有机固体废弃物厌氧发酵处理的研究进展

摘要：论述了温度、总固体含（TS）和接种物对有机固体废弃物厌氧发酵效果的影响，介绍了各国厌氧发酵沼电联产工程的现状，并对我国厌氧发酵沼电联产工程中存在的问题及限制因素进行了分析，同时也提出了推广厌氧发酵沼电联产工程的相应对策。
关键词：有机固体废弃物；厌氧发酵；沼电联产
有机固体废弃物主要包括城市生活垃圾、规模化养殖场畜禽粪便、秸秆、城市污泥等，其产生量巨大，且有机质含量高，若直接排放，将对环境造成严重污染据统计，我国城市垃圾的历年堆存量高达60亿t，近十年来城市垃圾的年均增长率为8%～10%。1999年我国畜禽粪便产生总量约19亿t，是工业固体废物产生量（7.8亿t）的2.4倍，2000年产生量超过25亿t，2002年增长到27.5亿t；我国每年约产农作物秸秆8亿t，因此对有机固体废弃物的处理迫在眉睫。而厌氧发酵实现了有机固体废弃物到清洁能源的转换，符合国家倡导的废弃物“减量化、资源化、无害化”处理中“资源化”的要求，实现了环境与能源双赢的局面。
1厌氧发酵
厌氧发酵即厌氧生物处理，是一种利用微生物自身的新陈代谢作用而实现有机固体废弃物处理的方法。与好氧生物处理法相比，厌氧发酵法具有耗能低，占地面积小，处理效率高等优点，重要的是厌氧发酵的产物为高热值的能源——沼气。沼气是一种清洁能源，其燃烧产物为CO2和H2O，无污染组分；另外，作为生物质能沼气可在一定程度上替代化石能源，这在化石能源匮乏的今天也具有重要的现实意义其中，影响厌氧发酵的因素主要包括温度、总固体含量（TS）及接种物等。
1.1温度
厌氧发酵根据温度不同可分为常温发酵（自然温度）、中温发酵（30～40℃）和高温发酵（50～60℃）厌氧发酵的温度与产气量呈正比关系，产气量是表征厌氧发酵优劣的重要参数，它们之间关系的实质是发酵底物的消化速率，温度越高，底物的分解速率越快。研究表明，平均温度为24℃时，牛粪50d全部消化，如果发酵温度控制在32～37℃，其发酵完全不超过28d；剩余污泥在中温35℃下20d即可达到消化目的，而在高温53℃下，12d即取得良好的处理效果。
农村户用沼气池和中小规模的畜禽养殖场粪污处理多采用常温发酵，常温发酵沼气池成本较低，操作简单，但受环境温度的影响，其发酵温度非常不稳定，废弃物处理能力相对较低，产气量也不高。因此，提高厌氧发酵的温度并维持其稳定是提高厌氧发酵的产气量和产气稳定性、确保沼气工程常年稳定运行的重要途径。但是，提高厌氧发酵的温度并使其维持在一定水平需额外耗费能源，这将增加沼气工程的成本。对此，黎强提出进行近中温发酵即利用发酵产生的沼气进行循环燃烧加热，使发酵温度升高，从而达到提高厌氧处理能力又不额外消耗能源的目的。试验证明，猪粪液厌氧发酵近中温时的产气率较低温时确有很大提高，平均产气率由0.59L/（L•d）提高至2.00L/（L•d）。
为进一步提高厌氧发酵的产气率，缩短发酵周期，研究人员对中温发酵和高温发酵进行了研究。研究发现，中温发酵的产气高峰在35℃左右，高温发酵的产气高峰在54℃左右，中温厌氧发酵的稳定性较好，但是，高温条件可增加反应速率，缩小反应器体积，提高微生物灭活效率，且产气率更高。刘荣厚研究了温度对猪粪厌氧发酵产气特性的影响，发现在发酵的初、中期，中温（37℃）组的日产气量和累积产气量都高于高温（52℃）组和室温组，当反应进入后期，日产气量高温组＞中温组＞室温组。吴满昌对城市垃圾厌氧发酵过程中温度的影响也进行了探索，结果表明，中温35℃时，3d开始产气，7d气体能够点燃（气体能够点燃时间也称发酵启动时间，指沼气中甲烷含量超过50%），26d消化完全；高温55℃时，0.125d即3h开始产气，发酵启动时间仅2d，发酵周期仅为20d，优势更为明显。秸秆的厌氧消化研究也表明高温发酵较中温发酵有优势，其干物质产气率可达到0.24m3/kg，比中温发酵的产气率提高21%。
厌氧发酵过程中温度的突然上升或下降对产气量有明显的影响，吴满昌发现高温厌氧微生物对温度突变具有良好的恢复能力，发酵中的各项参数在温度恢复后一段时间内均能回到温度变化前的状态，但是温度突变的持续时间越长，恢复至正常状态的时间也越长。此外，高温发酵在诸多方面都较中温发酵更优，但是，高温发酵运行的能耗比较大，这也是目前制约高温发酵实际应用的瓶颈，另外高温发酵的优点常不稳定，因此目前运行的厌氧发酵工程多采用中温发酵工艺。在德国和奥地利，90%的农场沼气工程采用中温发酵，仅有9%的德国沼气工程和3%的奥地利沼气工程采用高温发酵，我国的高温厌氧发酵工程也是屈指可数。有研究人员拟利用沼气发电产生的余热解决高温运行的能耗问题，若可行则高温发酵的运行稳定性也还需做进一步研究。