厌氧发酵技术在处理厨余垃圾中的应用

　　易降解的厨余垃圾在城市生活垃圾中占绝对的主体地位，占城市生活垃圾总量的百分比几乎都在 55%左右。因此厨余垃圾的合理处置是保证城市生活垃圾减量化、无害化和资源化的。本文在分析厨余垃圾特征与成分的基础上，着重分析厌氧发酵技术在厨余垃圾处理中的应用，对于干法厌氧发酵技术进行详细介绍与对比。同时，本文综述了目前应用较为广泛的干法厌氧处理反应器的设计与运行情况，分析了沼气干法发酵的技术要求，并展望我国未来有机固体废弃物干法沼气技术发酵的发展趋势。

　　《湖南科技学院学报》(月刊)创刊于1980年，是由国家新闻出版总署批准，由湖南省教育厅主管，湖南科技学院主办，面向全国高校，在国内外公开发行的综合性学术期刊。1998年更名为《零陵师范高等专科学校学报》公开发行，2002年3月更名为《零陵学院学报》。

　　一、厨余垃圾特征及主要成分

　　厨余垃圾主要包括两个部分：一是厨房食品加工过程中产生的废料;二是餐桌上吃剩的食品。厨余垃圾具有以下特征：①感官性状上表现为油腻、潮湿;②含水率高达80%～90%，给收集、运输和处理都带来困难;③易腐性;④含病毒、致病菌和病原微生物。如不加以适当的处理，会成为病原菌的传播和感染源。

　　表1为杭州市厨余垃圾成分分析。

　　成分有机物纸类橡塑类纺织类木竹类灰土砖瓦陶瓷类玻璃类金属类含水率

　　百分比71.2411.3214.900.660.70——0.300.500.3869.20

　　二、厌氧消化技术

　　厌氧消化是在厌氧环境下(氧化还原电位为负值)有机质自然降解的过程。在这个过程中，有机物不断被微生物分解，最后将其中的碳以甲烷和二氧化碳的形式释放出来。整个消化过程是由多种微生物组成的复杂生物体系共同参与完成的，且不同微生物的代谢过程相互影响，相互制约，形成复杂的生态系统。

　　目前的厌氧消化四阶段理论将厌氧消化过程分为以下四个阶段：

　　(一)水解阶段：高分子有机物相对分子质量巨大，不能透过细胞膜，不能被细菌直接利用。因此它们在第一阶段通过水解酶的作用被分解为小分子。包括碳水化合物水解、蛋白质水解和脂类水解，被分解为葡萄糖、氨基酸、甘油、脂肪酸等。这些小分子的水解产物是水溶性的，并可透过细胞膜为细菌所利用。水解过程属于酶促反应，通常较为缓慢，因此被认为是含高分子有机物或悬浮物污水厌氧降解的限速阶段。

　　(二)发酵(酸化)阶段：在这一阶段，上述小分子的化合物在发酵细菌(酸化菌)的细胞内转化为更为简单的化合物并分泌到细胞外。这一阶段的主要产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等。与此同时，酸化菌也利用部分物质合成新的细胞物质。酸化阶段产酸过程进行的很快，致使料液pH值迅速下降，发出腐霉性的气味。

　　(三)产乙酸阶段：在此阶段，上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质，其中包括从中间产物中形成乙酸和氢气(产氢产乙酸菌作用)和由氢气和二氧化碳形成乙酸(同型产乙酸菌作用)。

　　(四)产甲烷阶段：这一阶段里，乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。包括由乙酸形成甲烷和从氢气和二氧化碳形成甲烷。

　　三、干法厌氧发酵的应用

　　(一)干法厌氧发酵处理技术：

　　干法厌氧消化，即保持固体废物的原始状态进行厌氧消化，反应器内消化物料的浓度在 20%～40%TS 之间，仅浓度特别高(>60%TS)的进料才用水进行稀释。干法对预处理的要求比湿法简单，一般不需要对进料进行稀释，但干法中为了满足废物高粘度的需求，所用设备比湿法昂贵。且由于在干法工艺中没有对废物进行稀释，因此更容易受到氨氮、盐份等物质的抑制。目前，国外部分干法厌氧反应处理器已取得了较好的工程运行结果。

　　(二)干法厌氧发酵技术难点

　　结合杭州市厨余垃圾厌氧发酵处理中试项目运行经验，我们发现厨余垃圾厌氧处理技术在以下几个方面存在技术难点。

　　1.预处理技术设备

　　发酵底物比表面积大、底物与酶接触容易等均会提高水解酸化速率，加速产气速率。因此采取减少底物颗粒直径、改善底物与酶的亲和能力等预处理技术，可以提高底物水解速率与产气量。干法发酵采用的预处理方式主要为筛选和切碎。欧洲沼气工程常用的切碎机主要有刀片-孔盘组合式切碎机和对滚剪切式切碎机。刀片-孔盘组合式切碎机主要有德国的耐驰、福格申、西派克和丹麦的汉斯•布赫。

　　2.进料技术设备

　　有机固体废弃物干法发酵原料的多样性、高浓度对原料输送泵提出了更高要求。螺杆泵是目前国内外沼气工程中应用最广泛的输送泵，但是螺杆泵存在维修费用高、能耗高等缺点，对于 TS% 浓度超过 25% 的原料无法输送。针对干法高浓度物料，欧洲的进料泵现在主要采用了三级螺旋进料、凸轮转子泵和高密度固体液压泵等。

　　3.搅拌技术设备

　　搅拌可使新鲜物料与发酵底物充分接触，强化传质、传热，使物料混合均匀，避免局部酸化，并有利于沼气逸出。但由于厌氧微生物代谢较慢，搅拌过于强烈反而会影响微生物的絮凝作用，降低消化能力。目前，欧洲干法沼气工程采用的搅拌器主要有低速浆式搅拌器和长轴式横轴搅拌器。

　　四、结论

　　根据厨余垃圾成分分析可知，厨余垃圾中有机质含量较高，且厨余垃圾在生活垃圾中所占比例较高。利用干法发酵处理厨余垃圾，处理过程中不产生污水或仅产生少量沼液，无沼液消纳问题，发酵剩余物可制成有机肥料，基本上实现污染物零排放，同时物料适应性广，反应器占地面积小。可以预见，大力发展厨余垃圾的沼气干法发酵技术，对推动我国环境保护和新能源的发展具有重要意义。