3 水果和蔬菜废弃物厌氧消化反应器的应用
3. 1 批量式系统 在批量式系统中, 进料一次性加入到反应器中,
添加或不添加接种物质, 厌氧消化的各个反应步骤 在反应器中依次进 行。Convert i 等人将水果 和蔬菜 废弃物 在中温和 高温条件 下进行了 批量式消 化研 究, 蔬菜混合废弃物的消化过程进行的很快, 其第一 动力学常数约为 411 @ 10- 3L#h- 1gVSS- 1[ 3] 。Lane 将 玉米、苹果、甜菜、菠萝等分别进行了消化试验, 产气 率在 01427 L#gVS- 1到 01568 L#gVS- 1[ 6] 之间。
相对于焚烧和堆肥工艺来说, 厌 氧消化工艺有 很多的优点。其最重要的优点就是能够产 生沼气, 可用于发电和供热, 减少 CO2 的排放, 消化后的产物 经过简单处理可作为优质的肥料[ 3] 。
厌氧消化工艺能够成功的应用于处理有机废物 在很大程度上取决于高效反应器的开发和应用, 而 反应器的设计对反应器的工作性能有很大 的影响。 近年来, 很多新型反应器被开发出来并得到采用, 反 应器的处理效 率也不断 提高。各 种不同 的厌 氧工 艺, 如批量式反应器、连续流单相反应器、不同形式 的连续流两相反应器、连续搅拌反应器( CSTR) 、管式 反应器、厌氧序批式反应器( ASBR) 、升流式厌氧污泥 床( UASB) 以及厌氧滤池( AF ) 等, 都曾被应用于水果 和蔬菜废弃物的处理。
水果和蔬菜 混合废弃物
水果和蔬菜 混合废弃物
总固体
119. 2 79. 4
384. 0
179. 4
110. 0
190. 0
90. 4
84. 4
挥发性固体 105. 5 72. 1
365. 0
171. 0
92. 4
180. 5
82. 9
77. 5
TCOD
126
97. 8
370.
185
-
-
104. 5
-
消化, 气体产率比土豆和甜菜叶单独 进行消化时要
高产气能力[ 7] 。F. J. Callaghan 等人将水果蔬菜废弃
高 20% 以上, 因此他们得出结论认为, 富含淀粉的废
物和牛粪混合消化也取得了满意的结果[ 8] 。
表 1 几 种水果蔬菜废弃物的主要组成
单位: g#kg- 1
组成份
土豆皮 生菜废弃物 苹果废弃物 豌豆和胡萝卜 糖用甜菜废弃物 土豆废弃物
厌氧序批式( ASBR) 工艺处理水果和蔬菜废弃物 因其运行的灵活性也引起 了人们的兴趣, 一些研究
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机构进行了这方面的研究, 发现使用 ASBR 工艺处理 高固体含量的废弃物悬浮固体去除率达到了 90% ~ 93% 。 3. 2 连续流单相系统
从目前的市场份额上看, 批 量式系统的应用并 不是很成功, 但是批量式系统的特点如设计和控制 简单、可处理污染程度高的废弃物、并且投 资省, 使 得它特别适合发展中国家使用。研究过程中采用批 量式系统通常是分析有机污染物的降解过程和产气
情况, 从而对连续流厌氧消化系统的运行提供一些 有用的数据以作为参考依据。
很多研究者采用不同的单相系统对处理蔬菜废 弃物做了大量的研究工作。Mata- Alvarez 等人采用单 相 CSTR 反应器对菜市场废弃物进行中温消化, 其最 大有机负荷低于 3 kgTVS#m- 3d- 1, 但类似的其他废弃 物的最大有机负荷却能够达到 6 kgTVS#m- 3d- 1, 认为 可能是因为大量的 VFA 快速的生成限制了有机负荷 的提高[ 15] 。Lane 的研究也发现, 在采用 CSTR 反应器 时, 当有机负荷为 4 kgTVS#m- 3d- 1时, pH 值会明显降 低, 产生的沼气中 CO2 的含量增加[ 6] 。还有人采用半 连续混合管式反应器厌氧消化蔬菜水果废弃物, 最优 的运行条件是在HRT 为 20 天, 有机负荷为 218 kgTVS# m- 3d- 1时。在水解过程中 pH 值也降到过 611, 但是大 多数时间都保持在 712, 当 HRT 减少到 10 天时, pH 值 降到 5, 系统产生抑制[ 15] 。管式反应器最大的特点就 是它能将产酸过程和产甲烷过程在反应器内纵向分
水果和蔬菜废弃物的厌氧消化过程是通过一系 列的生物化学反应进行的, 大致上可 以分为四个步 骤[ 10] 。首先纤维素、半纤维素、果胶和木质素等有
机物质被厌氧微生物产生的胞外酶水解, 水解速率 跟 pH 值、温度、底物组成、颗粒大小以及中间产 物的浓度有关; 然后水解生成的溶解性有机物被产 酸菌转化为有机酸、乙醇、氢和二氧化碳; 紧接着 酸化的产物转化为乙酸、氢和二氧化碳; 最终通过 产甲烷菌的活 动将乙酸、氢和二 氧化碳 转化 为甲 烷。
修回日期: 2005-07- 30
作者简介: 付胜涛( 1978- ) , 男, 满族, 黑龙江人, 在读博士生, 研究方向为固体废弃物处理。
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养平衡。W. Parawira 等人将土豆和甜菜叶进行混合
弃物和含氮量高的废弃物混合后进行消化会明显提
一般来说, 颗粒底物的水解是厌 氧消化过程的 限速步骤, 但对于低纤维素含量的水 果和蔬菜废弃 物来说, 产甲烷的反应过程对反应速 率的影响要大 于水解过程。在反应器中这些废弃物能够很快的水 解发酵成挥发性脂 肪酸( VFA) , 使得 pH 值 降低从 而对产甲烷细菌的活动产生抑制作用。在单相反应 器系统中, 所 有的反应 都在一个 反应器 中同 时进 行, 而两相和多相反应器系统中, 几个阶段的反应 是在至少两个反应器中分开进行的。一个理想的厌 氧消化系统是没有大量的中间代谢产物的积累, 如 果 VFA 在反应器中大量积累, 就会影响产甲烷过程 的进行, 所以有必要保持反应器中有足够的碱度来 缓冲, 通常要保证( 碱度- 0. 7 @ VFA) > 1500。
2 水果和蔬菜废弃物的特点及厌氧消化的局限性
以前的研究中所采用的水果和蔬菜废弃物基本 上都是来自菜市场, 表 1 中介绍 了一些研究中所采 用的水果和蔬菜废弃物的主要组成成分。这些废弃 物的固体含量在 8% ~ 19% , 总挥发固体的含量占总 固体 80% 以上, 其中包括 75% 的糖类和半 纤维素, 9% 的纤维素及 5% 的木质素[ 1] 。其很高的含水量使 得它们很适宜采用生 物处理工艺[ 4] , 而厌氧消化工 艺则是处理这些废弃物的合理选择。好氧工艺不太 适合处理水果和蔬菜废弃物, 因为有机物含量高需 要大量的动力消耗。但并非所有的水果或蔬菜单独 消化都会取得令人满意的结果, Hamdi 等人在处理 橄榄油废水时就发现, 橄榄废弃物中含有大量的酚 类和一 些难以 进行生 物降解 的成分[ 5] 。A. G. Lane 在对杏的废弃物进行厌氧消化时发现, 在运行到 63 天后, 产 气 量 从 01477 L # gVS- 1 降 到 了 01137 L # gVS- 1, 说明反应器中产生了某种抑制作用, 但原因 不明[ 6] 。
水果和蔬菜废 弃物的 COD/ N 约为 100/ 4, 因此 不需要另加氮源。对于产甲烷微生物来说, 合适的 COD/ N 通常是 100~ 128: 4。某些水果或蔬菜废弃物 的 COD/ N 可能不在这个合适的范围内, 因此有时把 两种或两种以上的废弃物混合进行消化, 保证了营
收稿日期: 2005-03-21
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厌氧消化工艺处理水果蔬菜废弃物的研究进展
付胜涛, 于水利
( 哈尔滨工业大学市政环境工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150090)
摘 要: 本文主要介绍了目前国内外采用厌氧消 化工艺处理水果蔬菜废 弃物的一些 研究情况以 及处理这 些废弃物的 厌氧反应器的应用情况, 指出厌氧消化工艺是处 理蔬菜和水果废弃物的一种很有前途的工艺。 关键词: 蔬菜水果废弃物; 厌氧消化; 厌氧反应器 中图分类号: X705; S21614 文献标识码: A 文章编号: 1000- 1166( 2005) 04- 0018- 04
PCOD
80. 6
39. 3
244. 2
123. 9
-
-
-
-
总悬浮性固体 80
39
305
145
-
-
-
58. 6
总凯式氮
-
-
-
2
3. 3
12. 9
13. 5
-
16. 1
-
-
9. 2
-
文献
[ 9]
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[ 7]
[ 7]
[ 4]
[ 1]
将水果和蔬菜废弃物投入反应器之前, 通常都 要经过一些预 处理。首 先要经过 充分破 碎使 其均 质, 有利于消化; 然后加水稀释, 降低有机物的浓度, 再在合理的有机负荷下运行。由于水果和蔬菜废弃 物的 pH 值较低, 有一些研究者认为需要加入氢氧化 钠调节 pH 值, 如果不调节, pH 值会很快降低从而抑 制甲烷 菌的活动。Converti 等 人发现废弃物中 的有 机物质在高温预处理后可以促进厌氧消化[ 3] 。
1 前言
水果蔬菜废弃物在我国城市垃圾中占有较大的 比重, 由 于其自身 较高的含 水率, 不宜采 用焚 烧工 艺; 同时因有机成分含量高, 其堆放或填埋会产生大 量的渗滤液, 造成严重的环境污染[ 1] 。在印度, 每年 产生水果和蔬菜废弃物多达 5. 6 @ 106 吨, 这些废弃 物大多被堆放在城市边缘[ 2] 。我国目前的处理状况 也大体如此, 因此采用合适的工艺将 这些废弃物妥 善处理势在必行。
目前在欧洲运行的处理城市垃圾和牲畜废弃物
的生产性厌氧消化处理工程中, 有 90% 都是采用连 续流单相系统。但大量的研究工作都是针对两相厌