厌氧消化工艺处理水果蔬菜废弃物的研究进展

摘要：本文主要介绍了目前国内外采用厌氧消化工艺处理水果蔬菜废弃物的一些研究情况以及处理这些废弃物的厌氧反应器的应用情况，指出厌氧消化工艺是处理蔬菜和水果废弃物的一种很有前途的工艺。
关键词：蔬菜水果废弃物；厌氧消化；厌氧反应器
1前言
水果蔬菜废弃物在我国城市垃圾中占有较大的比重，由于其自身较高的含水率，不宜采用焚烧工艺；同时因有机成分含量高，其堆放或填埋会产生大量的渗滤液，造成严重的环境污染[1]。在印度，每年产生水果和蔬菜废弃物多达5.6×106吨，这些废弃物大多被堆放在城市边缘[2]。我国目前的处理状况也大体如此，因此采用合适的工艺将这些废弃物妥善处理势在必行。相对于焚烧和堆肥工艺来说，厌氧消化工艺有很多的优点。其最重要的优点就是能够产生沼气，可用于发电和供热，减少CO2的排放，消化后的产物经过简单处理可作为优质的肥料[3]。
厌氧消化工艺能够成功的应用于处理有机废物在很大程度上取决于高效反应器的开发和应用，而反应器的设计对反应器的工作性能有很大的影响。近年来，很多新型反应器被开发出来并得到采用，反应器的处理效率也不断提高。各种不同的厌氧工艺，如批量式反应器、连续流单相反应器、不同形式的连续流两相反应器、连续搅拌反应器(CSTR)、管式反应器、厌氧序批式反应器(ASBR)、升流式厌氧污泥床(UASB)以及厌氧滤池(AF)等，都曾被应用于水果和蔬菜废弃物的处理。
2水果和蔬菜废弃物的特点及厌氧消化的局限性
以前的研究中所采用的水果和蔬菜废弃物基本上都是来自菜市场，表1中介绍了一些研究中所采用的水果和蔬菜废弃物的主要组成成分。这些废弃物的固体含量在8%～19%，总挥发固体的含量占总固体80%以上，其中包括75%的糖类和半纤维素，9%的纤维素及5%的木质素[1]。其很高的含水量使得它们很适宜采用生物处理工艺[4]，而厌氧消化工艺则是处理这些废弃物的合理选择。好氧工艺不太适合处理水果和蔬菜废弃物，因为有机物含量高需要大量的动力消耗。但并非所有的水果或蔬菜单独消化都会取得令人满意的结果，Hamdi等人在处理橄榄油废水时就发现，橄榄废弃物中含有大量的酚类和一些难以进行生物降解的成分[5]。A.G.Lane在对杏的废弃物进行厌氧消化时发现，在运行到63天后，产气量从0.477L•gVS-1降到了0.137L•gVS-1，说明反应器中产生了某种抑制作用，但原因不明[6]。
水果和蔬菜废弃物的COD/N约为100/4，因此不需要另加氮源。对于产甲烷微生物来说，合适的COD/N通常是100～128:4。某些水果或蔬菜废弃物的COD/N可能不在这个合适的范围内，因此有时把两种或两种以上的废弃物混合进行消化，保证了营养平衡。W.Parawira等人将土豆和甜菜叶进行混合消化，气体产率比土豆和甜菜叶单独进行消化时要高20%以上，因此他们得出结论认为，富含淀粉的废弃物和含氮量高的废弃物混合后进行消化会明显提高产气能力[7]。F.J.Callaghan等人将水果蔬菜废弃物和牛粪混合消化也取得了满意的结果[8]。
表1几种水果蔬菜废弃物的主要组成（单位：g•kg-1）

将水果和蔬菜废弃物投入反应器之前，通常都要经过一些预处理。首先要经过充分破碎使其均质，有利于消化；然后加水稀释，降低有机物的浓度，再在合理的有机负荷下运行。由于水果和蔬菜废弃物的pH值较低，有一些研究者认为需要加入氢氧化钠调节pH值，如果不调节，pH值会很快降低从而抑制甲烷菌的活动。Converti等人发现废弃物中的有机物质在高温预处理后可以促进厌氧消化[3]。
水果和蔬菜废弃物的厌氧消化过程是通过一系列的生物化学反应进行的，大致上可以分为四个步骤[10]。首先纤维素、半纤维素、果胶和木质素等有机物质被厌氧微生物产生的胞外酶水解，水解速率跟pH值、温度、底物组成、颗粒大小以及中间产物的浓度有关；然后水解生成的溶解性有机物被产酸菌转化为有机酸、乙醇、氢和二氧化碳；紧接着酸化的产物转化为乙酸、氢和二氧化碳；最终通过产甲烷菌的活动将乙酸、氢和二氧化碳转化为甲烷。
一般来说，颗粒底物的水解是厌氧消化过程的限速步骤，但对于低纤维素含量的水果和蔬菜废弃物来说，产甲烷的反应过程对反应速率的影响要大于水解过程。在反应器中这些废弃物能够很快的水解发酵成挥发性脂肪酸(VFA)，使得pH值降低从而对产甲烷细菌的活动产生抑制作用。在单相反应器系统中，所有的反应都在一个反应器中同时进行，而两相和多相反应器系统中，几个阶段的反应是在至少两个反应器中分开进行的。一个理想的厌氧消化系统是没有大量的中间代谢产物的积累，如果VFA在反应器中大量积累，就会影响产甲烷过程的进行，所以有必要保持反应器中有足够的碱度来缓冲，通常要保证(碱度-0.7×VFA)>1500。