厌氧消化

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厌氧消化是微生物在没有氧气的情况下分解可生物降解材料的过程。其产品是沼气（二氧化碳 (CO2) 和甲烷的混合物）和沼渣（一种富氮肥料）。沼气可以燃烧产生热量，也可以像天然气或汽车燃料一样进行清洁和使用。沼渣废物富含矿物质，可用作农业肥料或土壤改良剂。

应用

湿式厌氧工艺广泛用于处理废水污泥和有机废物，因为它可以减少输入材料的体积和质量。作为综合废物管理系统的一部分，厌氧消化减少了垃圾填埋气体向大气的排放。

干式厌氧消化也得到了广泛的应用。例如，Axpo Kompogas AG 系统。这是一个完全开发的系统，2009 年已生产 2700 万千瓦时的电力和沼气。最古老的公司拥有的卡车在过去 15 年中利用家庭垃圾产生的沼气行驶了 1,000,000 公里。^[1]

厌氧消化是一种可再生能源，因为该过程产生富含甲烷和二氧化碳的沼气，适合能源生产，有助于替代化石燃料。此外，消化后留下的营养丰富的固体可以用作肥料

流程

存在两种类型的工艺：湿式厌氧消化工艺和干式厌氧消化工艺。在这两种类型的过程中，都有许多细菌参与厌氧消化过程，包括产乙酸菌（产乙酸菌）和产甲烷菌（产甲烷菌）。这些细菌以初始原料为食，经过许多不同的过程，将其转化为中间分子，包括糖、氢和乙酸，然后最终转化为沼气。
不同种类的细菌能够在不同的温度范围内生存。在 35-40°C 温度下最适宜生存的细菌称为嗜温菌或嗜温细菌。有些细菌可以在55-60°C的更热和更恶劣的条件下生存，这些细菌被称为嗜热菌或嗜热细菌。产甲烷菌来自古细菌的原始群。该科包括可以在热液喷口的恶劣条件下生长的物种。这些物种更耐热，因此可以在高温下工作，这是细菌家族独有的特性。

与需氧系统一样，厌氧系统中的细菌生长和繁殖的微生物也需要元素氧来源才能生存。

在厌氧系统中不存在气态氧。在厌氧消化器中，通过密封罐中的物理密封来防止气态氧进入系统。厌氧菌从周围空气以外的来源获取氧气。这些微生物的氧源可以是有机材料本身，或者可以由输入材料内的无机氧化物提供。
当厌氧系统中的氧源来自有机材料本身时，“中间”最终产物主要是醇、醛、有机酸和二氧化碳。在专门的产甲烷菌存在的情况下，中间体转化为甲烷、二氧化碳和痕量硫化氢的“最终”最终产品。在厌氧系统中，起始材料中包含的大部分化学能由产甲烷细菌以甲烷的形式释放。

厌氧菌群通常需要很长一段时间才能完全发挥作用。因此，通常的做法是从现有种群的材料中引入厌氧微生物。这个过程称为消化池“播种”，通常通过添加污水污泥或牛粪来进行。

阶段

厌氧消化有四个关键的生物和化学阶段：

1. 水解
2. 产酸
3. 乙酸生成
4. 产甲烷作用

在大多数情况下，生物质由大型有机聚合物组成。为了使厌氧消化器中的细菌能够利用材料的能量潜力，这些链必须首先分解成更小的组成部分。这些组成部分或单体（例如糖）很容易被其他细菌利用。破坏这些链并将较小分子溶解到溶液中的过程称为水解。因此，这些高分子量聚合物组分的水解是厌氧消化中必要的第一步。通过水解，复杂的有机分子被分解成简单的糖、氨基酸和脂肪酸。

第一阶段产生的乙酸和氢气可以直接被产甲烷菌利用。其他分子，例如链长大于乙酸盐的挥发性脂肪酸（VFA），必须首先分解代谢成可被产甲烷菌直接利用的化合物。

产酸的生物过程是产酸（发酵）细菌进一步分解剩余成分的过程。此处，挥发性脂肪酸与氨、二氧化碳、硫化氢以及其他副产品一起产生。产酸过程与牛奶变酸的过程类似。

厌氧消化的第三阶段是产乙酸。通过产酸阶段产生的简单分子被产乙酸菌进一步消化，主要产生乙酸以及二氧化碳和氢气。

厌氧消化的最后阶段是产甲烷的生物过程。在此，产甲烷菌利用前一阶段的中间产物并将其转化为甲烷、二氧化碳和水。正是这些成分构成了系统排放的沼气的大部分。产甲烷作用对高 pH 值和低 pH 值都很敏感，发生在pH 6.5 和 pH 8 之间。微生物无法摄食的剩余的不可消化物质以及任何死亡的细菌残留物构成了消化物。

上述整个过程的简化通用化学方程式如下：

C ₆ H ₁₂ O ₆ → 3CO ₂ + 3CH ₄

厌氧消化池配置

厌氧消化器可以设计和工程化，以使用多种不同的工艺配置进行操作：

• 批量或连续
• 温度： 中温或高温
• 固体含量：高固体或低固体
• 复杂性：单级或多级

批量或连续

批处理系统是最简单的消解形式。生物质在工艺开始时批量添加到反应器中，并在工艺过程中密封。随着时间的推移，沼气产量将形成正态分布格局。操作员可以利用这一事实来确定他们认为有机物的消化过程何时完成。

温度

厌氧消化池有两种常规操作温度水平，由消化池中产甲烷菌的种类决定：

• 嗜温最适宜在 37°-41°C 左右或环境温度 20°-45°C 之间进行，其中嗜温菌是主要存在的微生物
• 嗜热最适宜在 50°-52° 左右、最高 70°C 的高温下发生，其中嗜热菌是主要存在的微生物。
  

嗜温菌的种类比嗜热菌的种类多。这些细菌也比嗜热细菌更能耐受环境条件的变化。因此，中温系统被认为比高温消化系统更稳定。高温消化系统被认为不太稳定，但是升高的温度有利于更快的反应速率，从而加快气体产量。在较高温度下操作有利于对最终消化液进行更好的灭菌。
在高温温度下操作的缺点是需要更多的热能输入才能达到正确的操作温度。系统沼气产量的增加并不能抵消能量的增加。因此，考虑这些系统的能量平衡非常重要

固体

通常有两个与蒸煮器原料固体含量相关的不同操作参数：

• 高固含量
• 低固体含量

消化器可以设计为在总悬浮固体(TSS) 浓度大于 20% 的高固体含量下运行，也可以设计为在低于 15% 的低固体浓度下运行。

高固体消化器处理浓浆，需要更多的能量输入来移动和处理原料。材料的厚度也可能导致相关的磨损问题。由于与水分相关的体积较小，高固体消化器通常具有较低的土地需求。

低固体消化器可以使用标准泵将材料输送到系统中，从而需要显着降低能量输入。低固体消化器比高固体消化器需要更大的土地，因为与消化器的液体：原料比率增加相关的体积增加。在液体环境中操作有很多好处，因为它可以实现材料更彻底的循环以及细菌与其食物之间的接触。这使得细菌能够更容易地获取它们赖以生存的物质，并提高产气速度。

级数

消解系统可以配置不同的复杂程度：

• 一级或单级
• 两级或多级

单级消化系统是一种所有生物反应都发生在单个密封反应器或储罐内的系统。使用单级可降低建造成本，但会减少对系统内发生的反应的控制。产酸细菌通过产生酸，降低水箱的 pH 值。产甲烷细菌在严格规定的 pH 范围内运行。因此，单级反应器中不同物种的生物反应可以相互直接竞争。另一种单级反应系统是厌氧泻湖。这些泻湖是池塘状的土盆，用于处理和长期储存粪便。这里，厌氧反应包含在池中的天然厌氧污泥中。
在两级或多级消化系统中，不同的消化容器经过优化，可以最大程度地控制消化器内的细菌群落。产酸细菌产生有机酸，并且比产甲烷细菌生长和繁殖更快。产甲烷细菌需要稳定的 pH 值和温度才能优化其性能。

通常，水解、产乙酸和产酸发生在第一反应容器内。然后将有机材料加热至所需的操作温度（嗜温或嗜热），然后泵入产甲烷反应器。产甲烷反应器之前的初始水解或产酸罐可以为原料添加速率提供缓冲

住宅

消化器中的停留时间随进料的数量和类型、消化系统的配置以及是一级还是两级而变化。

在单级高温消化的情况下，停留时间可以在14天左右，这与中温消化相比相对较快。其中一些系统的活塞流性质意味着材料可能无法在这个时间尺度内实现完全降解。在这种情况下，排出系统的沼渣颜色会变深，并且气味会更浓。

在两阶段中温消化中，停留时间可能在 15 至 40 天之间变化。

在中温UASB消化的情况下，水力停留时间可以是(1小时-1天)，固体保留时间可以长达90天。通过这种方式，UASB 系统能够利用污泥层分离固体和水力停留时间。

连续消化器具有机械或液压装置，具体取决于材料中的固体含量，以混合内容物，使细菌和食物能够接触。它们还可以连续提取多余的物质，以保持消化罐内合理恒定的体积。

干式厌氧消化

该过程根本不使用粪便，因此更适合不需要处理粪便的某些应用。这个过程可以通过多种方式完成。例如，Wiessmann-Bioferm“Kompoferm”工艺。^{[2] [3]}还有 Axpo Kompogas AG 系统、^[4] OWS 设计的 Dranco 工艺、^[5]以及 Jan Klein Hesselink 的系统。^{[6] [7]}

产品

厌氧消化产生三种主要产物：沼气、消化物和水。

沼气

沼气是细菌以输入的可生物降解原料为食的最终废物，主要是甲烷和二氧化碳，含有少量氢气和微量硫化氢。大部分沼气是在消化过程中细菌数量增长后产生的，并随着易腐烂物质耗尽而逐渐减少。气体通常存储在消化器顶部的充气气泡中，或者提取并存储在设备旁边的储气罐中。
沼气中的甲烷可以燃烧来产生热量和电力，通常使用往复式发动机或微型涡轮机，通常采用热电联产装置，产生的电力和废热用于加热沼气池或为建筑物供暖。多余的电力可以出售给供应商或并入当地电网。厌氧消化池产生的电力被认为是可再生能源，可能会吸引补贴。沼气不会增加大气中二氧化碳的浓度，因为沼气不会直接释放到大气中，而且二氧化碳来自碳循环短的有机来源。
沼气可能需要处理或“洗涤”来精炼以用作燃料。硫化氢是由原料中的硫酸盐形成的有毒产物，并作为沼气的微量成分释放。如果气体中的硫化氢含量较高，则需要气体洗涤和清洁设备（例如胺气处理）将沼气处理至区域可接受的水平（由美国环保署或英格兰和威尔士环境署确定） 。另一种方法是向消化罐中添加氯化铁 FeCl ₃以抑制硫化氢的产生。
挥发性硅氧烷也会污染沼气；此类化合物经常存在于家庭废物和废水中。在接受这些材料作为原料成分的消化设施中，低分子量硅氧烷挥发成沼气。当这种气体在燃气发动机、涡轮机或锅炉中燃烧时，硅氧烷会转化为二氧化硅 (SiO ₂ )，沉积在机器内部，增加磨损也会污染沼气；此类化合物经常存在于家庭废物和废水中。
在接受这些材料作为原料成分的消化设施中，低分子量硅氧烷挥发成沼气。当这种气体在燃气发动机、涡轮机或锅炉中燃烧时，硅氧烷会转化为二氧化硅 (SiO2)，二氧化硅沉积在机器内部，增加磨损。

消化物

沼渣是厌氧消化后剩下的物质，含有氮、磷、钾，可用作肥料。它由不可消化的物质和死亡的生物体组成，消化后通常会填充袋子的 90-95%。AD 期间不会损失任何营养物质，因此营养物质循环是封闭的并且材料可以重复使用。在土壤中使用沼渣有很多好处，并且被认为对土壤更有营养和健康。由于其成分，它可以中和入侵种子，入侵物种会对本地物种造成竞争，因此这种肥料将大大减少这种威胁。由于系统的预处理以及消化池内的微生物，病原体大大减少。消化物可以减少排放量以及使用过量的水和油。据厌氧消化和生物资源协会称，“用消化物替代 1 吨人造肥料可节省 1 吨石油、108 吨水和 7 吨二氧化碳排放量”。

水

AD 的副产品水非常少，可以在以后的循环中重复使用。

厌氧消化的优点

当有机废物存放在垃圾填埋场时，会产生大量的温室气体，包括二氧化碳和甲烷。厌氧消化可以作为处理有机废物和通过更有效地捕获和处理消除这些温室气体排放的一种手段发挥重要作用；将它们转化为有用的产品。AD 可以回收原本会损失到大气中的能量，并生产有价值的生物肥料。沼气可用于发电、供热、生物燃料或净化后注入天然气管网。广告系统可以节省资金，并且还可以为产生该系统的人创造少量收入。从粪肥到肥料的转变有助于产生更有营养的肥料，并消除可能引起疾病的细菌。AD 可以适合大多数农场，即使是小规模也可以大大减少天然气的使用和排放。

相关项目

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Rancho Mastatal 粪便生物消化器

也可以看看

• Bokashi厌氧消化：一种家用厌氧消化工艺，即厨房残渣
• 回收农业废弃物生产热水

参考

页面数据

关键词	防止浪费、浪费
可持续发展目标	SDG12 负责任的消费和生产
作者	多阿·巴尔法基、KVDP、凯特琳·皮克斯、伊森
执照	CC-BY-SA-3.0
语言	英语（en）
翻译	土耳其语、葡萄牙语
有关的	2个子页面，52页链接在这里
别名	生物消化器,厌氧消化,厌氧消化器
影响	4,300 次页面浏览量
已创建	2008 年4 月 16 日作者：Doaa Balfakih
修改的	2023 年10 月 23 日，通过维护脚本
引用为	多阿·巴尔法基 (Doaa Balfakih)、KVDP、凯特琳·皮克斯 (Katelyn Peakes)、伊森(2008–2023)。“厌氧消化”。附录。检索日期：2024 年 2 月 28 日。
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