵技术研究综述

210014;
2. 南 京农业大 学 资源 与环境
科学学院 , 江苏 南京
摘要 : 干法厌氧发酵技术作为有机固体废物能源化与处置的有效途径 , 近年来已逐渐成为世界各 国农业固体废物 资源化技术研 究的热点。综述了国内外有关有机固体废物干法厌氧发酵处理技术研究现状 , 并展望了农业固体 废物干法厌氧发 酵技术的发展 趋势。 关键词 : 有机固体废物 ; 干法厌氧发酵 ; 处理技术 中图分类号 : X 705 文献标识码 : A 文章编号 : 1673- 4831 ( 2008) 02 - 0076- 04
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圾为底物 , 研究间歇式 反应器 中 T S 质量 分数 20 % ~ 50% 时 对有机物降解 的影 响。结 果表 明 , TS 20 % 和 30% 时 , T S 和 V S 的降 解 率 较 高 , 分 别 为 27. 85 % 、29. 47% 和 32 . 42% 、 33 63% 。当 T S 浓度为 40% 时 , T S 和 VS 降解 率明 显下 降 , 分别为 24 22 % 和 29 . 74% ; 当 TS 为 50 % 时 , T S 与 VS 降解 率更低 , 仅为 21. 56% 和 29 . 35% 。对于 连续式 反应器 而言 , 在一定水力滞 留时间条 件下 , 总 固体含 量 , 即有 机负 荷量过 高, 会 由 于 有 机 酸 过 量 积 累 而 导 致 启 动 失 败 或 产 气 量 降低 [ 7] 。 1 . 4 接种物 因总固体 含量高 , 在干法厌氧发酵 过程中加入 足够的接 种物是加快厌 氧消化启 动和提 高甲 烷产气 率的 重要 措施之 一。一般情况下 , 干法厌氧发酵时菌种 ( 消化 污泥 ) 添加比例 为料重的 20 % 左右 , 若能达到 30% 以 上则更好 , 这样 可以提 高产气速率和早期沼气 中甲烷的含量。 PARAW IRA 等 [ 25] 研 究不同接种量 ( 厌氧消化 污泥 ) 对土 豆废渣降 解过程 的影响 发现 , 当接种物与底物 T S 的比例小于 1. 5 时 , 甲烷 产气率随 接种量增加而 提高 ; 当此比例 等于 1. 5 时 , 底 物 ( V S) 产甲烷 最多 , 达 0 32 L 加而降低。 g- 1 ; 高 于 1 . 5 时甲烷产气率 则随接种量增
生态与农 村环境学报 2008, 24 ( 2): 76- 79, 96 J ournal of Ecology and R ural Environm ent
有机固体废物干法厌氧发酵技术研究综述
叶小梅
1, 2
, 常志州
1
(1 . 江苏省农业科学院 农业资源与环 境研究所 , 江苏 南 京 210095)
有机固体废物的 厌氧发酵依 据总固 体 ( TS) 含量 高低分 为湿 发 酵 和 干 发 酵。 干 法 厌 氧 发 酵 是 指 T S 质 量 分 数 20% ~ 50% 的厌氧发酵处理工艺。与湿 法工艺 相比 , 干法工 艺具有明显的优势 : ( 1) 可以适 应各种 来源的 固体有 机废弃 物 ; ( 2) 运行费用 低 , 并提 高了容 积产 能能力 ; ( 3) 需水 量低 或不需水 , 节约水资源 ; ( 4) 产 生沼液少 , 废渣含水量低 , 后续 处理费用低 ; ( 5) 运行 过程稳 定 , 无 湿法工 艺中的 浮渣、 沉淀 等问题 ; ( 6) 减少了臭气排放 , 等等 [ 1] 。 国外对干法厌氧 发酵 的研究 始于 20 世纪 80 年代 有关 污泥的卫 生填 埋 , 之 后主 要 集中 于城 市 垃圾 的 处理。 在欧 洲 , 每年用于处理城市垃圾的干法厌氧 发酵装置的 总处理能 力已达到 57 106 t , 超过湿法工艺装置总处理能力 ( 48 106 [ 2] t) 。世界上第 1 个 以能 源作物 为底 物的 连续干 发酵 沼气 厂已在德国建成并正 式投产 [ 3] 。 我国对干法厌氧发酵技术 研究较少 , 至今仅有 数家利用 垃圾填埋场所产沼气发电的企 业。据孙 永明等 [ 4] 报道 , 我国 每年产生的农业固 体废 弃物高 达几 十亿 t , 如 果将 其 1 /3 用 于厌氧发酵 , 每年可获得 1 000 亿 m 沼 气 , 相当于 2. 3 亿 t标煤 , 约是我国现在年煤产量的 10% 。因此 , 将国内外有关 有机固体废弃物干 法厌 氧发酵 处理 技术研 究与 示范工 程等 资料作一综述 , 为开展我国农业固体废 弃物干法厌 氧解速 率除受自 身生物可降 解性、 C /N 比值等 影响外 , 还受底 物物 理结构、 性 状以 及它们 与水 解酶接触难易 程度 等影 响 [ 13] 。 底物 比表 面积 大、 底物 与酶 接触容易等均 会提 高水 解速 率 , 加 速产 气速 率 术 , 可以提高底物水解速率与产气量。 1. 2 . 1 物理预处理 物理预处理通 过减 小物料 粒径、 改 变物料 晶体 结构、 使 微生物 /酶与底物有效接触而促进消化 进程 , 主要有切 碎、 研 磨、 浸泡、 冷冻、 超声波、 蒸 汽爆破、 脉冲等方 法。 M SHANDET 等 [ 15] 采用批次厌氧发酵工艺研究了 2~ 100 mm 粒 径剑麻纤 维废弃物对总纤维物质降解量 以及甲烷产量 的影响 , 结果表 明 , 当粒径从 100 mm 减 小到 2 mm, 厌氧发 酵过 程中总 纤维 降解 量从 31% 提 高到 70% , 甲烷 产量 增加 了 23% , 1 kg 总 V S 产甲烷量由 0 . 18 m 3 提 高到 0 . 22 m 3。 VOGT 等 [ 16] 采用 蒸气加压力爆碎 的方法 处理 纤维 素、 木质素 含量 高的垃 圾 , 结果表明 与对 照 相 比 甲烷 产 量 提 高 40 % , VS 消 减 率增 加 40% 。 TE I HM 等 [ 17] 研究表明 , 采用超声波处理物料 20~ 120 m in, 可使厌氧发酵时间从 22 d 降 到 8 d , 同时 沼气产 量提高 2. 2 倍。 ZHANG 等 [ 18] 在 进行稻 草干 法厌 氧消 化的 研究 中 , 分别在 60 、 90、 110 1. 2 . 2 化学预处理 化 学预处 理可以 促进复 杂有机物 质降解 转变为 易于生 物降解的小分 子物 质 , 从而提 高产 气效率。 通常有 酸、 碱和 氧化等方法。稀酸预处理可以 显著促进纤维 素水解 , 已经成 功用于木质纤维 原料预 处理。 GHO SH 等 [ 19] 发现 , 对 城市固 体垃圾进行预处理 时 , 按照 100 g TS 加 0. 5 g N a OH 的 比例 处理物料 , 其 甲 烷产 量可 提 高 35 % 。 W EEM AES 等 [ 20] 研究 了臭氧氧化预处理对生活污泥 厌氧消化的影 响 , 发 现臭氧氧 化预处理可以使有机 物质的转化量达到 67% 。 1. 2 . 3 生物预处理 生 物预处 理主要 利用微 生物所分 泌的胞 外酶等 物质预 先水解底 物。 HA SEGAWA 等 [ 21] 从 高温 反 应器 中分 离 出能 分解溶化有机固体废物的嗜温 微生物 , 用该微生物 对污水污 泥进行预处理 , 在 1~ 2 d 内近 40 % 的有机 物被分解 , 与未经 过 该预处理 的对照 相比 , 沼气 产量提高 了 50% 。石 卫国 [ 22] 发现 , 经复合菌剂预 处理的 秸秆 启动时 间缩 短 , 且产气 量比 未经过预 处理的 对照 提高 42 . 15% ~ 52. 35% 。 KU BLER 发现好氧堆肥过程能 使厌氧消化的效果提高。 不同预处理 方法具 有不 同的优 缺点。传 统的 化学 与物 理处理技术耗能较多 ; 生物处理技术从 成本和设备 角度考虑 具有独特的优势 , 但处理效率较低。如 何将这些预 处理方法 进行优化组合 , 实现低成本、 高 效率 , 是 今后有机固 体废弃物 预处理技术研究的发 展方向。 1 . 3 TS 含量 T S 含量对有机物的降解有显著影响。刘晓风 等
, 2 Sta te of A rts and Perspective of D ry Anaerobic D igestion of O rganic So lid W as te YE X iao m ei1 , CHAN G Zh i zh ou1 ( 1 . Inst itute of
A gricultura l R esou rce and Environm en tal Sciences , Jiangsu A cadem y of A gricu ltural Sciences , N an jing 210014 , Ch ina; sou rce and Environm en ta l S cien ces , N an jing A gricu ltural U n ivers ity, N an jing 210095 , Ch in a)
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甚至相差 40 % 以上 [ 6] 。此外 , 底物 C /N 比值也影响产 气量 , C /N 比值太高 , 微生 物所需 氮量 不足 , 且消 化液 缓冲 能力降 低 ; C /N 比值太低 , 含氮量过多 , 有机 物分解受 到抑制。众多 研究结果表明 , 厌氧发酵底物 C /N 比值以 20~ 30 为宜 , 过高 与过低均会影 响底物产 气量 或产气 速率 [ 7] 。底 物中 木质纤 维素含量影响 底物的可生化降解性 , 进而影响产气潜力 [ 8] 。 此外 , 采用多种底 物混 合发酵 可获 得更高 的产 气效 率 , 同时也为沼渣 的后续处 理与利 用带 来方 便。 PARAW I RA 等
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将番茄残体与 甜 菜叶 按 不同 比例 混 合 , 进行 干 法厌 氧发
酵 , 当番茄残体与甜菜 叶质 量比 为 24 16 时 , 与单 一的 番茄 残体相 比 , 甲 烷 产 气 量 可 提 高 31% ~ 62% 。 M SHANDETE 等 [ 10] 将剑麻果浆与鱼 加工 废弃 物混 合进 行厌 氧发 酵 , 结果 表明混合发酵 的单位挥发性固体 ( V S) 所产甲 烷量比 单一原 料提高了近 100% 。 LEHTOM 等 [ 11] 用不同秸秆与粪便 混合 , 当秸秆比例为 30 % 时 , 与单 一粪便 发酵相 比 , 沼 气产 量提高 了 16 % ~ 85% 。 W EILAND [ 12] 在 综 述德 国厌 氧 消化 技 术发 展现状与趋势 后指出 , 混合厌氧发酵以 及优化混合 原料组合 将是重要的发 展方向。 1 . 2 底物预处理 对于固体 含量高的有机废物 , 底物 水解是限制 其厌氧消