技术详细介绍
技术简介：
一、固体有机废物厌氧消化工艺的分类
在实际应用中，根据废物中有机固体浓度的大小不同，厌氧消化工艺可以分为干式厌氧消化工艺和湿式厌氧消化工艺两种。干式厌氧消化，即保持固体废物的原始状态进行厌氧消化，反应器内的消化物料的TS（总固体）浓度在20%～40%，仅仅浓度特别高（＞60%TS）的进料才用水进行稀释。湿式厌氧工艺中有机固体废物通常要用水稀释到进料中TS低于15%。干式对于预处理的要求比湿式简单，一般不需要对进料进行稀释，但干式工艺中为了满足废物高黏度的需求，所用的设备要比湿式昂贵。由于湿式中的浆液处于完全混合的状态，更容易受到氨氮、盐分等物质的抑制。通常，干式处理比湿式处理有机负荷率和产气效率更高，因此越来越受到研究者的关注。
根据反应的级数，厌氧消化工艺可以分为单相厌氧消化工艺和两相厌氧消化工艺。两相厌氧消化工艺将厌氧消化过程在两个单独的反应器中进行，为产酸菌和产甲烷菌提供了各自的生存环境，在有机负荷过高的情况下能够降低因挥发有机酸积累对于后续甲烷产气的抑制，降低反应器中不稳定因素的影响，提高反应器的负荷和产气的效率。在两相厌氧消化工艺中，可以根据实际需要在产酸相和产甲烷相应用高效的厌氧反应器，例如UASB、生物滤池等。但事实上，在实际运作中，两相消化并没有表现出优越性，在欧洲固体垃圾厌氧消化中，两相消化所占的比重比单相消化要小得多，原因是两相消化系统需要更多的投资，运转维护也更为复杂。
根据运行的连续性，厌氧消化可以分为连续厌氧消化工艺和间歇厌氧消化工艺。间歇厌氧消化工艺实际上是将垃圾分批地投入到反应器中，然后用水喷淋垃圾，再将渗滤液回流或利用后续厌氧工艺处理渗滤液。
一般认为，厌氧生物反应可以在很宽的温度范围（5～83℃）内进行，而产甲烷作用则可以在4～100℃的温度范围内发生。温度主要是通过对厌氧微生物细胞内某些酶活力的影响而影响微生物的生长速率和微生物对基质的代谢速率，从而影响到厌氧生物处理工艺中污泥的产量、有机物去除速率、反应器处理负荷；温度还会影响有机物在生化反应中的流向和某些中间产物的形成以及各种物质在水中的溶解度，会影响到沼气的产量和成分等。目前经常采用的是高温发酵和中温发酵两种。
二、固体有机废弃物厌氧消化的预处理
（一）生活垃圾 生活垃圾中只有有机成分才能进行厌氧消化，而目前我国的垃圾分类尚未形成体系，生活垃圾多为混合收集，所以对于混合垃圾在进行厌氧消化之前需要先进行分拣，以分离有机物（可发酵物质）和不可发酵的物质。剩余部分可进行其它的处理，如焚烧等。一套有机垃圾厌氧消化预处理工艺组成包括：破袋、分选、筛分等，分选又可以分为人工分选、机械分选等。
1．混合垃圾由运输车运往垃圾分选中心，经称重计量后，进入分选作业车间内，然后将混合垃圾自卸到卸料坑内。卸料坑内的垃圾由抓斗送入进料斗，由位于送料口底部的钢板带式输送机运送垃圾物料。在输送机末端设有垃圾均料器，通过垃圾均料器的均匀给料，垃圾物料通过板式给料机均匀地送至预处理工序，进入破袋机处理，经破袋机破袋处理后，袋装垃圾被均匀地撕裂、破碎，然后由皮带机输送到垃圾筛分工序进行筛分处理。
2．筛分处理主要是对经过破袋后的垃圾通过两层滚筒筛筛分处理，将粒径位于15～80mm的适于厌氧发酵的小颗粒垃圾筛分下来后送入厌氧发酵工序，大于80mm以上的垃圾料继续进行分拣回收后再进行破碎处理，然后将破碎后的垃圾送入厌氧发酵间。小于15mm的垃圾料则直接送入垃圾填埋场。
3．人工手选环节是对垃圾筛上物进行分类分拣回收的关键工序。当拣选输送带上的垃圾通过作业平台时，输送带两侧的拣选工人根据作业分工要求，分别拣选垃圾中规定的物料。
4．机械分选主要由磁选及机械破碎两部分组成。通过此工序后，垃圾料中的铁类金属被分选回收，筛上物被破碎处理，减小粒径，以利于提高后面水力分选工艺的分选效果。筛下物首先经过磁选，分离出铁类金属，而后通过水力分离分选设备，根据物质相对密度的不同，渣土、电池、石块等较重的物质沉入设备下部，而较轻的物质如纸张、塑料等则漂浮于上部，漂上物送入分选回收系统进行回收处理，然后将中间物送入沉淀处理罐，将沉淀后物料送入厌氧发酵工序。
（二）污泥 废水经过好氧生理处理之后会产生大量的污泥，由于污泥自身含水率高、脱水困难等特点增加了其处理难度，而厌氧消化成为一种较为可行的污泥处理方式。污泥的厌氧消化也可分为三个阶段：水解发酵、酸性发酵和甲烷发酵，后两个阶段进行得很快（如产酸发酵只需几小时），而水解过程进行缓慢，是厌氧消化的限速步骤，所以厌氧消化一般需要较长的停留时间和较大的消化池。水解缓慢的主要原因之一是由于微生物细胞壁（膜）的存在，因为污泥是厌氧菌的基质来源，而污泥本身主要是由微生物构成的，厌氧菌进行发酵所需的基质就包含在微生物的细胞膜内，因此只有打破细胞壁（膜）将这些有机质释放出来，厌氧菌才能利用它们进行厌氧消化。所以对污泥进行预处理，提高厌氧消化过程中污泥的水解速率及SCOD（溶解性COD）的含量，能够有效地改善污泥的消化性能。
污泥厌氧消化预处理方法主要有机械法、化学法、臭氧氧化法和辐射法等。
1．机械法包括高压水流喷射法和超声波法，高压水流喷射法是利用高压水流的机械力来破坏微生物细胞，经预处理的污泥中蛋白质含量显著提高，并随喷射时间的延长及压力的增长而增加。
2．利用超声波处理污泥是为了破坏微生物的细胞壁，超声波在低频情况下可对液体中的介质产生周期性的挤压，从而产生大的空穴气泡，当气泡达到一定体积时则会破裂，产生强有力的射流，同时产生很强的剪切力，打破细胞壁，释放有机物。
3．化学法一般也称为碱溶法，即在污泥中加入NaOH或Ca(OH)2改善污泥的消化性能，加入适量的碱之后，污泥溶解性提高，厌氧消化后气体产量增加。由于加碱水解能促进脂类及蛋白质的利用，所以污泥消化之后产生的沼气中甲烷比率也会提高。臭氧氧化法是采用臭氧与污泥中的化合物发生直接或间接反应，反应时，臭氧能够破坏细胞壁而使蛋白质从细胞中释放出来，蛋白质又继续与臭氧发生反应而被分解；臭氧与不饱和脂肪酸进行直接或间接反应形成可溶于水的短链片断；由于臭氧与微生物反应破坏了细胞壁，释放出细胞质，同时也将不溶于水的大分子分解成溶于水的小分子片断。
4．目前辐射法中广泛使用的是γ-射线法和高能电子束法。高剂量γ-射线对微生物有致死作用，可释放活性污泥中的有机物使之成为可溶性碳水化合物，还可以发挥灭菌作用；高能电子束法成本远低于γ-射线法，该法辐射污泥可使污泥中的微生物细胞破裂，大量的蛋白质和碳氢化合物释放出来，从而改善污泥的厌氧消化性能。
（三）农业秸秆 厌氧消化产沼气是一种较好的秸秆处理方式，但是由于秸秆中含有大量的纤维素、半纤维素和木质素，并相互交织在一起，表面还包裹了一层蜡质，起支撑、保护及避免微生物侵腐的作用，从而使秸秆降解极其缓慢，导致秸秆生产沼气存在启动慢、产气率低、结壳严重等问题，使得秸秆厌氧处理投入产出效益差，大规模应用受到限制。因此，要通过各种预处理方法同时提高秸秆木质纤维素的生物可降解性。秸秆的预处理方法很多，包括化学、物理以及生物法。
1．化学法即采用各种化学药品对秸秆进行浸泡，例如氨水和NaOH等碱性溶液，可以使秸秆的厌氧消化能力和稳定性提高。有研究表明，在经过NaOH溶液浸泡处理后，稻草厌氧消化的气体产量提高了38%～119%，其中甲烷含量从46%提高到59%，VS（挥发性固体）的去除率从38%提高到51%，NaOH溶液对稻草的厌氧消化能力具有显著的促进作用。
2．物理法主要是采用研磨和切碎的方法处理秸秆。有机物厌氧消化时，物料颗粒大小对产气效果有一定影响，对于纤维素含量高的秸秆，研磨和切碎能显著提高沼气产量和有机物的降解率以及缩短消化时间，减小消化体积。
3．生物法多是利用添加菌种对秸秆进行预处理，或者采用好氧堆沤的方式。有研究证明，采用厌氧消化液对稻草进行堆沤处理，能有效地降解部分木质素和半纤维素，提高稻草的生物降解性能，随着产气性能的明显改善，产气量、产气速率都有明显的提高。
（四）畜禽粪便 根据养殖场对畜禽粪便的收集方式不同，粪便的固体含量差别很大，含固率较低的粪便污水要先进行浓稀分离，即将固体粪便同污水分开，保证一定的含固率，一般畜禽粪便厌氧消化时含固率在8%左右。
另外，畜禽粪便中普遍存在较高的沙含量，主要来自大型牲畜例如牛的放养场地，以及由于禽类喂食的特殊要求，其饲料中也掺有一定量的沙石，这样得到的畜禽粪便中不可避免的有相当数量的沙石。除此之外，粪便中还含有动物毛发、剩余纤维饲料等杂质，这些对厌氧消化设备都会产生磨损，增加运行中的操作难度和维修费用。泥沙在管道内沉积并大量带入消化罐内，因此在对畜禽粪便进行厌氧消化之前必须进行沉沙预处理，去除杂质，改善装置的运行工况。
（五）餐厨垃圾 脂类和盐分含量高，是餐厨垃圾区别于其它城镇有机垃圾的重要特点。脂类的代谢产物长链脂肪酸（LCFA）以及无机盐类都对厌氧消化过程有明显的抑制作用，二者都直接影响产甲烷菌的产甲烷活性。
1．油脂的物理作用和生化作用是互相影响、综合作用于厌氧消化系统的。油脂类物质不溶于水，所以在餐厨垃圾厌氧消化过程中，非常容易形成泡沫和浮渣层，餐厨垃圾中的油脂类物质进入反应器后，很快上浮至发酵液表面形成厚厚的一层泡沫或者称浮渣。由油脂引起的浮渣问题一度很严重，由于是料负荷的加大，进入发酵液中的油脂量也随之加大。此时，泡沫浮渣层的厚度增长很快，有的可以充满整个反应器内部空间。在实际工程中，出现这种现象很危险，很容易引起反应器的泄漏，甚至爆炸。泡沫浮渣层还会导致沼气难以进入到反应器上部的气相空间当中，而液体对于甲烷的吸收率是与甲烷的气相分压有关系的，泡沫浮渣层阻碍了甲烷气体的溢出，就会使发酵液中的甲烷积累，从而发酵液中甲烷的气相分压就会加大，这样一来，发酵液对于甲烷气体的吸收率就会增加，也就是说从发酵液中溢出的可收集利用气体量减少了，等于降低了的厌氧系统的产气量。此外，由于甲烷气体在发酵液中的积累，还会影响产甲烷细菌的代谢过程，阻碍反应向产甲烷的方向进行。总之，泡沫浮渣层问题会引起餐厨垃圾厌氧消化工艺的产气量减少。另外，油脂物质的代谢产物主要是长链脂肪酸，它可以通过对颗粒污泥厌氧微生物的吸附而破坏菌体细胞膜结构，直接杀死厌氧微生物。LCFA对产甲烷菌的抑制，破坏了厌氧代谢过程的平衡，挥发性脂肪酸等中间产物得以积累，反应器中pH严重下降，导致厌氧消化过程失败。
2．餐厨垃圾中的无机盐类包括钙、镁、钾、铁、钠等，其中钠盐的含量最高。大量研究表明，Na+对于厌氧消化有明显的抑制性，高浓度的Na+直接抑制产甲烷菌的活性，从而影响厌氧消化过程，即降低厌氧消化工艺的产气量和产气效率。对Na+的抑制作用，产甲烷菌很难，甚至是不可能被驯化。例如Ca2+，在弱碱性条件下以碳酸氢盐形式存在的Ca2+溶解度很小，因而实际影响较小。发酵液pH通过影响无机盐分的存在形式，进而影响其溶解度，从而影响盐分的产甲烷抑制毒性。而餐厨垃圾厌氧消化实际的情况包含了复杂的盐分及底物组成以及较低的pH，这些情况均会加大各种无机盐分对产甲烷菌的抑制。总体而言，餐厨垃圾中含有的无机盐分进入发酵液后，会电离水解成一价或二价离子形式，这些无机离子若是积累到一定的抑制浓度，就会对产甲烷细菌造成不同程度的抑制和毒害作用。
3．餐厨垃圾中的油脂和盐分对厌氧消化的抑制对厌氧消化的进行造成了很大障碍。目前餐厨垃圾的油脂收集主要采用溢流式收集器，也可称撇油式，是一种最简单的油水分离方法。实施时，只要在除油槽的液面高度附近设置一只溢流盒，即可在加液过程中，通过液面的浸溢自动使浮油从溢流盒中溢出，为了有效撇除浮油，溢流盒应置于加液口的相对位置。溢流盒结构简单，不仅可以撇油，还具有控制液面高度、防止漫槽的作用。而针对餐厨垃圾中的高盐分，目前还没有较好的去除方法。
除此之外，餐厨垃圾在进入厌氧消化反应器之前还需要将其中的大块物料，如骨头、木筷等进行粉碎，以降低进料的难度，加快消化反应的进行。
技术的应用领域前景分析：
固体有机垃圾主要包括城市有机垃圾、城市污水污泥、农村秸秆、畜禽粪便以及餐厨垃圾等几大类。有机垃圾的处理方法主要有填埋法、焚烧法和生物处理法。厌氧消化法和好氧堆肥法都属于生物处理法，不同之处在于前者是在厌氧条件下进行，后者则是在好氧条件下进行。大部分研究者认为固体有机废物的最好处理方式是厌氧消化。首先厌氧消化在生态环境保护方面具突出优势，Baldasano和Edelman等人总结了几种处理方式的气体释放情况，应用生物处理释放的废气最少，生物处理能够最大限度地循环和再利用垃圾的成分，在厌氧处理中，所有的气体都被收集了，厌氧消化比好氧堆肥更重要；其次厌氧消化在经济上有利，厌氧消化工程的先期投资较大，但投入运行后，由于能量平衡较好，所以经济效益优于其它处理方法。厌氧消化可以消纳大量的有机垃圾，并且可以产生数量可观的传统能源替代品——沼气，所以厌氧消化工艺在世界范围内应用越来越广泛。