（环境工程专业论文）以猪粪为接种物的餐厨垃圾中温厌氧试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着国家经济发展，城市居民生活水平迅速提高，餐厨垃圾与畜禽粪便等生 物质垃圾的产生量也相应剧增，餐厨垃圾与猪粪的污染已经成为环保部门面临的亟 须解决的问题。然而，在能源短缺的今天，为了解决能源短缺问题以及日益严重 的环境问题，国内外展开了畜牧业废弃物、餐厨垃圾的厌氧发酵生产沼气的研究 工作。餐厨垃圾和畜禽养殖废物又是生物质可再生能源，以厌氧消化的方式处理 餐厨垃圾、畜禽养殖废物具有成本低、环境效益好等优点，可有效实现垃圾的减 量化、无害化和资源化。 本试验采用已有的自制c s t r 厌氧反应装置选取餐厨垃圾和猪粪为原料，进行不 同有机负荷下的中温厌氧消化试验，研究有机负荷对厌氧消化反应中的p h 值、总碱 度、v f a 、氨氮、产气量和产甲烷率等指标的影响，分析系统的稳定性能和产气性能， 寻找厌氧处理的最佳运行条件。 结果表明：随着有机负荷从1 o o 、1 2 5 、1 5 0 、1 7 5 、2 o o 、2 2 5 、2 5 0 、2 7 5 9 v s l d 递增，p h 值保持在7 2 3 7 5 0 ；v f a 浓度一直稳定在7 2 3 6 0m g l 之间；厌氧消化过 程系统中的总碱度在1 0 5 3 0 1 7 3 7 7 m g l 之间，在整个试验过程中碱度含量都相对较高， 一直保持在1 0 0 0 0 m g l 以上；氨氮浓度一直在1 5 9 9 2 0 4 7 m g l 的范围内平缓波动，浓 度变化不大。总体上来说，厌氧消化系统在进料有机负荷为1 o o - 2 7 5 9v s ( l d ) 时是 稳定的。 进料有机负荷为1 0 0 2 7 5gv s ( l d ) 时，平均产甲烷体积分数为4 9 8 - 5 9 7 ， 在有机负荷为1 7 5gv s ( l d ) 时，平均产甲烷体积分数最高，为5 9 7 。平均日产气 量分别为5 9 4 2 m l 、6 9 1 8 m l 、7 5 9 6 m l 、9 5 9 6 m l 、1 2 0 8 9m l 、1 2 8 4 3 m l 、1 5 5 8 8m l 、1 5 2 4 6 m 。 进料有机负荷为2 5 0gv s ( l d ) 是日平均产气量最高，为1 5 5 8 8m l 。平均日产甲烷量 分别为9 5 7 m l 、3 6 3 0 m l 、4 0 0 3 m l 、5 6 7 7 m l 、6 3 6 5 m l 、7 0 0 5 m l 、8 2 2 6 m l 和8 1 7 2 m l ，进 料有机负荷为2 5 0 9v s ( l d ) 时的平均日产甲烷量最高，为8 2 2 6 m l 。 关键词：餐厨垃圾；猪粪；厌氧消化；甲烷；半连续 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d s ， k i t c h e nw a s t e ，a n i m a lm a n u r ea n do t h e rb i o m a s sw a s t eh a v eh e a v i l yi n c r e a s e d t h u s ，t h e p o l l u t i o no f k i t c h e nw a s t ea n dp i gm a n u r ch a v eb e c o m ea ni m p o r t a n tp r o b l e mo f w h i c ht h e e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nd e p a r t m e n t sh a v et of a c ea n ds o l v eu r g e n t l y h o w e v e r , no r d e rt o s o l v et h ee n e r g ys h o r t a g ea n dt h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e m st h a te x p a n d t h el i v e s t o c kw a s t e , k i t c h e nw a s t ea n a e r o b i cd i g e s t i o nt op r o d u c eb i o g a sa th o m ea n d a b r o a d k i t c h e nw a s t ea n dl i v e s t o c kw a s t ei sb i o m a s sr e n e w a b l ee n e r g y , a n dt h ea n a e r o b i c d i g e s t i o n o ft h ew a yt od e a l 丽t hk i t c h e nw a s t e ，l i v e s t o c kw a s t eh a sal o wc o s t , e n v i r o n m e n t a lb e n e f i t sa n da d v a n t a g e sw h i c hc a ne f f e c t i v e l ya c h i e v ett h er e d u c t i o no f w a s t eh a r m l e s sa n dr e s o u r c e s t h es e l f - d e s i g n e dc o n t i n u o u ss t i r r i n gt a n kr e a c t o r ( c s t r ) i sa p p l i e dt or u nt h e i n t e r f u s i o na n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n t a k i n gt h ek i t c h e nw a s t ea n dp i gm a n u r ea st h e e x p e r i m e n t a lr a wm a t e r i a l s ，t h eb a s i cd a t u mo fs e v e r a le x p e r i m e n t a li n d e x e s ，s u c ha sp h v a l u e , t o t a la l k a l i n i t y , v f a , a m m o n i a - n i t r o g e n , p r o d u c t i o nr a t eo fg a s ，p r o d u c t i o nr a t eo f m e t h a n ee r e a r eo b t a i n e du n d e rd i f f e r e n to l rv a l u ea tt h em e d i u mt e m p e r a t u r ea n dt h e s t a b i l i t yo ft h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n dg a sp r o d u c t i o np r o p e r t i e sa r ea n a l y z e d m e a n w h i l e ， t h eb e s to p e r a t i n gc o n d i t i o n so fa n a e r o b i ct r e a t m e n ta r ef o u n d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：w i t hg r a d u a l l yi n c r e a s i n go r g a n i cl o a d i n gr a t e ( o l r ) p hv a l u e w a sm a i n t a i n e da t7 2 3 7 5 0a n dt h ev f ac o n c e n t r a t i o nw a ss t a b l ea t7 2 3 6 0 m g li n a d d i t i o nt ot h ef l u c t u a t i o n a n a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s ss y s t e mo ft o t a la l k a l i n i t yi n10 5 3 0 - 1 7 3 7 7 m g l ，i nt h ew h o l e t e s tp r o c e d u r ea l k a l i n i t yc o n t e n ta r cr e l a t i v e l yh i g h , h a sb e e n m a i n t a i n e di nt h e10 0 0 0 m g la b o v e ；t h ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i a n i t r o g e nf l u c t u a t e s b e t w e e n1 5 9 9 2 0 4 7 m g lw h e nt h eo l rv a l u ei n c r e a s e sf r o m1 0 2 7 5gv s ( l 。d ) a n dt h e s y s t e mo fa n a e r o b i cd i g e s t i o nw o r k ss t e a d i l yw i t h i l lt h es a m eo l rv a l u eb o u n d s t h ea v e r a g ev o l u m ef r a c t i o no fm e t h a n ei s4 9 8 - 5 9 7 w h e nt h eo l rv a l u ei s b e t w e e n1 0 0 2 7 5gv s ( l d ) t h ea v e r a g ev o l u m ef r a c t i o no ft h em e t h a n eo u t p u tt o o b t a i nt h em a x i m u mv a l u es5 9 7 w h e nt h eo l rv a l u ei s1 7 5 t h ea v e r a g ed a i l yg a s p r o d u c t i o nw e r e5 9 4 2 m l ，6 9 1 8 m l ，7 5 9 6 m l ，9 5 9 6 m l ，1 2 0 8 9m l ，1 2 8 4 3 m l ，1 5 5 8 8m l ， ! r 皇皇舅曼曼曼量曼曼璺曼暑曼曼曼曼量曼曼曼笪鼍曼曼曼曼曼鼍曼舅曼鼍曼暑曼詈暑! e 2 2 5 2 2 5 。5 2 2 。 15 2 4 6 m t h em o s ts u p e r i o rd a i l yg a sp r o d u c t i o ni s 15 5 8 8 m lw h e nt h eo l rv a l u ei s2 5 0 9 v s ( l d ) t h ea v e r a g em e t h a n ep r o d u c t i o nr a t ew e r e9 5 7 m l ，3 6 3 0 m l ，4 0 0 3 m l ，5 6 7 7 m l ， 6 3 6 5 m 1 ，7 0 0 5 m 1 ，8 2 2 6 m la n d8 17 2 m l t h em o s ts u p e r i o rd a i l yg a sm e t h a n ep r o d u c t i o n r a t ei s8 2 2 6 m lw h e nt h eo l rv a l u ei s2 5 0 9v s ( l d ) k e y w o r d s ：k i t c h e nw a s t e ；p i gm a n u r e ；a n a e r o b i cc o d i g e s t i o n ；m e t h a n e ；s e m i 。c 0 鲥m 1 0 u s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着经济的发展以及城市化进程的加快，排放到环境中的垃圾总量也在不断的增 加。与此同时，这些垃圾若是不能处置好将会出现很多问题，如破坏城市景观，造成 周围环境污染，传播疾病，威胁人类生命安全等。从1 9 7 9 年开始，我国的城市生活 垃圾以平均每年约8 9 8 的速度增长，一些大型城市如北京等其生活垃圾增长率甚至 达到了1 5 2 0 ( 其中有机成分含量大约占垃圾总量的4 5 5 5 ) 。餐厨垃圾是城 市生活垃圾的主要来源，它含有细菌、病原菌等，若是将餐厨垃圾同城市其他的垃圾 混在一起进入城市垃圾的收集系统，会产生难闻的气味并对周围的环境造成一系列的 影响，同时形成的恶臭气体会导致空气污染【l 】。对于餐厨垃圾进行厌氧发酵反应，既 可以解决我国的餐厨垃圾环境污染问题，又可以获得再生能源，解决能源危机。其次， 随着畜禽奶品等相关产品的需求量的不断增加，大规模的集约化养殖小区以及养殖场 也在不断的增加，同时畜禽粪便以及污水的排放量也在不断的增加，它所带来的环境 污染问题也就越来越突出。根据国家环保部统计：在1 9 9 9 年时我国的畜禽废物量是 工业固体废物产生总量的2 4 倍，畜禽废物量大约是1 9 亿吨；在2 0 0 2 年时畜禽废弃 物量已经达到约2 7 5 亿吨，是当年工业固体废弃物的2 9 1 倍【2 】。由此可见，由畜禽 养殖废物造成的污染是我国农村面源污染的主要来源。 餐厨垃圾以及畜禽养殖废弃物都是生物质可再生能源，采用厌氧发酵技术可将厌 氧消化产生生物能并对其进行回收利用。利用厌氧发酵技术处理餐厨垃圾以及畜禽养 殖废弃物的优点是环境效益好、成本低等，这种技术可以实现垃圾的减量化、无害化 以及资源化。既可以治理环境污染，又可以为人们提供了生物质能源，而且还可以提 供有机肥料，所以厌氧发酵技术越来越受到人们的关注【3 一钉。 为了解决环境问题和能源短缺问题，自2 0 世纪7 0 年代以来，我国展开通过厌氧 发酵技术来处理畜牧业废弃物、餐厨垃圾以及农业的研究工作【5 1 。目前国内外关于厌 氧消化技术处理餐厨垃圾以及畜禽粪便的研究还不是很多，并且大部分的研究工 作仍处于起步阶段。本试验使用自制的c s t r 反应器，以驯化后的猪粪作为接种 物，通过半连续式迸料对餐厨垃圾中温厌氧消化试验进行实验室研究。探索不同 有机负荷下厌氧消化过程中的水解酸化规律以及产气性能，并最终确定厌氧消化 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 量皇曼曼曼曼曼量皇曼量曼量皇量量曼量曼量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼笪量曼曼曼曼曼鼍曼曼皇曼曼i i 曼量曼鼍皇曼曼曼皇曼曼鼍皇曼曼曼量量量量皇量曼曼量 的最佳有机负荷，期望能够为中温厌氧消化技术处理餐厨垃圾的大规模试验研究 提供更为详尽数据，同时也为厌氧消化工艺对今后工程的实际应用提供更加全面 详尽的参考依据。 1 2 餐厨垃圾的产生及处理现状 1 2 1 餐厨垃圾的来源与组成 餐厨垃圾俗称泔脚，它是在人们日常生活消费过程中所形成的一种固体废弃物， 是家庭、饮食单位抛弃的残余垃圾的通称。餐厨垃圾主要是由菜蔬、米面、肉食、骨 果皮、果核等主要成分组成，此外还包括一些废餐具、餐纸、牙签以及一次性桌布等。 在不同的地点、不同的季节餐厨垃圾各组成含量也会有所不同。从化学角度上看主要 有有蛋白质、脂类、淀粉、纤维素以及无机盐等。与其他垃圾相比餐厨垃圾营养丰富， 有机物含量较高，所以极易变质散发出恶臭并传播病毒与细菌。 餐厨垃圾主要来源于家庭、饭店、宾馆以及各企事业单位食堂，可以将其分为餐 饮垃圾和厨余垃圾。通常食堂、饭店等餐饮行业的残羹剩饭称为餐饮垃圾，它的特点 主要是产生量大、来源多、分布广。通常把家庭产生的垃圾称为厨余垃圾，它的主要 特点是数量较少且分散，一般情况下都是与其他的家庭垃圾相混合。有报道称，我国 餐厨垃圾的日产生量均超过了2 0 0 0 0 t 6 。餐厨垃圾内营养物质丰富，而且产生相对比较 集中，因此，对餐厨垃圾进行集中资源化处理，不仅能够解决我国能源短缺问题，还 可以改善日益严重的环境问题。 1 2 2 餐厨垃圾的处理现状 处置餐厨垃圾的方法有很多，主要有卫生填埋、厌氧发酵、好氧堆肥、生产生物 柴油、焚烧法、饲料化以及热分解法。从可持续发展的角度来看，餐厨垃圾的处置方 法还应该考虑到环境保护以及资源利用双重原则。 l 、卫生填埋 采用填埋法处置餐厨垃圾，不需要对餐厨垃圾进行预处理，就可以将其分解有机物 产生甲烷，并且能够将垃圾全部一次处理，操作方便。然而卫生填埋方法处理餐厨垃 圾时主要是以消纳餐厨垃圾为目的，不能对餐厨垃圾进行资源化处理。大多数国家采 用卫生填埋作为处理餐厨垃圾的主要方式。餐厨垃圾有机质含量高，稳定性差极易降 解，使用卫生填埋的方法处置填埋场地可以多次恢复使用，应用广泛叼。但是因为卫 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 生填埋的用地地面积非常大，餐厨垃圾被填埋后，会出现填埋场的收集处理系统的负 荷增大、处理技术的难度增大以及卫生填埋场渗滤液渗透等一系列的问题，填埋场的 运行及操作以及管理工作会更加复杂，与此同时餐厨垃圾的处理成本也会大大的增 加，经过处理的污水很难达到排放标准。 2 、厌氧发酵 厌氧发酵主要是指在厌氧环境中，有机物在厌氧微生物的作用下被分解成甲烷以 及二氧化碳的过程，厌氧发酵所产的沼气可回收用作燃料，其余的产物用作肥料。餐 厨垃圾的有机物含量较高，且含水较率较高，因此在对餐厨垃圾进行厌氧发酵处理时 对一些因素必须进行严格的控制。使用厌氧发酵技术对餐厨垃垃圾进行处理，整个处 理过程主要包括餐厨垃圾预处理过程、厌氧发酵过程、脱水滤液处理过程、气体净化 过程以及贮存等。此方法的主要优点是：餐厨垃圾的含固率比较低，适合用于厌氧发 酵，且由于餐厨垃圾含水率较高在发酵的过程中不需要外加水或者脱水【8 】；产生的沼 气可以回收利用；可以在用厌氧发酵发处理餐厨垃圾的同时对其他的有机废物( 如污 泥、粪便等) 进行处理；可以对厌氧发酵的产物添加添加剂来制造肥料：由于厌氧发 酵法处理餐厨垃圾具有占用土地面积较少、运行周期较短、处理餐厨垃圾的有机负荷 很高、对环境造成的负面影响较小等优点，因此厌氧发酵法对于对环境有较高的要求 的城市很是适用。丹麦c a r i b r o 工艺以及法国v a l o g r a 工艺等【9 】是厌氧发酵技术处 理餐厨垃圾的典型性可行工艺。同时此方法也存在一些缺点：餐厨垃圾中有塑瓶盖、 骨头、料袋、筷子等不易被降解的杂质，对餐厨垃圾处理时需要设置预处理系统；由 于餐厨垃圾中盐分和油脂的含量较高，将会对微生物降解垃圾的整个过程造成严重影 响；此外厌氧发酵法处理餐厨垃圾时还需要设置除菌、除臭、防污防尘等系统。 3 、好氧堆肥 好氧堆肥是指在有氧的环境中，有机废物通过好氧微生物的作用进行吸收、氧化 并分解为无机物的过程。在这个过程中一部分的有机物被氧化分解成为简单的无机 物，并对微生物提供其生长活动所需要的能量，另一部分则合成新的细胞质，从而使 微生物能够继续生长和繁殖。餐厨垃圾营养丰富，有机物含量较高，适用于作为堆肥 材料。此外餐厨垃圾中的惰性废物含量较少，利于堆肥产品的利用。且餐厨垃圾中微 生物菌种的含量很高，能够使堆肥过程的顺利进行。由于餐厨垃圾具有含水率高、含 盐量高、脱水难、p h 值低等特性，好氧堆肥过程中应当对这些特性进行调整，以保 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 证整个好养堆肥过程能够正常的进行。餐厨垃圾好氧堆肥具有处理方法简单，且堆肥 产品营养丰富等优点，可以制作农用肥料或动物饲料使用。缺点主要是堆肥将会占用 大量的土地面积、操作周期太长，堆肥过程中还产生污水以及恶臭气体对环境造成污 染，由于餐厨垃圾油脂和含量盐较高将会对微生物生长繁殖及有机物降解过程中的简 介速度和降解程度起到抑制作用，从而对好氧堆肥处理餐厨垃圾的处理效果起到了制 约作用1 0 】。 4 、生产生物柴油 利用餐厨垃圾来生产生物柴油是餐厨垃圾资源化处理的新方向，这种方法主要是利 用餐厨垃圾中回收的潲水油来制作成生物柴油，也可以称生物柴油为“再生燃油”。生 物柴油的优点是：不含有芳香族烷烃，含氧量较高，硫含量低，生物降解性高，排烟 较少等。生物柴油的缺点是：餐厨垃圾中含有较多的杂质油，所以在提取时必须对设 备温度进行严格的控制，才能够对于产品纯度以及转化率有较高的保证；在生物柴油 的生产过程中，为了保证发动机正常工作，必须保证酯交换反应完全且对甘油等副产 品彻底去除；另外，以植物油为原料，潲水油为辅助添加料生产的生物柴油虽然具有 良好的环境效益，但经济成本相对较高，在国外是靠大量减税或免税才使其价格与现 有柴油相近。据统计：奥地利每年仅仅是从1 3 5 个餐馆收集的废食用油脂就可以生产 1 0 0 0 多吨生物柴油【1 1 】。1 9 9 9 年在香港，九龙巴士公司同香港大学合作，香港大学教 授对于餐饮业废油脂进行研究并成功的提炼出了生物柴油，并在九龙巴士公司对提炼 出的生物柴油作为燃料添加剂进行测试。 5 焚烧法 采用焚烧法对餐厨垃圾进行处理的处理效率很高，这种方法处理餐厨垃圾后只产生 约为5 的残余物，对于餐厨垃圾的最终处置非常有利。餐厨垃圾的焚烧是在一个特 制的焚烧炉中进行的，可以将餐厨垃圾在焚烧过程中产生的热能转换成蒸气或是电 能，并对能源进行回收再利用以实现餐厨垃圾的资源化处理。但是由于使用焚烧法来 处理餐厨垃圾投资费用昂贵，而且它的尾气排放还要受到国家排放标准的限制，从而 使得焚烧法不能被广泛使用。在发达的国家，垃圾焚烧技术采用较多，在国内很少使 用焚烧法来处理餐厨垃圾。由于餐厨垃圾的含水率比较高，而且热值很低，这使得其 在焚烧炉中燃烧时自身的热值不能维持自身的持续燃烧过程，需要添加辅助燃料等其 他措施才能有效进行处理，逡使得处理成本太高，因此对低热值的餐厨垃圾不适宜采 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 用焚烧法来处理。 6 、饲料化 将餐厨垃圾直接用作动物饲料是我国传统的餐厨垃圾的处置方式。餐厨垃圾中含有 大量未经消化的营养物质，如粗蛋白、维生素、矿质元素、脂肪和碳水化合物等，经 过加工处理可成为较好的饲料资源。并可以代替大豆、鱼粉等蛋白饲料1 2 1 。目前，在 东京某宾馆，n e wo t a n ih a k a t a 将使用干燥机处理后的食品废物交给肥料厂制作有机 肥成功后，又委托饲料加工厂用此方法生产鸡饲料并再次获得成功【1 3 】。饲料化处理技 术主要包括湿热法、生物发酵法、真空油炸法、物理烘干法等。国内常将餐厨垃圾经 由经过加工处理制成蛋白饲料，这种利用餐厨垃圾由微生物发酵生产菌体蛋白饲料的 方法具有能耗低，投资少，见效快，操作简便等优点。但是利用餐厨垃圾作饲料面临 着许多问题需要解决，如饲料的使用存在一定的安全隐患，相应的设备、技术投入需 要进行调整，消毒要求较高，需要增加处理成本等一系列的问题，因此该技术的应用 受到了一定的限制。 7 、热分解法 热分解法是指在高温条件下对餐厨垃圾进行热解，把餐厨垃圾中含有的能量转换 成为燃气、炭以及油的形式，在对转化后形成的燃气、炭以及油进行回收再利用，以 实现餐厨垃圾资源化处理。在热分解过程中由于餐厨垃圾中含有的硫、氨以及氦等在 热解过程中仍然保持其还原状态，从而减少了对热分解装置的腐蚀性。虽然热分解法 具有比较广泛的应用前景，但是这种方法处理餐厨垃圾的技术目前还没有达到实用阶 段。热分解法处理餐厨垃圾的最大缺点是在分解过程中分解产物的品质不高。 1 3 畜禽粪便的产生及处理现状 1 3 1 畜禽粪便的来源与危害 人们对于畜禽奶品等相关产品需求量的不断增加，导致了大规模的集约化的养 殖小区以及养殖场不断增加，畜禽粪便以及污水排放量也随之不断的增加，这就造成 了环境污染问题越来越严重。畜禽养殖废物主要是畜禽粪便所产生的污染是我 国农村主要的面源污染【l 引。 由于环境保护法律法规的不健全以及资金的短缺等各方面的原因，畜禽粪便 得不到有效地处理，从而导致污染程度不断增加，污染范围也随之不断的扩大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 在畜禽粪便的堆积过程中会产生温室气体甲烷，所以说畜禽粪便也能够造成温室 效应【1 5 】。 畜牧业对生态的破坏极为严重，其产生的畜禽粪便如果处理不当排放到环境 中，不仅有害于人和动物的健康，还会对空气、水和土壤等环境要素造成污染。一 些大规模集约化畜禽养殖场，由于无法找到一个合理的处置方式，将畜禽粪便进行 长期堆放，这样会产生难闻的气味污染环境，因此，畜禽粪便所产生的污染已成为 了非常严重的环境污染。 1 3 2 国外畜禽粪便处理现状 对于规模化畜禽场废物( 主要是畜禽粪便) 处理以及资源化利用的研究，已 经成为了国际农业环境研究领域的一个热点，同时也是确保农牧业能够可持续发 展以及农畜产品安全使用的关键技术。在2 0 世纪4 0 年代初，国外就已经开始了对 畜禽粪便的研究工作，到2 0 世纪5 0 年代，小型养殖场主要是以传统的固态粪方式 对畜禽粪便进行收集，并贮存起来作为农田肥料使用。到2 0 世纪6 0 年代后，开， 始出现了一些大规模的畜禽养殖场，这些养殖场主要是采用水力清除的方法来清 除畜禽粪便，这样便实现了畜禽粪便处理的机械化以及高效率，但是却会产生大 量的液态粪，大大的增加了运输的成本。在国外，2 0 世纪6 0 年代中后期，对于 畜禽粪便的处理在技术上已基本成熟，并实现了畜禽粪便的无害化资源化处理 【1 6 】。日本研制出的卧式转筒式以及立式多层式的快速堆肥装置具有发酵快、质地 优、占地少等特点。美国b i o t e c 2 1 2 0 系统，于1 9 9 3 年获得专利，该畜禽粪便 处理系统主要是通过微生物高温堆肥将畜禽粪便发酵成为优质的有机肥料，该方 法对于高湿物料有特殊的作用，并被联合国国际环保组织认可【1 7 】。畜禽粪便经过 好氧发酵后消除了粪便中的有害微生物，改善净化环境的同时可以改良土壤特 性，是一种有机质丰富的稳定肥料来源【1 8 】。韩国的槽式螺旋搅拌发酵系统的优点 主要是造价低、运行成本低且发酵能够连续进行1 9 】。此外，俄罗斯的有机肥发酵 装置，该装置在发酵过程中一般日产有机肥量能够达到1 0 0 吨【2 们，但是该装置的 确定是在发酵过程中存在养分的损失。 总体而言，畜禽场粪便的处理与一个国家的经济发展水平是有关系的，先进国 家实施的畜禽养殖清洁生产技术，基本上已经达到了产业化以及规模化和的水平。 因为这些设备造价很昂贵且运行成本较高，在我国还没有被应用。在发达国家，畜 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 量皇量曼曼曼鼍量舅舅量鼍量曼曼曼量曼曼曼皇量曼皇量皇曼量曼曼i 一 一一； 一； i 量量皇皇量曼皇曼皇皇量曼曼皇鼍 禽场粪便主要是作为肥料还田使用，而在发展中国家，畜禽场粪便则主要是作为饲 料使用。因此，我们应该吸取并借鉴国外成功的经验，寻找最适合我国畜的处理技 术来对畜禽粪便进行处理，减少其对环境的污染，实现废物资源化。 1 3 3 国内畜禽粪便处理现状 目前，我国对畜禽养殖粪便的处理方式可以总结为以下五种方式。 一是畜禽养殖粪便用作饲料，它主要是指对于加工下脚料以及畜禽粪便的饲料 化研究，也可以成为饲料化。畜禽粪便经过适当加工处理后当做各种养殖饲料资源 来利用是一种有效的处理途径。畜禽粪便含有主要组成成分是未消化的蛋白质、碳 水化合物、b 族维生素、粗脂肪以及矿物质元素。畜禽粪便中粗蛋白质含量较高， 因此可以加工成很好的畜禽饲料。因此对于畜禽粪便饲料化处理成为了不少国家畜 禽粪便资源化的重要途径之一【2 0 1 。但是经由专业机构检测可知，畜禽粪便是由体 内代谢产物、未消化的饲料、肠道微生物、消化道粘膜以及分泌物等组成，因为它 的组成成分很复杂且包含许多对畜禽健康不利的成分，从而容易导致畜禽之间爆发 传染病。 二是畜禽养殖粪便肥料化处理，就是通过各种技术方法将畜禽粪便转变为肥 料，这些肥料对土壤具有改良与恢复的功用，能够实现提高农作物的产量的目标。 肥料化处理法包括生物处理法、腐熟堆肥法、土地还原法等肥料化技术，但是直 接把畜禽粪便作为肥料使用，会产生恶臭气味污染空气，同时也会对周围环境造 成严重的威胁 三是自然堆沤处理。目前我国大部分的畜禽粪便是通过自然堆沤进行处理 的。自然堆沤处理的原理是通过沉淀人工分离出畜禽粪便中干物质再进行自然堆 沤，堆沤后干物质作有机肥返田使用 2 ，分离出的污水集中收集，其余的外排。 畜禽养殖场粪便堆存这种方式会受季节性的影响，一年中有一半时间的粪便废水 直接外排，没有被利用，因此自然堆沤处理处理畜禽粪便也不宜提倡。 四是好氧生物处理，它的原理主要是利用好氧微生物生命活动将畜禽粪便污水 中的有机物分解成二氧化碳和水。此方法一般只能适用于城市生活污水等浓度较低 的污水，而且这种方法需要更高的成本，而且排放的污水很难达到排放标准。 五是厌氧生物处理，此方法主要是对高效沼气以及发电工程系统进行的研 究，其原理主要是利用厌氧微生物的新陈代谢作用将有机物分解为二氧化碳、水 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 以及甲烷。厌氧生物处理一般情况下并不需要消耗能量，而且还可以做到对废弃 物的资源化、无害化处理，废水经过处理后就已经达到了排放标准，可以直接排 放。大中型的沼气工程，一般废物中每去除一公斤有机物就可获得的清洁沼气燃 料( 可发0 6 度电) ；沼液是作有机肥料使用；经过处理后的沼渣既可制成有机肥料， 也可以用于养鱼等【1 6 1 。 1 4 餐厨垃圾厌氧消化技术的国内外研究现状 目前国内外对于餐厨垃圾单独进行厌氧消化以及餐厨垃圾与其他组分有机废物 混合进行厌氧消化已经做了大量的研究，并且取得了很好的研究成果。 1 4 1 餐厨垃圾厌氧消化技术国内研究现状 近几十年来，在餐厨垃圾单独厌氧消化技术方面，国内的学者作了大量研究工作， 并取得了很多成果。赵杰红瞄】等主要对于餐厨垃圾在5 0 、4 0 、3 7 、2 5 不同温 度条件下的认产量、水解率、速率、有机酸的组成以及乳酸产量等进行了考察。其 结果表明：餐厨垃圾在水解酸化过程中的最优温度为3 7 。曹先烈2 3 】在餐厨垃圾厌氧 消化过程中探讨温度对与产氢的影响的实验研究。结果表明：应当在中温条件下进行 餐厨垃圾厌氧消化产氢过程。王星【2 4 】贝0 研究了有机负荷率o l r 以及消解液回流比对厌 氧消化的影响，研究结果表明：1 8 0 的回流比仅适用于低有机负荷率，当系统处于高 有机负荷率时，高回流比会造成挥发性脂肪酸及钠离子的积累，进而影响消化系统的 性能。蒋建国【冽等研究表明：在能够长期稳定运行的厌氧消化体系中，微生物群落对 于氨氮的承受能力已经趋于稳定或饱和，当氨氮的浓度超过这一限值时，消化体系的 稳定性能以及产气性能开始降低。徐剑波等【冽运用序批运行方式对厨余垃圾进行厌氧 反应酸化阶段的研究，结果发现水解酸化最佳工况的进料含固率为8 ，水力停留时间 为5 d ，负荷为1 6 9 ( t s ) ( l d ) 。张波阳等通过对食堂餐厨垃圾在不同的p h 条件下的挥发 酸产量、水解率进行试验研究。结果表明：当p h 值为7 时，消化反应过程中餐厨垃圾的 水解率以及酸化率更高。史红钻等【2 6 】对带有消化液循环的两阶段间歇、湿法厌氧消化 处理厨房垃圾进行了稳定性和可行性研究。、发现厌氧消化过程中甲烷相的产气量平均7 为0 2 9l ，( g t s ) ，t s 的去除率达7 2 2 6 。赵明星等【2 8 】研究发现，在对食堂餐厨垃圾进行 厌氧消化过程中，当p h 控制为6 的反应体系中沼气的产量最大。黄楠等【2 9 】通过对p h 值、 温度以及接种比例对厨余垃圾厌氧消化产酸的影响进行试验研究发现，在厌氧消化反 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 应的第五天，当p h 值为6 ，温度为3 7 c 以及接种比例为4 ：1 时， v f a 和乙酸，c o d 去除量以及去除率到了最大值。马磊等【3 0 】通过对运行参数( 如温度、t s 、搅拌、碳氮 比、有机负荷、p h 、碱度等) 对干式厌氧消化运行效果的影响进行研究，提出了餐厨 垃圾干式厌氧消化在将来的主要研究方向和运用开发前景。金建祥等【3 l 】研究发现在反 应器容积负荷小于4 0 9 c o d ( l d ) 、温度为( 3 5 士1 ) 、h r t 大于2 0 d 的条件下，厌氧工艺 处理餐厨垃圾时所产生物气中甲烷含量大于5 8 ，且厌氧消化体系对t s 的去除率大于 7 7 ，对c o d 的去除率大于8 0 。蒲贵兵等【3 2 】研究发现在消化污泥作为接种物对泔脚 产氢余物进行厌氧消化时当消化污泥的接种量为6 0 产沼气能力最强。徐晓辉等【3 3 】认 为对于餐厨垃圾厌进行氧消化时，当消化体系的起始固含率为1 2 时反应体系具有较 高的运行效率以及处理效率。李荣平等【3 4 】通过对校园餐厨垃圾为的原料进行实验分析 发现午餐和晚餐相比早餐的c a 2 + 、n 矿以及c 1 。含量要高，累积甲烷产量分别为2 1 2 2 、 3 31 6 和3 6 2 4 m l g 。 1 4 2 餐厨垃圾厌氧消化技术的国外研究现状 国外的学者为了论证餐厨垃圾厌氧消化技术在实际应用中的可行性做了大量的 研究工作。c h o 等【3 5 】通过两级干法对于餐厨垃圾的产气能力进行研究，研究表明：水 力停留时间、消化反应器的性能以及消化液回流比都会对厌氧消化反应速度造成影 响。c o n v e r t i 3 6 】等人通过对水果以及蔬菜混合废弃物在批量式厌氧消化试验研究，研 究表明：混合消化反应的消化过程进行的很快，其第一动力学常数约为4 1 x 1 0 一l h 1 9 v s s 一。l e d a k o w i c z 3 刀等通过研究发现，当消化液回流比过高时就会造成酸化过程 和甲烷化过程的不平衡，从而导致v f a 不断积累，并对甲烷菌的活性起到抑制作用。 w e n g ef u 等【3 8 1 研究表明：p h 为5 6 时，最适宜产生乳酸，当p h 值调节到7 时就可 以对乳酸的浓度进行控制，从而提高了乙酸的含量。而f c i j i o og 等【3 9 枷】的研究表明： 当n a + 浓度大于8 9 l - 1 时会对产甲烷菌的活性造成严重影响。s u n k e e 等【4 1 】对发现通 过对h r t 进行调节可以改善厨余废物的水解酸化效果，并能够提高处理厨余废物的 效率。y a d v i k a s 等f 4 2 】通过对厌氧消化过程中v f a 浓度的影响进行考察，发现厌氧消 化过程中v f a 浓度的积累超过2 0 0 0 m g l 时，甲烷菌的活性受到毒性抑制作用，致使 产气量下降甚至是停止产气。x u 等【4 3 】发现渗滤液循环有助提高厨余废物的水解酸化 效率，从而提高整个厌氧消化过程的效率。g h a n e m 等【删认为当p h 值为4 时餐厨垃 圾的水解酸化过程并没有受到影响，但是在厌氧环境中的p h 值更低时将会对微生物 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 的活性造成严重影响，影响水解酸化过程。c a l l a g h a n e 4 5 】将牛粪和鸡粪以及饮料生产废 料进行混合消化，消化的效果显示联合消化的效果要明显高于牛粪单独消化。n e v e s 等【徊发现不同的接种率对餐饮垃圾厌氧消化过程的的水解酸化过程产生影响。 s h 锄a 【明发现在厌氧消化过程中添加1 的洋葱渣以后，厌氧消化系统中的产气量将 会增加，此时沼气的产量将会提高4 0 8 0 。w p a r a w i r a 【4 8 】等人通过对土豆以及甜 菜叶混合厌氧消化进行试验研究，发现混合厌氧消化时与单独厌氧消化相比产气率要 高2 0 以上，因此得出结论认为：将氮含量高的废弃物与淀粉含量高的废弃物混合 进行厌氧消化时系统的产气能力会提高。而s z a n t o 等【4 9 】发现，如果在厌氧发酵的初 期启动时增加一定接种物的量则可以一定程度上减小酸化问题。m i n 等【5 0 】通过厨余垃 圾厌氧发酵试验研究了温度、h r t 以及p h 值对厌氧消化过程中产v f a 的影响。研 究表明：当温度为( 1 8 士2 ) 、调节p h 为5 2 6 7 、h r t 为5 d 时，厨余垃圾为1 0 ( 质 量分数) 的最大v f a 产率为0 3 1 8g t 。 、 1 5 研究的目的、内容和方法 1 5 1 研究的目的 本文主要是对以猪粪为接种物的餐厨垃圾中温厌氧消化试验做基础的研究以及 分析，通过对不同有机负荷下厌氧体系稳定性能以及产气性能进行分析，为更大规模 的餐厨垃圾中温厌氧消化试验研究提供更为详尽数据，同时也为厌氧消化技术在 工程的实际应用提供更加全面详尽的参考依据。 1 5 2 研究的内容 试验主要材料为餐厨垃圾、养殖场猪粪，采用室内中温厌氧消化方法对试验材料 在厌氧消化水解酸化过程中的特征参数及其影响因素等进行分析，主要研究内容以及 研究工作如下。 l 、以已有的自制的c s t r 反应器作为厌氧反应器，采用半连续、逐步提高有 机负荷的进料方式进行以猪粪为接种物的餐厨垃圾中温厌氧消化室内试验。 2 、对试验过程中的t s 、v s 、p h 值：v f a 、总碱度、氨氮、产气量以及产甲烷 率等参数进行监测，分析不同有机负荷对厌氧消化体系稳定性能与产气性能的影响， 进而研究并探寻餐厨垃圾、养殖场猪粪便这两种有机废弃物采用厌氧消化处理的最佳 运行条件。 1 5 3 研究的方法 本研究课题主要是以实验室试验为基础，遵循资料的收集，文献查阅，试验可行 性研究，实验室实验，结果分析的研究思路，本文研究的具体技术路线如图l - l 所示。 收集资料与文献查阅 餐厨垃圾和猪粪的收集 各项参数检测和分析 中温厌氧消化可行性研究 以猪粪为接种物的餐厨垃圾厌氧消化 系统稳定性和产气性能的研究 试验结果分析 结论与建议 图卜1本文研究技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第二章厌氧消化技术概述 2 1 厌氧消化技术原理 厌氧发酵过程，是指在特定的厌氧环境中，有机物质在下专性厌氧菌以及兼性菌 等微生物的共同作用下，进行厌氧分解生成c h 4 和c 0 2 的过程。图2 1 为厌氧消化降 解途径，根据微生物作用的不同以及消化产物的不同，通常厌氧消化过程分为四个阶 段： 复杂有机化合物 i l i 蛋白质碳水化合物 脂类 l 水解1 1 ，1 ， r r1 氨基酸、糖脂肪酸、乙醇 1 中间产物丙酸、丁酸等 2 i 1 产氢 产乙酸 一j 乙酸 | 3f 一氢气、一氧化碳 乙酸裂解产甲烷磊原产甲烷 甲烷、二氧化碳 1 一发酵细菌群；2 一产氢产乙酸菌群；3 一同型产乙酸菌群； 4 一利用h ：和c 0 ：的产甲烷菌群；5 一利用乙酸的产甲烷菌群 图2 1有机垃圾厌氧消化降解途径 第一阶段；水解阶段：水解是有机质进行厌氧发酵过程中首先发生的重要反应， 大分子有机物在细菌胞外酶的作用下将会被分解成为水溶性的小分子化合物。水解阶 段主要是蛋白质、脂类以及碳水化合物等不溶性的高分子有机物的水解。这些不溶性 的高分子有机物由于它的相对分子质量很大，所以不能透过细胞膜被细菌直接利用。 一般情况下在水解阶段水解过程比较很慢细菌胞外酶与底物能否有效接触是影响水 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 解过程中水解速率的关键因素，所以大颗粒底物与小颗粒底物相比更加不易被降解。 第二阶段：发酵阶段：高分子有机物经过水解反应后，将会发酵或酸化。发厌氧 酸化过程中的末端产物主要取决于反应底物的种类、参与发酵的微生物种群以及厌氧 降解的条件等。如以糖作为底物时，酸化的产物则以丁酸、乙酸、丙酸等为主，二氧 化碳和氢气是附属产物，若以氨基酸为底物时，其酸化产物主要为丁酸、丙酸和乙酸 等，附属产物除了c 0 2 和h 2 外，还有n h 3 和h 2 s 。一般酸化过程中氨基酸的分解需 要有两种氨基酸共同参，这就是两个不同的底物分子偶联进行复杂的氧化还原脱氨基 作用。丙氨酸和甘氨酸的酸化降解就需要这种偶联反应。其中一种氨基酸分子进行氧 化脱氨，在脱氨的同时还会产生质子，另一种氨基酸的两个分子则通过质子还原产生 乙酸以及n h 3 。 c h 3 c h n h 2 c o o h + 2 h 2 0 - - 4 h + + c h 3 c o o h + c o + n h 3 2 c h 2 j n h c o o h + 2 h 2 0 2 c h 3 c o o h + 2 n h 3 第三阶段：产乙酸阶段：在发酵产酸阶段，除了生成一部分乙酸，还会生成乙醇、 丙酸、丁酸等其他物质。在此阶段中，发酵阶段的中间产物乙醇、丙酸、丁酸等其他 物质将会进一步被转化成为乙酸。在产乙酸阶段，主要是通过产氢产乙酸菌的作用将 挥发性脂肪酸( 乙醇、丙酸、丁酸等) 降解为乙酸和h 2 。反应如下： 降解乙醇：c h 3 c h 2 0 h + h 2 0 一c h 3 c o o h + 2 h 2 降解丙酸：c h 3 c h 2 c o o h + 2 h 2 0 - + c h 3 c o o h + 3 h 2 + c 0 2 降解丁酸： c h 3 c h 2 c h 2 c o o h + 2 h 2 0 - - + 2 c h 3 c o o h + 2 h 2 以上三个