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厭氧沼氣工程是指利用有機物進(jìn)行厭氧降解得到沼氣的工程。沼氣工程的原料通常為富含有機物的生物質(zhì)原料，如秸稈、青貯玉米等， 以及城市生活垃圾中的有機部分，例如餐廚垃圾、 廚余垃圾。這些物質(zhì)經(jīng)過(guò)厭氧沼氣工程的處理后， 原料轉化為可以資源化利用的沼氣， 沼氣可用來(lái)發(fā)電或作為燃料使用。在產(chǎn)生沼氣的同時(shí)，發(fā)酵后會(huì )產(chǎn)生固液混合剩余物，這些剩余物不能直接進(jìn)行填埋或進(jìn)入污水處理廠(chǎng)處理，需要經(jīng)過(guò)脫水處理。脫水后形成的沼渣和沼液再進(jìn)行最終處理，沼渣可以進(jìn)行填埋，或作為肥料；沼液也可以進(jìn)入污水處理廠(chǎng)處理，或作為過(guò)程水回流等來(lái)調節厭氧消化。

對于厭氧沼氣工程來(lái)說(shuō)，針對不同的原料，生產(chǎn)過(guò)程中可能需要加水進(jìn)行稀釋?zhuān)�且用水量較大，導致生產(chǎn)成本增高，同時(shí)沼液進(jìn)入污水處理廠(chǎng)處理也會(huì )增加運行成本。為了降低運行成本， 減輕后端污水處理的負擔，同時(shí)為厭氧系統提供具有活性的菌群，工藝上通常選擇設計沼液作為過(guò)程水回流，稀釋原料或調整漿液的固含量， 以保證后端厭氧發(fā)酵的順利運行。

筆者嘗試討論餐廚垃圾厭氧沼氣工程中的沼液回流時(shí)可能對厭氧過(guò)程產(chǎn)生的影響，對厭氧菌的影響、 對厭氧環(huán)境的影響、 對設備的影響等。討論沼液回流是否可行。

1 沼液性質(zhì)

沼液是有機物厭氧發(fā)酵后的剩余物經(jīng)過(guò)脫水后產(chǎn)生的液體。想了解沼液回流對厭氧過(guò)程的影響，首先要了解沼液的性質(zhì)。

脫水方式對沼液性質(zhì)可能會(huì )產(chǎn)生不同的影響，餐廚垃圾厭氧沼氣工程中，由于原料顆粒較小，含有纖維狀組分，在脫水時(shí)多選擇離心脫水機，脫水時(shí)加入絮凝藥劑。

表 1 沼氣工程出水離心脫水方式下沼液的性質(zhì)

    從表1中可知，沼液的COD， 氨氮含量較高， 可能會(huì )對厭氧過(guò)程產(chǎn)生影響， 應對其進(jìn)行研究。沼液pH 值較高，也會(huì )對厭氧過(guò)程產(chǎn)生影響。同時(shí)， 沼液中的氮磷以酸根的形式存在， 與液體中的金屬離子結合會(huì )產(chǎn)生鹽類(lèi)，長(cháng)期運行會(huì )在管道或設備中結垢，造成堵塞或設備減壽。

2 沼液回流對 pH 值的影響

由表1可知，沼液 pH 值 ＞8， 回流后對厭氧過(guò)程的 pH 值會(huì )產(chǎn)生影響。厭氧發(fā)酵過(guò)程通常分為產(chǎn)酸過(guò)程和產(chǎn)甲烷過(guò)程， 兩個(gè)過(guò)程中不同性質(zhì)的厭氧菌群分別起到?jīng)Q定性作用。對于餐廚垃圾厭氧沼氣工程，原料本身富含易于降解的有機物，降解速度極快，垃圾本身呈現酸性，產(chǎn)酸菌 pH 值的最佳活性范圍為 2～5。對于采用二步發(fā)酵的沼氣工程來(lái)說(shuō)，沼液回流到產(chǎn)酸罐， 會(huì )對 pH 值產(chǎn)生影響。產(chǎn)酸過(guò)程的 pH 值在沼液加入的一周內會(huì )出現下降，之后會(huì )逐步升高。pH 值最終可能升高至 6． 5 ～ 7 的范圍內，而這個(gè)范圍已經(jīng)超出了產(chǎn)酸菌的最佳活性范圍，會(huì )導致產(chǎn)酸菌的活性下降，有機物轉化效率下降，影響產(chǎn)酸過(guò)程。

3 沼液回流對揮發(fā)性脂肪酸的影響

揮發(fā)性脂肪酸是沼氣厭氧工程中厭氧過(guò)程監控的重要運行指標之一，單位時(shí)間內有機物產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸的多少， 表示該有機物厭氧降解能力的強弱。

揮發(fā)性脂肪酸與 pH 值有直接的聯(lián)系， 厭氧過(guò)程開(kāi)始時(shí)，揮發(fā)性脂肪酸開(kāi)始產(chǎn)生， 并不斷地累積，此時(shí)系統 pH 值下降。當揮發(fā)性脂肪酸濃度達到最高時(shí)，pH 值降到最低值。此后， 揮發(fā)性脂肪酸在產(chǎn)甲烷菌的作用下進(jìn)一步轉化成為甲烷氣和二氧化碳等氣體，揮發(fā)性脂肪酸濃度降低，pH 值會(huì )緩慢升高，直至系統達到平衡狀態(tài)。在正常運行的沼氣工程中，系統是能達到平衡狀態(tài)的。

有文獻資料表明， 沼液回流后， 產(chǎn)酸過(guò)程中，隨著(zhù)沼液的回流加入，產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸中， 乙酸、 丁酸的濃度不斷地降低， pH 值不斷地升高。并且隨著(zhù)回流沼液量的增大，乙酸、 丁酸的濃度下降更為明顯。與此同時(shí)，揮發(fā)性脂肪酸中的丙酸濃度卻呈現相反的趨勢， 丙酸的濃度隨著(zhù)沼液的加入不斷的升高，沼液回流量越大，丙酸濃度的升高幅度越明顯。

在以上的揮發(fā)性脂肪酸中， 乙酸是比較容易被產(chǎn)甲烷菌利用并轉化為甲烷氣的，而丙酸卻不易被轉化。這樣，在沼液回流后就會(huì )出現這樣的現象: 回流的沼液越多， 不宜被降解的脂肪酸產(chǎn)量越多。于是就會(huì )造成后面產(chǎn)甲烷過(guò)程緩慢，并且出現脂肪酸的累積，最終導致厭氧過(guò)程受到抑制，影響沼氣工程的正常運行。

如果采用兩相厭氧發(fā)酵工藝， 產(chǎn)酸過(guò)程與產(chǎn)甲烷過(guò)程分開(kāi)，產(chǎn)酸過(guò)程的 pH 值能夠得到更好的控制，從而抑制丙酸的產(chǎn)生。產(chǎn)甲烷過(guò)程由于較低的氫分壓以及產(chǎn)甲烷菌的活性得到更好的發(fā)揮，能夠使產(chǎn)生的丙酸快速的轉化為甲烷氣。從而提高厭氧發(fā)酵過(guò)程的效率和穩定性， 也能夠提高整個(gè)沼氣工程的穩定性。

4 沼液回流對氨氮濃度的影響

氨氮物質(zhì)對厭氧發(fā)酵過(guò)程起著(zhù)重要作用。氨氮物質(zhì)作為厭氧菌類(lèi)的氮源，提供厭氧菌生長(cháng)所必需的元素，促進(jìn)菌類(lèi)的生長(cháng)。同時(shí)氨氮物質(zhì)也在一定程度上能夠調節pH值。但是如果氨氮物質(zhì)的濃度達到一定范圍，就會(huì )抑制厭氧菌的生長(cháng)，降低產(chǎn)甲烷菌的活性，減緩厭氧降解過(guò)程。

文獻資料表明 ， 隨著(zhù)沼液的加入， 產(chǎn)酸過(guò)程中的氨氮濃度會(huì )逐步上升。加入的沼液量越大，氨氮濃度上升得越高。沼液長(cháng)時(shí)間的回流， 氨氮濃度會(huì )繼續升高。沼液中的有機氮在產(chǎn)酸過(guò)程中轉化成為無(wú)機氮，氨氮濃度逐漸升高。厭氧系統本身對氮元素的去除效率不高，因此，氮元素會(huì )以各種不同的形式存在于厭氧過(guò)程中不斷的累積。當氨氮的濃度累積到一定程度時(shí)，就對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生毒性，抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，從而延緩厭氧降解的過(guò)程，造成沼氣工程無(wú)法穩定運行。

根據現有沼氣工程的運行經(jīng)驗， 當厭氧系統內的沼液中氨氮濃度超過(guò) 3500 mg·L^-1時(shí)， 對產(chǎn)甲烷菌的抑制作用就比較明顯了。因此在運行時(shí)應當注意監控沼液的回流量及回流次數，避免長(cháng)時(shí)間、大流量、 超濃度的回流沼液，避免對厭氧過(guò)程形成不利影響。

5 沼液回流對發(fā)酵后產(chǎn)物 COD 去除率的影響

發(fā)酵后產(chǎn)物COD濃度反映了發(fā)酵后產(chǎn)物中能夠被氧化的物質(zhì)的多少，也是間接的反映了厭氧過(guò)程中有機物降解情況的好壞。發(fā)酵后產(chǎn)物COD濃度高，意味著(zhù)厭氧過(guò)程中降解掉的可降解有機物減少，產(chǎn)生的沼氣量減少，厭氧發(fā)酵過(guò)程不充分。反之，意味著(zhù)降解過(guò)程平穩、 順利，沼氣產(chǎn)量提高。

有研究機構進(jìn)行了實(shí)驗室實(shí)驗， 其結果表明，如果以牛糞作為發(fā)酵原料，隨著(zhù)沼液的回流，COD 的去除率會(huì )有所升高。這是因為牛糞中纖維素、 半纖維素、 木質(zhì)素含量較高， 而這幾種物質(zhì)都是厭氧發(fā)酵較為困難的物質(zhì)，因此在發(fā)酵過(guò)程中降解較慢。隨著(zhù)沼液的不斷回流， 沼液中沒(méi)有被降解的纖維素等難降解物質(zhì)不斷地被重新送入發(fā)酵罐中重新發(fā)酵，在較長(cháng)時(shí)間的回流下， 難降解物質(zhì)逐步降解，體現為長(cháng)時(shí)間的沼液回流，COD 去除率提高。

這種結果表明， 在發(fā)酵原料中含有較多的木質(zhì)素、纖維素、 半纖維素等難降解物質(zhì)是， 長(cháng)時(shí)間的沼液回流能夠提高這類(lèi)物質(zhì)的降解率， 發(fā)酵后產(chǎn)物中COD去除率會(huì )有所提高。但是對于以餐廚垃圾為原料的厭氧沼氣工程來(lái)說(shuō)，原料中多為極易降解的有機物，如淀粉、 碳水化合物等， 在厭氧過(guò)程中很快完成降解，不需要多次重復的降解。因此沼液回流對以餐廚垃圾為原料的厭氧沼氣工程來(lái)說(shuō)， 提高發(fā)酵后產(chǎn)物 COD 的去除率，影響并不明顯。

6 沼液回流對沼氣產(chǎn)量的影響

如上所述，沼液回流后會(huì )在一定程度上提高沼氣的產(chǎn)量。這是因為，沼液中一部分沒(méi)有降解掉的有機物再次進(jìn)行了降解，產(chǎn)生了一部分沼氣。另外，沼液中含有的產(chǎn)甲烷菌重新進(jìn)入發(fā)酵罐中， 菌類(lèi)的活性重新被激活，也會(huì )提高沼氣的產(chǎn)量。

以?xún)上喟l(fā)酵工藝為例，沼液回流后，產(chǎn)酸過(guò)程中產(chǎn)生沼氣量明顯增加。這是因為沼液中攜帶的產(chǎn)甲烷菌重新回到厭氧環(huán)境，又獲得了活性。隨著(zhù)回流沼液量的增加，沼氣的總產(chǎn)量不斷地增加，產(chǎn)酸菌的活性不斷受到抑制，導致有機物產(chǎn)酸過(guò)程受到抑制，進(jìn)入后端產(chǎn)甲烷過(guò)程的揮發(fā)性脂肪酸減少， 造成后端沼氣產(chǎn)量下降。對于產(chǎn)甲烷過(guò)程，沼液的回流對沼氣的產(chǎn)量并沒(méi)有明顯的影響， 沒(méi)有出現沼氣產(chǎn)量的明顯提高。

從總的沼氣產(chǎn)量上看， 沼液回流并沒(méi)有帶來(lái)明顯的產(chǎn)量提高，只有當厭氧過(guò)程不完全，有機物得不到完全降解時(shí)，沼液回流才能帶來(lái)沼氣產(chǎn)量的提高。

7 沼液回流對于輸送管道及設備的影響

經(jīng)過(guò)厭氧降解后，有機物中的無(wú)機元素在沼液中多數以酸根的形式存在，游離態(tài)的酸根遇到金屬離子時(shí)會(huì )形成金屬鹽類(lèi)。由于沼液管道輸送的過(guò)程中溫度可能會(huì )發(fā)生變化， 沼液中溶解的鹽類(lèi)會(huì )被凝結出來(lái)在管道內壁形成結垢。尤其在管道彎頭處，由于流速降低更容易出現結垢、堆積的情況。

同時(shí)，產(chǎn)生的鹽類(lèi)可能會(huì )對設備產(chǎn)生腐蝕，金屬鹽中的金屬離子與設備上的金屬離子發(fā)生反應，使設備產(chǎn)生腐蝕，減少設備的使用壽命。

目前關(guān)于沼液回流對管道及設備的影響還沒(méi)有形成系統的研究，并且沒(méi)有長(cháng)期的監測報告。但是在部分厭氧沼氣工程上， 已經(jīng)出現了由于沼液回流造成的管道內結垢、 堆積并堵塞的情況， 因此， 沼液回流對管道及設備的影響也是厭氧沼氣工程沼液回流必須考慮的問(wèn)題。

8 總結

綜上所述，在厭氧沼氣工程中沼液回流要根據不同發(fā)酵原料來(lái)選擇是否進(jìn)行。對于糞便、生物質(zhì)原料來(lái)說(shuō)，沼液回流會(huì )對提高 COD 的去除率， 并能適當提高沼氣產(chǎn)量， 但同時(shí)也會(huì )帶來(lái)氨氮抑制厭氧降解過(guò)程、不易降解的揮發(fā)性脂肪酸濃度升高等負面影響。同時(shí)長(cháng)時(shí)間的沼液回流對管道造成堵塞的情況也不能夠忽視�？偟膩�(lái)說(shuō)， 長(cháng)時(shí)間的沼液回流并不可行，對整個(gè)厭氧沼氣工程的穩定運行會(huì )帶來(lái)不利影響。