有机固体废弃物的厌氧发酵

有机固体废弃物的厌氧发酵_环境微生物学（下

二、有机固体废弃物的厌氧发酵

厌氧发酵是一种普遍存在于自然界的微生物过程，有机固体废弃物的厌氧发酵过程是有机物在厌氧条件下，利用微生物的代谢活动对可生物降解有机物的分解过程。厌氧发酵过程不需供氧，动力消耗低，一般仅为好氧发酵的1/10，有机物大部分转化为生物能源——沼气，是有机固体废弃物资源化的又一重要途径。

1.厌氧发酵原理

厌氧发酵过程是各种厌氧菌和兼性厌氧菌共同作用的结果，分为液化、产酸和产甲烷三个阶段，每一阶段都有各自独特的微生物类群。液化阶段起作用的细菌称为发酵细菌，包括纤维素分解菌、脂肪分解菌和蛋白质水解菌等，可利用胞外酶对有机物进行体外酶解，使固体物质转化为可溶于水的小分子物质，便于微生物利用。

产酸阶段起作用的细菌主要是乙酸分解菌，能将液化阶段产生的丙酸、丁酸、乳酸、长链脂肪酸和醇类等进一步分解成乙酸和氢。

产甲烷阶段起作用的细菌是产甲烷菌，能利用H₂/CO₂、乙酸和甲醇、甲酸、甲胺等一碳化合物，将其转化成甲烷。

在液化阶段和产酸阶段起作用的微生物统称为不产甲烷菌，厌氧发酵过程是三个阶段微生物相互平衡、协同作用的结果，详见本章第二节。

2.厌氧发酵工艺

有机固体废弃物的厌氧发酵工艺很多，但基本上都包含预处理、配料制浆和厌氧消化处理与沼气回收几项主要工序。

(1)预处理

与堆肥相同，厌氧发酵预处理的主要目的也是破碎粗大物料和去除不能生物降解的物质，提高发酵仓的利用率，保证厌氧发酵过程正常运行。

(2)配料和制浆

厌氧发酵过程对碳∶氮∶磷要求严格，特别是碳氮比。碳氮比过高或过低都会抑制微生物的活性，降低产气量;一般情况下，碳氮比以20∶1～30∶1为宜，高于35∶1，产气量就会显著下降。而一般的城市垃圾氮、磷都不足，配料制浆时需投加适量含氮、磷较高的配料(如城市污水厂污泥和粪便等)。配料后的混合物加入适量的水，制成含水率大于90%、pH值为6.8～7.5的流动性浆体，以便输送和搅拌操作。

(3)厌氧发酵与沼气回收

厌氧发酵的形式很多，按投料方式可分为连续发酵、半连续发酵、批量发酵和两步发酵等;按温度可分为常温发酵(自然发酵)、中温发酵和高温发酵。各种发酵方法都有各自的特点和运行范围。如批量发酵物料一次性投入，运行过程中不添加新料，发酵完成后排出，多用于小型发酵设备;连续或半连续发酵投料启动后，需根据产气量添加原料，多用于大中型发酵设备;两步发酵将厌氧发酵过程中的产酸和产甲烷阶段置于不同的装置中进行，以优化沼气发酵过程，增加单位产气率和沼气中甲烷的含量;高温发酵反应速度快，但易受温度变化等的影响，稳定性较差;中温发酵速度虽较慢但稳定;自然发酵，温度随气候变化，大多处于20℃以下，反应速度低，不易达到卫生学上杀灭病原菌的目的。

有机固体废弃物中的有机物成分能部分被厌氧降解成沼气，部分转化为不可生物降解的低分子有机物，反应式如下:

C_aH_bO_cN_d→n C_wH_xO_yN_z+mCH₄↑+sCO₂↑+rH₂O+(d-nz)NH₃↑

式中，C_aH_bO_cN_d和C_wH_xO_yN_z分别表示浆体原料和消化完成后的有机物分子式。有机固体废弃物厌氧发酵所产沼气成分与污水厂污泥消化处理产生的沼气基本一致，其中CH₄约占60%，CO₂约占40%，并含有极少量的NH₃和H₂S;沼气产率约为0.5～0.75m³/kg(分解的可挥发性固体)，而浆体原料中可挥发性固体的总分解率为60%～80%，被分解的固体量占浆体原料总固体量的40%～60%，据此可估算一座沼气厂的产气量。

3.影响厌氧发酵的因素

(1)厌氧条件

有机固体废弃物的厌氧发酵过程是在无氧或缺氧的条件下，微生物对有机物进行降解，产生沼气的过程。参与厌氧发酵的微生物主要是产酸菌和产甲烷菌，其中产酸菌大多是厌氧菌和兼性菌，产甲烷菌更是专性厌氧菌，氧对其有毒害作用。因此，在厌氧发酵过程中必须创造严格的厌氧环境。

原料进入发酵池时会带入一些空气，产酸菌中的好氧和兼性菌能迅速将其消耗，降低发酵池中的氧化还原电位，为专性厌氧菌和产甲烷菌创造厌氧条件，从而使沼气发酵正常进行。

(2)温度

厌氧发酵的产气量和温度有密切的关系。在一定的温度范围内，温度越高，消化速度越快，产气量也越大，这是因为温度越高细菌的活性越高。一般情况下，细菌活性在35～38℃和50～65℃两个温度范围出现峰值，因此，厌氧发酵常控制在这两个温度范围内，前者称为中温发酵，后者称为高温发酵。

厌氧发酵过程要求温度相对稳定，因为产甲烷菌对温度的变化敏感，温度突然上升或下降都能显著影响产气量;一般情况下，要求厌氧发酵的日温差不得大于2℃。

(3)pH值

各种细菌都有其适宜的pH值，厌氧发酵过程中的产酸菌其最适pH值为5.8，产甲烷菌为7.8。产酸菌对基质的分解是多种好氧、兼性和厌氧菌共同作用的结果，对pH值的耐受范围广，在pH值为5～10的范围内均可发酵。然而产甲烷菌菌群单一，对环境pH值变化的适应性差，维持其生长环境的弱碱性是必要的。在厌氧发酵过程中，pH值的变化是有规律的。发酵初期由于产酸菌的作用，大量有机挥发酸产生，pH值下降;之后，随着产甲烷菌对有机酸的消耗和氨化作用，系统的pH值又将上升。通常情况下，厌氧发酵池内的pH值是自然平衡的，勿需调节。如投料过量引起产酸菌过度生长，pH值过低(低于6.0)，可通过添加石灰乳和粪便等进行调解。厌氧发酵最佳pH值范围为6.5～7.5。

(4)搅拌

搅拌可使厌氧发酵池内物料均匀分布，增加微生物与发酵基质的接触机会，防止底部物料出现酸积累，使产生的沼气及时排除，加快发酵速度，提高沼气产量。在厌氧发酵过程中，如果不采用外力搅拌，发酵浆料易发生分层，因为浆料上附着的沼气在没有搅拌力的情况下不易脱离，会造成部分浆料上漂。厌氧发酵浆料分层会影响设备内的传质，降低发酵效率，因此适当的搅拌也是厌氧发酵重要的控制参数。

(5)原料配比

厌氧发酵的原料是产沼气的物质基础，为微生物的生存和繁殖提供必需的C、N、P等营养元素，因此要求发酵原料具有一定的碳氮比和碳磷比。厌氧发酵的碳氮比以20∶1～30∶1为宜，碳氮比大于35∶1时产气量就会明显下降。然而各种有机物的碳氮含量差异很大，如农作物秸秆的碳氮比较大，粪便的碳氮比值小，因此厌氧发酵时，应考虑原料的碳氮比，如不能满足要求需对其进行调节。

(6)接种物

厌氧发酵中微生物的数量和质量直接影响沼气的产量。不同来源的接种物，对产气和气体组成有着不同的影响。酒厂、屠宰厂和城市下水污泥活性强，作为接种物可缩短发酵周期，提高产气率。

(7)添加剂和有毒物质

在发酵液中添加少量有益的化学物质，有助于促进厌氧发酵，提高产气量和原料的利用率。如添加少量钾、钠、钙、镁、锌、磷等元素能促进产气，提高产气量，因为这些微量元素能促进微生物的生长，增加酶的活性。

相反，许多物质存在于发酵液中会抑制微生物的活性，一般将这些物质统称为有毒物质。有毒物质的种类很多，如由发酵不正常而造成的过量有机物和NH₃等，其浓度一旦超过微生物的耐受值，就会使厌氧发酵受阻，影响沼气产量。