（环境工程专业论文）餐厨垃圾厌氧消化影响因素及动力学研究.pdf

重庆大学博士学位论文 ( 3 ) 污泥接种水平越高，系统抵抗氨氮抑制性的能力越强，提高温度增强了氨 氮对甲烷菌的抑制作用；酸性条件下的氨氮甲烷抑制性低于碱性条件下的甲烷氨 氮抑制性。热碱预处理使氨氮累积浓度有所上升，但对氨氮的甲烷抑制性影响不 大。 ( 4 ) 根据有机负荷和指标变化情况，可将单相厌氧消化的产气过程划分为启动 阶段、发展阶段、适宜负荷阶段和超负荷阶段；两相厌氧消化的产气过程划分为 启动期、增长期和稳定期。与两相厌氧消化相比，单相厌氧消化达到稳定所需时 间更长，累积甲烷产量更低，出水c o d 浓度更高，可承受有机负荷更低，消耗单 位质量有机质产甲烷量更低，且运行参数变化幅度较大，系统抵抗外界冲击的能 力较弱。但是，单相厌氧消化单位反应器体积有机质去除量更高，且出料生物降 解率更高，因此有利于减少投资，降低沼渣处理难度。经济指标分析结果表明， 单相厌氧的耗电量较两相厌氧低很多，两相厌氧用水量较单相厌氧低，两相厌氧 药品用量显著高于单相厌氧，两者在单位垃圾产甲烷量上相差不大。总体来看， 采用单相厌氧所消耗的运行成本更低，经济性更好。 ( 5 ) 基于碳素转移机理的厌氧消化产气模型能够较好地预测甲烷累积产气量 和c 0 2 累积产气量，但是，其计算过程较为繁琐。对单相和两相厌氧消化的累积产 气量实测数据进行理论分析，得到了简化的厌氧消化产气速率经验模型，通过添 加抑制系数和负荷比对上述经验模型进行了修正，建立了修正后的厌氧消化产气 速率经验模型；试验数据验证结果表明，该修正经验模型能够较好地对厌氧消化 累积产气量进行预测。 关键词：餐厨垃圾，厌氧消化，水解，酸化，动力学 a b s t r a c t k i t c h e nw a s t e si sw a s t ea n df o o d - s c r a pp r o d u c e df r o mt h eo p e r a t i o n o fr e s t a u r a n t ， r e f e c t o 瞰a n df r o mf a m i l yl i f e ，e c t i ti si m p o r t a n tc o n s t i t u e n tp a r to fo r g a m cw a s t e s 1 n c i t y , w h i c ha c c o u n tf o r4 0 6 0 i na l lo r g a n i cw a s t e s i t sc h a r a c t e r s i sp u t r e s c i b l e a n ds m e l l y ，b u ti sh i g ho r g a n i cc o n t e n t ，w h i c hs h o w st h a t k i t c h e nw a s t e si sa n c o n t a m i n a t i o na sw e l la sr e s o u r c e i nr e c e n ty e a r s ，t h ea m o u n to fk i t c h e nw a s t e s p r o d u c e d6 o mm u n i c i p a li n c r e a s e dr a p i d l yi nc h i n a , a n dt h a tw i t hf r e q u e n to u t b r e a ko f p u b l i ch e a m ya 删rs u c ha ss a r s ，a i ，h i n 1e t c t h et r e a t m e n ta n dd i s p o s a lo fk i t c h e n w a s t e sh a v eb e c o m eo n eo ft h eu r g e n ta n dc o m p l e xp r o b l e m si ne n v i r o n m e n t a ls c l e n c e f i e l d n o w , a n a e r o b i cd i g e s t i o nt e c h n o l o g yi sb e i n gu s e db ym o r ea n dm o r ec o u n t r y b e c a u s ei t ，sm e r i tt h a te n e r g yc o n s u m p t i o ni sl o w e r , p o l l u t i o ni s m u c hl e s s ，r e d u c i n g q u m t i t yi sb e t t e r ，c l e a ne n e r g yi sp r o d u c e de t c b u tt h et e c h n o l o g yw a s i ni n i t i a ls t a g e i no u rc o u n t r y , s o m ec r i t i c a lt e c h n i c a lp r o b l e m sw e r es t i l lu n r e s o l v e d ，s oi tl sn e c e s s a r y t h a ts t u d yo nt h e s ep r o b l e m i nv i e wo ft h ea b o v e m e n t i o n e df a c t s ，t h ep a p e rs t u d i e do nd i f f e r e n t i n f l u e n c e f a c t o r sa i l dl 【i n e t i c sp r o c e s si na n a e r o b i cd i g e s t i o no fk i t c h e nw a s t e s i n v e s t i g a t e d h y d r o l y s i s ，a c i d i f i c a t i o n ，o p e r a t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c sa n de c o n o m i c a le m c l e n c y o 士 s i n g l e - p h a s ea n a e r o b i cd i g e s t i o na n dt w o p h a s ea n a e r o b i cd i g e s t i o nb ye x p e n m e n t m o r e o v e r a n a l y z e do nk i n e t i c so fh y d r o l y s i s ，a c i d i f i c a t i o n a n dg a sp r o d u c t i o nm 也e o 醪 t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ： ( 1 ) i no r d e rt oi n c r e a s i n gs p e e d a n de f f i c i e n c yo fh y d r o l y s i s ，p r e t r e a t m e n tm e t h o d s o fc r a s h i n ga n dl y em a r i n a t i n gs h o u l db ed o n eb e f o r ek i t c h e nw a s t e sw a sd i g e s t e d ； l n c r e a s i n go fh y d r o l y s i sr a t e ，v sr e m o v a lr a t e a n da c i d i f i c a t i o nr a t es y n c h r o n o u s l y c o u l dn o tb er e a l i z e db yr i s i n gs y s t e mt e m p e r a t u r e f u r t h e r m o r e ，t h ee x p e r i m e n t a l i e s u l t ss h o w e dt h a th y d r o l y t i cr a t eo fb i gp a r t i c l e s i z eo r g a n i cw a s t e sw e r em a i n l y c o n t r o l l e db yt h ed i f f u s i o nr e s i s t a n c e ，r e d u c i n gp a r t i c l es i z e o fo r g a m cw a s t e sc o u l d i n c r e a s eh y d r o l y t i cr a t e ；an e we m p i r i c a lm o d e lo ft h eh y d r o l y s i sf o rk i t c h e nw a s t e s w a sf o n n u l a t e dw i t hi n c l u d i n gt h ec o e f f i c i e n to fd i f f u s i o nr e s i s t a n c e ，e x p r e s s i o nf o r m l s ： d s 1| = 一咒 d t i i i 重庆人学博十学位论文 t h i sm o d e lw a sv e r i f i e dw i t he x p e r i m e n t a ld a t a , i tw a ss h o w e dt h a tt h em o d e l c o u l dp r e d i c tt h ec o n c e n t r a t i o no f o r g a n i cs u b s t a n c e sd u r i n gt h ea n a e r o b i cd i g e s t i o no f k i t c h e nw a s t e s ( 2 ) e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a tc o n c e n t r a t i o no fv a c c i n a l s l u d g ea n d t e m p e r a t u r ew e r en o tm a i nf a c t o r st h a tc h a n g e dt y p eo fa c i d i f i c a t i o n b u tc o n t r o l l i n gp h c o u l di n d u c et h ec h a n g eo ft y p et r e n do fa c i d i f i c a t i o n w h e np ho fs y s t e mw a s4 - - , 5 ， t y p eo fa c i d i f i c a t i o nt r e n d e dt oa c e t i ca c i df e r m e n t a t i o n ；w h e np ho fs y s t e mw a s5 - 6 ， t y p eo fa c i d i f i c a t i o nt r e n d e dt op r o p i o n i ca c i df e r m e n t a t i o n ；w h e np ho fs y s t e mw a s 8 9 ，t y p eo fa c i d i f i c a t i o nt r e n d e dt ob u t y r i ca c i df e r m e n t a t i o n p r e t r e a t m e n tm e t h o do f t h e r m o - a l k a l i n ec o u l di n c r e a s eg e n e r a t i n gs p e e da n da c c u m u l a t i v eq u a n t i t yo fa c i d i f i e d p r o d u c t i o n r e s u l to fk i n e t i c sa n a l y s i ss h o w e dt h a ta c i d i f i c a t i o nr a t ew a sf a s t e rt h a n a c i d i f i c a t i o nr a t eo fu n p r e t r e a t m e n tk i t c h e nw a s t e s t h eo u t c o m er e s e a r c ho fi n h i b i t i o n o fa m m o n i an i t r o g e ns h o w e dt h a tw h e nc o n c e n t r a t i o no fv a c c i n a ls l u d g ew a sh i 曲e r , r e s i s t i b i l i t yo fs y s t e mt oa m m o n i an i t r o g e nw a ss t r o n g e r , h i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o n c o u l d b o o s tu pi n h i b i t i o no fa m m o n i a n i t r o g e n , i n h i b i t i o no fa m m o n i an i t r o g e ni na c i d i c c o n d i t i o nw a sl o w e rt h a nma l k a l i n ec o n d i t i o n ( 3 ) e x p e r i m e n t a lr e s u l t o f s i n g l e p h a s ea n a e r o b i cd i g e s t i o na n dt w o - p h a s e a n a e r o b i cd i g e s t i o ns h o w e dt h a tg a s p r o d u c t i o np r o c e s so fs i n g l e p h a s ea n a e r o b i c d i g e s t i o nc o u l db ed i v i d e da ss t a r t - u ps t a g e ，d e v e l o p m e n ts t a g e ，s u i t a b l el o a ds t a g ea n d o v e r l o a ds t a g e ，g a sp r o d u c t i o np r o c e s so ft w o - p h a s ea n a e r o b i cd i g e s t i o nc o u l db e d i v i d e da ss t a r t u pp e r i o d ，g r o w t hp e r i o da n ds t a b i l i t yp e r i o d i nd i f f e r e n ts t a g e s ， o p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l e p h a s ea n a e r o b i cd i g e s t i o na n d t w o p h a s e a n a e r o b i cd i g e s t i o nw a sd i f f e r e n t ，s od i f f e r e n tc o n t r o lm e a s l e ss h o u l db eu s e di n d i f f e r e n ts t a g e c o m p a r e ds i n g l e p h a s ea n a e r o b i cd i g e s t i o n 、i t l lt w o p h a s ea n a e r o b i c d i g e s t i o n ，i t ss t a r t - u pp e r i o dw a sl o n g e r ，a c c u m u l a t i v em e t h a n ep r o d u c t i o nw a sl o w e r , c o dc o n c e n t r a t i o no fe f f l u e n tw a t e rw a sl o w e r , o p e r a t i o n a lp r o c e s sw a sm o r eu n s t a b l e ， m e t h a n ep r o d u c t i o np e ru n i tv sw a sl o w e r b u tr e m o v a le f f i c i e n c yo fo r g a n i cm a t t e ra n d r e m o v a lq u a n t i t yo fo r g a n i cm a t t e rp e ru n i tr e a c t o rv o l u mo fs i n g l e p h a s ew a sh i g h e rt h a n t w o p h a s e f u t h e r m o r e ，e c o n o m i ce f f i c i e c n c yo fs i n g l e - p h a s ea n a e r o b i cd i g e s t i o nw a s h i g h e rt h a nt w o p h a s ea n a e r o b i cd i g e s t i o n ( 4 ) g a sp r o d u c t i o nk i n e t i c sm o d e lb a s eo nc a r b o nt r a n s i t i o nm e c h a n i s mc o u l dm a k e ad e s c r i p t i o no fp r o c e s so fa n a e r o b i cd i g e s t i o n , b u ti t se x p r e s s i o na n dc o m p u t a t i o n a l p r o c e s si sc o m p l e x as i m p l i f i e dg a sp r o d u c t i o ne m p i r i c a lk i n e t i c sm o d e lw a s e s t a b l i s h e db ya n a l y z e i n ge x p e r i m e n t a ld a t ao fs i n g l e p h a s ea n dt w o p h a s ea n a e r o b i c i v 英文摘要 d i g e s t i o n , t h em o d e li sm o d i f i e dt h r o u g hi n d u c i n gi n h i b i t i o nc o e f f i c i e n t sa n dl o a dr a t e t h i sm o d e lw a sv e r i f i e dw i t h e x p e r i m e n t a ld a t a , i ts h o w e dt h a t t h em o d e lc o u l d p r e d i c t a c c u m u l a t i v em e t h a n ep r o d u c t i o n k e y w o r d s ：k i t c h e nw a s t e s ，a n a e r o b i cd i g e s t i o n ，h y d r o l y s i s ，a c i d i f i c a t i o n ，k i n e t i c s v 学位论文独创性声明 本 人，声 明所呈交 的互盈 士学 位 论 文 舷硅拯压萄越! 型躯圣查至缉丝是袤个人在导师指导下进行的研究 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 学位论文作者签名：袭易 翟 导师签名：未镬兀式净匆 签字目期：矽矿厂，t ，秒 签字日期： 叩 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的堕士学位论文纫鳢杰赡薛丝墨劫缸趁查涵黝提 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c m 6 0 ) 有机垃圾堆肥时，通风供氧的阻力大，容易导致堆体供氧不均匀，局部出 现厌氧状态，堆体难于达到高温阶段，不能满足垃圾无害化卫生处理的要求。 厌氧消化处理技术处理餐厨垃圾可以产生沼气( 1 0 0 m 1 5 0 m 3 t 有机垃圾) ，而沼 气是良好的清洁能源，可利用其发电和供热；厌氧消化后的残渣和沼液是优质的 有机肥料，可以施用于农田，改良土壤，增加肥效【5 j 。由于厌氧消化技术具备能耗 低、二次污染少、可产生清洁能源等优点，因此与其它处理技术相比具有比较明 显的环境优势和更高的投入产出效益。从1 9 9 0 年至2 0 0 0 年，欧洲采用厌氧消化 技术处理的有机垃圾量增加了7 5 0 1 6 l ，占有机垃圾处理量的四分之一。至2 0 0 4 年， 欧洲共有9 0 个垃圾厌氧消化处理厂，总处理量达2 7 0 万吨年，且处理厂的数量 仍有逐年增加的趋势。 尽管近年来有机垃圾厌氧消化在欧美等发达国家得到了快速发展，但其处理 量所占的比例仍然较低，目前平均不到5 。究其原因：一是厌氧消化技术投资相 对较高，一座规模为2 0 0 0 0 t a 的高固体含量有机垃圾厌氧消化厂投资约为9 5 0 - 1 0 0 0 万欧元，运行费用约为4 0 万欧元年，与焚烧厂的投资和运行费用相当1 7 j ； 二是现有的工艺技术仍有诸多缺陷。高固体含量厌氧消化均质搅拌困难，消化时 间长，且处理过程中容易发生酸抑制和氨氮抑制现象，造成消化过程进行缓慢， 甚至导致系统启动和运行失败，目前大规模工程装置的设计和运行经验十分有限； 低固体含量厌氧消化技术相对成熟，但预处理过程复杂，分选过程中会损失1 5 - - - , 2 5 的易降解有机物，耗水量大，且发酵过程中容易分层，影响消化效果，消化后 固液分离困难，后续消化液的处理投资和运行成本高。 在餐厨垃圾厌氧消化处理的工程应用方面，目前我国还处于起步阶段，还没 有商业化的餐厨垃圾厌氧消化处理工程投入实际运行。究其原因，除经济因素外， 其中一个重要方面是缺乏对餐厨垃圾厌氧消化工艺技术的系统研究与掌握。寻找 2 1 绪论 适合我国餐厨垃圾组分与特点的厌氧处理工艺，解决其厌氧消化过程中水解速度 慢、厌氧发酵过程中的酸抑制和氨氮抑制、甲烷产量低、发酵后的沼液及沼渣处 置等难题，并保证厌氧消化系统的运行稳定，降低运行管理难度及费用是当前亟 待解决的关键技术问题。 重庆市经过两年多的调查论证，决定建立一座同处理能力在1 0 0 吨左右的餐 厨垃圾厌氧消化处理装置，该项目已于2 0 0 8 年初正式启动。由于餐厨垃圾厌氧消 化处置工程实践在我国仍属新兴事物，并无成熟的运行经验可循，特别是对于处 理工艺选型、预处理、后续处理等方面存在的争论尚未达成共识。针对上述问题， 重庆市积极与国家十一五8 6 3 计划资源环境技术领域“城市生物质垃圾厌氧消化关 键技术研究”项目课题组合作，争取将重庆市正在建设的餐厨垃圾厌氧消化处理装 置作为其项目示范工程和研究对象，并为工程实施提供技术支持。本论文作为重 庆市餐厨垃圾厌氧消化处理项目的一部分，深入研究了影响餐厨垃圾厌氧消化过 程的各种重要因素和动力学规律，为重庆市餐厨垃圾厌氧消化处理工程的设计和 运行提供实验和理论参考，具有重要的科学意义和工程应用价值。 1 2 餐厨垃圾其它资源化处置技术研究进展 1 2 1 餐厨垃圾堆肥处置技术研究进展 餐厨垃圾由于其组成成分比较固定，无机杂质含量少，且有机质含量丰富， 具备植物所需的常量营养元素( 氮、磷、钾) 和必需的微量元素( 铜、锌、铁、锰) ， 因此是堆肥化比较优良的原料，适合进行堆肥处理。 一般来讲，堆肥化定义包含了好氧堆肥和厌氧堆肥，但在欧盟，堆肥化过程 仅限定于好氧堆肥【8 】。尽管各种界定的范围有所不同，但普遍认为堆肥化是一种受 控制的生物降解和转化过程。现目i j 的研究认为，堆肥化过程主要由两个阶段构 成f 9 】， 第一个阶段是高速堆肥阶段，第二个阶段是熟化阶段。高速堆肥阶段的特征 是好氧分解速度快、温度高、挥发性有机物降解速率快和有很浓的臭味。一般的 堆肥处理技术都要使用堆肥调理剂，调理剂可分为两类：一是能源调理剂。它是 加入堆肥底料的一种有机物，增加可生化降解有机物的含量，从而增加了混合物 的能量；二是结构调理剂。它是一种加入堆肥底料的物料( 无机物或有机物) ，可减 少底料密度、增加底料空隙，从而有利于通风。 目前，国内将堆肥化技术用于城市污泥、有机垃圾和禽畜粪便的处理与处置 比较多，但直接应用于餐厨垃圾的工程实践仍不太多，这主要是由于许多人认为 采用堆肥化技术处置餐厨垃圾得到的产品价值比较低，降低了餐厨垃圾本身的资 源化价值，且堆肥化处置技术本身能耗较高的缘故。另外，餐厨垃圾本身的含水 重庆人学博十学位论文 量较高，如采用堆肥工艺处理，则将产生大量污水，且含水率高的有机物不利于 进行好氧堆肥。 对于堆肥化处置技术而言，目前的研究热点主要集中在堆肥化工艺系统改进、 工艺条件控制、堆肥微生物选择和控制、堆肥添加剂应用等几个方面。 对于堆肥化工艺系统，目前比较典型的系统主要有条垛系统、强制通风静态 垛系统和反应器系统等几种【l0 1 。条垛系统是在好氧条件下，将混合好的固体废物 堆成垛状，一般采用强制通风方式或机械搅拌方法来达到通风要求。条垛系统对 其场地有很高的要求，一般要求有坡度和排水系统；强制通风静态垛系统是对条 垛系统的改进，其主要区别在于，该系统的堆体需定期翻动，从而达到通风供氧 的目的；反应器堆肥系统是堆肥工艺的最新方向，该系统的优点是占地面积小、 操作无臭味、可靠性好、堆肥产品质量好。0 b r i e n j 曾报道了一种管式堆肥系统。 该系统是一个长方形卧式反应器。空气与固体废物流向平行，通气方式为正压负 压方式，同处理能力为3 5t 干污泥，占地面积为2 7 4m x 3 4 8m 。 对于堆肥化处置技术的工艺控制条件的研究主要集中在堆肥原料的选择配比 和工艺参数的控制这两个方面。一些研究表明，必须将堆肥原料的c n 控制在一 定的范围，才能达到更好的堆肥化处置效果。例如，r o d r i g u e 1 2 1 研究用不同的资源 ( 污泥和酵母萃取物) 和甜高粱废物进行混合堆肥，结果表明：污泥和甜高粱废物的 堆肥最适宜作肥料，碳氮( c n ) 质量比为2 0 ：l 。水分含量、c n 比、堆体氧含量 和系统温度是堆肥处理工艺需要控制的几个主要参数指标。研究认为l l 引，对于条 垛系统和反应器系统，堆肥的水分不应大于6 5 ；对于强制通风静态垛系统，水 分不应大于6 0 。无论什么样的堆肥系统水分含量钧不应小于4 0 ，水分含量太 低，会限制微生物的生长繁殖，水分含量太高则会造成通风不畅，使系统处于厌 氧状态；一般认为堆肥中的氧的体积分数保持在5 旷1 5 之间比较适宜，低于5 会导致厌氧发酵【1 4 l ；高于1 5 贝i j 会使堆肥体冷却，导致病原菌的大量存活【1 5 1 ；碳 和氮的变化是堆肥的基本特征之一。堆肥中堆料的c n 一般在2 0 ：1 到3 0 ：1 之 间比较适宜。若c n 比过低，则堆肥会影响农作物的生长：若c n 比过高，不利 于堆肥过程中微生物的生长；堆肥温度是堆肥化工艺的重要控制参数，研究表明 【1 3 】，堆肥温度应控制在4 5 6 5 c 之间。温度超过6 5 。c 就会对微生物的生长活动产 生抑制作用。堆肥化过程是一个放热过程，若不采用通风的办法进行控制，温度 常可以达到7 5 8 0 ，温度过高就会过度消耗有机物，并降低堆肥产品质量。 近年来，对于堆肥化处置技术中微生物领域的研究一直比较活跃。对于好气 性高温堆肥而言，堆体中的微生物是由群落结构演替非常迅速的多个微生物群体 共同作用而实现的动态过程，在该过程中每一个微生物群体都有在相对较短时间 内适合自身生长繁殖的环境条件，并且对某一种或某一类特定的有机物质的分解 4 1 绪论 起作用。堆体微生物的表面积体积比大，代谢强度高，数目惊人，繁殖迅速，在 堆肥化过程中对有机物质降解起主导作用。研究表咧1 6 l ，单一的细菌、真菌、放 线菌群体，无论其活性多高，在加快堆肥化进程中作用都比不上多种微生物群体 的共同作用。因此人们通过接种方法提高堆肥微生物数量加速堆肥反应过程，广 泛进行了接种效应的研究。例如，申建美【1 7 1 研究有机垃圾堆肥过程中的菌种筛选， 分离筛选出了4 株分解纤维素盼菌株，并用其对有机垃圾堆肥中的稻草进行了发酵 试验，结果表明4 株菌株对纤维素有较好的降解效率。畜禽粪便在堆制过程中会散 发出大量恶臭物质，造成畜禽粪堆肥恶臭的主要原因是氨的挥发i l 引，在恶臭扩散 的同时，堆肥中氮养分大量损失，从而使堆肥的农用价值降低i l 圳，因而能利用添 加外源微生物的办法来调控堆肥过程中氮、碳的代谢，通过氮素物质分解为n h 4 + - n 后的气念挥发损失来控制臭味的产生，并保留更多的氮养分。上海市农科院环境 科学研究所的赵京音等人利用微生物制剂e m 促进鸡粪堆肥腐熟和臭味控制的结 果表明，在进行鸡粪堆肥时添加微生物制剂，能显著加快堆肥的腐熟，常温下堆 制2 0d 即可；堆肥及其周围的环境卫生状况得到极大的改善，不滋生蝇蛆，不流 淌污水，不散发臭味，发酵1 0d 左右，主要致臭源n h 4 + 含量减少4 0 左右，氮 素和有机质的保留率显著提高。 堆肥添加剂的应用研究是堆肥化研究的又一大热点。添加剂是指为了加快堆 肥进程或提高堆肥产品质量，在堆肥物料中加入的微生物、有机或无机物质。根 据其作用添加剂可以分为营养调节剂、膨胀剂、疏松剂、调理剂等。研究表吲删， 选用微生物易利用的有机物质如糖、蛋白质以及适合有益微生物营养要求的化学 药品，按一定比例配制而成的营养调节剂，可以增加堆肥开始时微生物的活性， 起到“起爆”效果。堆肥原料水分的多少，直接影响好氧堆肥反应速度的快慢，影响 堆肥的质量【2 1 1 。对于低于堆肥所需的正常含水量的堆肥原料，可添加含水量高的 调理剂如粪稀。而对于水分含量高的原料，则可把干的调理剂如锯末或碾碎的垃 圾、秸秆等加入高湿度的原料中，也可把膨胀剂如木屑和秸秆等加进高湿度的原 料中，以维持堆垛结构的完整性和多孔性【2 2 1 。除此之外，一些无机活性剂，如硫 酸亚铁、硫酸镁等也开始被研究人员所采用，其主要目的是增加堆体内微生物活 性及防止恶臭产生和氮素流失。目前，在堆肥化处理技术中，很少研究者单独使 用一种添加剂，多数情况下都是同时使用几种来达到目的。 1 2 2 餐厨垃圾饲料化处置技术研究进展 由于餐厨垃圾的主要来自于餐饮行业、餐厅及家庭，其成分由食物残渣和食 品加工剩余料构成，因此在一直以来均被当做禽畜饲料的最优原料来源。一些研 究认为【2 3 1 ，从营养角度讲，其富含蛋白质、脂肪及各种微量元素，蛋白和能量水平大 致介于玉米和豆粕之间，是一种高能高蛋白优质饲料原料。 5 重庆大学博士学位论文 目前，利用餐厨垃圾进行饲料化处理主要有两种方式：一是高温消毒制饲料。 原理是采用高温消毒原理，杀除病毒，经粉碎后加工成饲料。二是生物处理。原 理是在一定的环境条件下将培养出的菌种加入餐厨垃圾密封贮藏，菌种通过代谢活 动对饲料原料中的某些物质进行分解和转化使原料中不易被牲畜和家禽利用的大 分子物质转变成为易于消化吸收的小分子物质。同时，微生物菌种得到增殖，由于 微生物菌体的单细胞蛋白含量很高，因而提高了成品饲料的蛋白质含量，这就是 广义的微生物蛋白饲料1 2 4 ，2 5 。 最近的研究认为【2 5 ，2 6 1 ，尽管餐厨垃圾经高温消毒和干化处理后也可以作为动 物饲料，但其中某些营养成分如蛋白质的含量可能不符合饲料标准的要求，且这 些饲料中的动物蛋白被同种动物食用后可能引起动物疫情的传播。因此目前学术 界普遍赞同采用生物发酵法产生微生物蛋白饲料。微生物发酵饲料具有天然的发 酵香味，良好的诱食效果，可显著提高饲料的适口性；同时饲料中含有大量的有 益菌和消化酶，有利于动物肠道菌群的平衡，有助于营养物质的消化吸收；并且 饲料中含有以乳酸为主的酸化剂，p h 值平均为4 5 ，有利于动物的胃肠道酸性化， 抑制有害菌的增长；发酵后的饲料具有降解和吸附霉菌毒素及饲料抗营养因子等 有害物质的作用，减轻了其对动物的伤害。 目前，对于餐厨垃圾饲料化技术的研究主要集中在饲料化工艺的选择、发酵 微生物控制和工艺条件控制等几个方面。由于饲料化技术所采用的工艺和方法均 比较成熟，且国内外对餐厨垃圾作为饲料制造原料还存在很大的争议，认为其产 品无法满足日益增长的食品卫生安全的要求，因此阻碍了饲料化技术的研究和实 用化进程，目前对该技术的研究已不多。 1 3 有机垃圾厌氧消化处理技术研究进展 1 3 1 厌氧消化的基本原理 厌氧消化的微生物学原理及研究进展 厌氧消化是一个多步骤性、多种微生物参与的过程。在这个过程中，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。人们对这一复杂反 应过程的认识从2 0 世纪3 0 年代厌氧消化的二阶段理论发展到目前的三阶段理 论和四阶段理论。二阶段理论按细菌引起的生物化学过程，将代谢细菌群分为不 产甲烷的发酵细菌和产甲烷细菌两组，将厌氧消化分为产酸和产甲烷两个阶段【2 。 产酸阶段将复杂有机物水解和发酵形成脂肪酸、醇类、c 0 2 和h 2 等，产甲烷阶 段将产酸阶段的一些产物进一步转化为c h 4 和c 0 2 。这一理论简要描述了厌氧 消化的过程，在相当长的一段时间内指导着生产实践，并被用于厌氧生物处理过 程的动力学描述，但这一理论没有全面反映厌氧消化的本质，对甲烷菌如何利用 b 。，竺l l 有机物厌氧消化臃解途径f i i j 嘲j 嗡蛳嘞。f a n ：瓮三0 ， 重庆大学博 ：学位论文 明确每个阶段有独立的微生物菌群，各类菌群的有效代谢均相互密切关联，达到 一定的平衡，不能单独分开，是相互制约和促进的过程。有机物厌氧消化过程示 意如图1 1 所示1 3 。 近年来，厌氧消化微生物领域的研究主要集中在：非产甲烷细菌和产甲烷细 菌之间的相互关系；产甲烷细菌的生态学特征；厌氧处理过程中微生物的群落生 态演替；产酸发酵细菌的生态学特征等l l3 j 3 2 方面。 m c m a h o n 等【3 3 ，3 4 j 研究了城市有机垃圾与污泥厌氧消化过程中启动期与超负荷 运行下的微生物群落变化情况。应用r r n a 探针技术研究互营养挥发酸降解菌和 产甲烷菌的特征变化，结果表明，在乙酸浓度很高的不稳定反应器中，甲烷八叠 球菌是优势菌种；而在乙酸含量较低的稳定体系中，甲烷毛状菌( m c o n c i l i n ) 是优 势菌种。逐渐降低搅拌强度，反应器运行趋于稳定，这时随着甲烷杆菌的逐渐增 加，沃林氏互营杆菌生长旺盛，这可能是由于大量的氢营养甲烷菌出现，促进了 丙酸的互营养氧化，降低了挥发酸的含量。但停止搅拌，会导致发酵系统失衡， 这样尽管甲烷杆菌和甲烷八叠球菌数量有所增加，但古细菌总量却迅速减少。在 反应器启动期，主要发生的是中温饱和脂肪酸b 氧化，互营养丙酸降解菌( s p o b ) 对稳定丙酸含量起着非常重要的作用。与一贯运行良好的反应器相比，曾经运行 不良的反应器更可耐受超负荷运行，这可能是由于曾经不稳定的反应器中含有较 高的s p o b 和饱和脂肪酸d 氧化互营养菌( s f a s ) 与其它产甲烷菌协调作用的结果。 l i u 等【3 5 】采用甲烷反应器颗粒污泥接种，以乳品废水为处理对象，研究了中 温( 3 7 ) 和高温( 5 5 ) 条件下酸化反应器的启动微生物种群动力学，应用变性梯度 凝胶电泳( d g g e ) 分析与低聚核苷酸探针斑点杂交技术监测微生物种群变化。运行 至1 3 d 后，p h 值降低到5 5 ，细菌和古细菌的d g g e 生物群落谱图显示了一个较 大的波动，这是由于污泥的快速分解，甲烷转化的降低，导致了挥发性脂肪酸积 累所造成的。斑点杂交的结果进一步说明，甲烷转化降低是由于古细菌的减少， 特别是产甲烷菌1 6 s rr n a 从接种初期的3 4 1 降到第1 3 d 的8 ，降至第7 1 d 的2 - - 一5 。对产甲烷菌进行分类，发现甲烷微菌目数量最多，其次是甲烷杆菌 目和甲烷球菌目。与中温条件相比，在高温条件下，微生物种群变化更大也更快， 但两个反应器的微生物群落均在第1 3 d 发生了较大的变动。 由于厌氧消化工艺最早起源于污水和污泥的厌氧处理，对于这类物质的厌氧 消化，限速步骤通常为产甲烷而不是水解过程，因此，目前有关厌氧微生物研究 主要集中在甲烷菌群方面，关于产酸菌群的研究相对较少。国内任南琪等p 6 j 利用 微生物生理生态原理，研究产酸相中主要细菌种群的生物学特征及影响因子，为 人为控制产酸发酵类型提供了理论依据。对于水解过程相当缓慢的固体有机垃圾， 加强水解过程中的微生物研究非常重要，而这方面的研究报道还很少，进展缓慢。 8 1 绪论 水解阶段机理 卜6 - 1 卜- 6 - 1 图1 2 有机l 吉i 体废物水解过程原理图 f i g 1 2h y d r o l y s i sp r i n c i p l ed i a g r a mo fo r g a n i cs o l i dw a s t e s 传统水解机理认为，颗粒有机物的水解过程主要经历以下几个步骤。首先是 颗粒有机物的初步分解，生成蛋白质、碳水化合物以及脂类等大分子有机物，这 一过程主要为物理化学过程【3 刀。随后大分子有机物在微生物胞外酶的作用下发生 水解，转化成溶解性小分子( 如单糖、氨基酸、脂肪酸等低分子有机物) 。最后溶解 性水解产物穿过固体颗粒与溶液之问的水膜，向液相主体扩散。在水解反应器中， 一部分低分子有机物会在产酸菌作用下进一步降解为低分子有机酸，为产甲烷相 提供发酵原料。图1 2 为有机废物水解过程传统原理副3 7 】。 产酸发酵阶段机理 产酸阶段是一种不完全或不彻底的有机物厌氧发酵过程。在此过程中，溶解 性的有机物被转化为以挥发性有机脂肪酸为主的中间产物，因此有的学者将这一 过程称为酸化。发酵产酸过程是由大量的、多种多样的发酵细菌完成的。其中重 要的类群有梭状芽孢杆菌( c l o s t r i d i u m ) 和拟杆菌( b a c t e r i o d e s ) ，它们大多数是严格的 厌氧菌，但通常有约1 的兼性厌氧菌存在于厌氧环境中，这些兼性厌氧菌能够起 到保护像甲烷菌这样严格厌氧菌免受氧的损害和抑制。透过细胞膜进入细菌体内 的单糖，先经e m p 途径转化为丙酮酸，然后因不同的微生物其发酵类型不同，产 生各种酸、醇、酮等，其主要反应如下： c 6 h 1 2 0 6 - 2 c h 3 c h 2 0 h ( 7 , 醇) + 2 c 0 2 c 6 h 1 2 0 6 - - - - 2 c h 3 c h o h c o o h ( - 孚 , 酸) 9 重庆大学博士学位论文 c 6 h 1 2 0 6 - - - * c h 3 c h 2 c o o h ( 丙酸) + c h 3 c o o h + h c o o h c 6 h 1 2 0 6 - - c h 3 c h 2 c h 2 c o o h ( 丁酸) + 2 c 0 2 + 2 h 2 氨基酸的分解主要通过偶联进行氧化还原脱氮反应，即需要两种氨基酸同时 参与，其中一个氨基酸分子进行氧化脱氮，同时产生的质子使另外一个氨基酸的 两个分子还原，两个过程同时伴随着氨基酸的去除。如丙氨酸和甘氨酸的降解： c h 3 c h n h 2 c o o h ( 丙氨酸) + 2 h 2 0 c h 3 c 0 0 h + c 0 2 + n h 3 + 4 h + ， c h e n h z c o o h ( 甘氨酸) + 4 h 十一2 c h 3 c o o h + 2 n h 3 两个反应合并即为： c h 3 c h n h z c o o h + 2 c h e 2 n h 2 c o o h + 2 h 2 0 - * 3 c h 3 c o o h + c 0 2 + 3 n h 3 脂肪酸遵循p 氧化机理进行生物降解，在其降解的过程中，脂肪酸术端每次 都落两个碳原子( f l r j 乙酸) 。对于偶数个碳原子的较高级脂肪酸，这一反应产物为乙 酸，而对含奇数个碳原子的脂肪酸，最终要形成一个丙酸。不饱和脂肪酸首先通 过氢化作用变成饱和脂肪酸，然后按p 氧化过程降解。如： c h 3 ( c