厭氧發酵技術在處理廚余垃圾中的應用

　　易降解的廚余垃圾在城市生活垃圾中占絕對的主體地位，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上，著重分析厭氧發酵技術在廚余垃圾處理中的應用，對于干法厭氧發酵技術進行詳細介紹與對比。同時，本文綜述了目前應用較為廣泛的干法厭氧處理反應器的設計與運行情況，分析了沼氣干法發酵的技術要求，并展望我國未來有機固體廢棄物干法沼氣技術發酵的發展趨勢。

　　《湖南科技學院學報》(月刊)創刊于1980年，是由國家新聞出版總署批準，由湖南省教育廳主管，湖南科技學院主辦，面向全國高校，在國內外公開發行的綜合性學術期刊。1998年更名為《零陵師范高等專科學校學報》公開發行，2002年3月更名為《零陵學院學報》。

　　一、廚余垃圾特征及主要成分

　　廚余垃圾主要包括兩個部分：一是廚房食品加工過程中產生的廢料;二是餐桌上吃剩的食品。廚余垃圾具有以下特征：①感官性狀上表現為油膩、潮濕;②含水率高達80%～90%，給收集、運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。如不加以適當的處理，會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

　　厭氧消化是在厭氧環境下(氧化還原電位為負值)有機質自然降解的過程。在這個過程中，有機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。整個消化過程是由多種微生物組成的復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，形成復雜的生態系統。

　　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階段：

　　(一)水解階段：高分子有機物相對分子質量巨大，不能透過細胞膜，不能被細菌直接利用。因此它們在第一階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物是水溶性的，并可透過細胞膜為細菌所利用。水解過程屬于酶促反應，通常較為緩慢，因此被認為是含高分子有機物或懸浮物污水厭氧降解的限速階段。

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

　　(三)產乙酸階段：在此階段，上一階段的產物被進一步轉化為乙酸、氫氣、碳酸以及新的細胞物質，其中包括從中間產物中形成乙酸和氫氣(產氫產乙酸菌作用)和由氫氣和二氧化碳形成乙酸(同型產乙酸菌作用)。

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

　　三、干法厭氧發酵的應用

　　(一)干法厭氧發酵處理技術：

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

　　(二)干法厭氧發酵技術難點

　　結合杭州市廚余垃圾厭氧發酵處理中試項目運行經驗，我們發現廚余垃圾厭氧處理技術在以下幾個方面存在技術難點。

　　1.預處理技術設備

　　發酵底物比表面積大、底物與酶接觸容易等均會提高水解酸化速率，加速產氣速率。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處理技術，可以提高底物水解速率與產氣量。干法發酵采用的預處理方式主要為篩選和切碎。歐洲沼氣工程常用的切碎機主要有刀片-孔盤組合式切碎機和對滾剪切式切碎機。刀片-孔盤組合式切碎機主要有德國的耐馳、福格申、西派克和丹麥的漢斯•布赫。

　　2.進料技術設備

　　有機固體廢棄物干法發酵原料的多樣性、高濃度對原料輸送泵提出了更高要求。螺桿泵是目前國內外沼氣工程中應用最廣泛的輸送泵，但是螺桿泵存在維修費用高、能耗高等缺點，對于 TS% 濃度超過 25% 的原料無法輸送。針對干法高濃度物料，歐洲的進料泵現在主要采用了三級螺旋進料、凸輪轉子泵和高密度固體液壓泵等。

　　3.攪拌技術設備

　　攪拌可使新鮮物料與發酵底物充分接觸，強化傳質、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，攪拌過于強烈反而會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、結論

　　根據廚余垃圾成分分析可知，廚余垃圾中有機質含量較高，且廚余垃圾在生活垃圾中所占比例較高。利用干法發酵處理廚余垃圾，處理過程中不產生污水或僅產生少量沼液，無沼液消納問題，發酵剩余物可制成有機肥料，基本上實現污染物零排放，同時物料適應性廣，反應器占地面積小。可以預見，大力發展廚余垃圾的沼氣干法發酵技術，對推動我國環境保護和新能源的發展具有重要意義。