自持气浮式易腐有机固废厌氧消化技术及装备

易腐有机固体废弃物（餐厨垃圾、厨余垃圾、污水厂污泥等）是一种多介质（固-液-气）、多组分（类蛋白、类多糖、类脂质、无机物质等）、高含水（含水率>80%）的复杂体系（见图1）。随着垃圾分类国家战略的推进，易腐有机固体废弃物产量逐年增长。据不完全统计，2020年底，我国厨余垃圾已达到9000 万吨/年，污水厂污泥年产量已突破6500 万吨（以含水率为80%计算）。如不妥善处理，可能会对人类生命健康造成严重威胁，同时，产生的大量CO2释放到大气中，增加碳排放，加重温室效应，严重危害生态环境。在众多的处理技术中，厌氧消化具有能量回收高、环境影响低等特点，是目前国际上广泛关注的减量化和资源化处理技术。厌氧反应器的发展大力推进了厌氧消化产沼气技术的发展。作为提供微生物生长和繁殖的微生态系统，反应器有助于各种微生物的稳定生长和物质、能量的流动，是维持厌氧处理系统持续稳定的必要条件。

图1 易腐有机固废的复杂体系

厌氧生物反应器在污水处理领域应用广泛且成效显著，已经开发了不同配置的厌氧生物反应器，例如连续搅拌槽反应器（Continuous stirred-tank reactor，CSTR）、上流式厌氧污泥床、膨胀颗粒污泥床和内循环反应器等。经三代迭代升级，处理负荷逐代提升。但是厌氧技术在有机固废领域进展依然缓慢。现阶段应用较广的有机固废厌氧反应器可归纳为车库式或完全混合式（CSTR）。随着建筑技术的进步，不同池型逐步出现，如浮盖型、传统型、蛋型和欧式平底型；出现立式或卧式的设计方式；搅拌方式也出现了螺旋搅拌与沼气搅拌的更新。但反应器内有机负荷最高也仅可达到干基10 kg/m?·d，与自然界由于“物竞天择”进化论演变而来的天然反应器效率差距甚远，如反刍动物瘤胃系统有机负荷最高可达干基100 kg/m?·d。易腐有机固废厌氧消化过程因为其多介质、多组分、结构复杂等特点，仍存在许多技术难题，为了进一步提升高含固厌氧消化效率，需要开发出适用于易腐有机固废的高负荷厌氧工艺技术装备。

CSTR是利用易腐有机固废进行厌氧甲烷生产的常规方式。CSTR操作运行简单，CSTR内基质与底物的混合被认为是充分的，但正由于此，物料排出无选择性，未降解充分的物料存在短流，造成底物降解不完全，运行效率降低。虽然缩短水力停留时间可以提高有机负荷，但由于功能微生物活性降低与生物量难以持留等原因，有机物的降解效率仍不理想。另一方面，由于CSTR内较均匀的流态分布，有利于基质和微生物的良好接触，但也提高了大分子难生物降解的腐殖类物质与功能酶非特异性结合的可能性。因此，在厌氧消化过程中平衡传质效率和抑制效应，使整个系统在经济和环境方面都能最大限度地恢复生物特征具有重要意义。综上所述，基于易腐有机固废厌氧消化领域应用广泛的CSTR系统，实现惰性底物的排出、未降解完全底物的回流、活性微生物的持留、传质效率与抑制效应的平衡，是重点关注方向。

基于研究现象的总结和先导性实验研究，本文研发了一种新型易腐有机固废厌氧消化技术及装备，其原理是利用厌氧消化过程自发产气（CH4、CO2等）现象实现厌氧体系的自持气浮（Bioresource Technology, 2020, 310: 123417; 环境卫生工程, 2021, 29(01): 95.）。自持气浮筛分装置可外置或内置于CSTR结构，分为升流区、沉淀区与回流区。全混式物料从CSTR排出进入自持气浮装置后，为强化传质首先在升流区进行物料的上行推流，液面溢过中隔板后跌入沉淀区并在此流态相对稳定的区域内实现自持气浮，重质物料由底部排出，轻质物料由筛分器顶端回流入CSTR主罐体。

厌氧体系内若按质量比重划分，以腐殖类物质为主的大分子类物质为相对重质组分，以微生物、可溶性有机质为主的小分子类物质为相对轻质组分。另一方面，这类相对重质的物质难被生物转化利用，属惰性组分，应在日常出料中尽量多的排出系统，减少其对生物过程的抑制效应；而相对轻质的组分本身即为对厌氧沼气生产有贡献的微生物或易被生物降解的物质，属活性组分，应在日常出料中尽量少的排出，维持其在厌氧体系内的有效持留。因此，与CSTR耦合连接一自持气浮筛分单元，利用自产气现象与流态变化，实现重质难降解物料与轻质活性物料的筛分，以重质难降解物料代替CSTR混合式出料，轻质活性物料回流入CSTR主罐体，可有效增强CSTR惰性物料排出选择性并保持系统的高生物活性，实现传质效率与抑制效应的平衡。

图2 自持气浮筛分装置内的流态模拟

本技术方法简单易行，混合物料在自持气浮单元内先后经历“上行推流-下行沉淀-气浮筛选-轻质回流”过程，上行过程加速了高负荷底物基质转化，下行过程实现了重质惰性物料的沉淀，气浮过程实现了轻质活性物料的回流。与传统CSTR相比，增设自持气浮单元后甲烷产量提升15-20%，反应周期缩短20%。

本技术可有效缓解传统的全混式易腐有机固废厌氧消化反应器面临理论停留时间与真实值不符（降解低）、短停留时间使微生物难持留（负荷低）、传质效率与抑制效应难平衡（甲烷少）等问题；可有效增强传统全混式反应器惰性物料排出选择性并保持系统的高生物活性，实现传质效率与抑制效应的平衡，系统SRT与HRT的分离。

该技术装备既能用于新建易腐有机固废厌氧消化沼气工程的设计，又能用于已建成厌氧消化工程的提质改造，具有丰富的应用场景与转化潜力。

自持气浮筛分装置对CSTR的升级