有机固体废物干法厌氧发酵技术研究综述

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1① (1. 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所,江苏南京 210014; 2. 南京农业大学资源与环境 科学学院,江苏南京 210095) 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: X705 文献标识码: A 文章编号: 1673 - 4831 (2008) 02 - 0076 - 04 Sta te of Arts and Perspective of Dry Anaerob ic D igestion of Organ ic SolidWa ste1YE X iao2m ei1, 2 , CHANG Zhi2zhou1 ( 1. Institute of Agricultural Resource and Environmental Sciences, J iangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China; 2. College of Re2 source and Environmental Sciences,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095, China) Abstract: As the technology of dry anaerobic digestion of organic solid waste is an effective app roach to the disposing and recycling of or2 ganic solid waste as energy, it has become a hot spot of the research on this technology all over the world. A review of the status quo of the research on the technology of dry anaerobic digestion of organic solid waste inside and outside the country has been p resented, and an out2 look of the development of the technology has been given. Key words: organic solid waste; dry anaerobic digestion; disposal technique 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TS 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 ×106t) [ 2 ]。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m3沼气[ 5 ] ,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发酵技 术研究提供借鉴与参考。 1 影响干法厌氧发酵过程的主要因素 1. 1 底物组成 因可生化降解性不同,不同的底物沼气产量相差很大,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 IRA等 [ 9 ]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%。MSHANDETE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(VS)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%。WEILAND[ 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基金项目:江苏省农业自主创新项目; 江苏省农业科学院基金项目 (6110616) 收稿日期: 2007- 11- 27 ① 通讯联系人 生态与农村环境学报 2008, 24 (2) : 76 - 79, 96 Journal of Ecology and Rural Environm ent 化过程的主要因素。底物水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[ 14 ]。因此采取减少底物颗粒直径、改善底物与酶的亲和能力等预处理技术,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。MSHANDET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VS产甲烷量由0. 18 m3 提高到0. 22 m3。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%。TEIHM等[ 17 ]研究表明,采用超声波处理物料20～120min,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 ℃条件下对稻草进行热处理发现,预处理温度越高,固体减少量越多,甲烷产量越高。 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。GHOSH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 NaOH的比例处理物料,其甲烷产量可提高35%。WEEMAES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。HASEGAWA 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%。KUBLER[ 23 ]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 TS含量对有机物的降解有显著影响。刘晓风等[ 24 ]以垃圾为底物,研究间歇式反应器中TS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, TS和VS的降解率较高, 分别为27. 85%、29. 47%和32. 42%、33163%。当TS浓度为40%时, TS和VS降解率明显下降,分别为24122%和29. 74%;当TS为50%时, TS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TS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(VS)产甲烷最多,达0.132 L·g- 1 ;高于1. 5时甲烷产气率则随接种量增加而降低。不同接种物因菌群不同产气效果相差很大。TORRES2CASTILLO等[ 26 ]对畜禽垫料进行干法发酵,研究猪粪和牛粪作为接种物的产气效率,结果发现,以牛粪为接种物的物料降解效率高于猪粪,且产气量随着接种量增加而增加。余建峰[ 27 ]比较了不同接种物(二沉池污泥、浓缩池污泥、厌氧池污泥)对牛粪干法厌氧处理系统的影响,结果表明,二沉池污泥经驯化用作接种物效果好于其他处理,反应器中TS产气率达362. 9 mL·g- 1。周岭等[ 28 ]研究表明,用秸秆浸泡液对