厭氧消化

厭氧消化指有機質在無氧條件下，由兼性菌和厭氧細菌將可生物降解的有機物分解為CH₄、CO₂、H₂O和H₂S的消化技術。厭氧消化被廣泛套用於污水畜禽糞便和城市有機廢棄物處理等方面沼氣工程技術有可以實現循環經濟發展、環境保護、減少溫室氣體排放和生產可再生能源等目標。

基本介紹

• 中文名：厭氧消化
• 外文名：anaerobic digestion
• 領域：環境工程技術
• 套用：生物質處置

簡介

厭氧消化技術是最重要的生物質能利用技術之一，它使固體有機物變為溶解性有機物，再將蘊藏在廢棄物中的能量轉化為沼氣用來燃燒或發電，以實現資源和能源的回收；厭氧消化後殘澄量少，性質穩定；反應設備密閉，可控制惡臭的散發。厭氧消化極大地改善了有機廢棄物處理過程的能量平衡，在經濟上和環境上均有較大優勢。

發展歷史

用有機廢物生產沼氣已有一百多年的歷史，但其發現是在三百多年前。早在1630年海爾曼(Van Helmont)首先發現有機物腐爛過程中可以產生一種可燃氣體，並發現動物腸道也存在這種氣體。其後，C.A.Voltal於1776年認定可降解有機物的數量與可燃氣體的產生量有直接聯繫，1808年，H. Davy 在牛糞厭氧消化氣體中也檢測到甲烷氣體的存在。1859年，印度孟買建成世界上第一座消化廠；1896年，在英國一座小城市(Exeter)中建起一座處理生活污水污泥的厭氧消化池，所產沼氣被當作一條街道的照明燃料。據有關調查，世界上已有600～800萬個家庭式或低技術含量的厭氧消化器，厭氧消化產生的沼氣主要用於炊事和照明。

基本原理

生物質的有機物組成主要為三類：碳水化合物、蛋白質及脂肪。碳水化合物由C、H、O三種元素組成，主要包括澱粉類物質、纖維素類物質、多糖及單糖等，大分子糖降解生成小分子單糖。蛋白質是一種複雜的有機化合物，主要是由C、H、O、N組成，一般還會含有P、S等元素。胺基酸是蛋白質的基本單位，通過脫水縮合肽鏈連線組成。脂肪由、、三種元素組成。脂肪是由甘油和脂肪酸組成的三醜甘油酯，甘油組成比較簡單，脂肪酸的種類和長短卻不相同。在厭氧消化過程中，不同的有機物的降解途徑不同。四階段理論的反應機理見圖它將整個過程分為水解、酸化、乙酸化和甲烷化。

有機物厭氧消化途徑

水解階段

水解過程是指複雜的固體有機物在水解酶的作用下被轉化為簡單的溶解性單體或二聚體。微生物無法直接代謝碳水化合物（如澱粉、木質纖維素等）、蛋白和脂肪等生物大分子，必須先降解為可溶性聚合物或者單體化合物才能被酸化菌群利用。澱粉在澱粉酶作用下被水解成麥芽糖、葡萄糖和糊精。纖維素是由糖苦鍵結合成纖維二糖再聚合而成的，在多種纖維素酶的協同作用下水解成糖。由於自然狀態下的纖維素一般都與木質素結合成高度聚合狀態，以抵抗微生物的分解，所以纖維素降解是沼氣發酵限速步驟之一。蛋白質是植物合成的一種重要產物，它在蛋白酶作用下肽鍵斷裂生成二肽和多肽，再生成各種胺基酸。脂肪首先在脂肪水解酶的作用下水解為長鏈脂肪酸及甘油，甘油在甘油激酶催化下生成憐酸甘油，繼而被氧化為憐酸二輕丙酮，再經異構化生成磷酸甘油酸，經糖酵解途徑轉化為丙酮酸，最終進入糖酵解途徑實現徹底氧化及利用。

酸化階段

產酸發酵過程是指將溶解性單體或二聚體形式的有機物轉化為以短鏈脂肪酸或醇為主的末端產物。這些水解成的單體會進一步被微生物降解成揮發性脂肪酸、乳酸、醇、氨等酸化產物和氫、二氧化碳，並分泌到細胞外。產酸菌是一類快速生長的細菌，它們傾向於生產乙酸，這樣能獲取最高的能量以維持自身生長。末端產物組成取決於灰氧降解條件、底物種類和參與生化反應的微生物種類同時胺基酸的降解首先通過氧化還原氮反應實現脫氨基作用，生成有機酸、氫氣及二氧化碳。

產氫產乙酸階段

該階段主要是將水解產酸階段產生的兩個碳以上的有機酸或醇類等物質，轉化為乙酸、和等可為甲烷菌直接利用的小分子物質的過程。標準情況下，有機酸的產氫產乙酸過程不能自發進行，氫氣會抑制此步反應的進行，降低系統的氫分壓有利於產物產生。如果氫分壓超過大氣壓，有機酸濃度增大，甲烷產量受到抑制。避免氫氣在此階段的積累尤其重要。在厭氧過程中，氫分壓的降低必須依靠氫營養菌來完成。

甲烷化階段

產甲烷階段是由嚴格專性厭氧的產甲烷細菌將乙酸、一碳化合物和H₂、CO₂等轉化為CH₄和CO₂的過程。大約的甲烷來自於乙酸的分解，是由乙酸歧化菌通過代謝乙酸鹽的甲基基團生成，剩下的28%由CO₂和H₂合成。產甲烷細菌的代謝速率一般較慢，對於溶解性有機物厭氧消化過程，產甲烷階段是整個厭氧消化工藝的限速。

影響因素

溫度

在厭氧消化過程中，溫度的範圍是很寬泛的，從低溫到高溫都存在。例如北極下水道中發現有極低溫度下存活的甲烷菌。通常我們依據微生物活性把溫度範圍分為三類：一類是嗜寒的，溫度範圍從10℃~20℃；—類是嗜溫的，溫度範圍從20℃~45℃：，通常使用37℃；一類是嗜熱的，溫度範圍從50~65℃，通常是55℃。

碳氮比

碳氮比的關係是指有機原料中總碳和總氮的比例。厭氧消化過程中碳氮比是有最適範圍的，一般是從20:1到30:1，既不能太高也不能太低，否則都會對厭氧發酵過程產生影響。不合適的碳氮比會造成大量的氨態氮的釋放或是揮發性脂肪酸的過度累積，而氨態氮和摔發性脂脅酸郁是厭氧消化中重要的中間產物，不合適的濃度都會抑制甲烷發酵過程。

酸鹼度

pH值是反映水相體系中酸濃度的重耍指標之一。厭氧發酵菌尤其是產甲烷菌對反應體系中的酸濃度是極為敏感的。較低pH值條件下，甲烷菌的生長就會受到抑制。許多研究者己經研究厭氧消化中不同階段的最佳pH值。甲烷菌的最佳pH值是7.20左右。

有機負荷量

有機負荷是指消化反應器單位容積單位時間內所承受的揮發性有機物量，它是消化反應器設計和運行的重要參數。有機負荷的高低與處理物料的性質、消化溫度、所採用的工藝等有關。研究表明，對於處理蔬菜、水果、廚餘等易降解的有機垃圾，有機負荷一般為1～6.8kg VS/(m³·d)。