干-濕聯合兩相厭氧發酵技術處理村鎮固體廢棄物研究進展

張議心， 趙立欣， 馮 晶， 錢名宇，江 皓， 姚宗路

(1.農業部規劃設計研究院，農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室, 北京 100125； 2.中國石油大學(北京)， 北京 102249)

中國是人口大國，同時也是農業大國，每年會產生大量的生活垃圾和農業廢棄物，這些高固含量的廢棄物都是潛在的生物質能資源，如果得不到合理的利用，如秸稈焚燒，未經處理的垃圾填埋，畜禽糞便任意堆棄等，都將給環境帶來嚴重破壞。隨著城鎮化推進的加快，農村人口開始大量向城鎮聚集，生活方式的轉變以及產業結構的調整帶來了大量的環境問題，村鎮地區處于農村向城鎮發展的轉型階段，面臨農業廢棄物與生活垃圾并存的問題。近年來，大量學者針對農業廢棄物處理技術進行了研究，利用其含熱量高、可燃性及其它生化、物理特性，開發了如秸稈還田技術，秸稈飼料化技術，熱解及炭化技術，厭氧發酵制沼氣技術，生產建筑材料和焚燒發電技術等；針對生活垃圾的處理技術研究也較多，如衛生填埋技術，堆肥技術，厭氧發酵技術及焚燒發電等。然而針對村鎮地區農業廢棄物與生活垃圾的混合原料，目前的研究較少。大量文獻表明，在眾多處理方法中，厭氧發酵技術是最有潛力的處理方法之一。

1 兩相厭氧發酵

厭氧發酵按照含固率可以分為濕式厭氧發酵(10%～15%)，干式厭氧發酵(20%～40%)[1]。目前，常見的濕式反應器類型包括完全混合式厭氧反應器(CSTR)、升流式厭氧污泥床(UASB)、厭氧濾器(AF)、升流式厭氧復合床(UBF)和厭氧附著膜膨脹床(AAFEB)等；常見的干式反應器包括車庫式反應器(Garage)，浸出床反應器(LBR)，Dranco豎式推流反應器等[2-3]。

國外干法厭氧發酵技術主要包括德國BIOFerm公司和BIKON公司的車庫式發酵工藝、法國Valogra公司的倉筒型干發酵工藝、瑞典的Kompogas工藝、比利時的Dranco工藝等，國內農業部規劃設計研究院的覆膜槽干法發酵工藝，南京農機化研究所的柔性頂膜車庫式干發酵工藝等。

傳統單相厭氧發酵將產酸菌和產甲烷菌置于一個反應器內，屬于單相反應器，不利于其充分發揮各自的優勢。為了克服單相厭氧發酵系統的缺陷，20世紀70年代，Ghosh和Poland根據厭氧發酵機理和微生物類群理論首先提出了相分離的理念。目前常見的兩相厭氧發酵按照干濕工藝大體可分為兩種，濕-濕聯合和干濕聯合，如表1所示。

表1 常用兩相厭氧發酵工藝

兩相厭氧消化工藝酸化和甲烷化兩個階段分別在兩個串聯反應器內進行，可以使產甲烷菌和產酸菌在各自最適環境條件下生長，有利于增加整個消化反應系統的穩定性。并且由于酸化相的存在，系統能夠承載更高負荷的原料，同時提高了甲烷相的產氣效率，避免微生物和代謝產物之間的抑制作用，使整個厭氧工藝達到最佳狀態[4-6]。

我國村鎮地區所產生的固體廢物中，以秸稈和餐廚垃圾等為主，含固率較高，可達40%。從含固率看，該類原料宜采用干法發酵。并且，采用干法發酵處工藝，可避免產生大量沼液，減輕污染環境的風險。同時，由于秸稈等農業廢棄物降解慢，而餐廚垃圾等易腐爛廢棄物降解速度較快，兩類廢棄物混合發酵時，發酵速度不匹配，若采用單相干法發酵工藝，易產生前期酸抑制、后期產氣緩慢和氨抑制的問題。采用干-濕聯合兩相厭氧發酵工藝，利用干發酵箱作為產酸相、濕發酵相為產甲烷相，可解決上述問題，其流程示意圖如圖1所示。在干發酵相內，混合原料內的秸稈作為支撐物，提高孔隙率并使餐廚垃圾快速降解產酸，產生的酸經過噴淋進入甲烷相厭氧發酵產甲烷。同時，由于采用兩相厭氧發酵系統，產酸相和產甲烷相分別處于優勢發酵條件，系統的厭氧發酵效率高。

圖1 干-濕聯合兩相厭氧發酵流程示意圖

本文重點對目前兩相厭氧發酵技術研究現狀進行綜述，系統總結了兩相厭氧發酵的影響因素以及調控技術，以期為下一步開展兩相厭氧發酵產酸研究提供參考。

2 兩相厭氧發酵影響因素

2.1 物料特性

2.1.1 C/N

厭氧微生物生長繁殖需要攝入一定比例的碳、氮、磷以及其它微量元素。Shen[7]等研究發現，在聯合厭氧發酵過程中，C/N是影響產甲烷體積和COD去除率的重要因素。一般認為C/N在20～30范圍對微生物厭氧發酵過程是最為有利[8-10]。如Bouallagui[11]等以果蔬垃圾為發酵原料，研究了C/N在22.58～34.2范圍內厭氧發酵產甲烷和產VFA情況，發現當C/N在22～25范圍內，產氣效果最好，在27～30范圍內產VFA效果較好。但不同微生物在不同發酵條件下，所需C/N也不完全一致。Yen[12]等研究發現C/N過低會導致氨氮積累，抑制厭氧發酵過程；C/N過高則會導致氨氮含量過低從而導致厭氧微生物數量減少。Liu[13]等通過試驗發現，當C/N在5～10之間時，總VFAs產量從183.3±9.3 mgCOD·g-1VS增加到220.7±20.9mgCOD·g-1VS，當C/N從10增加到30時，總VFAs產量急劇增至702 ± 24.5 mg COD·g-1VS。

2.1.2 TS

TS也是影響厭氧發酵代謝途徑的物料特性因素之一。Benbelkacem[14]等研究發現在高固含量MSW厭氧發酵過程中，最有利于產甲烷的TS范圍為20%～22%，當TS超過30%時，甲烷產量開始下降，揮發性脂肪酸(Volatile fatty acids,VFAs)積累量開始增加。Motte[15]等以小麥秸稈為原料，研究了當TS分別為10%，14%，19%，28%時底物轉化率，結果顯示當TS達到28%時，底物轉化率開始下降，但是VFA積累量開始上升，意味著代謝途徑開始發生變化。由此可以看出，TS的增加在一定程度上可以增大產氣量，但是達到一定限度之后，會造成VFA的濃度升高。

2.2 pH值

pH值是有機廢棄物厭氧發酵的重要影響因素之一。產甲烷菌對pH值的要求較為嚴格(6.5～7.8)，過堿或者過酸都會嚴重影響甲烷菌的生長代謝，因此產甲烷相需要嚴格控制pH值。水解產酸菌適宜的pH值范圍比甲烷菌要大一些，因此產酸相pH值控制范圍較為寬松。Wu[16]等研究發現當初沉污泥在堿性條件下發酵，5天之后，VFA積累量達到312.9 mgCOD·g-1VSS，遠高于中性和酸性條件下。Wu認為堿性環境有利于有機物水解，直接導致更多可溶性蛋白和碳水化合物生成，并且堿性環境下產甲烷菌活性較弱，更有利于短鏈揮發性脂肪酸積累。Yuan[17]等利用剩余污泥分別在pH值4.0到11.0條件下進行厭氧發酵試驗，結果顯示8天之后，pH值為9.0和10.0條件下SCFAs產量遠高于其它組，最高產量達256.2 mgCOD·g-1VSS，經過分析認為可溶性COD的增加，為SCFAs的生成提供了更多基質。 Stein[18]等研究表明餐廚垃圾厭氧發酵在堿性條件下進行可以顯著提高VFA產量，在55℃和pH值為7.0條件下，丁酸濃度可達到10.55 g·L-1。經過大量研究可以發現產酸相pH值并不是越低越好，控制在中性甚至偏堿條件下，得到的VFA產量更大，并且更容易與后續產甲烷階段對接。

2.3 溫度

厭氧發酵微生物降解過程受溫度和溫度波動的影響，微生物在其溫度適宜的范圍內生長速率和活性都較好。從反應動力學來看，溫度主要會影響其中兩個參數，最大比基質去除速率和半飽和常數。根據微生物所適應的環境溫度不同分為3種處理工藝：低溫(0℃～25℃)、中溫(35℃～40℃)、高溫(50℃～55℃)。目前厭氧消化常利用的工藝主要為中溫和高溫厭氧發酵[19-20]。對于一些難降解的有機廢棄物如農作物秸稈等，采用高溫厭氧發酵處理效率較高。Cha[21]等研究發現，溫度對水解酸化階段有顯著影響，結果顯示，水解酸化階段溫度快速下降會抑制碳水化合物的水解和VFA的生成。Li[22]等使用餐廚垃圾與剩余污泥混合物分別在55℃和35℃條件下進行厭氧發酵，發現高溫更有利于蛋白質類水解和產生乙酸發酵型甲烷化，并且高溫條件下發酵液緩沖能力較好，能夠保證在高有機負荷時系統的穩定性。但是在實際應用中，高溫工藝能耗較高，容易引起酸化和氨氮中毒，穩定性較差，因此很難工程化。另外值得注意的是，微生物對溫度變化非常敏感，溫度波動會對微生物代謝造成很大影響，嚴重時會造成產氣停止，因此在實際工程中，需要對溫度進行實時監控、精確控制，并且做好好相應的保溫措施。

2.4 ORP

厭氧發酵過程實際上也是胞外和胞內物質間的電子傳遞過程，因此ORP也是一個重要影響因素。各種微生物對環境的ORP要求是不同的，通過ORP可以判斷和控制微生物的代謝途徑。在兩相厭氧發酵過程中，通過調控ORP可以控制產酸類型，得到目標產物。Jun[23]等研究了ORP對餐廚垃圾厭氧發酵的影響，控制pH值為6.0，經過適當曝氣之后，當氧化還原電位在-100 ～-200 mV范圍內，水解酸化階段的VFA產量較高

在實際工程應用中，往往需要綜合考慮以上因素，并且能量轉換效率和經濟成本也是不可忽略的考衡指標。但是由于目前工業化規模乃至中試規模的研究成果較少，有關干式厭氧發酵技術的研究多停留在實驗室階段，如原料預處理、影響因素分析、產氣特性等工藝條件優化方面。

3 調控技術

3.1 預處理

由于農作物秸稈的主要成分為纖維素、半纖維素和木質素等致密物質，微生物難以快速降解，采取適當的預處理手段能夠有效提高處理效率，同時還能保證纖維素類成分的降解率[24-27]。羅[28]等研究發現，使用NaOH預處理玉米秸稈可以提高玉米秸稈厭氧發酵產氣量，當NaOH添加量為玉米秸稈干重的8%時，與未經處理的對照組相比，單位TS產氣量提高了13.1%～48.3%。Li[29]等研究發現蒸汽爆破預處理后的玉米秸稈厭氧發酵產氣量達223.2 mL·g-1VS，比未經處理的對照組(143.8 mL·g-1VS)提高了55.2%，使用KOH預處理的結果為208.6 mL·g-1VS，而兩者同時經過蒸汽爆破和堿處理組的產氣量達到258.8 mL·g-1VS。在實際應用中，應綜合考慮可實施性和經濟型，確定適當的預處理方法。

3.2 原料配比

混合物料聯合厭氧發酵通常含有兩種及兩種以上具有互補特性的發酵底物，能夠起到平衡營養元素、調節干物質濃度、碳氮比互補等作用，因此最終沼氣產量通常優于單組份底物發酵[30-32]。針對我國目前城鎮化進程中垃圾混雜的特性，以混合原料為發酵基質將是發展所趨。Cabbai[33]等利用CSTR反應器進行了OFMSW與城市污泥聯合厭氧發酵中試試驗，有機負荷3.2 kgVS·m-3d-1，產氣率達0.95 m3·m-3d-1，甲烷含量達64%～71%。Dai[34]等通過試驗對比干污泥與廚余垃圾聯合厭氧發酵與單獨發酵發現，在高固含量的干污泥厭氧發酵中加入廚余垃圾，系統穩定性及最終沼氣產量都得到提高；在高固含量廚余垃圾厭氧發酵中加入干污泥，系統穩定性得到提高的同時，還降低了原有的Na+離子的抑制作用。

3.3 滲濾液回流

針對發酵傳質不均、傳熱效果差、局部有機酸過量積累等問題，干發酵通常采用滲濾液回流的方式，提高反應器內物料含水率，增加微生物接觸面積，提高傳質傳熱效果[35-36]。滲濾液回流技術是將消化容器中收集的滲濾液采用回流的方式，重新與發酵底物接觸。目前針對此項技術的研究主要涉及3個變量參數，回流液體積，回流液與基質比(L∶S)和回流周期[37-39]。但是目前對滲濾液回流的研究多集中于垃圾填埋領域[40-41]，針對兩相厭氧干發酵的研究并不多。Xu[42]等利用餐廚垃圾為發酵底物，采用滲濾液回流方式，發現蛋白質降解率提高了40%，并且產氣量也優于對照組。Rico[43]以牛糞為發酵底物，發現提高滲濾液間歇回流速率有助于系統穩定和甲烷產量的提高，并且提高系統緩沖能力，不受高VFA含量抑制。

3.4 接種方式

3.4.1 固體接種

常見的固體接種物有畜禽糞便、消化污泥、微生物菌劑等[44-46]。Dhamodharan[47]等研究了不同畜禽糞便作為餐廚垃圾厭氧發酵接種物的效果，發現牛糞的接種效果最好，甲烷產量達到227 mL·g-1VS，VS降解率達到54.58%。Forster-Carneiro[48]以OFMSW為發酵底物，使用6種不同接種物，研究其對COD 去除率和VS降解率和產氣量的影響，結果發現消化污泥的接種效果最好，COD去除率達到44%，沼氣產量78.9 mL·d-1，其次是消化污泥與豬糞的混合物。

3.4.2 液體接種

常見的液體接種物有滲濾液、沼液、動物瘤胃胃液等[49-50]，接種方式多采用回流的手段，使接種物與底物充分接觸。Lin[51]使用滲濾液作為庭院垃圾厭氧發酵的接種物，采用滲濾液回流的方式接種，通過對比產氣率和甲烷含量，發現當接種比例(I/S)為1∶1時，要優于1∶2和1∶3。Zhang[52]等使用MSW為發酵底物，滲濾液回流接種，研究其對水解過程的影響，當接種比例(I/S)為1∶20時，水解效率提高了27.4%，隨著接種比例降低，對水解作用影響也降低，隨著接種比例升高到10%，對水解作用開始產生抑制，研究表明合適的接種比例能夠有效縮短水解的時間。由以上研究發現，發酵底物和接種物不同，最適接種比例也不同。

4 總結與展望

村鎮垃圾是我國新型城鎮化進程中需要面對的主要環境污染源之一，我國農村地區廢棄物產量大、種類復雜，且增長迅速，對村鎮生態環境的影響日趨嚴重，甚至危害到城市周邊環境。但村鎮垃圾中的固體廢棄物同時蘊藏著豐富的生物質能源，隨著農村地區對清潔能源的需求越來越大，農村規模化沼氣工程具有巨大的開發潛力。針對我國當前村鎮固體垃圾廢棄物的特性，采用干-濕聯合兩相厭氧發酵途徑產沼氣，可替代部分化石燃料進行發熱發電，并且沼液、沼渣可以制成優質肥料，代替部分化肥，有利于治理農業污染，促進農村生態循環經濟發展。目前國內大中型農村沼氣工程的開發備受重視，涌現出許多新技術、新工藝，但是關于干-濕聯合兩相厭氧發酵技術研究多停留在實驗室規模，尚有很多技術問題亟待突破。在今后的研究中： 1)將重點關注滲濾液回流噴淋工藝的改進，選取水解酸化的最佳反應條件，提高酸化液中VFA特別是乙酸的含量； 2)選取農作物秸稈與MSW最佳混合比例，采用合適的預處理方式，加快其降解速率； 3)尋找滲濾液和沼渣的合適的處理方式，避免其對環境的二次污染，提高綜合利用率； 4)改進發酵裝置，降低制造成本和運營成本。如以上研究能有所突破，村鎮固體廢棄物干-濕聯合厭氧發酵制沼氣工程將會具有廣闊的應用前景。