譚文英，許 勇，王述洋

(1.東北林業(yè)大學 材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040; 2.東北林業(yè)大學生物質能技術工程中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

厭氧消化技術在處理有機垃圾過程中耗能低，操作簡便，效率高，產生新能源，被認為是最可持續(xù)發(fā)展的技術之一。 厭氧消化大致可分為產酸和產甲烷二個階段，產酸階段主要是水解和發(fā)酵菌將復雜的有機物分解并降解為各種有機酸、醇類等簡單有機物;產甲烷階段主要是產甲烷菌將部分簡單有機物轉化為CH4和?；诎l(fā)酵的產酸、產甲烷代謝過程和反應器級數(shù)，可將發(fā)酵工藝分為單相工藝和兩相工藝。傳統(tǒng)的厭氧消化工藝為單相工藝，產酸菌和產甲烷菌在單相反應器內完成水解產酸和產甲烷過程。因其工藝簡單、投資相對較低等，應用十分廣泛。但是，單相發(fā)酵過程不能提供產酸菌和產甲烷菌最佳的生長條件和工作條件，產氣效率和容積負荷率較低。同時產酸菌代謝較快，容易引起酸積累，系統(tǒng)的抗沖擊性能較差。［2］兩相發(fā)酵過程把水解酸化階段和產甲烷階段分離開來，彌補了單相工藝的不足，提高了產氣率、容積負荷率和反應器的處理效率，已成為發(fā)展的新方向。

1 兩相工藝發(fā)展過程

兩相厭氧消化技術始于上世紀50年代，Babbitt和Bauman于1958年首次提出沼氣發(fā)酵在工藝上可分段進行［3］。1971年，Ghosh和Pohland等通過對工業(yè)有機廢水進行兩相厭氧消化處理研究取得了成功，開發(fā)出了兩相厭氧消化工藝［4］。此后到80年代中期，研究者主要研究實現(xiàn)相分離的動力學方法、兩相微生物的生理生態(tài)特性及產酸相和產甲烷相的一些主要參數(shù)。80年代中期以后，國內外兩相厭氧工藝主要用于高濃度有機污水處理，并獲得了大量的實際運行經(jīng)驗。進入90年代，隨著對厭氧消化機理研究的不斷深入和微生物學的發(fā)展，國內外研究者開始研究畜禽糞便［5－6］、水果蔬菜垃圾［7］、青草廢棄物［8］、城市污泥［9］、農作物秸稈［10］等固體有機廢物方面的產沼氣效果和新式反應器［11］的研究。

孔子所主張的禮是由主體道德自我的實踐到社會道德體系建構的發(fā)展，不僅是對仁的培養(yǎng)與擴充的過程，也是由倫理到政治的轉換?；趯ι鐣姆€(wěn)定性的考慮，需要各行其是，進而形成彼此協(xié)調的社會生活整體。因而，禮的內容已經(jīng)不僅僅包括對個人行為的規(guī)范，而且還包括對社會結構的構建。其主要有以下兩個方面：一.仁對每個人有統(tǒng)一的和共同的內容要求，所以社會的建設具有統(tǒng)一性；二.仁在外化或培養(yǎng)與擴充這一過程中又會因人而異，所以又具有差異性，而這差異性的方面，主要體現(xiàn)于孔子對社會等級的劃分。

2 餐廚垃圾特性

餐廚垃圾是指居民日常生活及食品加工、飲食服務、單位供餐等活動中產生的食物加工下腳料(廚余垃圾)和剩飯剩菜(餐余垃圾)等垃圾，包括食用油、蔬菜、果皮、果核、米面、肉食、骨頭等，此外還包括有少量的廢餐具、牙簽及餐紙［12－13］。隨著我國城市化進程加快和居民生活水平的提高，餐廚垃圾的產量逐年增加。餐廚垃圾已是國內城市有機垃圾的主要組成部分［14］，在我國主要城市有機垃圾中所占比例為37%～62%［1］。餐廚垃圾以淀粉、食物纖維類、蛋白質、脂類等有機物質為主要成分，同時也含有氮、磷、鉀、鈣等無機鹽類及各種微量元素，具有高油脂、高鹽分、高水分、高有機質含量以及易腐發(fā)臭、易酸化、易生物降解等特點［15－16］。同時還表現(xiàn)出高含鹽量(濕基:0.8%～1.5%)，游離態(tài)脂肪比重大(干基:20%～30%)，含水率高(65%～95%)。由于不宜直接填埋和焚燒［17－18］，如何處理餐廚垃圾已成為我們面臨的新問題。雖然少數(shù)城市已經(jīng)采取了治理措施，但無論從技術還是管理上，還僅是起步階段，存在著不足［19］。餐廚垃圾無害化、資源化處理已成為新的研究方向。餐廚垃圾厭氧消化制取沼氣是一種很好的解決方法，越來越受到人們重視，經(jīng)多年的探索和發(fā)展，無論是單相還是兩相厭氧技術，均取得了很大的進步。

2017年，盛慶余所在的高一化學教研組共有6位老師，其中有4位老師都在53歲以上，還有兩位是剛參加工作不久的年輕教師。作為教研組組長，盛慶余制定教研組工作計劃，側重教研組建設，以抓基礎知識、抓主干知識、抓規(guī)范答題為主。經(jīng)過一學期的努力，在2017年7月新疆“普通高中學業(yè)水平考試”中，七師高級中學化學成績的合格率為99.6%，優(yōu)秀率為70.8%，創(chuàng)學校學科新高，由于成績突出，高一化學教研組被評為?！跋冗M教研組”。

結構價值圖(The hierarchical value map，HVM)是常用于表現(xiàn)A-C-V階梯結構聯(lián)系的圖形分析方法[19]509?；凇癆-C”“C-V”關系矩陣，用圓圈表示各個層次的維度(元素)，圓圈的面積大小與圓圈輪廓粗細表示該元素被關注的程度，即被提及的次數(shù)。用4種粗細的線條表示“A-C-V”之間聯(lián)系的強弱程度，線條越粗，則表明聯(lián)系越強，反之，越弱。本文按照“受訪總人數(shù)*5%=5”設置 Cut-Off值[25]139，剔除聯(lián)系小于5的價值鏈，生成如下結構價值圖(如圖3所示)。游客對于大峽谷村游客中心屬性、使用結果、使用目的3個層次的價值感知存在一定層次關系。

3 餐廚垃圾兩相厭氧消化的優(yōu)勢

微生物中產酸菌的繁殖時間遠遠短于產甲烷菌，產酸菌的產酸速率高于產甲烷菌降解酸的速率，兩相厭氧消化工藝能夠為它們提供最佳的生長和代謝環(huán)境，使它們能夠發(fā)揮各自最大的活性，大大提高它們的消化處理能力和效率［20］。

餐廚垃圾具有高油脂、高水分、高有機質含量的特點，采用單相工藝處理，一旦負荷率升高，易產生酸敗現(xiàn)象。一旦發(fā)生酸敗，恢復正常運行需要較長的時間，而兩相厭氧消化工藝將產酸菌和產甲烷菌分別置于2個反應器內，不僅便于控制，而且產酸相的有機負荷率高，緩沖能力強。沖擊負荷造成的酸積累不會對產酸相有明顯的影響，也不會對后續(xù)的產甲烷相造成危害。能夠保證系統(tǒng)的正常運行。

產酸菌的水解酸化作用，能夠將難降解有機物質水解成小分子物質，大大降低餐廚垃圾中的懸浮固體濃度，也能夠解除或降低水中的有毒物質的毒性。不僅為產甲烷菌提供適宜的基質，解決懸浮物質引起的厭氧反應器的堵塞問題，還能夠避免對產甲烷菌產生的抑制和毒害作用，增強系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性［21］。綜上所述，餐廚垃圾采用兩相厭氧消化工藝處理具有很大的優(yōu)勢，能夠得到滿意的處理效果。

從2014年提出“133”品牌戰(zhàn)略，到單獨成立茅臺醬香酒公司，茅臺醬香系列酒開始走出一條獨具特色的發(fā)展之路。

4 餐廚垃圾兩相厭氧消化研究現(xiàn)狀

目前，國內外關于餐廚垃圾厭氧消化制沼氣研究的報道很多，但大多數(shù)采用的是單相工藝。兩相厭氧技術因其消化達到穩(wěn)定所需時間短，可承受的有機負荷更高，出水COD濃度低，單產和累積甲烷產量高，運行參數(shù)變化幅度小，系統(tǒng)抵抗外界沖擊的能力強、周期短等特點［22－23］，越來越受到人們重視。餐廚垃圾厭氧消化過程與其他有機物質厭氧消化一樣，會受到溫度、pH、有機負荷、水力停留時間等因素的影響。

他是中國最早一批為公眾所知的侍酒師，從參加第一個侍酒師認證開始，他就堅定地選擇了一直走向MS的路徑，這樣清晰的目標，至少我在圈內是很少見的，十年堅定不移的堅持，更是少之又少。

4.1 溫度

研究者對高溫消化和中溫消化工藝在有機物處理中的利弊作了大量的研究。Park Yong Jin等［26］發(fā)現(xiàn)在高溫條件下，當SRT＞2 d，OLR＜146 g COD/ (L·d)時，日本的餐廚垃圾取得了較好的酸化效果。Nimmrichter等［27］研究表明，停留時間為7 d，高溫(55℃)處理比中溫(37℃)處理更穩(wěn)定，甲烷產量約提高10%。Ghosh等［28］使用傳統(tǒng)的高效反應器，發(fā)現(xiàn)高溫55℃處理只比中溫35℃時甲烷產量提高了7%。張光明［29］卻認為，中溫時運行穩(wěn)定，所需熱量少，便于管理;高溫運行不穩(wěn)定，所需熱量也多。此外，高溫條件下游離氨的濃度比中溫時高，游離氨的毒性更強，微生物對于氨氮抑制的耐受力也變差［30］。Lim Seong Jin等［31］認為韓國餐廚垃圾在溫度為35℃，HRT為8 d、OLR為9 gTS/(L·d)、pH為6.0時酸化效果最好。高溫發(fā)酵需要外界持續(xù)提供能量，雖然高溫發(fā)酵工藝代謝速率、有機質去除率和致病細菌的殺滅率均比中溫厭氧消化工藝高，但高溫發(fā)酵毒性抑制物毒害作用大，受抑制后不容易恢復正常;發(fā)酵罐體及管路對材料要求高，運行復雜，可靠性低［32］。所以高溫發(fā)酵工藝并沒有得到普及。

Myungyeol Lee等［24］在35℃、55℃和65℃下對餐廚垃圾和活性污泥混合物進行了兩相消化對比研究，發(fā)現(xiàn)產酸段物料降解速率在65℃時最高，35℃時最低。

趙杰紅等［25］研究了餐廚垃圾在25℃、37℃、40℃、50℃時的水解率、VFA產量和速率、有機酸的組成和乳酸產量。確定餐廚垃圾水解酸化過程的最優(yōu)溫度為37℃。認為溫度對水解和酸化過程均有較大影響，在小于37℃時水解率和酸化率均隨溫度升高而增加，37℃時獲得最大的VFA濃度，達34.4 g/L;超過37℃后，酸化率下降而水解率繼續(xù)增加，50℃時獲得最大水解率，為82%。VFA中以甲酸和乙酸為主，丙酸和丁酸含量較少，乳酸濃度一直較高。

pH值也是厭氧消化的重要影響因素之一。產甲烷菌的最適宜pH值范圍是6.5～7.8，產酸菌需要的pH值偏低一點，一些產酸菌在pH值小于5.0時仍可生長。pH值的控制對產甲烷階段尤為重要。目前在實驗室研究和實際工程中，采用動力學控制結合產酸相反應器pH值調整的方法，在兩相厭氧消化過程中，兩相使用不同的pH值，使產酸過程和產甲烷過程分別在最佳的條件下進行，從而在一定程度上實現(xiàn)相的分離。

有機垃圾厭氧消化過程受溫度的影響，不同溫度下微生物的活性不一樣，厭氧消化效果也不同。另外，微生物厭氧降解和消化過程都會受到溫度波動的影響，產甲烷菌比產酸菌對溫度的變化更為敏感。溫度波動會抑制消化速度，甚至會導致停止產氣。在微生物厭氧消化運行過程中，對反應溫度的精確控制尤為重要，其溫度波動范圍一般不宜超過±2℃。

工藝選定后，設備的選型在很大程度上會影響工藝的運行情況和實際的處理效果?？刂葡到y(tǒng)決定著工藝的自動化程度和反應的正常運行。H.Bouallagui等［7］采用兩相ASBR反應器處理果蔬廢水，最終COD去除率達96%，出水COD小于1 500 mg/L，可溶性SCOD小于400 mg/L，甲烷產率為320 L/kg-COD。

4.2 pH

威特金不信任既有的規(guī)范，有意識地對其提出質疑。他甚至用自身的藝術形式來與其對抗：對威特金來說，認知與理解并不會從對現(xiàn)實的簡單復制中誕生，只能從對世界的人工創(chuàng)造中獲得。在他的這個世界的中心，兩性人、侏儒、殘疾人、連體雙胞胎與截肢者成為拓展其心靈視野的催化劑。對威特金的攝影作品最普遍的抗議，大概正是認為他濫用這些有缺陷者，創(chuàng)造那些令人毛骨悚然的景象。

?指Valeriano《象形文字》第二部的第二部分，各種動物的象征和寓意，此部分可能是對希臘譯本的補充，主要出自Aristotle、Aelian、Pliny以及 Artemidorus等人作品。

Sandhya［35］通過對菠蘿固體廢棄物在水解反應器中pH和起始VFA濃度對產酸性能影響的研究，發(fā)現(xiàn)pH值在6～7范圍內得到最大VFA。在中性條件下，起始VFA濃度對酸的產生和產氣量等沒有明顯差別。

采用何種進料方式也會對發(fā)酵效果產生影響。JYWang等［41］通過對食品廢棄物固液兩相厭氧消化進行研究，固相進料方式采用批次和半連續(xù)方式，發(fā)現(xiàn)半連續(xù)進料方式的甲烷產量、VS降解率以及甲烷含量均比批次方式高。

4.3 有機負荷

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(fā)性有機物量，是消化反應器設計和運行的重要參數(shù)。有機負荷的高低與處理物料的性質、消化溫度、所采用的工藝等有關。兩相厭氧消化工藝允許的有機負荷高于單相工藝。研究表明，對于處理蔬菜、水果、餐廚等易降解的有機垃圾，有機負荷一般為1～6.8 kgVS/(m3·d)［37］。Pavan等［38］以蔬菜水果等易生物降解的廢物為處理對象，采用完全混合反應器，比較了單相工藝與兩相工藝處理效果，結果顯示:單相工藝在有機負荷為3.3 kg/ (m3·d)時運行失敗，而兩相工藝在有機負荷為7.0 kg/(m3·d)時仍運行穩(wěn)定。Carneiro T Forster等［39］研究發(fā)現(xiàn)在反應器TS為20%，接種物為30%時啟動反應器，餐廚垃圾降解率和產氣量達到最大。處理源頭分類收集的有機垃圾，為獲得更好的穩(wěn)定性，宜采用兩相消化工藝。

4.4 設備和控制系統(tǒng)

IOWA大學研究了一種新的工藝—溫度兩相厭氧工藝［33］。它將高溫厭氧消化和中溫厭氧消化組合為一個處理工藝，這樣可以充分發(fā)揮高溫發(fā)酵速率快、殺滅致病菌能力強以及中溫發(fā)酵能量需求低、出水水質好的優(yōu)勢。Kaiser等人也研究了一種新的高速厭氧處理系統(tǒng)，它由1個高溫厭氧生物濾池和1個中溫厭氧濾池串聯(lián)組成，形成了具有2個溫度段的兩相厭氧生物處理系統(tǒng)。趙慶良等［34］通過對污泥和馬鈴薯加工廢棄物、豬血、灌腸加工廢棄物的高溫酸化(75℃，2.5 d)中溫甲烷化(37℃，10 d)兩相厭氧消化研究，認為污泥和一定比例的其他高濃度有機廢物進行高溫/中溫兩相厭氧消化在技術上是可行和有效的?？刂聘邷禺a酸相在75℃和2.5 d可基本達到水解與產酸(兼作滅菌)的目的，控制中溫產甲烷相在37℃和10 d(或14 d)可達到最大產氣與產甲烷，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

Raynali等［40］采用兩相固態(tài)厭氧消化技術，在35℃下，先用不同的水解消化器來分別處理土豆皮、豌豆皮、蔬菜葉、胡蘿卜以及蘋果渣，再將處理后的物質放入產甲烷固定膜反應器中反應，COD平均負荷為4 g/(L·d)，停留時間為17 d。結果發(fā)現(xiàn)除蘋果渣外，其余廢物在水解酸化段的水解率都高于80%;在同一個甲烷罐中處理各種廢物的酸化水，反應率達80%，總有機質去除率為87%。

張波等［36］研究了pH對餐廚廢物兩相厭氧消化中水解和產酸過程的影響?？疾炝瞬蛷N廢物在pH為5，7，9，11時的水解率、VFA產量和速率、有機酸的組分和水解酸化產物的分配。結果顯示:控制pH為7時，餐廚廢物的水解和酸化率在實驗第9 d時分別達到86%和82%。VFA濃度在實驗第4 d達到36 g/L－1，VFA產量是未調節(jié)pH時的2倍，主要以丁酸和乙酸為主，丙酸很少，乳酸濃度相對較低?？刂苝H為7不但可以提高水解酸化效率，還為后續(xù)產甲烷過程提供了更有利的基質。

近年來，隨著對兩相厭氧消化概念和厭氧降解機理的進一步理解，研究出了各種新型厭氧反應器，結合各種新型高效厭氧反應器的特點進行產酸相和產甲烷相的組合以達到更好的處理效果成為新的研究方向。

劉廣青、張瑞紅等［42］對批式和兩相工藝處理餐廚垃圾和雜草廢棄物進行了對比研究，采用4個1 L固體反應器和1個2.2 L厭氧批式反應器。固體床反應器每3 d進1次料，每次進料97 g(以VS計)，12 d為1個發(fā)酵周期。滲濾液每天回流6次，每次回流量為70 mL。在12 d的消化時間內，沼氣和甲烷產率分別為530 mL/g和351 mL/g，系統(tǒng)的TS和VS去除率分別為78%和82%。他們認為該兩相厭氧固體床反應系統(tǒng)負荷高、產氣穩(wěn)定、周期短，是處理固態(tài)有機廢物的有效方法。

一體化兩相厭氧反應器的研究逐漸成為兩相厭氧反應器的研究方向。通過反應器內部結構的精密設計，在同一反應器內形成產酸相、產甲烷相。通過合理搭配，在實現(xiàn)兩相分離，消除二者之間制約作用的基礎上，增強二者之間的互補、協(xié)同作用。李仕平等［43］為了更好地實現(xiàn)對餐廚垃圾的資源化利用，按照容積最佳負荷比，設計了一種高1.4 m半徑1.1 m體積為3 m3的圓柱型的無間斷的投料和產氣的沼氣罐，認為其結構設計獨特，價格低廉，使用方法簡便，可作為一種新的發(fā)展方向。

在系統(tǒng)控制上，李秋燕等［44］設計了一種基于LabVIEW的兩相厭氧消化過程的在線監(jiān)測與控制系統(tǒng)。利用LabVIEW虛擬儀器作為軟件開發(fā)平臺，結合多功能數(shù)據(jù)采集卡、傳感器和各類執(zhí)行機構，實現(xiàn)了厭氧消化過程中各參數(shù)的采集、處理、存儲和自動調控。試驗表明:該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、能較好地實現(xiàn)消化過程的監(jiān)控與優(yōu)化。

4.5 油脂

餐廚垃圾中油脂含量高，脂類的代謝產物長鏈脂肪酸會影響產甲烷菌的產甲烷活性，因此過高的油脂含量會降低餐廚垃圾厭氧消化產甲烷效率。Komatsu等［45］研究了脂類物質對兩相厭氧系統(tǒng)的抑制作用。結果發(fā)現(xiàn)，脂類可以在1個兩相厭氧濾池系統(tǒng)得到滿意的降解而在單相系統(tǒng)中其降解就相對較差。

5 結論

兩相厭氧消化技術經(jīng)過眾多研究者的試驗、研究，已成為一項較為成熟、實際可行的技術。兩相厭氧消化工藝中的產酸相和產甲烷相分別為產酸菌和產甲烷菌提供了最佳的生理生態(tài)環(huán)境，無論是在處理能力、處理效率還是在系統(tǒng)的抗沖擊能力和穩(wěn)定性上，兩相厭氧消化工藝均優(yōu)于單相消化工藝。目前研究開發(fā)的兩相工藝，裝備和自動化水平很高，但由于工藝流程長，配套設施多，投資成本高等現(xiàn)實制約因素，推廣受到了一定的限制。在厭氧消化處理的工程應用方面，歐洲等發(fā)達地區(qū)取得了很好的發(fā)展，但兩相消化工藝所占比例還很小，我國整體上也還處于起步階段。

我國餐廚垃圾產量大，時空差異性大，具有高油脂、高鹽分、高水分、高有機質含量的特點，實現(xiàn)餐廚垃圾資源化處理，需要進行分類收集和集中處理。餐廚垃圾厭氧消化過程十分復雜，為了使兩相厭氧技術能夠更好的應用于餐廚垃圾處理，應進一步深入分析溫度、pH、有機負荷等因素對消化過程中的影響，提高水解酸化產物中乙酸的含量和產甲烷階段中甲烷的產量和含量;研究與其他有機廢棄物混合發(fā)酵的工藝;開發(fā)結構簡單、操作方便的反應器;尋找最佳反應器運行條件;優(yōu)化工藝減少前期投入和縮短回收期。如能在以上關鍵技術上獲得突破，餐廚垃圾兩相厭氧消化工藝將會有廣闊的應用前景。

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