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分類:固廢觀察 發(fā)布時(shí)間:2021年3月27日 21:52 作者:固廢觀察公眾號(hào) 文章來(lái)源:固廢觀察公眾號(hào)
廚余垃圾作為有機(jī)物含量豐富的廢棄物,厭氧消化是較成熟且極具潛力的餐廚垃圾資源化利用技術(shù),而有效提升厭氧消化產(chǎn)氣效率是該技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。由于廚余垃圾存在豐富的大顆粒有機(jī)質(zhì),厭氧消化過(guò)程存在水解速率慢,易酸化或產(chǎn)生氨氮抑制的現(xiàn)象導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰,且產(chǎn)氣熱值低等問(wèn)題。預(yù)處理可有效提高廚余垃圾的水解效率,縮短停滯時(shí)間;兩相厭氧消化和共消化可為緩解酸敗和氨氮抑制等問(wèn)題,從而提升厭氧消化效率;產(chǎn)物沼氣可通過(guò)升級(jí)凈化后進(jìn)行利用。
趙佳奇1 范曉丹1,2 邱春生1,2* 王晨晨1,2 劉楠楠1,2 王 棟1,2 王少坡1,2 孫力平1,2
(1.天津城建大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院;2.天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)
研究背景
根據(jù)住建部2019年最新發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn),廚余垃圾(food waste)指易腐爛的,含有有機(jī)質(zhì)的生活垃圾,包括家庭廚余垃圾、餐廚垃圾和其他廚余垃圾等,其主要成分有瓜果皮殼、剩菜剩飯、食品加工肥料、腐肉和水產(chǎn)品等。我國(guó)人口眾多,加之生活水平的提高以及特色的飲食習(xí)慣,使得廚余垃圾產(chǎn)量不斷攀升。廚余垃圾本身不具毒性,但如不及時(shí)處置或處置方式不當(dāng)將引發(fā)衛(wèi)生安全問(wèn)題,應(yīng)當(dāng)選擇合適的方法妥善處理。投喂牲畜、填埋和焚燒等傳統(tǒng)的處理處置方式易引發(fā)衛(wèi)生疾病,產(chǎn)生二次污染。廚余垃圾含有豐富的營(yíng)養(yǎng)元素和無(wú)機(jī)鹽,經(jīng)適當(dāng)處理后資源化利用符合廚余垃圾資源化、無(wú)害化的要求及可持續(xù)發(fā)展的理念。資源化利用的方式包括好氧堆肥、生產(chǎn)生物質(zhì)能源、飼料化、厭氧消化產(chǎn)甲烷等。其中,厭氧消化能夠降解廚余垃圾中的有機(jī)質(zhì),控制氣味的產(chǎn)生,避免衛(wèi)生安全問(wèn)題的產(chǎn)生,且反應(yīng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單,無(wú)二次污染,輸入的能量低且可產(chǎn)生甲烷,經(jīng)濟(jì)效益好。厭氧消化的整個(gè)過(guò)程無(wú)須供氧,輸入能量較低,對(duì)環(huán)境友好,具有反應(yīng)過(guò)程穩(wěn)定、產(chǎn)生清潔能源,實(shí)現(xiàn)廚余垃圾無(wú)害化和資源化等多種優(yōu)勢(shì),是極具潛力和發(fā)展前景的廚余垃圾的處理方法。如何快速、高效、節(jié)約成本地實(shí)現(xiàn)廚余垃圾的厭氧消化成為近年國(guó)內(nèi)外科學(xué)研究的熱點(diǎn),也是廚余垃圾厭氧消化工業(yè)化亟待解決的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)近年文獻(xiàn)的總結(jié)和分析,本文介紹了廚余垃圾的基本特性、厭氧消化的機(jī)理,總結(jié)廚余垃圾厭氧消化面臨的問(wèn)題,并分析了對(duì)應(yīng)的國(guó)內(nèi)外調(diào)控策略的優(yōu)缺點(diǎn)研究進(jìn)展,為我國(guó)廚余垃圾的工業(yè)化處理提供參考。
摘 要
廚余垃圾產(chǎn)量大、有機(jī)物含量高、營(yíng)養(yǎng)元素豐富,對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)處理后資源化利用是廚余垃圾處理的發(fā)展方向。厭氧消化可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能的高效利用,是廚余垃圾資源化、無(wú)害化處理的主要方法之一。提升餐廚垃圾厭氧消化效率獲得清潔能源及對(duì)消化產(chǎn)物的綜合利用是目前研究的熱點(diǎn)。介紹了廚余垃圾的基本特性、厭氧消化的機(jī)理,總結(jié)廚余垃圾厭氧消化各階段面臨的問(wèn)題,分析對(duì)應(yīng)的國(guó)內(nèi)外調(diào)控策略的優(yōu)缺點(diǎn)及研究進(jìn)展,并對(duì)今后廚余垃圾厭氧消化的調(diào)控新策略及產(chǎn)物再利用進(jìn)行展望。
01
1.廚余垃圾特性
廚余垃圾的含水率較高,一般在80%左右,其余干物質(zhì)以可降解有機(jī)物為主。干物質(zhì)中包括碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、木質(zhì)纖維素、油脂和少量的金屬元素等。其中,碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪的含量通常超過(guò)干物質(zhì)的70%,具有較高的產(chǎn)甲烷潛力,使廚余垃圾的厭氧消化成為可能。廚余垃圾的碳氮比(C/N)一般在10~30,符合厭氧消化C/N值在20~25的要求。
2.厭氧消化機(jī)理
厭氧消化過(guò)程可分成水解、酸化、產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷4個(gè)階段。水解階段廚余垃圾中的碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪等懸浮顆粒有機(jī)質(zhì)被微生物水解成如多糖、多肽和有機(jī)酸等可溶有機(jī)質(zhì);酸化階段短鏈有機(jī)質(zhì)被產(chǎn)酸菌降解成如葡萄糖、氨基酸、VFAs(揮發(fā)性脂肪酸)、NH3和H2S等;乙酸化階段葡萄糖和氨基酸被產(chǎn)乙酸菌利用生成乙酸、H2和CO2;甲烷化階段產(chǎn)甲烷菌將乙酸、H2轉(zhuǎn)化成CH4和CO2。
3.廚余垃圾厭氧消化存在問(wèn)題
廚余垃圾的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富,C/N符合厭氧消化的要求,但是總結(jié)近年國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),廚余垃圾的厭氧消化仍然面臨許多問(wèn)題:
1)廚余垃圾的顆粒較大,且其中復(fù)雜的有機(jī)質(zhì),如木質(zhì)素和角蛋白在厭氧條件下幾乎不可生物降解,而化合物如木質(zhì)纖維素和細(xì)胞壁雖可生物降解,卻很難被生物利用,這些因素都會(huì)減慢廚余垃圾的水解速度,延長(zhǎng)厭氧消化的停滯時(shí)間。
2)與產(chǎn)酸菌相比,產(chǎn)甲烷菌的時(shí)代周期長(zhǎng),消耗有機(jī)酸的能力有限,且易受環(huán)境因素波動(dòng)和重金屬等有毒物質(zhì)的影響,故當(dāng)系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷較高時(shí),VFAs的產(chǎn)生和消耗不平衡,易有系統(tǒng)酸化的情況出現(xiàn)。另外,氨氮是微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),且能夠提高系統(tǒng)的緩沖能力,但是廚余垃圾的蛋白質(zhì)含量較高時(shí),厭氧消化系統(tǒng)經(jīng)常面臨氨氮抑制的問(wèn)題,抑制厭氧微生物的活性,使得系統(tǒng)產(chǎn)氣效率降低。
3)產(chǎn)甲烷菌是古生菌,主要分為乙酸營(yíng)養(yǎng)型甲烷菌和氫營(yíng)養(yǎng)型甲烷菌兩大類群。在產(chǎn)甲烷階段,乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌發(fā)揮主要作用,將乙酸脫羧分解成為CH4和CO2,而氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌將H2作為電子供體,CO2作為電子受體,最后生成CH4和H2O。但是,廚余垃圾厭氧消化產(chǎn)生的沼氣中CH4只占40%~70%,剩下的大部分是CO2,少量的H2S和其他雜質(zhì),所以產(chǎn)物沼氣熱值低(圖1)。
圖1 廚余垃圾厭氧消化機(jī)理和限制因素
02
1.預(yù)處理
1.1 物理預(yù)處理
表1 廚余垃圾物理預(yù)處理厭氧消化的相關(guān)研究
1.2 化學(xué)預(yù)處理
1.3 生物預(yù)處理
預(yù)處理的直接作用效果是增溶,繼而依靠厭氧微生物降解溶解物影響CH4產(chǎn)量??偨Y(jié)上述各種預(yù)處理方法發(fā)現(xiàn),增溶效果的增強(qiáng)與甲烷產(chǎn)量并不一定呈正相關(guān),如臭氧氧化和生物處理會(huì)對(duì)甲烷產(chǎn)率產(chǎn)生負(fù)面影響。另外,不同的預(yù)處理方式會(huì)造成不同的額外投入,如通過(guò)超聲波、臭氧等預(yù)處理手段提升甲烷產(chǎn)率獲得的額外能源不足以補(bǔ)償預(yù)處理的能源消耗。故投資少、能量利用效率高、可使甲烷產(chǎn)率顯著提高的預(yù)處理方法是今后的研究焦點(diǎn)。此外,已經(jīng)普遍應(yīng)用在城市污泥預(yù)處理研究中的能量回收和循環(huán)利用方法也是廚余垃圾預(yù)處理的潛在研究方向之一。
2.消化方式
2.1 兩相消化
2.2 共消化
厭氧微生物的生長(zhǎng)需要適當(dāng)?shù)臓I(yíng)養(yǎng)元素配比,然而廚余垃圾往往含有較多的C元素,而N元素和金屬元素含量較少,不能滿足產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)需求。研究發(fā)現(xiàn),厭氧發(fā)酵的最優(yōu)C/N為15.5~19,而廚余垃圾的C/N往往高于20,所以當(dāng)廚余垃圾單獨(dú)進(jìn)行厭氧消化時(shí),常由于營(yíng)養(yǎng)元素的不平衡,消化系統(tǒng)易發(fā)生酸敗或氨氮抑制的現(xiàn)象。為了提高產(chǎn)氣效率,研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)將廚余垃圾與紙類垃圾、動(dòng)物糞便(豬糞、牛糞和雞糞等)、秸稈、污泥等進(jìn)行混合消化,可使基質(zhì)的C/N處于適宜范圍以提高產(chǎn)氣效率。此外,污泥與餐廚垃圾共消化具有協(xié)同效應(yīng),可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,當(dāng)污泥與食物垃圾的比值為1∶1時(shí),甲烷產(chǎn)率提高達(dá)4.59倍。上述各種影響因素和相應(yīng)技術(shù)手段對(duì)餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷效率的影響,都可歸因于對(duì)產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌活性的影響。厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定和甲烷產(chǎn)量的提高,一是要考慮消化基質(zhì)的溶解度和降解性,二是2類厭氧微生物的活性和豐度。前者可通過(guò)預(yù)處理方法解決,但后者對(duì)微生物豐度的研究相對(duì)較少。目前的研究也逐漸向保持微生物活性,提升微生物豐度的方向發(fā)展。
3.消化產(chǎn)物的升級(jí)和利用
表2 沼氣凈化升級(jí)方法
沼氣燃燒發(fā)電和供熱是沼氣利用的兩大主要方式。目前德國(guó)利用沼氣和生物甲烷發(fā)電的比例為74%,對(duì)生物質(zhì)發(fā)電的貢獻(xiàn)最大。沼氣燃燒產(chǎn)生的熱量可用于住宅和社會(huì)建筑、辦公室、車間的供暖,以及水供暖(31%的沼氣廠設(shè)置在社會(huì)建筑下面)和干燥過(guò)程(42%的沼氣廠涉及此功能)。另外,瑞典在免收能源稅和二氧化碳稅、減收氣體燃料的車輛使用稅等一系列優(yōu)惠政策下鼓勵(lì)沼氣作為車用燃料使用。我國(guó)擁有眾多的農(nóng)村家用沼氣池,簡(jiǎn)單收集后沼氣可直接作為替代燃料燃燒用于烹飪和取暖,但其地理分布比較分散,不利于進(jìn)行統(tǒng)一收集與利用。
03
廚余垃圾作為有機(jī)物含量豐富的廢棄物,厭氧消化是較成熟且極具潛力的餐廚垃圾資源化利用技術(shù),而有效提升厭氧消化產(chǎn)氣效率是該技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。由于廚余垃圾存在豐富的大顆粒有機(jī)質(zhì),厭氧消化過(guò)程存在水解速率慢,易酸化或產(chǎn)生氨氮抑制的現(xiàn)象導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰,且產(chǎn)氣熱值低等問(wèn)題。預(yù)處理可有效提高廚余垃圾的水解效率,縮短停滯時(shí)間;兩相厭氧消化和共消化可為緩解酸敗和氨氮抑制等問(wèn)題,從而提升厭氧消化效率;產(chǎn)物沼氣可通過(guò)升級(jí)凈化后進(jìn)行利用。但是預(yù)處理、兩相厭氧消化以及后續(xù)的沼氣升級(jí)需要額外的藥劑、設(shè)備和裝置,增加成本的投入以及能量的輸入。然而,上述處理方法厭氧消化效率提升獲得的額外能源往往不足以補(bǔ)償額外的成本投入,所以如何選擇提升產(chǎn)氣效率效果更好,成本投入更低的方法,以及厭氧消化全過(guò)程能量回收系統(tǒng)都是未來(lái)研究的發(fā)展方向。
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