（环境工程专业论文）厨余垃圾高温好氧消化的工艺研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 厨余垃圾是城市生活垃圾的重要组成部分，占城市生活垃圾总量 的约3 0 - - - , 4 0 。在各种厨余垃圾的资源化技术中，肥料化技术是最 有效的方式之一利用高温好氧消化技术将厨余垃圾转化为优质肥 料，既可避免餐厨垃圾对城市环境的污染，又可减少城市生活垃圾的 处理量和成本，是实现餐厨垃圾无害化、减量化和资源化的一种较理 想的处理方法，是未来的发展方向。 本文在广泛查阅国内外相关文献资料的基础上，主要针对以下内 容开展了较为深入的实验研究工作并取得了相应的研究成果： ( 1 ) 通过对实验所用原料厨余垃圾的成分进行分析，获得 厨余垃圾相关物化性质如下：含水率为7 0 1 6 - 3 ：4 8 8 ，密度为 0 8 7 4 - 0 0 6 k g l ，有机质含量为2 9 1 4 4 - 4 。7 6 ，盐分含量为0 7 6 翊1 7 ， p h 为5 7 1 4 - 0 。4 3 。水溶性t o c 为7 7 4 8 4 - 4 8 8 ，水溶性凯氏氮为 0 2 9 6 4 - 0 0 9 4 ，水溶性总碳含量为7 7 8 7 4 - 0 3 0 4 ，水溶性总氮为 0 3 2 7 4 - 0 0 9 9 ，水溶性碳氮比2 9 15 5 + 9 6 4 8 。 ( 2 ) 逶过对土壤中的菌种进行分离筛选，获得降解厨余垃圾的 优势菌种。通过淀粉水解，脂肪分解，明胶液化实验证明土壤中的菌 种对厨余垃圾中的主要成分淀粉、脂肪、蛋白质均有明显的作用 效果。随后对菌种进行鉴别和驯化，经过孚l | 化后，细菌能够适应厨余 垃圾的降解环境。当驯化培养基成分全部为餐厨垃圾，湿度为4 5 时， 培养到第4 天时菌丝浓密，培养基变为黑褐色，同时稠度增加，表明 在高温情况下，微生物生长良好。 ( 3 ) 探索性实验选取水溶性t o c 、水溶性凯氏氮，水溶性c n ， 物料温度，含水率，p h 值等指标来评价高温好氧消化实验的效果。 实验考虑了环境温度，初始物料含水率，外源微生物接种量等因素对 反应的影响。最终确定的高温好氧反应的最佳条件为：温度= 5 0 c ， 物料：锯木粉= 3 - l ( 含水率弓5 ) ，接种微生物量m 生耪麓越如l 舞余琏瑷) = l 。在此最优条件下，水溶性t o c 的降解率可以达至1 1 7 0 8 1 ，水溶 性o n 可以由2 7 9 0 降至1 2 1 2 。 ( 碡) 在实验基础上，本论文厨余垃圾高温好氧消化预处理工艺 进行了研究，通过水洗一脱水的预处理工艺来降低厨余垃圾中的含盐 率和含水率高的问题。得出水洗最佳工艺条件为：m 水( g ) m 厨余垃磁( g ) 硕士学位论文 摘要 _ 2 ，搅拌时间1 0 m i n ，搅拌温度为2 5 。c ；离心脱水最佳工艺条件为转 速4 0 0 0 r m i n ，脱水时间6 m i n 。经过预处理后，厨余垃圾含水率由 9 5 1 0 降为7 2 8 6 ，厨余堆肥产品含盐量由1 3 8 4 - 0 0 2 降为 0 5 7 4 - 0 0 5 。 ( 5 ) 本文研发出了1 0 k g 抟l ；次的小型厨余垃圾好氧反应设备，并 通过计算得出了该装置的最佳通气量为：q = 1 6 6 9 m 3 d ( 处理1 0 k g 含 水率为5 5 的厨余垃圾物料，时间为9 6 h ) 。小型生产化实验证明厨 余垃圾高温好氧消化的工业化可行性，并确定了高温好氧消化段最佳 工艺条件为：r r r 物, d m 铝木a = 3 1 ( 含水率= 5 5 ) ，接种微生物量m 生物制湘 厨余垃萨l ，处理时间9 6 h ，通风量q ：1 6 6 9 m 3 d ，加热温度t = 5 0 ，搅 拌时间1 2 h d 。反应器运行良好，物料中各项指标均表明厨余垃圾能 有效地降解转化。对产品的品质检测表明，产品达到或优于国家标准， 含水率和p h 是实际生产中影响产品品质的主要因素。 关键词：厨余垃圾，高温好氧消化，工艺条件，有机肥 硕士学位论文 a b s t r a c t k i t c h e nw a s t e ，t a k i n gu pa r o u n d3 0 - 4 0 o ft h et o t a lu r b a nd a i l y d r e g s ，h a sb e c o m et h em a i ns o l i dr e s i d u e si no u ru r b a nl i f e ， a n do fa l l t e c h n i q u e s i n d e a l i n gw i t hi t t h ef e r t i l i z a t i o ni st h em o s te f f e c t i v e t h r o u g ht h et e c h n o l o g yo ft h e r m o p h i l i ca e r o b i cd i g e s t i o n ( t a d ) ，n o t o n l yc a nt h ek i t c h e nw a s t eb et r e a t e dh a r m l e s s l yt ot h ee n v i r o n m e n tb u t a l s ot h ec o s tc a nb ec u td o w na n di ti st h eo r i e n t a t i o nf o rt h ef u t u r et o h a n d l et h ep r o b l e ma n dt oa c h i e v et h eg o a lo fr e c y c l i n g ，r e d u c i n ga n d r e u s i n g o nt h eb a s i so fc o n s u l t i n gl a r g eq u a n t i t i e so fr e l e v a n td o c u m e n t s ， d a t aa n dr e f e r e n c e sh o m ea n da b r o a dt h i sd i s s e r t a t i o ns h o w e dt h e a c h i e v e m e n tg a i n e dc o r r e s p o n d e n t l yt h r o u g hl a r g es c o p eo fe x p e r i m e n t a n dr e s e a r c h ，w h i c hw a s b r i e f l ye x p a t i a t e da sf o l l o w i n g ( 1 ) a c c o r d i n gt o t h e c o m p o n e n ta n a l y s e s o ft h ee x p e r i m e n t a l m a t e r i a l - - k i t c h e nw a s t e ，i t sp h y s i c a l ，c h e m i c a la n db i o l o g i c a lp r o p e r t i e s h a v e b e e no b t a i n e db yn e x te x p e r i m e n t t h ec o n t e n to fm o i s t u r ei s 7 0 16 4 - 4 8 8 ，t h ed e n s i t yi s o 8 7 + 0 0 6 k g l ，t h eo r g a n i cs u b s t a n c e i s 2 9 1 4 4 - 4 7 6 ；s a l t - c o n t e n ti s0 7 6 士0 1 7 a n dp hv a l u ei s5 7 1 4 - 0 4 3 a n d t h ec o n t e n t so fw a t e r - s o l u b l et o c ( t o c w ) ，w a t e r - s o l u b l ek j e l d a h l n ( k n w ) ，w a t e r - s o l u b l et o t a lc a r b o n ( t c w ) ，w a t e r - s o l u b l et o t a ln i t r o g e n ( t n w ) a n dw a t e r - s o l u b l ec n ( c n w ) a r er e s p e c t i v e l y7 7 4 8 4 - 4 8 8 ， 0 2 9 6 4 - 0 0 9 4 ，7 7 8 7 + 0 3 0 4 ，0 3 2 7 ：1 ：0 0 9 9 a n d2 9 15 5 + 9 6 4 8 ( 2 ) t h em i c r o b eh a sb e e ni s o l a t e da n ds c r e e n e df r o mt h es o i li n o r d e rt of i n dt h ep r e d o m i n a n to r g a n i cu n i o n t h ee x p e r i m e n t so i ls t a r c h h y d r o l y s i s ，f a td e g r a d e ，g e l a t i nl i q u e f a c t i o np r o v et h a tt h es o i lm i c r o b e h a sa ne v i d e n td e g r a d a t i o nt ot h es t a r c h ，f a ta n dp r o t e i n ，a l lo fw h i c ha r e t h em a i n c o m p o s i t i o no fk i t c h e nw a s t e t h es t a i n s ，a f t e ri d e n t i f i c a t i o na n d d o m e s t i c a t i o n ，h a v ea d a p t e dt ot h ed e g r a d a b l ee n v i r o n m e n to ft h ef o o d w a s t e s o n c et h et e m p e r a t u r er e a c h e st o4 5 a n dt h ed o m e s t i c a t i n g m e d i u mo c c u p i e sm a i np a r ti nt h ek i t c h e nw a s t e ，t h eh y p h ao fs t a i n s b e c o m e st h i c ko nt h e4 t hd a y , t h ec o l o ro fm e d i u mt u r n sb r o w na n dt h e d e g r e eo fv i s c o s i t yi si n c r e a s e da sw e l l ，i n d i c a t i n gt h a tm i c r o b ec o u l dl i v e 1 1 1 硕士学位论文 w e l l i nt h et h e r m o p h i l i cc o n d i t i o n ( 3 ) t h ei n d e x e s ，s u c ha st o c w ，k n w ，c 帆，t e m p e r a t u r e ，m o i s t u r e c o n t e n ta n dp h ，a r ee m p l o y e dt oe v a l u a t et h ee f f e c t so ft a di nt h e e x p e r i m e n t t h ei n f l u e n c e so ft e m p e r a t u r e ，i n i t i a lm o i s t u r ec o n t e n ta n d p i t c h i n gr a t eo fe x t e m a lm i c r o b ea r ea l s ot a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o na n dt h e o p t i m a lc o n d i t i o n so ft a da r e t e m p e r a t u r e 5 0 。c ，m ( k i t c h 小洲 d u s t ) _ 3 ：l ( m o i s t u r ec o n t e n ta b o u t5 5 ) ，p i t c h i n gr a t eo fe x t e r n a lm i c r o b e ： m ( b i o i o g i c a lp r e p a r a t i 彻旭k i t c h 时l o nt h eo p t i m a lc o n d i t i o n s ，t h et o c o n t e n td e g r a d a t i o nr a t ec o u l dr e a c h7 0 81 ，a n dc nwc o u l dr e d u c e f r o m2 2 9 0t o1 2 1 2 ( 4 ) t h ee x p e r i m e n ta l s of o c u s e so nt h ep r e t r e a t m e n to f 砌o f k i t c h e n w a s t e t h r o u g ht h et e c h n i q u e so fr i n s e & d e w a t e r i n gi n p r e t r e a t m e n t ，t h ep r o b l e m so fh i g hr a t eo fm o i s t u r ea n ds a l ti nk i t c h e n w a s t ec a nb ee v e n t u a l l yr e s o l v e d t h eo p t i m a lr i n s i n gc o n d i t i o n sa r e m ( w 砒m ( 1 c i t c i l c i lw a s t c ) _ 2 ，t e m p e r a t u r e2 5 * c ，a g i t a t i o nt i m e10 m i n a sf o r c e n t r i f u g a lp a r a m e t e r st h eo p t i m a lc o n d i t i o n sa r ec o n f i r m e da s6m i n u t e s c e n t r i f u g a lt i m ea n d4 0 0 0 r m i nf o rr o t a t i o ns p e e d a f t e rt h ep r e t r e a t m e n t ， i nt h e c o m p o s tp r o d u c e df r o mk i t c h e nw a s t e ，t h em o i s t u r e c o n t e n t r e d u c e sf r o m9 5 1 0 t 0 7 2 8 6 ，a n dt h es a l tc o n t e n tf r o m1 3 8 + 0 0 2 t o 0 5 7 + 0 0 5 ( 5 ) ak i n do fp o r t a b l ee q u i p m e n ta b o u t10 k g b a t c hf o rt a do f k i t c h e nw a s t ew a sd e v e l o p e da n da c c o r d i n gt oe a l c u l a t i o nt 1 1 eo p t i m a l v o l u m eo fv e n t i l a t i o nf o rm ed e v i c ei s ：q 宁1 6 6 9 m j d ( s t u f f ：10 k ； m o i s t u r e ：5 5 ；t i m e ：9 6 h ) t h ep i l o tp l a n tr e s e a r c hv e r i f i e st h a t 咖o f t h ek i t c h e nw a s t ei sf e a s i b l ei ni n d u s t r i a l i z a t i o n a n dt h e o p t i m a l t e c h n i c a lc o n d i t i o n sf o rt a dp r o c e s s i n ga r ec o n f i r m e da sf o l l o w ： t e m p e r a t u r e ：5 0 。c ，l n ( k i t c h w 龇加1 ( 洲d u s t ) - 3 ：l ( m o i s t u r e ：a b o u t5 5 ) ， p i t c h i n gr a t e o fe x t e r n a lm i c r o b e ：毗b i o l o g i 捌p r e p a r a t i 彻) m k i t c h 蜘w a 妣) = 1 ， t i m e ：9 6 h ，v e n t i l a t i o n ：16 6 9 m d ，a g i t a t i o nt i m e ：12 h d s i n c et h er e a c t o r w o r k sw e l l ，t h ea l lo ft h ei n d e x e si n d i c a t et h a tt h ek i t c h e nw a s t ec o u l db e d i g e s t e da n dc o n v e r t e de f f e c t i v e l y t h ep r o d u c tf r o mk i t c h e nw a s t eh a s b e e nt e s t e da n dt h er e s u l ts h o w st h a ta l lt h ep a r a m e t e r sm e e to re x c e e d t h en a t i o n a ls t a n d a r d t h em a i nf a c t o r st oi n f l u e n c et h eq u a l i t yo ft h e p r o d u c ta r et h em o i s t u r ec o n t e n ta n dp hv a l u e i v 硕士学位论文 k e yw o r d s ：k i t c h e n w a s t e ，t h e r m o p h i l i c a e r o b i c d i g e s t i o n ， t e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，o r g a n i cf e r t i l i z e r v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：垒季t 日期：丛年月丛日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者弛举导师签名名弛嗍丝年虫笪日 硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 厨余垃圾的产生现状和特性 1 1 1 厨余垃圾的产生现状 厨余垃圾是家庭、餐饮单位抛弃的剩饭菜的通称，主要指剩饭、剩菜、蔬菜 的根叶、瓜果的皮核、废弃的动物组织等，也称生鲜垃圾，其成分主要是水、糖 类、蛋白质、脂肪、盐分等，营养丰富。餐厨垃圾的产量大、分散，极易腐败、 变臭，不易收集、运输及储存，污染了城市路面、空气、及周边水系，导致虫、 鼠害的孳生。 厨余垃圾是城市生活垃圾的重要组成部分。我国厨余垃圾产生量巨大，据国 家环境公报显示，我国2 0 0 5 年全年的城市生活垃圾的清运量已经达到了1 5 5 7 6 8 万吨，按照厨余垃圾占城市生活垃圾比例为3 0 - 4 0 来计算，厨余垃圾清运量 为4 6 7 3 0 - 6 2 3 0 7 万吨，而且随着餐饮业的高速发展，产量还在迅速增加1 1 2 ，3 1 。 1 1 2 厨余垃圾的成分和特点 厨余垃圾主要包括：米和面粉类食物残余、蔬菜、植物油、动物油、肉骨、 鱼刺等等。从化学组成上，有淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机盐等。通过对 厨余垃圾成分分析表明，厨余垃圾中平均水分为7 9 ，干物质为2 1 。绝干物 质中的各主要成分含量【4 】如表1 所示： 表1 - 1 厨余垃圾的化学组成 t a b l el 一1c h e m i c f lc o m p o s i t i o no f f h e nw a s t e 厨余垃圾的组成、性质和产生量受社会经济条件、地区差异、居民生活习惯、 饮食结构、季节变化的不同而有所差别，但具备如下特点： ( 1 ) 粗蛋白和粗纤维等有机物含量都比较高，具有很高的开发利用价值； 同时也带来了易腐，恶臭等问题； ( 2 ) 含水率高，给垃圾的收集运输带来不便，热值低，不适合焚烧发电。 处理不当容易产生渗滤液等二次污染物； ( 3 ) 油类和盐类( n a c l ) 物质含量较其他生活垃圾高，对资源化产品品质 影响较大，需要妥善处理。 硕士学位论文 第一章文献综述 1 2 厨余垃圾资源化技术 1 2 1 饲料化技术 厨余垃圾饲料化的基本要求是实现杀毒灭菌，达到饲料卫生标准，并最大限 度的保留营养成分，改善厨余的饲用价值，消除或降低不利因素的影响。饲料化 技术主要有生物发酵法【5 6 ，7 1 、物理烘干法【8 9 ，- o l 、湿热法【1 、真空油炸法【1 2 1 等。 饲料化技术目前存在的问题恰是饲料安全不易控制，存在消毒不安全，原 料易受污染等安全隐患【1 3 , 1 4 】。 1 2 2 高温好氧消化技术 高温好氧消化技术( t h e r m o p h i l i ca e r o b i cd i g e s t i o n ，t a d ) ，是一种在高温条 件下( 4 5 - - 6 5 ) 下运行的生物好氧降解技术，它具有相当快的生物降解速度， 低细胞产率( 产污泥量少) 及灭菌的效率较高。且经微生物分解后的残渣是高效 的有机生物肥料。 该技术存在的问题主要有：厨余垃圾中水分油脂含量较高，需要调节，另外 厨余肥料含盐高也是一个突出的问题【1 5 】。 1 2 3 厌氧发酵技术 厨余垃圾的厌氧发酵就是在特定的厌氧条件下，微生物将有机质分解，其中 一部分碳素物质转换为甲烷和二氧化碳的过程。目前对于厨余垃圾的厌氧发酵技 术主要集中于生物制氢技术【1 6 1 ，除此之外，利用优势菌种可以强化厨余垃圾的 乳酸发酵，制取乳酸【m 。由于厌氧消化对进料纯度要求很高，生产技术相对复 杂，较难控制，因此该技术在国内的应用还不成熟。同时，由于厨余垃圾油量和 纤维素含量高，可能导致厌氧过程过度酸化；而且，最终产物若无法就地施肥， 必须干化处理，加大了成本的投入【1 m n 1 2 4 生物柴油技术 厨余垃圾中含大量的废油脂，据统计，每吨厨余垃圾中约可以提炼出2 0 - 8 0 公斤废油脂，经过集中加工处理，则可以制成脂肪酸甲酯等低碳酯类物质，即生 物柴油。通过油脂酯交换降低原材料种的不利因素的影响，而制造甲酯( 即生化 柴油或脂肪酸甲酯) 则为目前最常用的方法。除此之外还有超临界甲醇制程【2 2 1 ( s u p e r c r i t i c a lm e t h a n e lp r o c e s s ) ，生物酶法【2 3 】等方法。然而生物柴油法存在着 杂质多，成品品质不稳定，经济效益不明显等缺点1 2 4 - - 2 6 1 。 2 硕士学位论文 第一章文献综述 1 3 高温好氧消化技术的原理和研究现状 1 3 1 好氧消化的原理 在好氧降解的过程中，生活垃圾中的溶解性有机物质透过微生物的细胞壁和 细胞膜而被微生物所吸收，固体和胶体有机物先附着在微生物体外，由微生物所 分泌的胞外酶分解为溶解性物质，再渗入细胞。微生物通过自身的生命活动 氧化、还原和生物合成等过程，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物， 并释放出生物生长活动所需要的能量，把另一部分有机物转化为生物体所必须的 营养物质，合成新的细胞物质，于是微生物逐渐生长繁殖，产生更多的生物体， 继续产生一系列的生化作用微生物堆肥的影响因素。 ( 1 ) 有机物的氧化 不含氮的有机物( c 。h v o z ) c 何，q + ( x + 1 1 2 y - 1 2 z ) 0 2 叫以+ l 2 y h 2 d + 能量 含氮的有机物( c 。h t n u o v a h 2 0 ) c ，h ，玑q a h 2 0 + 6 d 2 一c ，日，q c h 2 0 + d h 2 d ( 气) + 胡2 d ( 液) + c 0 2 + g n n 3 + 能量 ( 2 ) 细胞质的合成( 包括有机物的氧化，并以n h 3 为氮源) n c ，h ，0 ：+ n h ，+ ( 嬲+ 了n y 一等一5 x ) d 2 一c 5 h 7 n o2 ( 细胞质) + ( 联一5 ) c 02 + l ，2 n y h2 0 + 能量 ( 3 ) 细胞质的氧化 c 5 马n 0 2 ( 细胞质) + 5 q 一5 c d 2 + 2 h 2 0 + n h 3 + 能量 以纤维素为例，好氧处理中纤维素的分解反应如下： ( c 6 h 。：0 6 ) 型马刀( c 6 日。：仇) ( 葡萄糖) 刀( c 6 h 1 2 0 6 ) + 6 n 0 2 当6 刀( c 0 2 ) + 6 刀( 2 + 能量 1 3 3 好氧消化过程 好氧处理中微生物的消化过程可大致分成3 个阶段【2 7 2 8 。 ( 1 ) 中温阶段 中温阶段亦称发热阶段或升温阶段。好氧处理过程中温度的升高是由于好氧 微生物( 细菌、真菌、酵母菌和放线菌等) 在分解有机物过程中释放出的热量造 成的。降解初期，基本呈中温、嗜温性微生物( 中温放线菌、蘑菇菌等) 较为活 跃，并利用处理中可溶性有机物质( 单糖、脂肪和碳水化合物) 旺盛繁殖。它们 3 硕士学位论文第一章文献综述 在转换和利用化学能的过程中，有一部分变成热能，由于处理原料有良好的保温 作用，温度不断上升。随着温度上升，嗜温菌更为活跃，并大量繁殖，这样又导 致释放出更多的热能。此阶段微生物以中温、需氧型为主，通常是一些无芽胞细 菌。适合于中温阶段的微生物种类极多，其中最主要是细菌、真菌和放线菌。这 些菌类虽都有分解有机物的能力，不仅对不同温度有各自的适应性，且对不同的 化合物喜好也各异，如细菌特别喜欢水溶性单糖类，放线菌和真菌对分解纤维素 和半纤维素物质具有特殊功能。 ( 2 ) 高温阶段 这是指当好氧处理温度上升到4 5 以上，在这一阶段，嗜温微生物受到抑 制甚至死亡，而嗜热微生物较为活跃。中温阶段残留的和新形成的可溶性有机物 质继续被氧化分解，同时原料中的纤维素半纤维素和蛋白质作为嗜热微生物的 主要反应基质开始分解。一般在5 0 左右是嗜热性真菌和放线菌最活跃；当温 度上升到6 0 时，仅嗜热性放线茵和细菌在作用；当温度升到7 0 以上时，大 量微生物死亡或进入休眠状态，而在各种酶的作用下，有机质仍然继续分解，热 量的产生会由于死亡的微生物酶的作用而逐渐降低温度，但温度低于7 0 时， 休眠的嗜热微生物又重新活跃起来并产生新的热量，经过反复几次，腐殖质基本 形成，成分基本稳定。在这一阶段不仅最易分解有机物，而且还可以杀死大多数 病原菌和寄生虫。 ( 3 ) 腐熟阶段 经过高温阶段，在内源呼吸后期，好氧处理中有机物基本降解完，只剩下部 分较难分解及难分解的有机物和新形成的腐殖质，嗜热微生物由于缺乏适当的营 养物质而停止生长，即其生物活性下降，发热量减少。好氧处理温度会由于散热 而逐渐下降，好氧降解过程进入第三阶段腐熟阶段。在此阶段，中温微生物 又开始活跃起来，重新成为优势菌，对残余较难分解的有机物作进一步分解，腐 殖质不断增多，且稳定化。而且温度下降是为了保持已形成的腐殖质和微量的氮、 磷、钾。当温度下降并稳定在4 0 左右时，其中已腐熟的物质己成熟，剩下的 大部分是纤维素、木质素和其他稳定的物质，这些物质不需要在进一步分解，因 为在土壤存在多种微生物，更有利于其完全分解，促进植物的生长。 1 3 4 高温好氧消化技术的进展 近几十年来，高温好氧消化技术广泛用于剩余活性污泥，粪便等有机物的处 理处置当中，近些年来，该技术也开始运用到厨余垃圾的处理和消化中【2 9 1 。日 本的科研人员经过多年的研究，从自然界中筛选出数种能快速分解厨房废弃物的 有益微生物，这些微生物具有对纤维素、脂类、蛋白类和甲壳质等物质的分解能 力。在4 5 , - - - 6 0 * ( 2 高温条件下，可将餐厨垃圾，如菜叶、米饭、鱼骨、蛋壳和果 4 硕士学位论文 第一章文献综述 皮等有机物分解成水、二氧化碳和有机质，利用这些菌种处理餐厨垃圾，消化率 高达9 0 ，减少了城市生活垃圾的总量，且经微生物分解后的少量残渣是高效 的有机生物肥料1 3 0 - 3 2 1 。 韩国也开发出了相应的高温好氧生化法处理厨余垃圾的实验设备。该设备设 有搅拌，保温( 加热) ，通气以及气体处理装置。并且通过该种设备收集排放气 体的冷凝液和物料水淬液的参数，判断反应的进行程度1 3 3 , 3 4 1 。 挪威将厨余垃圾破碎，转变成液态物质以方便存储、运输，液态的厨余垃圾 被放置高温好氧生物反应器中发酵，再没有外界热源的情况下，反应器内温度升 至5 5 - - 6 0 ，反应持续7 天。反应剩余物经过检验用作肥料或土壤改良剂【3 5 l 。 加拿大科学家( i b r ) 开发的高温好氧无污染生物处理法( e a t a d ) ，对包 括厨余垃圾在内的有机垃圾具有较好的降解效果。该工艺的生化部分，采用高度 嗜热微生物进行发酵，能在8 5 c 的高温下很好的生长，发酵周期为7 2 h 1 4 j 。 动态连续堆肥由于采用特殊的高温好氧堆肥工艺，可以使堆肥周期大为缩 短。该工艺采用四棱椎台式立式生物发酵仓，仓顶进料，仓底通风。当发酵仓满 后，在起始的2 4 小时内，发酵仓底的堆肥五由于底部通风，供氧充足，微生物 十分活跃，其主导作用的中温菌大量繁殖。分解有机物并产生大量热能，使温度 迅速上升至6 0 以上，并进一步在高温下分解蛋白质和部分纤维素；第二天， 下层堆肥继续维持高温，由于热量传递，高温区上升至中层；第三天，除中下层 堆肥五继续维持高温外，高温区又上升至上层，并开始建立6 0 7 0 的高温平衡； 第四天，在下层物料中出现温度下降趋势，物料进入初步稳定状态，一次发酵结 束，底层物料即可出仓i 耶。 厨余垃圾通过生物好氧活动转化为有机肥料，不仅保留了厨余垃圾中的有用 成分，而且可以降低对环境的危害。如果肥料成品的有机质含量高于3 0 ，氮磷 钾的含量高于7 的标准，还可获得农业部的生产及应用许可证明和证书，形成 商业有机肥料予以登记注册。这类肥料的营养效果突出，特别是在生产优质食品、 绿色食品时是必不可少的，具有广阔的市场前景。同时好氧消化耗时短，维护简 便，运行成本低，如果利用人工加热的方式( 例如水浴加热) ，好氧堆肥时间会 大大缩短，消化反应完全，所以通过高温好氧消化技术制取肥料成为未来处理厨 余垃圾的有效方法d g - - 4 0 l 。 1 4 论文研究意义和思路 本研究涉及环境微生物学、生物化学、环境工程学、食品科学与工程、发酵 工程、热力学、机械设计与制造、自动检测与控制、实验技术等众多学科领域， 研究的工作量和难度都很大。本文在进行广泛搜集和分析国内外相关文献资料的 硕士学位论文 第一章文献综述 基础上，针对内容开展了研究工作： ( 1 ) 餐厨垃圾相关特性的研究。对具有代表性单位产出的餐厨垃圾进行长 时间跟踪分析检测，弄清其物理、化学性质，为后续研究工作的开展提供了基础 数据。 ( 2 ) 微生物菌种的分离与筛选。广泛收集菌种、相关土样，采用与餐厨垃 圾各营养成分相对应的多种培养基，进行分离、筛选，测定其对蛋白质、脂肪、 淀粉等的分解能力，得到了数种有效微生物菌株。为今后进行扩大化培养，获得 有效微生物菌株按不同比例配合的复合菌剂奠定了基础。并且利用实验室恒温设 备考察生物对其降解效果。 ( 3 ) 生物降解法处理工艺的研究。弄清温度、初始含水量、接种量等参数 对处理效果的影响规律，其中包括生物降解前的水洗脱水预处理阶段的工艺优 化，以试图解决其中含盐高的问题。随后，加工了一套小型生物反应器，采用小 规模的试验法对处理工艺进行了试验研究，为处理设备设计提供依据。 1 5 本论文的构成 本文由以下6 章构成。 第l 章叙述了本研究的背景，目的、意义，以及国内外相关研究的现状。 第2 章以深圳职业技术学院2 个采样点的餐厨垃圾为对象，对餐厨垃圾的 物理、化学以及水淬液性质进行了实验研究。 第3 章生物培养试验，通过对土壤微生物中细菌的种类、数量分析，考察 了土壤微生物对主要营养物质的降解效果，并对菌种进行了驯化，利用生物制剂 对厨余垃圾进行降解研究。 第4 章探索性试验，主要对高温好氧工艺的影响因素进行研究，考察初始 环境温度，物料含水率，微生物接种量对反应的影响。 第5 章确定了好氧降解的工艺路线。首先根据相关的技术资料，确定好氧 工艺。随后加工小型生物反应器，并对包括预处理在内的一系列工艺参数进行优 化，并在生物反应器中进行小规模生产化试验。同时对降解产物的成分进行分析， 分析结果与我国有机肥料行业标准( n y 5 2 5 2 0 0 2 ) 的比较。 第6 章结论和建议 6 硕士学位论文第二章厨余垃圾相关物化性质的测定 第二章厨余垃圾相关物化性质的测定 厨余垃圾的物理和化学特性会随着组成成分、各地饮食结构的不同而变化， 不同的物化特性会对其后续资源化处理会产生极大影响。因此，本章通过大量的 实验，以深圳职业技术学院南门食堂以及教工食堂的厨余垃圾为典型的代表对 象，对其容重，水分含量、p h 值、有机质含量等相关物理和化学特性进行了分 析和检测，同时考虑到反应时微生物代谢发生在水溶相中，因此还对厨余垃圾的 水淬物的相关性质进行了检测，主要有水溶性总有机碳( t o c ) ，水溶性凯氏氮， 水溶性总氮( t n ) ，水溶性总碳( t c ) ，水溶性碳氮比( c n ) 等。检测得到的 数据可为今后餐厨垃圾处理设备的设计、储存、输送，处理工艺、以及处理工艺 条件的确定提供依据。 2 1 样本的采样和制备 2 1 1 样本的采样 在深圳职业技术学院南门食堂设两个采样点，深圳职业技术学院教工食堂设 一个采样点，连续3 个月分次取样，每次取样约4 k g 。 2 1 2 样本的制备 采集的厨余垃圾样本，通常颗粒大小悬殊、组成也不均匀，因此在实验室分 析之前，需对原始样本进行加工处理，从而将原始样本制成满足实验室分析要求 的分析试样。本试验首先对厨余垃圾进行手工筛选，挑选出其中的大块骨头，筷 子等物质；随后采用食物搅拌破碎机对样本进行破碎，破碎后用强力搅拌机混合 l o 钟后测量，未能及时测量时，样本放入冰箱中( 4 1 2 ) 保存。 2 1 3 实验仪器及设备 本实验所用主要设备及型号列于表2 1 。 7 硕士学位论文 第二章厨余垃圾相关物化性质的测定 表2 - 1 实验仪器与设备 t a b l e2 - 1e x p e r i m e n t a la p p a r a t u sa n de q u i p m e n t s 实验仪器及设备 d i o n e xi c s - 1 5 0 0 离子色谱 凯氏定氮仪( 含消解和蒸馏装置) s h i m a d z ut o c - v c 蹦有机碳检测仪 9 5 1 磁力搅拌器 h i t a c h ih i m a cc r 2 2 g h 高速离心分离机d h g - 9 1 4 6 型电热恒温鼓风干燥箱 v - 3 010 型紫外可见分光光度计 马弗炉 j y l 3 8 0 食物料理机 坩埚 孔径为4 5 微米的醋酸纤维滤膜 强力电动搅拌机 量筒 蒸发皿 m i l l i p o r e 纯水机 电子台秤 p h 计 针头注射器( 带过滤装置) 恒温水浴振荡器 高压灭菌锅 三角瓶、烧杯等玻璃仪器 2 1 4 实验试剂 实验所用试剂列于表2 2 。 8 硕士学位论文第二章厨余垃圾相关物化性质的测定 2 2 厨余垃圾相关物化性质的测定 厨余垃圾组成往往很复杂，其中含有大量的水分，有机物质，无机盐分等物 质。各组分含量的不同对总体的性质有很大的影响。为了减小误差，试验对样本 进行多次检测，最终结果以“平均值4 - 标准偏差 的形式表示 2 2 1 含水率的测定 采用直接干燥的方法。取洗净的蒸发置于9 5 1 0 5 干燥箱中，加热0 5 1 小时，取出盖好；置于真空干燥器内冷却至室温恒重。称取一定量的样品，放入 称量皿中，加盖精密测量后，置9 5 1 0 5 干燥箱中，干燥2 4 小时后，盖好 取出，再放入干燥器内冷却至室温称量。然后再放入9 5 1 0 5 干燥箱中干燥l 小时左右，取出，放入干燥器内冷却至室温称量。至前后两次质量差不超过2 m g ， 即为恒重【4 1 1 。含水率计算公式如下： x ：m ! - m 2 1 0 0 m j m 3 其中 x 样品水分含量，； m 。称量皿和样品的质量，g ； m ：称量皿和样品干燥后的质量，g ； m 3 称量皿的质量，g 。 9 ( 2 一1 ) 硕士学位论文 第二章厨余垃圾相关物化性质的测定 2 2 2 有机质含量的测定 称取2 0 9 试样，精确至0 0 0 0 1 9 ，置于已经恒重的瓷坩埚中( 坩埚空烧2 h ) 。 将坩埚放入马弗炉中，升温至6 0 0 c ，恒温6 - - 8 h 后取出坩埚移至干燥器中，冷 却后称重，再将坩埚重新放入马弗炉中同样温度灼烧1 0 m i n ，同样冷却称重，直 至恒重【4 2 1 。 有机质含量c ( ) 按下式计算： c = 盟1 0 0 ( 2 2 ) 肌称 其中 c 试验中有机质的含量，： 坩埚和烘干试样重，g ； m ：坩埚和灼烧后试样重，g ； 肼称。样量，g 。 2 2 3 容重的测定 取一定的物料，经天平测得质量为m ，在量筒中加入适量的水，读取体积 v l ，然后将物料加入到量筒中读取体积v 2 ，质量m 与v l 和v 2 差值的比值就是 物料的密度 4 3 1 。 容重的计算公式如下： p = 嵩枷。 ( 2 - 3 ) 其中 p 自然容重，g m l ： m 厨余垃圾的质量，g ； k 未加厨余垃圾的体积，m l ； 以加水后的体积，m l ； 2 2 4p h 值的测定 按湿物料：蒸馏水= l ：2 ( 7 9 湿物料与1 4 m l 蒸馏水混合) 的比例混合后于 振荡器上混匀，离心分离，上清液以p h 计测定m j 。 2 3 5 含盐率的测定 厨余垃圾中的盐分( n a c i ) 由离子色谱法进行测定其c l 。离子含量来测定。 ( 1 ) 氯离子标准曲线 1 0 硕士学位论文第二章厨余垃圾相关物化性质的测定 准确称量2 9 2 2 9 基准纯n a c i ( 1 0 5 c 烘干2 h ) 溶于水，移入5 0 0 m l 容量瓶中， 定容，配置成氯离子标准贮备溶液( 【c r - - o 1 m o l l ) 。吸取标准贮备液1 0 m l 于 l o o m l 容量瓶中，稀释至刻度，配置成氯离子标准使用液。吸取氯离子标准使用 液2 ，分别稀释到以下各浓度：0 4 m m o l l 、0 6 m m o l l 、0 8m m o l l 、1 0m m o l l 、 1 5m m o l l 和2 0m m o l l 。以0 4 5 9 m 滤膜过滤后注入离子色谱分析。对浓度和 峰面积进行线性回归，得到氯离子标准曲线图，如图2 1 ( a ) ( b ) 所示，其标准 曲线相关参数见表2 3 。 加 l b 1 6 ：1 4 ”1 2 一1 0 郓8 暗 譬6 4 2 o oo 5l1 52乏5 氯离子含量( t 0 0 1 ) 图2 i 氯离子标准曲线