国际厌氧消化研究动态钱泽澍

1989年5月中国China沼气Biogas第7卷第2期国际厌氧消化研究动态钱泽封(浙江农业大学)厌氧消化技术对处理有机废物、废水、抉取能源、保护环境、防_!仁生态的恶化及资原的回收和利用均具有重要意义.近年来国外对厌氧消化技术的研究和开发利用}J趋重既.由于传统的好氧处理有机废水消耗大量均能源,从而促进了厌氧消化技术处理有机麦物和废水的研究.先进的厌氧技术已在生六上应用,并发挥了作少卜!.现综述该领域的研究和应用,洪我国从事厌氧消化技术的科技工作者参考。采用先进的厌氧消化工艺处理有机废水在国际上对高浓度和悬浮固体含量高的有机废水,女门酒精、丙酮丁醇发酵废醒等先行固掖分离,固体物残渣采用全混合式产酸反应器,在36一38℃将其水解产酸,产酸24小时以乙酸为主,此时pH为4一5;酸化二天则以丁酸为主;产酸类型影响沼气中甲烷含量,以乙酸为主!讨甲烷含童达加孙,以丁酸为主时甲烷含量为60%。固液分离液和酸液进入高效的厌氧消化器,其工艺路线即二步发酵,产酸槽和厌氧消化器串联.目前采用高效厌氧消化器最普遍的为厌氧滤器(AF)和上流式厌氧污泥床反应器(UASB),而且有倾向采)!」乙者结合的组·含式(UASB+人F)反应器发挥土流式仄氧污泥床反应器底部活}生生物巧泥和i砰i化、夜分)灵的特性,同时为了防止活性污泥的流失而在UASB反应器上部没置装有填料的滤器取代了原UASB的过、、固、液的三相分离器,发挥了二者的长处,弥补了二者的缺点使反应器发挥更大的效能.UASB反应器作为活性污泥的凝絮和重力沉淀,滤器依靠载体表面吸附生物活性污泥,使高效消化器具有高的比污泥活性和一长的污泥停留时间,这样结合的每立方消化器可持留80一10okg的生物质污泥,粗略统计Ikg活性污泥每天可产生Zm“沼气,因此转化速率可达1。。kg可溶性有机质/m”·天;而常规消化器转化率仅为2一skgCOD/m。·天。在我国江苏省泅洪县双沟酒厂和石家庄市华北制药厂引进澳大利亚的厌氧消化器,其所以效率较高,就是采用了UASB和AF二者组合的结构装置,延长流程即停留时间;上海市金山酒厂的沼气工程的消化器结构也采用了类似二者相结合的装置.在单独采用装有填料的厌氧滤器或固定床反应器中,填料物质有聚丙烯环或聚氨基甲酸酷塑料环和聚脉乙烯塑料片和塑料吊丝等,在我国还采用独特的竹片编织的空心球作为填料,其效能较理想.在这类反应器中污水的流向有上流式或下流式二种工艺.在采用上流式的固定床反应器内,由于持留生物活性污泥的效率高,尤其在消化器的底部去除COD的能力最强,但因上流式反应器内流相纵向混合作用较差,在进水区易引起酸浓度升高而导致工艺失少文,因此采用出水回流以避免反应器进水盈酸的累积,一般进料COD稀释至100001119J/左右,反应器底部的pH值和酸度不会超过临界范阴。为防41989年5月中国沼气第7卷第2期止底部污泥堵塞,在底部设有排污装置。上流式固定床反应器可得到较高的有机负荷和最佳的COD去除率及沼气产气率。下流式进料由于进料和产生沼气方向相反,混合性能好,不致于出现酸的累积,因此不需进行回流.由于污泥分布上下层相差不大,对冲击负荷的稳定性较好,但下流式COD去除率不及上流式,出水COD较高,进料浓度的波动,对出水的性状较为敏感.有机废水经高效厌氧消化系统后,大量有机物被降解,降低了COD含量,从中获取能源.在工业发达国家处理有机废水保护环境放在首要的地位。高效厌氧消化技术虽能在大大节省能源的情况下使有机废水中COD含量大幅度下降,且生成的污泥量比好氧法处理大大减少(好氧法去除IkgCOD生成。.skg挥发性悬浮固体(VSS)的污泥,而厌氧处理污泥形成量仅为。.IkgVSS,后者仅为前者的,/.),减轻了对环境的污染,但在厌氧消化器的每升出水中,仍含有CODlo00mg左右,因此经厌氧处理后,紧接着进行好氧处理,即厌氧一好氧处理系统,以最终达到排放标准。好氧处理针对厌氧消化器出水的成分而采用不同的方法,例如采用沉淀、气汗、深床过滤、膜过滤等进行固液分离;采用活性污泥、生物滤器、生物膜流化床、反渗透、吹脱、臭氧或氯气,以去除BOD/COD、NH玄一N、全氮、全磷、硫化物或恶臭等,总之采用生物污泥的厌氧/好氧或物理化学法来处理。对低浓度有机废水,研究者们认为采用厌氧消化工艺来处理也具有很大的潜力。由于低浓度有机废水(如屠宰废水和生活污水),从能源上考虑不可能采用中温厌氧消化工艺,因此提出在15一20一25℃(也有提出在8一12一20℃)的较低温度范围内的厌氧消化技术,容积转化率可达1一2kgCOD/。3.天,而好氧法处理在取得0.5一IkgCOD/m:天的转化速率时需要投入大量的能量,并产生较多的剩余污泥.为此提出在气候温暖地区,对低浓度有机度水也需厌氧消化处理,但对气温低于15℃的国家和地区能否采用此工艺,还需进一步试验来证实;也有提出在较高温度下启动和较低温度下运行的厌氧消化工艺.在处理上述低浓度有机废水时,一般可采用颗粒污泥床反应器,即UASB或膨胀颗粒污泥床(Expa二dedGranularSludgeBed,简称EGSB)反应器。在应用EGSB反应器时,重点为去除废水中的可溶性物质,采用相当高的上流速度(接近6m/小时)以增加消化器高/径比率,导致污泥床的膨胀,增加污泥和废水的良好接触及充分利用生物量·采用预先沉淀过的有机废水,UASB反应器对废水中难溶性和可溶性COD均可去除,其流速为。逻5一lm/小时。禽畜场粪便的厌氧消化处理及资源回收目前禽畜粪便的厌氧消化,在我国和印度农村是推广户用小型沼气池。在印度是以牛粪为原料的浮动盖哥巴(Gobar)式沼气池。在我国采用主要以猪粪和秸秆为原料的固定拱顶的水压式沼气池。在养猪头数多的农户以猪粪为原料,不加入秸秆,可防止发酵液表层结壳和出料困难,若同时使用秸秆有趋向采用二步发酵(即秸秆单独产酸发酵,酸液再进入水压式沼气池)的新工艺。而对禽畜场或饲养专业户的粪便处理,一般采用塞流式(隧道式)沼气池,在中温发酵条件下池容沼气产气率可达1`Zm台/m“·d.关于采用高效厌氧消化器处理禽畜场粪便的试验和生产应用报道还不多,但发展趋势必然将厌氧处理工业有机废水的工艺应用到禽畜粪便的处理,以提高厌氧消化的效率。最近已有采用厌氧消化综合工艺处理养猪场粼便的报道。报道中采用二步发酷的工艺,猪`粪先和清洗水混合后,进汀侧沐物:、勺分离,澎体中含““粪便COD的`5肠,“此`夜体部{1989年5月钱泽澎国际厌氧消化研究动态.民二甲贾里」.搜户.:一一~一~二一里一一一..月..口.目巴.君~,..,..口......,.....,..圈......口.口硬,,..把,,已.........分采用UASB反应器进行厌氧消化,获取沼气外,其厌氧消化液作为肥料。固体部分(含有原粪便中30一35肠的干物质)加入清洗水或回流厌氧消化液再进入连续搅拌反应器(CSTR)即厌氧接触反应器中厌氧消化,停留期为10天,总固体含量为10一15肠.发醉残渣经好氧堆沤后作为花卉盆栽土用,商尸:名为EGMA,每立方售价50美元。该二步厌氧消化工艺,冬季在较低温地区,若没有废热来源,怎样维持一定的产气率和分解速率,是尚待进一步研究的课题。猪粪厌氧消化液中含有大量的粗蛋白和无机物,若作为饲料添加剂,可缩短厌氧消化投资的偿还期,以提高厌氧消化的经济效益。加拿大安大略省有关大学和农场进行了该项研究。将厌氧消化液经过震荡筛,除去粗的不易消化的纤维状物质,此类固体物可作为土壤调节剂和肥料使用。经过筛的消化液加入低分子量或高分子量、并带有电荷的多聚体(一般选用回收率高的多聚化合物),离心.分离得到离心液和饼状的固体物。离心掖作为掖体肥料在作物上喷灌施用。饼状固体物中含有大量蛋白质和其他营养成分,加入配合饲料中可替代部分大豆饼和无机添加物。在含有厌氧消化残余物的配合饲料中,以蛋白质和微量无机物来平衡。在幼猪饲养试验中,配合饲料中添加不同数量的厌氧消化后的残余物,发现幼猪增重与饲料之比随添加数量的递增而减少,试验结果认为配合饲料中添加重量12.5肠影响不大,若.嗜添量大于此比例,则幼猪生长速率和消耗护勺饲料减少。在生长猪和成猪试验中,同幼猪试验结果相似,但增重和饲料比增大。若在饲料中同时添加甜食剂和调味香料,结果添加香料剂后能促进猪对饲料的消耗,使饲料消耗量和猪增重与使用配合饲料的对照相似。我国目前有些地区也正在推广猪粪厌氧消化液作为饲科添加剂,但国内报烈除报道湖南、安欲、湖北、陕西等省有关沼掖作添加剂喂猪试验外,系统的研究报道很少,这是有待进一步深入研究的课题,国外的研究报告可以借鉴.难降解化合物和有毒物质的厌叙消化在工业有机废水中,聚烯烃及聚丙烯酸树脂厂、制药厂、染料、色素和石油化工厂等的废水中含有化学有毒物质,这些有毒物质和一些难降解的化合物,在好氧条件下微生物很难降解和去除。最近发现在厌氧条件下厌氧微生物能使这类化合物降解。在研究苯酚、二苯酚及其他芳香族化合物的降解时,以苯酚为基质,采用以颗粒活性炭作为载体的膨胀床反应器,活性炭表面不仅吸附细菌,而且对有毒物质具有缓冲作用。富集能降解苯酚形成甲烷的细菌群体,培养物能使1容积苯酚获得3.5容积的甲烷.并能逐步提高苯酚的浓度达14oomg/1,此细菌群也能降解对甲基酚、2、4一二甲基苯酚、邻苯二酚和间苯三酚.消化器运行一段时间后,降解效果更为显著。有些试验报道以聚丙烯作为填料,其比表面达96m:/m吕。在降解这些有毒物质时,添加氮源和各种矿质营养及微量元素等。在降解石油化工厂废水中的苯酚和苯甲酚时,苯酚最大负荷分别可达1.89/l.d和2.89/l.d,其最大去除率分别为1200mg/l.d和400mg/1.d。厌氧消化技术也能引起丙烯酸低脂的降解,,该类物质水解后产生丙烯酸、甲醇、乙醇和丁醇。丙烯酸在消化器中降解为丙酸再形成乙酸。由于厌氧滤器内部的结构,对有毒物质丙烯酸等的降解远远胜于单独的富集培养物。用厌氧消化器进行丙烯酸的降解,其浓度可达10一129/l,COD负荷大约为4kg/m“.d时,反应器运行稳定,处理效率也很高,由于丙烯酸酷类均有恶臭,因此采用厌氧消化技术可以除臭。研究含氮脂肪族和芳香族化合物的降解,应用厌氧消化技术也很有效果.6xos。年5月中国沼气第7卷第2期含有氯、硫、硝基(NO,一)、氨基(HN:一)的有机化合物很兀’:解,因此称为持久性化合物.纸厂漂白车间哎水中含有大量持久性有机氯科物,如氯化木质素及其裂解产物(CHCI:)及小分子的脂肪族氯化物(氯乙烷、四氯乙烯和氯丙酮等)。上述化合物采用阳离子化的多聚亚胺载体,其活性表面能持留更多的生物污泥。至今尚未有好氧降解三氯甲烷、三氯乙烷、四氯乙烷、烃类有机物和氯化芳香族化合物(如氯苯酚、氯苯甲酸、氯苯等)的报道,但发现厌氧细菌的脱卤作用,可在厌氧下有效地降解。因此厌氧消化技术能完个适用月有毒物质和难分解化合物的降解.压力机脱水,利用废热干燥和破碎(含有75%总固体),C/N比为12一15,含有较多的腐殖质,商品名称为httmotax。城市有机废物高温消化具有较高的负荷率和转化效率,在35一40℃,负荷率17.2kgCOD/。:“.d,沼气产率为6.2m3/m“.d;在50一55℃一下,负荷率为ZI.4kgCOD/m”.d,产气率为8.5,`13/ma.d。甲烷含量50一60肠.亦有研究者提出采用渗滤床固相消化工艺(类似我国农村利用秸秆的二步消化工艺),将固体有机物装入渗滤床内,用水渗滤.滤液反复使用,再进入厌氧消化器内,消化器出水仍可回入固体床渗滤.渗滤床和消化器产生的沼气可以利用。城市固体废物的厌氧消化城市固体废物的处理一般采用焚烧和填埋法.在瑞士,10肠的固体废物经焚烧处理,但在焚烧过程中形成一些二氧六环类物质一二呛咽和其他未知的有毒物质污染大气;封拍采用填埋法,其缺点是占川土地,渗捻液污染环境(卤代有机物),气体成份l扣含有挥发性仃机物(州芳香烃),具有毒侧几或致癌物质以及甲烷等污染大气;10肠采书堆肥,由于肥料质量和形成恶臭等问题,因此提出采明厌氧