導讀：厭氧消化技術已成功應用在很多領域，利用厭氧微生物將復雜的大分子有機物轉化成甲燒等產生了能源，例如在在城市水處理和城市垃圾處理方面起到了很大的作用。
1.厭氧消化的基本原理
厭氧消化是指在厭氧(無氧)條件下，利用厭氧微生物將復雜的大分子有機物轉化成甲燒、二氧化碳、水、硫化氧和氨等簡單化合物的過程。在厭氧消化過程中,多種不同微生物的代謝過程相互影響、干擾,形成了非常復雜的生化過程。
20世紀70年代以來，大量學者和研究人員對厭氧消化過程中的微生物及其代謝過程進行了深入研究，并取得了很大的進步。復雜有機物的厭氧消化過程可以分為以下四個典型階段。
(1)水解階段
水解是在水解酶的作用下將化合物裂解成兩個或多個簡單化合物的生物化學過程。由于纖維素、淀粉、蛋白質等復雜大分子有機物不能直接透過細胞膜，也不可以直接被細菌消化使用，所以需要在細菌水解酶的作用下水解轉變成可以透過細胞膜的小分子溶解性物資,然后被細菌消化。
(2)酸化(發酵)階段
在酸化(發酵)階段，水解階段產生的小分子溶解性化合物通過細胞膜進入酸化菌的細胞內部，轉化成更簡單的如揮發性脂肪酸(VFA)、醇類、乳糖等末端產物并分泌到細胞外。同時，酸化菌也利用部分物質合成了新的細胞物質。
(3)產酸階段
酸化(發酵)階段的末端產物在厭氧微生物(產氧產乙酸菌)的作用下，轉化為乙酸、CCb、H2以及新的細胞物質。
(4)產甲焼階段
在產甲燒階段，產甲院菌將乙酸、氧氣、碳酸、甲酸和甲醇等物質轉化為甲焼、二氧化碳和細胞物質。這一階段,產甲焼菌既可以分解乙酸產生甲燒，也可以由氧氣還原二氧化碳產生甲焼。
2.厭氧消化過程的影響因素
(1)溫度
溫度的變化對酶的活性有很大影響，而微生物的生長速率以及代謝速率都受微生物細胞內酶的控制，所以溫度對厭氧消化過程中微生物的生長速率和代謝速率有很大影口向，進而溫度也影響著消化過程中沼氣的產量、有機物的去除率和反應器所能達到的有機負荷率。同時,溫度也影響著生化反應中有機物的流向、中間產物的形成以及各種物質的溶解度，這樣就會影響到沼氣的產量和成分等。最后，在厭氧消化反應裝置和設備的運行中，要維持一定的反應溫度與能耗和運行成本有關。
不同的厭氧微生物，有不同的適宜溫度。厭氧微生物可分為嗜冷微生物、嗜溫微生物和嗜熱微生物，以這三類微生物為優勢種群的厭氧處理工藝分別被稱為低溫厭氧消化、中溫厭氧消化和高溫厭氧消化。
厭氧反應器的溫度控制主要有兩種方式，一種是直接在厭氧反應器內進行溫度控制，另一種是對厭氧反應器本身進行保溫處理。
(2)酸堿度(pH值)
pH值對微生物的生長有很大影響，所以厭氧消化需要一個相對穩定的pH值范圍。一般來說，產甲焼細菌的最適pH范圍為6.5~7.5，如果生長環境pH值過高(8.0)或過低(<6.0)，就會抑制產甲焼菌的生長代謝和繁殖，進而對整個厭氧消化過程產生嚴重的不利影響。
在厭氧體系中，其他非產甲燒細菌如發酵細菌等對pH值的變化不太敏感，在pH值發生變化時，受到的影響相對較小，能繼續將系統中的有機物轉化為有機酸等物質，導致反應器內酸堿平衡失調，最終導致反應器運行失敗。因此,在厭氧生物處理過程中，應特別注意反應器內pH值變化，一般應使pH值維持在6.5~7.5(最佳6.8~7.2)之間。為了維持這樣的pH值，在厭氧消化過程中，有時就需要投加酸(或堿)來調節控制反應器內的pH值。
(3)厭氧消化過程中的營養物質
厭氧消化過程是由大量微生物完成的，因此必須保證微生物有良好的生長狀態，否則微生物最終會從反應器中流失，所以反應基質中必須含有足夠的微生物用以合成自生長需要的細胞物質化合物。
參與厭氧消化過程的微生物有多種(如水解細菌、產酸細菌、產氧產乙酸細菌、產甲燒細菌等)，但由于產甲院細菌處在整個厭氧消化系統食物鏈的最后，并且它的世代周期長，對環境條件的要求高，對環境條件變化很敏感，產甲燒細菌的生長狀態和活性情況會影響到整個厭氧消化過程運行。所以產甲焼菌是系統中最關鍵的一種細菌，在討論厭氧消化過程中的營養物質時，主要關心的就是產甲焼細菌的營養要求。
產甲燒菌與普通細菌一樣，對生物細胞中的基本元素C、H、0、N有需求。除了C、H、0、N以外，產甲焼菌的主要營養物質有N、P、K和S，生長所必須的少量元素有Ca、Mg、Fe，微量金屬元素有Ni、Co、Mo、Zn、Mn、Cu等。
(4)厭氧消化過程中的抑制物質
常見的可能對厭氧消化過程造成毒性或抑制作用的物質有VFAs、pH、游離氨和硫化氧等；還有一些鹽類或外源性物質也能對消化過程產生毒性或抑制作用。
VFAs是厭氧生物降解有機物的中間產物，這類物質容易進入細胞內部,如果大量積累則毒性很大，其中兩酸和丁酸的抑制作用最大，VFA的毒性作用和毒性閾值都受pH值和堿度的影響。
NH3為系統提供微生物不可缺少的N元素營養物質，在到達一定濃度時游離氨過多會抑制產甲燒菌的活性。氨抑制作用和閾值受pH、溶解度和溫度的影響。
硫化氛的毒性行為與氨類似，很大程度上受環境條件的影響，如pH值和堿度。有關文獻中給出的閾值范圍是200~1500mg/L，除去環境影響因素，閾值的大小還受微生物種類的影響，不同的微生物種類對硫化氧的敏感度不同。鐵離子能與硫化氧反應生成FeS沉淀，可消除硫化氧毒性。
3.聯合厭氧消化技術
聯合厭氧消化是指對兩種或兩種以上不同來源有機廢棄物的混合物進行厭氧消化處理，將不同類型的廢棄物放到同一個處理設備中進行消化處理。
將城市有機固體廢棄物與其他幾種類型的廢棄物一起進行聯合厭氧消化處理，既可以優化厭氧消化過程；節約了處理成本；增加了可用厭氧消化過程處理的有機廢棄物類型；提高有機廢棄物的產甲院潛力；使沼氣發電廠更經濟可行。
有機物廢棄物厭氧消化不僅是廢棄物穩定化的一種方法，還能在消化過程中獲得新的能源，同時消化液能作為有機肥料投入農業生產，將有機廢棄物轉變成一種寶貴的資源。
4.國內外聯合厭氧消化技術研究現狀
近年來，聯合厭氧消化技術得到了國內外相關研究人員的廣泛關注，各種不同類型的垃圾混合后厭氧消化產氧、產甲焼過程成為研究熱點。
聯合消化的關鍵在于混合基質的幾個平衡參數，厭氧消化處理工藝性能穩定的先決條件是足夠的營養元素、適當的碳氮比、穩定的pH值。
碳氮較低會引起氨的積累產生毒性作用，碳氮比過高，則氮元素缺乏。向系統中加入其它類型的廢棄物可以來稀釋氨濃度或者調解系統碳氮比，以此來緩解氨的毒性作用。小麥稻桿與牛糞聯合厭氧消化產氣量顯著高于稻軒、牛糞單獨發酵處理，牛粦與稻稈的配比是1:1時產氣量比結稈、牛糞單獨消208.7%和11.5%稻草或雞糞單獨厭氧消化相比，混合厭氧消化能夠顯著提高原料產氣率。
營養元素缺乏的廢棄物可以與營養元素豐富的廢棄物一起混合消化，改善了系統的營養平衡，能有效提高產甲焼量。水果和蔬菜廢棄物(FVW)與屠宰廢水(AW)的聯合厭氧消化，發現不論是HRT為20天還是10天，聯合厭氧消化的氣體產量都比單獨的厭氧消化高。
揮發性有機酸(VFA)的積累會導致pH值的下降，可以加入緩沖能力強的廢棄物使pH保持穩定。類似的可以通過對不同類型廢棄物的混合，化解某一化合物在消化過程中可能引起的毒性。污泥和餐廚垃圾混合消化可降低潛在抑制性物質的濃度，顯著提高系統穩定性。添加混合基質提局系統緩沖能力，提局系統適應的OLR，進而提高產氣量向生物垃圾厭氧消化應裝置中添加城市有機垃圾和均質化廚余垃圾的壓濾液或脫纖維食物垃圾，不僅提高沼氣產率也提高了總產氣量。
對于含有高濃度難降解有機質(如木質纖維素等)的有機垃圾，與富含易生物降解有機質的垃圾一起聯合厭氧消化，可以有效地提高沼氣的產量。將易生物降解性垃圾與其他垃圾混合，有效地改善了混合垃圾中有機部分的生物降解性能。
有機工業垃圾中通常就含有大量易生物降解的物質(如糖類、脂質和蛋白質)，具有較高產沼氣潛力。掠油廠廢水與瘤胃液rumenfluid(RF)聯合厭化COD去除率達到96.48%，產生的沼氣中甲焼含量占61.8%且整個反應過程pH值穩定[27]。高濃度的活性生物質物質能更好的消除消化過程中某些化合物的抑制作用，加入易生物降解的底物不僅可以實現較好地經濟的可行性，還能穩定化厭氧消化過程128]。此外，餐廚垃圾與稻稻聯合厭氧消化與單一稻稻發酵相比，容積產氣效率提高，且沼氣中甲燒含量提高近20%。
最后，通過添加含固率低的垃圾(如粦肥)來稀釋高含固率的垃圾(如城市有機固體垃圾)，可以解決處理過程中的粟水和機械處理問題。玉米稻稈豬糞混合發酵可以加快玉米稻稈產氣速率并可大幅度提高玉米稻稈產氣量。
1.厭氧消化的基本原理
厭氧消化是指在厭氧(無氧)條件下，利用厭氧微生物將復雜的大分子有機物轉化成甲燒、二氧化碳、水、硫化氧和氨等簡單化合物的過程。在厭氧消化過程中,多種不同微生物的代謝過程相互影響、干擾,形成了非常復雜的生化過程。
20世紀70年代以來，大量學者和研究人員對厭氧消化過程中的微生物及其代謝過程進行了深入研究，并取得了很大的進步。復雜有機物的厭氧消化過程可以分為以下四個典型階段。
(1)水解階段
水解是在水解酶的作用下將化合物裂解成兩個或多個簡單化合物的生物化學過程。由于纖維素、淀粉、蛋白質等復雜大分子有機物不能直接透過細胞膜，也不可以直接被細菌消化使用，所以需要在細菌水解酶的作用下水解轉變成可以透過細胞膜的小分子溶解性物資,然后被細菌消化。
(2)酸化(發酵)階段
在酸化(發酵)階段，水解階段產生的小分子溶解性化合物通過細胞膜進入酸化菌的細胞內部，轉化成更簡單的如揮發性脂肪酸(VFA)、醇類、乳糖等末端產物并分泌到細胞外。同時，酸化菌也利用部分物質合成了新的細胞物質。
(3)產酸階段
酸化(發酵)階段的末端產物在厭氧微生物(產氧產乙酸菌)的作用下，轉化為乙酸、CCb、H2以及新的細胞物質。
(4)產甲焼階段
在產甲燒階段，產甲院菌將乙酸、氧氣、碳酸、甲酸和甲醇等物質轉化為甲焼、二氧化碳和細胞物質。這一階段,產甲焼菌既可以分解乙酸產生甲燒，也可以由氧氣還原二氧化碳產生甲焼。
2.厭氧消化過程的影響因素
(1)溫度
溫度的變化對酶的活性有很大影響，而微生物的生長速率以及代謝速率都受微生物細胞內酶的控制，所以溫度對厭氧消化過程中微生物的生長速率和代謝速率有很大影口向，進而溫度也影響著消化過程中沼氣的產量、有機物的去除率和反應器所能達到的有機負荷率。同時,溫度也影響著生化反應中有機物的流向、中間產物的形成以及各種物質的溶解度，這樣就會影響到沼氣的產量和成分等。最后，在厭氧消化反應裝置和設備的運行中，要維持一定的反應溫度與能耗和運行成本有關。
不同的厭氧微生物，有不同的適宜溫度。厭氧微生物可分為嗜冷微生物、嗜溫微生物和嗜熱微生物，以這三類微生物為優勢種群的厭氧處理工藝分別被稱為低溫厭氧消化、中溫厭氧消化和高溫厭氧消化。
厭氧反應器的溫度控制主要有兩種方式，一種是直接在厭氧反應器內進行溫度控制，另一種是對厭氧反應器本身進行保溫處理。
(2)酸堿度(pH值)
pH值對微生物的生長有很大影響，所以厭氧消化需要一個相對穩定的pH值范圍。一般來說，產甲焼細菌的最適pH范圍為6.5~7.5，如果生長環境pH值過高(8.0)或過低(<6.0)，就會抑制產甲焼菌的生長代謝和繁殖，進而對整個厭氧消化過程產生嚴重的不利影響。
在厭氧體系中，其他非產甲燒細菌如發酵細菌等對pH值的變化不太敏感，在pH值發生變化時，受到的影響相對較小，能繼續將系統中的有機物轉化為有機酸等物質，導致反應器內酸堿平衡失調，最終導致反應器運行失敗。因此,在厭氧生物處理過程中，應特別注意反應器內pH值變化，一般應使pH值維持在6.5~7.5(最佳6.8~7.2)之間。為了維持這樣的pH值，在厭氧消化過程中，有時就需要投加酸(或堿)來調節控制反應器內的pH值。
(3)厭氧消化過程中的營養物質
厭氧消化過程是由大量微生物完成的，因此必須保證微生物有良好的生長狀態，否則微生物最終會從反應器中流失，所以反應基質中必須含有足夠的微生物用以合成自生長需要的細胞物質化合物。
參與厭氧消化過程的微生物有多種(如水解細菌、產酸細菌、產氧產乙酸細菌、產甲燒細菌等)，但由于產甲院細菌處在整個厭氧消化系統食物鏈的最后，并且它的世代周期長，對環境條件的要求高，對環境條件變化很敏感，產甲燒細菌的生長狀態和活性情況會影響到整個厭氧消化過程運行。所以產甲焼菌是系統中最關鍵的一種細菌，在討論厭氧消化過程中的營養物質時，主要關心的就是產甲焼細菌的營養要求。
產甲燒菌與普通細菌一樣，對生物細胞中的基本元素C、H、0、N有需求。除了C、H、0、N以外，產甲焼菌的主要營養物質有N、P、K和S，生長所必須的少量元素有Ca、Mg、Fe，微量金屬元素有Ni、Co、Mo、Zn、Mn、Cu等。
(4)厭氧消化過程中的抑制物質
常見的可能對厭氧消化過程造成毒性或抑制作用的物質有VFAs、pH、游離氨和硫化氧等；還有一些鹽類或外源性物質也能對消化過程產生毒性或抑制作用。
VFAs是厭氧生物降解有機物的中間產物，這類物質容易進入細胞內部,如果大量積累則毒性很大，其中兩酸和丁酸的抑制作用最大，VFA的毒性作用和毒性閾值都受pH值和堿度的影響。
NH3為系統提供微生物不可缺少的N元素營養物質，在到達一定濃度時游離氨過多會抑制產甲燒菌的活性。氨抑制作用和閾值受pH、溶解度和溫度的影響。
硫化氛的毒性行為與氨類似，很大程度上受環境條件的影響，如pH值和堿度。有關文獻中給出的閾值范圍是200~1500mg/L，除去環境影響因素，閾值的大小還受微生物種類的影響，不同的微生物種類對硫化氧的敏感度不同。鐵離子能與硫化氧反應生成FeS沉淀，可消除硫化氧毒性。
3.聯合厭氧消化技術
聯合厭氧消化是指對兩種或兩種以上不同來源有機廢棄物的混合物進行厭氧消化處理，將不同類型的廢棄物放到同一個處理設備中進行消化處理。
將城市有機固體廢棄物與其他幾種類型的廢棄物一起進行聯合厭氧消化處理，既可以優化厭氧消化過程；節約了處理成本；增加了可用厭氧消化過程處理的有機廢棄物類型；提高有機廢棄物的產甲院潛力；使沼氣發電廠更經濟可行。
有機物廢棄物厭氧消化不僅是廢棄物穩定化的一種方法，還能在消化過程中獲得新的能源，同時消化液能作為有機肥料投入農業生產，將有機廢棄物轉變成一種寶貴的資源。
4.國內外聯合厭氧消化技術研究現狀
近年來，聯合厭氧消化技術得到了國內外相關研究人員的廣泛關注，各種不同類型的垃圾混合后厭氧消化產氧、產甲焼過程成為研究熱點。
聯合消化的關鍵在于混合基質的幾個平衡參數，厭氧消化處理工藝性能穩定的先決條件是足夠的營養元素、適當的碳氮比、穩定的pH值。
碳氮較低會引起氨的積累產生毒性作用，碳氮比過高，則氮元素缺乏。向系統中加入其它類型的廢棄物可以來稀釋氨濃度或者調解系統碳氮比，以此來緩解氨的毒性作用。小麥稻桿與牛糞聯合厭氧消化產氣量顯著高于稻軒、牛糞單獨發酵處理，牛粦與稻稈的配比是1:1時產氣量比結稈、牛糞單獨消208.7%和11.5%稻草或雞糞單獨厭氧消化相比，混合厭氧消化能夠顯著提高原料產氣率。
營養元素缺乏的廢棄物可以與營養元素豐富的廢棄物一起混合消化，改善了系統的營養平衡，能有效提高產甲焼量。水果和蔬菜廢棄物(FVW)與屠宰廢水(AW)的聯合厭氧消化，發現不論是HRT為20天還是10天，聯合厭氧消化的氣體產量都比單獨的厭氧消化高。
揮發性有機酸(VFA)的積累會導致pH值的下降，可以加入緩沖能力強的廢棄物使pH保持穩定。類似的可以通過對不同類型廢棄物的混合，化解某一化合物在消化過程中可能引起的毒性。污泥和餐廚垃圾混合消化可降低潛在抑制性物質的濃度，顯著提高系統穩定性。添加混合基質提局系統緩沖能力，提局系統適應的OLR，進而提高產氣量向生物垃圾厭氧消化應裝置中添加城市有機垃圾和均質化廚余垃圾的壓濾液或脫纖維食物垃圾，不僅提高沼氣產率也提高了總產氣量。
對于含有高濃度難降解有機質(如木質纖維素等)的有機垃圾，與富含易生物降解有機質的垃圾一起聯合厭氧消化，可以有效地提高沼氣的產量。將易生物降解性垃圾與其他垃圾混合，有效地改善了混合垃圾中有機部分的生物降解性能。
有機工業垃圾中通常就含有大量易生物降解的物質(如糖類、脂質和蛋白質)，具有較高產沼氣潛力。掠油廠廢水與瘤胃液rumenfluid(RF)聯合厭化COD去除率達到96.48%，產生的沼氣中甲焼含量占61.8%且整個反應過程pH值穩定[27]。高濃度的活性生物質物質能更好的消除消化過程中某些化合物的抑制作用，加入易生物降解的底物不僅可以實現較好地經濟的可行性，還能穩定化厭氧消化過程128]。此外，餐廚垃圾與稻稻聯合厭氧消化與單一稻稻發酵相比，容積產氣效率提高，且沼氣中甲燒含量提高近20%。
最后，通過添加含固率低的垃圾(如粦肥)來稀釋高含固率的垃圾(如城市有機固體垃圾)，可以解決處理過程中的粟水和機械處理問題。玉米稻稈豬糞混合發酵可以加快玉米稻稈產氣速率并可大幅度提高玉米稻稈產氣量。
