厭氧發(fā)酵技術(shù)在處理廚余垃圾中的應(yīng)用

　　易降解的廚余垃圾在城市生活垃圾中占絕對(duì)的主體地位，占城市生活垃圾總量的百分比幾乎都在 55%左右。因此廚余垃圾的合理處置是保證城市生活垃圾減量化、無害化和資源化的。本文在分析廚余垃圾特征與成分的基礎(chǔ)上，著重分析厭氧發(fā)酵技術(shù)在廚余垃圾處理中的應(yīng)用，對(duì)于干法厭氧發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹與對(duì)比。同時(shí)，本文綜述了目前應(yīng)用較為廣泛的干法厭氧處理反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行情況，分析了沼氣干法發(fā)酵的技術(shù)要求，并展望我國未來有機(jī)固體廢棄物干法沼氣技術(shù)發(fā)酵的發(fā)展趨勢(shì)。

　　《湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào)》(月刊)創(chuàng)刊于1980年，是由國家新聞出版總署批準(zhǔn)，由湖南省教育廳主管，湖南科技學(xué)院主辦，面向全國高校，在國內(nèi)外公開發(fā)行的綜合性學(xué)術(shù)期刊。1998年更名為《零陵師范高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)》公開發(fā)行，2002年3月更名為《零陵學(xué)院學(xué)報(bào)》。

　　一、廚余垃圾特征及主要成分

　　廚余垃圾主要包括兩個(gè)部分：一是廚房食品加工過程中產(chǎn)生的廢料;二是餐桌上吃剩的食品。廚余垃圾具有以下特征：①感官性狀上表現(xiàn)為油膩、潮濕;②含水率高達(dá)80%～90%，給收集、運(yùn)輸和處理都帶來困難;③易腐性;④含病毒、致病菌和病原微生物。如不加以適當(dāng)?shù)奶幚恚瑫?huì)成為病原菌的傳播和感染源。

　　表1為杭州市廚余垃圾成分分析。

　　成分有機(jī)物紙類橡塑類紡織類木竹類灰土磚瓦陶瓷類玻璃類金屬類含水率

　　百分比71.2411.3214.900.660.70——0.300.500.3869.20

　　二、厭氧消化技術(shù)

　　厭氧消化是在厭氧環(huán)境下(氧化還原電位為負(fù)值)有機(jī)質(zhì)自然降解的過程。在這個(gè)過程中，有機(jī)物不斷被微生物分解，最后將其中的碳以甲烷和二氧化碳的形式釋放出來。整個(gè)消化過程是由多種微生物組成的復(fù)雜生物體系共同參與完成的，且不同微生物的代謝過程相互影響，相互制約，形成復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。

　　目前的厭氧消化四階段理論將厭氧消化過程分為以下四個(gè)階段：

　　(一)水解階段：高分子有機(jī)物相對(duì)分子質(zhì)量巨大，不能透過細(xì)胞膜，不能被細(xì)菌直接利用。因此它們?cè)诘谝浑A段通過水解酶的作用被分解為小分子。包括碳水化合物水解、蛋白質(zhì)水解和脂類水解，被分解為葡萄糖、氨基酸、甘油、脂肪酸等。這些小分子的水解產(chǎn)物是水溶性的，并可透過細(xì)胞膜為細(xì)菌所利用。水解過程屬于酶促反應(yīng)，通常較為緩慢，因此被認(rèn)為是含高分子有機(jī)物或懸浮物污水厭氧降解的限速階段。

　　(二)發(fā)酵(酸化)階段：在這一階段，上述小分子的化合物在發(fā)酵細(xì)菌(酸化菌)的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為更為簡單的化合物并分泌到細(xì)胞外。這一階段的主要產(chǎn)物有揮發(fā)性脂肪酸、醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等。與此同時(shí)，酸化菌也利用部分物質(zhì)合成新的細(xì)胞物質(zhì)。酸化階段產(chǎn)酸過程進(jìn)行的很快，致使料液pH值迅速下降，發(fā)出腐霉性的氣味。

　　(三)產(chǎn)乙酸階段：在此階段，上一階段的產(chǎn)物被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣、碳酸以及新的細(xì)胞物質(zhì)，其中包括從中間產(chǎn)物中形成乙酸和氫氣(產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌作用)和由氫氣和二氧化碳形成乙酸(同型產(chǎn)乙酸菌作用)。

　　(四)產(chǎn)甲烷階段：這一階段里，乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇等被轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和新的細(xì)胞物質(zhì)。包括由乙酸形成甲烷和從氫氣和二氧化碳形成甲烷。

　　三、干法厭氧發(fā)酵的應(yīng)用

　　(一)干法厭氧發(fā)酵處理技術(shù)：

　　干法厭氧消化，即保持固體廢物的原始狀態(tài)進(jìn)行厭氧消化，反應(yīng)器內(nèi)消化物料的濃度在 20%～40%TS 之間，僅濃度特別高(>60%TS)的進(jìn)料才用水進(jìn)行稀釋。干法對(duì)預(yù)處理的要求比濕法簡單，一般不需要對(duì)進(jìn)料進(jìn)行稀釋，但干法中為了滿足廢物高粘度的需求，所用設(shè)備比濕法昂貴。且由于在干法工藝中沒有對(duì)廢物進(jìn)行稀釋，因此更容易受到氨氮、鹽份等物質(zhì)的抑制。目前，國外部分干法厭氧反應(yīng)處理器已取得了較好的工程運(yùn)行結(jié)果。

　　(二)干法厭氧發(fā)酵技術(shù)難點(diǎn)

　　結(jié)合杭州市廚余垃圾厭氧發(fā)酵處理中試項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)廚余垃圾厭氧處理技術(shù)在以下幾個(gè)方面存在技術(shù)難點(diǎn)。

　　1.預(yù)處理技術(shù)設(shè)備

　　發(fā)酵底物比表面積大、底物與酶接觸容易等均會(huì)提高水解酸化速率，加速產(chǎn)氣速率。因此采取減少底物顆粒直徑、改善底物與酶的親和能力等預(yù)處理技術(shù)，可以提高底物水解速率與產(chǎn)氣量。干法發(fā)酵采用的預(yù)處理方式主要為篩選和切碎。歐洲沼氣工程常用的切碎機(jī)主要有刀片-孔盤組合式切碎機(jī)和對(duì)滾剪切式切碎機(jī)。刀片-孔盤組合式切碎機(jī)主要有德國的耐馳、福格申、西派克和丹麥的漢斯•布赫。

　　2.進(jìn)料技術(shù)設(shè)備

　　有機(jī)固體廢棄物干法發(fā)酵原料的多樣性、高濃度對(duì)原料輸送泵提出了更高要求。螺桿泵是目前國內(nèi)外沼氣工程中應(yīng)用最廣泛的輸送泵，但是螺桿泵存在維修費(fèi)用高、能耗高等缺點(diǎn)，對(duì)于 TS% 濃度超過 25% 的原料無法輸送。針對(duì)干法高濃度物料，歐洲的進(jìn)料泵現(xiàn)在主要采用了三級(jí)螺旋進(jìn)料、凸輪轉(zhuǎn)子泵和高密度固體液壓泵等。

　　3.攪拌技術(shù)設(shè)備

　　攪拌可使新鮮物料與發(fā)酵底物充分接觸，強(qiáng)化傳質(zhì)、傳熱，使物料混合均勻，避免局部酸化，并有利于沼氣逸出。但由于厭氧微生物代謝較慢，攪拌過于強(qiáng)烈反而會(huì)影響微生物的絮凝作用，降低消化能力。目前，歐洲干法沼氣工程采用的攪拌器主要有低速漿式攪拌器和長軸式橫軸攪拌器。

　　四、結(jié)論

　　根據(jù)廚余垃圾成分分析可知，廚余垃圾中有機(jī)質(zhì)含量較高，且廚余垃圾在生活垃圾中所占比例較高。利用干法發(fā)酵處理廚余垃圾，處理過程中不產(chǎn)生污水或僅產(chǎn)生少量沼液，無沼液消納問題，發(fā)酵剩余物可制成有機(jī)肥料，基本上實(shí)現(xiàn)污染物零排放，同時(shí)物料適應(yīng)性廣，反應(yīng)器占地面積小。可以預(yù)見，大力發(fā)展廚余垃圾的沼氣干法發(fā)酵技術(shù)，對(duì)推動(dòng)我國環(huán)境保護(hù)和新能源的發(fā)展具有重要意義。