厌氧消化工艺处理水果蔬菜废弃物的研究进展

3水果和蔬菜废弃物厌氧消化反应器的应用
3.1批量式系统
在批量式系统中，进料一次性加入到反应器中，添加或不添加接种物质，厌氧消化的各个反应步骤在反应器中依次进行。Converti等人将水果和蔬菜废弃物在中温和高温条件下进行了批量式消化研究，蔬菜混合废弃物的消化过程进行的很快，其第一动力学常数约为4.1×10-3L•h-1gVSS-1[3]。Lane将玉米、苹果、甜菜、菠萝等分别进行了消化试验，产气率在0.427L•gVS-1到0.568L•gVS-1[6]之间。
固体含量为5%的混合蔬菜废弃物的批量式厌氧消化系统也得到成功的运行，经过47天的消化，在第26天得到最大产气量为0.16m3•kgTS-1[11]。
Bouallagui[12]和Marouani[13]等人在研究中发现，水果和蔬菜废弃物在固体含量为8%的批量式系统中，由于VFA的大量积累产生了抑制作用，其pH值降低难以再次上升，为了解决这个问题，需要提高接种物比例。冷成保等人开发了一种“暗河”式反应器，是将管道式反应器埋入地下，其最大优点是不占用土地资源，采用干发酵，固体含量在25%～30%，在反应第五天时pH值降到了5以下，在第七天又回升到7以上，使得反应顺利进行[14]。
从目前的市场份额上看，批量式系统的应用并不是很成功，但是批量式系统的特点如设计和控制简单、可处理污染程度高的废弃物、并且投资省，使得它特别适合发展中国家使用。研究过程中采用批量式系统通常是分析有机污染物的降解过程和产气情况，从而对连续流厌氧消化系统的运行提供一些有用的数据以作为参考依据。
厌氧序批式(ASBR)工艺处理水果和蔬菜废弃物因其运行的灵活性也引起了人们的兴趣，一些研究机构进行了这方面的研究，发现使用ASBR工艺处理高固体含量的废弃物悬浮固体去除率达到了90%～93%。
3.2连续流单相系统
目前在欧洲运行的处理城市垃圾和牲畜废弃物的生产性厌氧消化处理工程中，有90%都是采用连续流单相系统。但大量的研究工作都是针对两相厌氧消化系统——产酸相和产甲烷相。众多研究者对两相系统如此青睐可能在于采用两相和多相系统可以控制和研究有机质消化过程的中间步骤。而从工业应用上看，更倾向于采用单相消化系统，因为其设计简单和投资节省。很多研究者采用不同的单相系统对处理蔬菜废弃物做了大量的研究工作。Mata-Alvarez等人采用单相CSTR反应器对菜市场废弃物进行中温消化，其最大有机负荷低于3kgTVS•m-3d-1，但类似的其他废弃物的最大有机负荷却能够达到6kgTVS•m-3d-1，认为可能是因为大量的VFA快速的生成限制了有机负荷的提高[15]。Lane的研究也发现，在采用CSTR反应器时，当有机负荷为4kgTVS•m-3d-1时，pH值会明显降低，产生的沼气中CO2的含量增加[6]。还有人采用半连续混合管式反应器厌氧消化蔬菜水果废弃物，最优的运行条件是在HRT为20天，有机负荷为2.8kgTVS•m-3d-1时。在水解过程中pH值也降到过6.1，但是大多数时间都保持在7.2，当HRT减少到10天时，pH值降到5，系统产生抑制[15]。管式反应器最大的特点就是它能将产酸过程和产甲烷过程在反应器内纵向分开，使得它具有了两相系统的特点。
在单相系统中，产酸和产甲烷过程是在一个反应器中进行，产酸代谢产生的氢被产甲烷菌所利用，部分CO2与氢反应生成甲烷和水。随着进料负荷的提高，产酸反应增强，产甲烷的底物包括乙酸、CO2和H2的含量也随之提高，与此同时产甲烷菌的活性并没有得到相应的提高。
3.3连续流两相系统
产酸菌和产甲烷菌两个菌群所需的生活环境是大不相同的，如营养需求、pH值、生理学指标、营养利用动力学以及环境因子。在传统的消化过程中，都是将产酸和产甲烷过程在一个反应器中进行，给予两组菌群一样的运行条件。两相消化系统就是把水解产酸和产甲烷两个过程分开在两个不同的反应器进行，分别提供适宜的生长条件，使得这两个过程运行更合理。很多研究者都在开展两相厌氧消化工艺处理水果蔬菜废弃物的研究。Rajeshwari等人所采用的两相消化系统处理菜市场废弃物，94%的挥发性固体生成了沼气。这些废弃物首先在固体床反应器中被酸化，酸化相中产生的渗滤液进入到UASB反应器消化产气[16]。J.Raynal等人的两相消化系统研究中，其水解酸化过程采用ASBR反应器，甲烷发酵过程采用升流式固定床反应器，在有机负荷为4gCOD•L-1d-1，HRT为17天时，该系统总的有机物去除效率高于87%，产气量为0.29L•gTCOD-1[9]。还有人采用高温液化CSTR反应器和中温厌氧滤池，超过95%的挥发性固体转化成甲烷，容积有机负荷率为5.65gVS•L-1d-1，甲烷产量为420L•kgVS-1[4]。研究者们发现，带有相分离的反应器在污染物去除率以及能量再生方面都是一个高效的选择。R.Sarada等人分别采用单相和两相系统处理土豆加工废弃物，发现采用两相工艺时，在中温条件下，HRT为20天，产气率要比同样条件下的单相系统高30%[17]。R.M.Dinsdale等人采用一个倾斜放置的管式反应器，将水果蔬菜废弃物和剩余活性污泥混合进行消化，HRT为13天时，40%的VS得到去除，产气量为370L•kgVS-1，但是反应器中的VFA却高达1300mg•L-1；将HRT增加到17天，VFA降到了300mg•L-1[18]。而A.Mtz.Viturtia等人发现在高有机负荷条件下，两相系统中产气率较低，VS去除率也很低，而且此时在产酸反应器中的甲烷的产率比产甲烷反应器中还要高，因此他们认为两相系统在处理这种水果蔬菜混合废弃物的效率相对于单相系统来说并没有明显的优势，而采用单相系统不但简单而且至少可以得到同样的产气量[19]。
表2部分研究所用反应器处理水果蔬菜废弃物的运行性能