摘要:有機固(gu)體廢物通(tong)常是指含(han)水(shui)率低于85%～90%可生化降解的有機廢物,它們一(yi)般具有可生化降解性。這(zhe)些廢物中(zhong)蘊(yun)含(han)著(zhu)大量的生物質能,有效利用這(zhe)類(lei)生物質能源(yuan),對(dui)實現環(huan)境和經濟的可持續發展(zhan)具有重要意義。

1 厭氧消化機理

20世紀(ji)30年(nian)代，厭氧(yang)消(xiao)化(hua)被概括地劃分為(wei)(wei)產酸(suan)階(jie)(jie)段(duan)和(he)(he)產甲(jia)(jia)(jia)烷(wan)(wan)階(jie)(jie)段(duan)，即兩階(jie)(jie)段(duan)理(li)(li)論(lun)(lun)(lun)。70年(nian)代初Bryantlzgl等(deng)人(ren)對(dui)兩階(jie)(jie)段(duan)理(li)(li)論(lun)(lun)(lun)進行(xing)了修正，提出(chu)了厭氧(yang)消(xiao)化(hua)的(de)三(san)階(jie)(jie)段(duan)理(li)(li)論(lun)(lun)(lun)，突出(chu)了產氫產乙(yi)酸(suan)菌(jun)(jun)的(de)地位和(he)(he)作(zuo)(zuo)(zuo)用。與(yu)此同時，Zeikuslao等(deng)人(ren)提出(chu)了厭氧(yang)消(xiao)化(hua)的(de)四(si)類群理(li)(li)論(lun)(lun)(lun)，反映了同型產乙(yi)酸(suan)菌(jun)(jun)的(de)作(zuo)(zuo)(zuo)用。該理(li)(li)論(lun)(lun)(lun)認為(wei)(wei)厭氧(yang)發酵(jiao)(jiao)過(guo)(guo)程可分為(wei)(wei)四(si)個階(jie)(jie)段(duan)，第(di)一階(jie)(jie)段(duan)（水解階(jie)(jie)段(duan)）：將不(bu)溶(rong)(rong)(rong)性(xing)大(da)分子有(you)機物(wu)分解為(wei)(wei)小(xiao)分子水溶(rong)(rong)(rong)性(xing)的(de)低脂肪(fang)酸(suan)；第(di)二階(jie)(jie)段(duan)（酸(suan)化(hua)階(jie)(jie)段(duan)）：發酵(jiao)(jiao)細菌(jun)(jun)將水溶(rong)(rong)(rong)性(xing)低脂肪(fang)酸(suan)轉化(hua)為(wei)(wei)H2、CH3000H、CH3CH2OH等(deng)，酸(suan)化(hua)階(jie)(jie)段(duan)料液pH值(zhi)迅速下降；第(di)三(san)階(jie)(jie)段(duan)(產氫產乙(yi)酸(suan)階(jie)(jie)段(duan))：專性(xing)產氫產乙(yi)酸(suan)菌(jun)(jun)對(dui)還(huan)原(yuan)性(xing)有(you)機物(wu)的(de)氧(yang)化(hua)作(zuo)(zuo)(zuo)用，生成(cheng)H2、HCO3－、CH3COOH。同型產乙(yi)酸(suan)細菌(jun)(jun)將H2、HCO3－轉化(hua)為(wei)(wei)CH3COOH，此階(jie)(jie)段(duan)由(you)于大(da)量有(you)機酸(suan)的(de)分解導致 pH值(zhi)上升；第(di)四(si)階(jie)(jie)段(duan)(甲(jia)(jia)(jia)烷(wan)(wan)化(hua)階(jie)(jie)段(duan))：產甲(jia)(jia)(jia)烷(wan)(wan)菌(jun)(jun)將乙(yi)酸(suan)轉化(hua)為(wei)(wei)CH4和(he)(he)CO2，利用H2還(huan)原(yuan)CO2成(cheng)CH4，或(huo)利用其他細菌(jun)(jun)產生甲(jia)(jia)(jia)酸(suan)形(xing)成(cheng)CH4。無(wu)論(lun)(lun)(lun)是(shi)(shi)(shi)三(san)階(jie)(jie)段(duan)理(li)(li)論(lun)(lun)(lun)，還(huan)是(shi)(shi)(shi)四(si)類群理(li)(li)論(lun)(lun)(lun)，實質上都(dou)是(shi)(shi)(shi)對(dui)兩階(jie)(jie)段(duan)理(li)(li)論(lun)(lun)(lun)的(de)補(bu)充(chong)和(he)(he)完善，較好地揭(jie)示了厭氧(yang)發酵(jiao)(jiao)過(guo)(guo)程中(zhong)不(bu)同代謝菌(jun)(jun)群之間相互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用、相互(hu)(hu)影響、相互(hu)(hu)制約(yue)的(de)動(dong)態(tai)平衡關系(xi)，闡明了復雜有(you)機物(wu)厭氧(yang)消(xiao)化(hua)的(de)微生物(wu)過(guo)(guo)程。

2 厭氧消化影響因素

2.1 底物(wu)組(zu)(zu)成(cheng)(cheng)：研究發(fa)(fa)現不(bu)同(tong)底物(wu)組(zu)(zu)成(cheng)(cheng)，其(qi)可生化降解(jie)性大不(bu)相同(tong)（5%～90%）。Borja等研究了不(bu)同(tong)底物(wu)組(zu)(zu)成(cheng)(cheng)和(he)濃度的(de)(de)有(you)機固(gu)廢的(de)(de)厭(yan)氧消(xiao)化過程，認為在其(qi)他條件相同(tong)時沼氣產量相差很(hen)大，甚(shen)至達到65％。這個結果與(yu)Jokela等的(de)(de)研究所得基本一(yi)致。另(ling)外，底物(wu)組(zu)(zu)成(cheng)(cheng)不(bu)同(tong),在發(fa)(fa)酵過程中(zhong)的(de)(de)營養需求與(yu)調控(kong)也(ye)不(bu)同(tong)。對于像以秸稈(gan)為主的(de)(de)底物(wu)，須(xu)補充N源(yuan)的(de)(de)營養，以達到厭(yan)氧消(xiao)化適(shi)宜的(de)(de)C/N比。

2.2 溫(wen)(wen)(wen)(wen)度：有機固廢厭氧消(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)一(yi)(yi)般(ban)在(zai)中(zhong)(zhong)溫(wen)(wen)(wen)(wen)或高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)下(xia)進(jin)(jin)行,中(zhong)(zhong)溫(wen)(wen)(wen)(wen)的(de)(de)最佳溫(wen)(wen)(wen)(wen)度為(wei)35℃左(zuo)右,高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)為(wei)55℃左(zuo)右。Ghosh等(deng)利用厭氧消(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)處(chu)理垃圾衍生燃料(RDF)，對(dui)(dui)(dui)比了單相式和(he)兩相式反(fan)應(ying)(ying)器(qi)的(de)(de)處(chu)理效果(guo)，發現在(zai)傳(chuan)統(tong)單相式反(fan)應(ying)(ying)器(qi)中(zhong)(zhong)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(55℃)比常溫(wen)(wen)(wen)(wen)(35℃)消(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)(de)甲(jia)烷(wan)產量(liang)僅提(ti)高(gao)(gao)(gao)7％；RDF粒(li)徑(jing)從2.1mm降至 1.1mm在(zai)中(zhong)(zhong)溫(wen)(wen)(wen)(wen)消(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)下(xia)對(dui)(dui)(dui)甲(jia)烷(wan)產量(liang)無明顯影響，但(dan)(dan)當反(fan)應(ying)(ying)條件(jian)轉(zhuan)變為(wei)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)消(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)時甲(jia)烷(wan)產量(liang)可(ke)(ke)提(ti)高(gao)(gao)(gao)14％。高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)消(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)可(ke)(ke)以(yi)比中(zhong)(zhong)溫(wen)(wen)(wen)(wen)消(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)有更(geng)短的(de)(de)固體(ti)停留(liu)時間和(he)更(geng)小的(de)(de)反(fan)應(ying)(ying)器(qi)容(rong)積。然而高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)消(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)所需熱量(liang)多(duo),運(yun)行也不穩定。最近有研究(jiu)表(biao)明厭氧消(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)在(zai)65℃時水解活(huo)性(xing)可(ke)(ke)進(jin)(jin)一(yi)(yi)步提(ti)高(gao)(gao)(gao)。還(huan)有將超高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)水解作為(wei)一(yi)(yi)個專門的(de)(de)反(fan)應(ying)(ying)器(qi)，對(dui)(dui)(dui)厭氧消(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)進(jin)(jin)行處(chu)理研究(jiu)。高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)可(ke)(ke)以(yi)比中(zhong)(zhong)溫(wen)(wen)(wen)(wen)產能多(duo)，但(dan)(dan)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)需要(yao)更(geng)多(duo)的(de)(de)能量(liang)，在(zai)實(shi)際情況(kuang)中(zhong)(zhong)加熱所需的(de)(de)能量(liang)往往與多(duo)產出的(de)(de)能量(liang)差(cha)不多(duo)。雖(sui)然沼氣產量(liang)和(he)生物(wu)反(fan)應(ying)(ying)動力(li)學(xue)都表(biao)明高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)消(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)更(geng)有優勢(shi)，但(dan)(dan)理想的(de)(de)條件(jian)決定于底物(wu)類型和(he)使(shi)用的(de)(de)系統(tong)情況(kuang)。

2.3 pH值：產甲烷(wan)菌(jun)對(dui)pH值的(de)(de)要求非常(chang)嚴格，pH值的(de)(de)微(wei)小波(bo)動(dong)有(you)可(ke)(ke)能導致微(wei)生物代謝(xie)活動(dong)的(de)(de)終(zhong)止。在發(fa)酵初期(qi)由于(yu)產生大量(liang)有(you)機(ji)酸(suan)(suan)(suan)，若控制(zhi)不當容(rong)易造成局部酸(suan)(suan)(suan)化，延長發(fa)酵周期(qi)，進而破壞整個反(fan)應(ying)體系。研究發(fa)現(xian)pH值為6.6～7.8范圍內(nei)，水(shui)分含量(liang)為90%～96%時產甲烷(wan)速(su)率較高(gao)；pH值低于(yu)6.1或高(gao)于(yu) 8.3時，產甲烷(wan)菌(jun)可(ke)(ke)能會停(ting)止活動(dong)。Salminen指(zhi)出滲濾液回(hui)(hui)流(liu)與pH值調節相(xiang)結合可(ke)(ke)以(yi)降(jiang)低酸(suan)(suan)(suan)積累的(de)(de)抑(yi)制(zhi)效應(ying)，加速(su)消(xiao)化降(jiang)解(jie)速(su)率。然而當系統中活性(xing)(xing)產酸(suan)(suan)(suan)菌(jun)和產甲烷(wan)菌(jun)數量(liang)較少時，回(hui)(hui)流(liu)滲濾液會引起VFA積聚。Clarkson和Xiao對(dui)廢報紙(zhi)進行厭(yan)氧消(xiao)化的(de)(de)研究發(fa)現(xian)，水(shui)解(jie)反(fan)應(ying)是其中限制(zhi)性(xing)(xing)步(bu)驟，高(gao)濃度的(de)(de)丙酸(suan)(suan)(suan)鹽對(dui)其具有(you)抑(yi)制(zhi)作用。

2.4 攪拌(ban)：當消(xiao)化(hua)(hua)底物(wu)為(wei)固(gu)態時(shi)(shi)，水(shui)解通常(chang)成為(wei)整個(ge)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)的(de)(de)(de)限制性(xing)階(jie)段。很(hen)多經典文(wen)獻中(zhong)強調了(le)消(xiao)化(hua)(hua)過程(cheng)中(zhong)應(ying)(ying)(ying)充分(fen)混和攪拌(ban)以促(cu)進(jin)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)器中(zhong)酶和微生(sheng)(sheng)物(wu)的(de)(de)(de)均(jun)勻(yun)分(fen)布。然(ran)而近年來有(you)試驗表明(ming)降低攪拌(ban)程(cheng)度(du)(du)(du)可以提高反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)器的(de)(de)(de)效率(lv)。Vavilin V.A.研究常(chang)溫(wen)消(xiao)化(hua)(hua)下攪拌(ban)強度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影響，試驗表明(ming)當有(you)機(ji)(ji)負(fu)荷偏高時(shi)(shi)，攪拌(ban)強度(du)(du)(du)加大(da)(da)會導致反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)器運行失敗，低強度(du)(du)(du)攪拌(ban)是(shi)消(xiao)化(hua)(hua)過程(cheng)順利完成的(de)(de)(de)關鍵；當有(you)機(ji)(ji)負(fu)荷偏低時(shi)(shi)，攪拌(ban)強度(du)(du)(du)對(dui)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)無明(ming)顯影響。由(you)此Vavilin V.A.提出攪拌(ban)阻(zu)礙反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)器中(zhong)甲(jia)(jia)(jia)(jia)烷(wan)(wan)區(qu)形(xing)成的(de)(de)(de)假設，認(ren)為(wei)甲(jia)(jia)(jia)(jia)烷(wan)(wan)區(qu)的(de)(de)(de)形(xing)成對(dui)抵(di)抗酸(suan)化(hua)(hua)過程(cheng)中(zhong)產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)抑制起重要作用。在(zai)此基礎上(shang)他提出了(le)均(jun)質柱形(xing)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)器的(de)(de)(de)二(er)維分(fen)布式模型（2D distributed models），模型基于以下假設：在(zai)維持產甲(jia)(jia)(jia)(jia)烷(wan)(wan)菌繁殖代(dai)謝處(chu)于較(jiao)優水(shui)平的(de)(de)(de)前(qian)提下，反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)器中(zhong)甲(jia)(jia)(jia)(jia)烷(wan)(wan)區(qu)所占(zhan)空間存在(zai)一(yi)個(ge)最小值。通過對(dui)消(xiao)化(hua)(hua)過程(cheng)的(de)(de)(de)模擬，認(ren)為(wei)有(you)機(ji)(ji)負(fu)荷高時(shi)(shi)，反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)初始(shi)(shi)階(jie)段甲(jia)(jia)(jia)(jia)烷(wan)(wan)區(qu)與產酸(suan)區(qu)在(zai)空間上(shang)分(fen)離是(shi)固(gu)廢物(wu)轉(zhuan)化(hua)(hua)為(wei)甲(jia)(jia)(jia)(jia)烷(wan)(wan)的(de)(de)(de)關鍵因(yin)素，而初始(shi)(shi)階(jie)段甲(jia)(jia)(jia)(jia)烷(wan)(wan)區(qu)中(zhong)生(sheng)(sheng)物(wu)量的(de)(de)(de)多少則是(shi)這(zhe)些活(huo)性(xing)區(qu)保留的(de)(de)(de)決定性(xing)因(yin)素。此時(shi)(shi)如果高強度(du)(du)(du)攪拌(ban)，甲(jia)(jia)(jia)(jia)烷(wan)(wan)區(qu)由(you)于VFA的(de)(de)(de)抑制作用會逐漸萎縮(suo)直至消(xiao)失。然(ran)而當有(you)機(ji)(ji)負(fu)荷偏低時(shi)(shi)，大(da)(da)部分(fen)甲(jia)(jia)(jia)(jia)烷(wan)(wan)區(qu)均(jun)能(neng)幸存并逐步擴大(da)(da)到整個(ge)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)器。

2.5 預處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)(li)：目前(qian)對(dui)(dui)固(gu)態厭氧消化(hua)底(di)物(wu)的(de)(de)物(wu)理(li)(li)(li)(li)和(he)化(hua)學預處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)(li)方法研(yan)究(jiu)較多，對(dui)(dui)生物(wu)預處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)(li)的(de)(de)研(yan)究(jiu)則較少。Peter等(deng)從(cong)高(gao)(gao)溫反應器中(zhong)(zhong)分(fen)離到能(neng)分(fen)解有(you)機(ji)固(gu)體廢物(wu)的(de)(de)嗜溫微(wei)生物(wu),用該微(wei)生物(wu)對(dui)(dui)污水污泥進(jin)行(xing)預處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)(li),在(zai)1～2d內近40%的(de)(de)有(you)機(ji)物(wu)被分(fen)解,而且(qie)與沒有(you)經過該預處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)(li)相比,厭氧消化(hua)過程中(zhong)(zhong)沼氣產量提(ti)(ti)高(gao)(gao) 50%；Ejlertsson研(yan)究(jiu)表明，在(zai)消化(hua)開(kai)始階(jie)(jie)段進(jin)行(xing)間歇曝氣能(neng)有(you)效去除(chu)易降解的(de)(de)固(gu)廢，克服高(gao)(gao)濃度VFA帶來的(de)(de)抑制(zhi)問(wen)題(ti)；Mshandete等(deng)研(yan)究(jiu)了(le)紙漿厭氧發酵系(xi)統中(zhong)(zhong)，啟動階(jie)(jie)段進(jin)行(xing)9h堆肥預處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)(li)后甲烷(wan)(wan)產量提(ti)(ti)高(gao)(gao)26%；Katsura和(he)Hasegawa進(jin)行(xing)了(le)類似的(de)(de)預處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)(li)研(yan)究(jiu)，對(dui)(dui)污泥進(jin)行(xing)微(wei)好(hao)氧熱處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)(li)后甲烷(wan)(wan)產量提(ti)(ti)高(gao)(gao)50％。研(yan)究(jiu)者(zhe)認為(wei)高(gao)(gao)溫好(hao)氧菌(jun)分(fen)泌的(de)(de)胞外酶(mei)比一(yi)般(ban)蛋(dan)白酶(mei)在(zai)溶解污泥方面更具活性。

3 厭氧消化工藝

厭(yan)氧(yang)(yang)消(xiao)(xiao)化(hua)處理固體廢(fei)物，通過技術革新逐步形(xing)成(cheng)了以濕(shi)式(shi)完全混合厭(yan)氧(yang)(yang)消(xiao)(xiao)化(hua)、厭(yan)氧(yang)(yang)干發酵、兩相厭(yan)氧(yang)(yang)消(xiao)(xiao)化(hua)等為主(zhu)的工(gong)藝(yi)形(xing)式(shi)。

濕式完全(quan)混合厭氧消化(hua)工藝(yi)（即濕式工藝(yi)）的應(ying)用(yong)最(zui)早也最(zui)為廣泛。此(ci)工藝(yi)條件下(xia)固體濃度維持在15%以(yi)下(xia)，其液化(hua)、酸化(hua)和產氣3個階段在同(tong)一個反(fan)應(ying)器中進行(xing)，具(ju)有工藝(yi)過(guo)程簡單、投資小、運行(xing)和管理方便的優點。這種工藝(yi)條件下(xia)漿液處于完全(quan)混合的狀態，容易受(shou)到氨氮、鹽分等物質(zhi)的抑制，因此(ci)產氣率(lv)較低。

厭氧干(gan)發(fa)(fa)(fa)酵(jiao)又稱(cheng)高(gao)固(gu)(gu)(gu)體厭氧消(xiao)(xiao)化(hua)，在傳統的(de)(de)(de)厭氧消(xiao)(xiao)化(hua)工藝中(zhong)固(gu)(gu)(gu)體含(han)量(liang)(liang)通常較低，而高(gao)固(gu)(gu)(gu)體消(xiao)(xiao)化(hua)中(zhong)固(gu)(gu)(gu)體含(han)量(liang)(liang)可(ke)達(da)到(dao)20%～35%。高(gao)固(gu)(gu)(gu)體厭氧消(xiao)(xiao)化(hua)主要優點是(shi)單(dan)位容積(ji)(ji)的(de)(de)(de)產(chan)氣量(liang)(liang)高(gao)、需(xu)水(shui)量(liang)(liang)少(shao)、單(dan)位容積(ji)(ji)處(chu)理量(liang)(liang)大、消(xiao)(xiao)化(hua)后的(de)(de)(de)沼(zhao)渣不需(xu)脫(tuo)水(shui)即可(ke)作為肥(fei)料或土壤調(diao)節劑。隨(sui)著固(gu)(gu)(gu)體濃(nong)度(du)(du)的(de)(de)(de)加大，干(gan)發(fa)(fa)(fa)酵(jiao)工藝中(zhong)需(xu)設計抗酸抗腐(fu)蝕性強(qiang)的(de)(de)(de)反(fan)應器(qi)，同(tong)時(shi)還(huan)得解決干(gan)發(fa)(fa)(fa)酵(jiao)系(xi)統中(zhong)輸送流體粘度(du)(du)大以及高(gao)固(gu)(gu)(gu)體濃(nong)度(du)(du)帶(dai)來的(de)(de)(de)抑制問題(ti)。

結語:我國目前(qian)在有(you)機垃圾厭氧(yang)(yang)消(xiao)(xiao)化工程應用方(fang)面的(de)(de)(de)研(yan)究很少，厭氧(yang)(yang)消(xiao)(xiao)化的(de)(de)(de)研(yan)究主要(yao)集中在水處理(li)方(fang)面。各種(zhong)厭氧(yang)(yang)發酵工藝(yi)實(shi)際應用中所存在的(de)(de)(de)最(zui)(zui)大(da)問題是規模化運行的(de)(de)(de)自動化程度較低，技術裝備差。因此，對厭氧(yang)(yang)消(xiao)(xiao)化的(de)(de)(de)最(zui)(zui)佳生物轉化條件(jian)、生態微環境以(yi)(yi)及設計(ji)完善的(de)(de)(de)過程控制系統(tong)等(deng)方(fang)面，還需要(yao)進(jin)一步深入研(yan)究，以(yi)(yi)達到最(zui)(zui)佳的(de)(de)(de)處理(li)效(xiao)果。

參考文獻

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