设施蔬菜废弃物厌氧消化制取沼气工艺的研究进

展金慧　刘士辉　孙文华

摘 要：该文分别从单相发酵工艺、两相发酵工艺、共发酵工艺及干式和湿式发酵工艺角度介绍了目前国内外采用厌氧消化工艺处理设施蔬菜废弃物的一些研究进展情况，指出厌氧消化工艺是处理设施蔬菜废弃物的一种很有前途的工艺。其中，利用两相发酵工艺处理设施蔬菜废弃物对发酵设备有一定的要求；另外设施蔬菜废弃物由于其极易酸化、有机质含量高和含固率较低的特点，采用湿式厌氧消化技术处理更符合设施蔬菜废弃物处理产业化的要求；而利用共发酵工艺处理设施蔬菜废弃物将是未来的一个发展趋势。

关键词：设施蔬菜废弃物；厌氧消化；研究进展

中图分类号 S63 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）16-0072-02

随着设施园艺的大面积推广，大量设施园艺废弃物（包括茎秆、烂果等）随之产生。一个蔬菜大棚年产废弃物（茎秆、烂果等）大约3t左右，大量堆积的设施园艺废弃物对周边环境造成了严重的污染[1]。

1 单相发酵工艺

单相厌氧消化工艺在目前的沼气工程中应用最多，此工艺具有操作简便和低成本投入的特点。西班牙巴塞罗那大学的Mata-Alvarez[2]等对蔬菜废弃物的连续单相厌氧发酵处理效果进行了研究；北京化工大学的郑明霞[3]等人采用两步批式的厌氧消化方式，先将蔬菜废物在反应器中加水酸化处理若干天，在反应达到稳定后将酸液分离出来，之后在反应体系运行稳定之后再将酸液分次加入反应器中，从而实现了易酸化废物单相厌氧消化系统的稳定运行；印度尼西亚丹戎布拉大学的Berlian Sitorus[4]等人对果蔬混合废弃物单相分批补料厌氧消化过程进行了研究。

2 两相发酵工艺

在厌氧消化菌中，产酸菌和产甲烷菌的适宜环境是不同的，为提高厌氧消化的效率，可把2种功能不同的菌分别在各自适应的环境下进行培养[5]。利用两相发酵工艺处理果蔬废弃物对发酵设备有一定的要求。近年来，研究人员开发出了很多新型反应器，使得反应器的处理效率不断提高。如升流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧序批式反应器（ASBR）、全混式反应器（CSTR）、厌氧滤池（AF）和管式反应器等。

西班牙巴塞罗那大学的Mtz.-Viturtia[6]、突尼斯的H. Bouallagui[7]、英国Glamorgan大学的Dinsdale R M[8]等对果蔬废弃物的两相厌氧消化工艺进行了研究；辽宁石油化工大学的凤颀等人从Holbak丹麦废物处理厂收集的蔬菜废物进行了两相厌氧消化产气的研究[9]。北京化工大学的江志坚[10]采用序批式连续搅拌反应器对果蔬与餐厨垃圾混合两相厌氧消化性能进行了研究，发现序批式甲院相运行的稳定最佳负荷为4gVS·L-1·d-1水力停留时间为25d。最高可达4.5gVS·L-1·d-1。Yuanyuan Wu[11]等人对一种两相厌氧消化的水果和蔬菜废物的新方法进行了研究。

3 共发酵工艺

将几种发酵特性互补的原料混合在一起作为沼气发酵的底物，称为共发酵。共发酵工艺易产生协同效应，可以解决由于单一原料造成的厌氧发酵过程中营养比例失调、稳定性差、原料季节性短缺以及生物降解效率低等一系列问题。因此，近年来国内外学者关于共发酵工艺进行了大量的研究和探索。

北京化工大学的孟颖等人以餐厨与鸡粪混合、果蔬与鸡粪混合、餐厨果蔬（TS计，8∶5）与鸡粪混合为原料，研究了多元混合物料在不同混合比例条件下厌氧消化性能[12]。西班牙卡斯蒂利亚-莱昂农业技术研究所的Beatriz Molinuevo-Salces等人对猪粪和家禽垫料与蔬菜加工废物混合厌氧共消化进行了研究[13]。西班牙莱昂大学的X.Gómez[14]等人对初级污泥厌氧共同消化市政固体废物水果和蔬菜的工艺条件进行了研究。清华大学的Jia Lin[15]等人对果蔬垃圾跟餐厨垃圾混合厌氧发酵的混合比例进行了研究。各项研究表明，将果蔬废弃物与发酵特性互补的几种原料混合处理效果优于单纯将果蔬废弃物进行厌氧消化。因此，利用共发酵工艺处理果蔬废弃物将是未来的一个发展趋势。

4 干式和湿式发酵工艺

厌氧发酵以物料中的干物质含量的不同，可以分为干式和湿式2大类。通常原料含固量在25%～45%，挥发性固体含量（VS）占总固体含量控制在55%～75%称为干式发酵工艺。对于含水率较高的有机生物质，其含水率控制在10%～20%之间，物料在反应器内部呈混合流动态称为湿式发酵工艺。

杨林海[16]在有机垃圾干式厌氧发酵处理试验研究里面，以餐厨垃圾和果蔬垃圾为原料，在自制的厌氧发酵装置内进行高温干式厌氧发酵，对有机固体废弃物发酵过程中的沼气累计产量、日产气量、pH值变化、氧化还原电位变化、COD变化、VFA变化、氨氮变化以及碱度的变化进行了研究。西北农林科技大学的周文娟[17]对新鲜的蔬菜秸秆（湿秸秆）与晒干的农作物秸秆（干秸秆）厌氧发酵效果进行了研究。在对黄瓜新鲜秸秆和干秸秆进行比较后可知，以黄瓜新鲜秸秆为原料的处理相对于干秸秆的处理pH值较低，厌氧发酵过程产酸阶段较长；黄瓜新鲜秸秆在发酵初期的产气效果比干秸秆好，发酵后期则相反；综合产气速率和累积产气量结果，常温条件下，以黄瓜新鲜秸秆为原料进行发酵，接种物浓度为30%最佳，以黄瓜干秸秆为原料进行发酵，接种物浓度为20%最佳。兰州理工大学的张庆芳[18]等人采用高温渗滤床干式厌氧发酵技术对餐厨垃圾和果蔬垃圾进行处理，最终垃圾减量化程度达到59.1%。针对蔬菜废弃物极易酸化、有机质含量高和含固率较低的特点。对蔬菜废弃物采用更为实用成熟的湿式厌氧消化技术处理更符合产业化的要求。

5 小结

（1）利用两相发酵工艺处理设施蔬菜废弃物对发酵设备有一定的要求；（2）将发酵特性互补的几种原料与设施蔬菜废弃物混合处理效果要比单纯采用设施蔬菜废弃物进行厌氧消化好。因此，利用共发酵工艺处理设施蔬菜废弃物将是未来的一个发展趋势；（3）对于干式和湿式发酵工艺，设施蔬菜废弃物由于其极易酸化、有机质含量高和含固率较低的特点，因此，采用更为实用成熟的湿式厌氧消化技术处理更符合产业化的要求。

参考文献

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[4] Berlian Sitorus，Sukandar，Seno D. Panjaitan.Biogas recovery from anaerobic digestion process of mixed fruit -vegetable wastes[J].Energy Procedia，2013（32）：176-182.

[5]李东伟，王克浩，李斗，等.两相厌氧消化的研究现状及展望[J].水处理技术，2007，33（12）：1-6.

[6] Dinsdale R M，Premier G C，Hawkes F R，et al.Two-stage anaerobic co-digestion of waste activated sludge and fruit/vegetable waste using inclinedtubular digesters[J]. Bioresource Technology，2000（72）：159-168.

[7] H. Bouallagui，M. Torrijos ，J.J. Godon，R. Moletta ，R. Ben Cheikh ，Y. Touhami ，J.P. Delgenes ，M. Hamdi. Two-phases anaerobic digestion of fruit and vegetable wastes：bioreactors performance[J].Biochemical Engineering Journal，2004（21）：193–197.

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[9] 凤颀，孙秀丽.Kaj Henriksen.蔬菜废物的两相厌氧消化产气研究[J].辽宁城乡环境科技，2006，26（1）：34-35.

[10] 江志坚.果蔬与餐厨垃圾混合两相厌氧消化性能的试验研究[D].北京：北京化工大学，2013.

[11] Yuanyuan Wu，Cuiping Wang，Xiaoji Liu，Hailing Ma，Jing Wu，Jiane Zuo，Kaijun Wang. A new method of two-phase anaerobic digestion for fruit and vegetable waste treatment[J]. Bioresource Technology，2016（211）：16–23.

[12]孟颖，唐明跃，孙芳青.餐厨、果蔬与鸡粪多元混合物料厌氧消化实验研究[J].中国沼气，2013，31（4）：12-16.

[13] Beatriz Molinuevo-Salces，Xiomar Gómez，Antonio Morán，Mari Cruz García-González. Anaerobic co-digestion of livestock and vegetable processing wastes：Fibre degradation and digestate stability[J]. Waste Management，2013（33）：1332–1338.

[14] X. Gómez，M.J. Cuetos，J. Cara，A. Morán，A.I. García.Anaerobic co-digestion of primary sludge and the fruit and vegetable fraction of the municipal solid wastes Conditions for mixing and evaluation of the organic loading rate[J]. Renewable Energy，2006（31）：2017–2024.

[15] Jia Lin，Jiane Zuo，Lili Gan，Peng Li，Fenglin Liu，Kaijun Wang，Lei Chen，Hainan Gan.Effects of mixture ratio on anaerobic co-digestion with fruit and vegetable waste and food waste of China[J]. Journal of Environmental Sciences ，2011，23（8）：1403–1408.

[16]杨林海.有机垃圾干式厌氧发酵处理试验研究[D].兰州：兰州理工大学，2013.

[17]周文娟.蔬菜秸秆的厌氧发酵特性及沼液的综合利用[D].杨凌：西北农林科技大学，2012.

[18]张庆芳，杨林海，邵田羽，等.有机固体废弃物渗滤床高温干式厌氧发酵的中试研究[J].中国沼气，2012，30（4）：11-13.

（责编：徐焕斗）