（环境工程专业论文）杭州市餐厨垃圾现状调查及其厌氧沼气发酵可行性研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着我国城市人民生活水平的提高，餐厨垃圾的产生量迅速增加。近年来，我国餐 厨垃圾的年清运量已达5 0 0 0 万吨以上，各大主要城市的餐厨垃圾日产生量均在1 0 0 0 吨 以上。由于缺乏适宜的处理处置技术，我国餐厨垃圾引发的“泔水油”、“泔水猪”以及 城乡环境卫生和环境污染问题日益严重，亟待解决。另一方面，餐厨垃圾有机质含量极 高，营养成分丰富，配比均衡，是理想的厌氧沼气能源化基质。利用餐厨垃圾厌氧发酵 获得能源物质，对于解决我国日益严重餐厨垃圾环境污染问题与能源危机具有十分重要 的现实意义。 本文以杭州市为例，对杭州市餐厨垃圾现状进行问卷调查，掌握杭州市餐厨垃圾产 生、收运以及处置现状，并对典型餐厨垃圾的理化性质进行分析；通过餐厨垃圾厌氧发 酵试验，对餐厨垃圾厌氧沼气发酵条件和发酵过程中的微生物种群结构进行了初步研究， 为进一步揭示餐厨垃圾厌氧沼气发酵微生物学机理，提升反应器产甲烷效率奠定了基础。 具体的结果如下： 通过问卷调查形式对杭州市上城区、下城区、拱墅区、西湖区以及西湖风景区进行 餐厨垃圾现状调查。调查发现，杭州市餐厨垃圾年产生量达到2 7 1 4 万吨，8 2 6 0 的餐 厨垃圾用于饲养牲口，仅9 由环卫部门统一收运进行安全处置；目前杭州市餐厨垃圾 分类收集率为5 5 7 3 ，餐厨垃圾专用车辆收运率不到1 8 。结果表明，杭州市餐厨垃圾 产生量大，分类收集率低，清运设施简陋，餐厨垃圾主要用于喂猪，存在严重的环境卫 生与食品安全隐患。 对浙江大学华家池、西溪、玉泉、紫金港等四个校区的食堂餐厨垃圾进行了分析。 结果表明，浙江大学各校区食堂餐厨垃圾粗蛋白、总淀粉、粗脂肪含量的变化范围分别 为1 3 5 0 2 4 2 5 、1 4 5 9 5 4 9 0 、1 5 7 6 3 5 0 4 ，而粗纤维含量在4 1 2 以内；进 一步分析表明，餐厨垃圾中v s 含量达到2 0 3 0 ，c n 在9 - 2 1 之间，是较为理想的 厌氧沼气发酵基质，厌氧沼气能源化利用可作为当前杭州市餐厨垃圾处理处置优先选择 的技术手段。 在实验室条件下对餐厨垃圾高温厌氧沼气发酵条件和发酵过程微生物进行了初步研 究。研究表明，在机械破碎预处理、物料浓度为1 5 9v s l 、接种3 0 v v 污泥、5 5 。c 高 温等条件下，餐厨垃圾甲烷转化率最大，可达到0 4 5 7 1 lc h 4 g v s 。在此基础上，利用 p c r - d g g e 与h u n g a t e 厌氧滚管计数等微生物学手段，对最佳工艺条件下发酵过程微生 物生态进行了研究。发现餐厨垃圾厌氧发酵过程中微生物种群演替规律明显，但产甲烷 菌数量与产甲烷速率之间未发现明显的相关性。以上研究为进一步揭示餐厨垃圾厌氧沼 气发酵微生物学机理与提升反应器产甲烷效率提供了方向。 浙江大学硕士学位论文 综上所述，本文通过杭州市餐厨垃圾现状调查发现了餐厨垃圾资源化技术工程应用 的潜在市场；通过针对餐厨垃圾理化性质进行的厌氧发酵实验，探讨了餐厨垃圾厌氧沼 气发酵工艺控制条件及其微生物学机理，并对餐厨垃圾厌氧发酵技术的可行性，为餐厨 垃圾厌氧沼气发酵工程化应用研究提供了依据。 关键词：餐厨垃圾，沼气发酵，微生物，可行性 一l l 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei m p r o v e m e n to fc h i n e s eu r b a nl i v i n gs t a n d a r d s ，t h ep r o d u c t i o n o ff o o dw a s t ei n c r e a s e dr a p i d l y r e c e n t l y ，a n n u a lf o o dw a s t ep r o d u c t i o ni nc h i n ah a sr e a c h e d 5 0m i l l i o nt o n s ，m o s to fl a r g em u n i c i p a lc i t i e so fc h i n a , f o o dw a s t ep r o d u c t i o na r ea b o v e 1 , 0 0 0t d d u et ol a c ko fa p p r o p r i a t et r e a t m e n ta n dd i s p o s a lt e c h n o l o g i e s ，s e r i o u sf o o dw a s t e p o l l u t i o np r o b l e m sh a v eb e e ni n c r e a s i n g o nt h eo t h e rh a n d ，r i c hi no r g a n i cn u t r i e n t s ，f o o d w a s t ei sa ni d e a ls o u r c ef o ra n a e r o b i cb i o g a sp r o d u c i t o n i nt h i sp a p e r , as u r v e yo ff o o dw a s t ei nh a n g z h o uw a s p e r f o r m e d p h y s i c a la n dc h e m i c a l p r o p e r t i e so ft h et y p i c a lf o o dw a s t ef r o ms c h o o lc a f e t e r i aw e r ea n a l y s i s e d o nt h eb a s i so ft h e c h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，s o m ea n a e r o b i cd i g e s t i o ne x p e r i m e n t so ff o o dw a s t ew e r ec a r r i e do u t f o rt h ei n v e s t i g a t i o no ft h ef e a s i b i l i t yo fb i o g a sp r o d u c t i o nf r o mf o o dw a s t e m e a n w h i l es o m e b a c t e r i ai n v o l u e di nt h eb i o g a sp r o d u c t i o np r o c e s sw e r ea l s od e t e c t e d d e t a i l e dr e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： f i r s t ，aq u e s t i o n n a i r es u r v e yo ff i v em a i nd i s t r i c t so fh a n g z h o uc i t y ( s h a n g c h e n g ， x i a c h e n g ，g o n g s h u i ，w e s tl a k ea n dt h ew e s tl a k es c e n i ca r e a ) w e r ei m p l e m e n t e d r e s u l t s s h o w e dt h a ta n n u a lf o o dw a s t ep r o d u c t i o ni nh a n g z h o uc i t yi sa r o u n d2 7 ，14 0t o n 8 2 6 0 o f f o o dw a s t ei nh a n g z h o uw a su s e df o rf e e d i n gl i v e s t o c k a l t h o u g h ，5 2 9 5 o ff o o dw a s t ei n t h ec i t yw a sc l a s s i f i e d ，o n l y17 19 w a st r a n s p o r t e db yt h es p e c i a lv e h i c l e s o u rr e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h e r ee x i s t ss e v e r es a n i t a r yp r o b l e m sa n dp o t e n c i a lr i s ki nf o o dw a s t es a f e t y , d u e t ot h ei m p r o p e rt r e a t m e n to ft h em u n i c i p a lw a s t ef o o d s e c o n d l y , p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s o ff o o dw a s t eo fz h e j i a n gu n i v e r s i t y ( h u a j i a c h i ，x i x i ，y u q u a n ，z i j i n g a n g ) w e r ea n a l y z e d r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei m p u r i t yc o n t e n t i nf o o dw a s t ei sa b o u t10 2 0 h o w e v e r , t h ef o o dw a s t ei sr i c hi no r g a n i cm a t t e r , t h e m a j o ro r g a n i cc o m p o n e n to ff o o dw a s t ec o a r s ep r o t e i n ，t o t a ls t a r c h ，a n dc o a r s ef a t v s c o n t e n t si nf o o dw a s t er a n g e df r o m2 0 t o30 ，c nw a sa b o u t9 - 21 ，w h i c hi sc o n d u c i v et o t h eg r o w t ho fa n a e r o b i cm i c r o o r g a n i s m s o nt h eb a s i so ft h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o na n a l y s s ，ap r e l i m i n a r ys t u d yo fh i g h t e m p e r a t u r ea n a e r o b i cm e t h a n ef e r m e n t a t i o nw a sc o n d u c t e d r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo p t i m a l c o n d i t i o nf o rf o o dw a s t ea n a e r o b i cb i o g a sp r o d u c t i o nw e r es u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o n15 9 v s l ， i n n o c u l u ms i z e3 0 ( v v ) ，a n dt h ef e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u r e5 5 c t h eh i g h e s tm e t h a n e c o n v e r s i o nr a t eo b t a i n e di nt h i ss t u d yw a s0 4 5 7 1 lc h 4 g v s i na d d i t i o n , m i c r o b o r g a n i s m s i n v o l v e di n t h ef e r m e n t a t i o np r o c e s sw e r ed e t e r m i n e db yb o t hc u l t u r a r a b l ea n dn o n - c u l t u r a r a b l ea p p r o a c h e s r e s u l t ss u g g e s t e dt h a tt h e r ew a sn oa p p a r e a t l yr e l a t i o n s h i pb e t w e e n 1 。一l u 。 浙江大学硕士学位论文 m e t h a n ep r o d u c t i o nr a t ea n dt h et o t a ln u m b e ro fm e t h a n e g n e s i s r n l i sp a p e rh a da n a l y s i s e dt h ep o t e n t i a lm a r k e tf o r t h et e c h n o l o g yo ff o o dw a s t em e t h a n e f e r m e n t a t i o ni nh a n g z h o u , t h r o u g ht h es u r v e yo ff o o dw a s t e a n ds e v e r ee x p e r i m e n t sh a d t a k e nf o rc o n f i r m e dt h et e c h n i c a lf e a s i b i l i t yf o o dw a s t em e t h a n ef e r m e n t a t i o n ，e x p l o r et h e a n a e r o b i cm e t h a n ef e r m e n t a t i o np r o c e s sc o n t r o la n dc o n d i t i o n so fm i c r o b i o l o g y t h e s er e s u l t s p r o v i d eab a s i sf o ra p p l i e dr e s e a r c hp r o j e c t so ft h ef e a s i b i l i t yo fa n a e r o b i cd i g e s t i o n t e c h n o l o g yf o rf o o dw a s t ea n a e r o b i cm e t h a n ef e r m e n t a t i o n k e y w o r d s ：f o o dw a s t e ，m e t h a n ef e r m e n t a t i o n ，m i c r o b i o l o g y , f e a s i b i l i t y l v 独创性声明 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。据我所知，除了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，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签 年一肌碲舢日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝婆盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：渺石月i l e l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签 签字日 电话： 邮编： f 只t | e l 致谢 本论文是在导师吴伟祥副教授与陈英旭教授的悉心指导下完成的。虽然只 有短短的两年时间，导师渊博的学识、缜密的逻辑思维、严谨求实的治学态度、 勇于开拓的创新精神、精益求精的科研精神和为人师表的高尚人格深深影响着 我! 我非常感激导师精心为学生营造了一个严谨而又不失自由，严肃而又不失 活泼的学术氛围和先进且日益更新的科研条件。我有幸师从导师完成硕士学业， 不论是做学问的方法还是做人的道理，都收获良多。在论文即将完成之际，谨 向导师致以我最崇高的敬意和最衷心的感谢! 本论文是在中日合作项目“餐厨垃圾沼气发酵发电系统的研究”的支持下 开展的。衷心感谢日本富士电机公司、杭州市人民政府城市管理办公室、杭州 天子岭废弃物处理有限公司提供的大力帮助。同时，向参加论文评审和答辩的 专家表示深深的谢意，在百忙之中抽空审阅本论文。感谢研究生科的丁小梅和 钱秀萍等老师在论文送审和材料整理等方面提供的帮助! 由衷地感谢本课题组王云龙、韩志英、刘微、吕豪豪、吴松维、孙华、郭 晓慧以及实习生杨峥峰、包子健等人在试验设计与开展过程中给予的帮助。感 谢环保所所有师兄师弟、师姐师妹给予我科研和生活多方面的无私帮助和关心， 他们如同多彩的青春音符，带给我欢乐，带给我感动，与他们共度的时光将是 我最美好的记忆! 另外感谢室友薛庆峰、姜军涛、唐崇俭对我的鼓励! 感谢父母一直以来默默的全心支持，我深深感悟“可怜天下父母心”的真 谛! 感谢我的女友周菲与我风雨同路，携手并进! 最后，特别感谢浙江大学对我的培养! 孙营军 2 0 0 8 年6 月于华家池 浙江大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章文献综述 能源是国民经济和社会发展的必需物资。随着世界范围内的化石能源物质 日益减少，能源问题已经成为2 1 世纪国家经济发展的战略问题。自改革开放以 来，我国加工制造业迅猛发展，获得了“世界工厂 的美誉。然而随之而来的 是能源消耗日益巨大，目前我国已经成为世界上第二大能源消费国。2 0 0 6 年我 国消费的能源总量折合为2 4 6 亿吨标准煤，占到了世界能源消费总量的1 1 ， 而且还在以平均每年1 0 的速度增长。2 0 0 5 年，我国原油及其成品油消费约为 1 3 亿吨，位居世界第三。2 0 0 6 年起超过日本仅次于美国，成为世界第2 大石 油消费国，估计到2 0 1 0 年进口量将达到2 5 亿吨，但与此同时原油储量只有2 3 亿吨，仅为世界第1 3 ，迫使我国从其他国家进口石油等能源物资，预计到2 0 1 0 年石油的对外依存度将超过5 0 。能源是国家发展与稳定的战略因素，同时也 成为制约我国社会经济发展的重要因素。 另一方面，以石油、煤炭为代表的化石燃料燃烧造成了巨大的污染，给人 类生存的环境带来了很大压力。据统计，空气中约7 0 的主要污染物c o z 、硫 化物和颗粒悬浮物，都来自各种化石燃料的燃烧。其中能源消费引起的s 0 2 和 烟尘的排放量超过了总排放量的8 0 。2 0 0 5 年我国s 0 2 的排放量达到了2 5 4 9 吨以上，比2 0 0 0 年增长了2 7 8 ，使我国l 3 以上的国土受到酸雨的威胁。另 外，我国主要能源物质煤炭等的开采对当地的环境造成了难以恢复的破坏，据 估计由于煤炭开采使累计4 0 万公顷的土地发生塌陷，开采时排放的废水约3 0 亿立方米年，产生的矿井废气排放9 0 1 2 0 亿立方米。 由此可见，传统能源不仅已经不能满足日益增长的需求，而且给环境带来 了很大污染。因此，在现阶段开发出新的清洁可再生能源来取代常规化石能源， 在人类发展与国家建设的道路上显得尤为重要。目前，已知的新能源主要包括： 太阳能、风能、生物质能等。其中生物质能的开发利用成为欧美等国新能源利 用的重点。 生物质能源普遍被认为是化石能源的有效替代品。生物质能源是指利用生 物可再生原料的能源，包括生物质固态燃料、生物液体燃料( 燃料乙醇、生物 柴油等) 及利用生物质生产气态燃料( 沼气、裂解气、生物制氢等) 。1 9 9 2 年 世界环境与发展大会后，欧美等国随即着手大力发展生物质能。美国能源部在 1 9 9 3 年和1 9 9 7 年的2 次规划中都将生物质能作为重点发展方向，大力加快燃 料乙醇和木柴发电的启用，并预测2 0 1 0 年生物质能将占整个能源市场的5 0 a 浙江大学硕士学位论文 欧盟于1 9 9 9 年明确提出到2 0 1 0 年把生物质能提高到现有水平的3 倍，使生物 能源使用量至少达到1 2 以上，在2 0 0 0 年1 1 月又提出了清洁能源“绿皮书”， 2 0 0 2 年4 月启动了欧洲聪明能源计划，北欧各国加速了技术开发，大力发展木 材发电，发展沼气等技术。 邻国日本是世界范围内生物质能源利用的前驱者。自1 9 9 2 年在全民讨论如 何完成“京都议定书 中规定后( 2 0 1 0 年比1 9 9 0 年c 0 2 减排6 的目标) ，对 生物质能利用的重要性认识有很大提高，特别是于2 0 0 0 年同时颁布了“建设循 型社会基本法”、“食品废物再生法”和“建筑废物再生法”三部法律，有效促 进了对食物废料、废木屑等生物质的能源开发利用。以朝日啤酒、富士电机、 莫兹三重公司、川崎重工等为代表企业相继开发出餐厨垃圾与啤酒废水沼气发 酵、木材干馏、有机垃圾气化等技术，并迅速实现工业应用。并于2 0 0 2 年提出 “2 0 1 0 年生物质发电3 3 万k w ，生物质热利用6 7 万k l ”的目标。 借鉴欧美发达国家经验，大力开展生物质能的开发利用工作已经成为解决 我国能源危机的突破口。我国生物质来源丰富，全部用来作能源化利用，估计 可产生相当于7 亿吨标准煤年的能量，因此，生物质能的开发与利用在我国具 有更广泛的现实可行性。 餐厨垃圾是生物质的重要组成部分，而且产生相对比较集中，易于集中资 源化处理。餐厨垃圾一般产生于企事业单位、学校、农贸市场、超市，以及餐 饮服务行业，是城市生活垃圾的重要组成部分( 北京3 7 ，天津5 4 ，上海5 9 ， 沈阳6 2 ，深圳5 7 ，广州5 7 ，济南4 1 ) 。据相关统计，我国目前有3 5 0 多万家大小餐馆，餐厨垃圾产生数量巨大，2 0 0 7 年全年餐厨垃圾产量约为9 0 0 0 万吨( 严太龙与石英，2 0 0 4 ) 。以北京、上海、广州、杭州等大城市为例，其餐 厨垃圾日产量均超过1 0 0 0 吨，垃圾围城现象日益严重。利用餐厨垃圾进行能源 化利用，不仅能弥补我国能源的缺口，而且能解决日益严重的环境卫生问题， 可谓一举两得。 1 2 餐厨垃圾处理处置现状 然而，对现今餐厨垃圾处理处置现状观察发现，形势不容乐观。 目前餐厨垃圾主要以饲养牲口的处理方式为主。餐厨垃圾以淀粉类、食物 纤维类、动物脂肪类等有机物质为主要成分，具有高水分、高油脂、高盐分以 及易腐发臭、易生物降解等特点。餐厨垃圾营养丰富，一部分饭店、食堂等餐 厨垃圾数量较大、较集中场所的餐厨垃圾多被郊区的饲养户收集，再经简单的 加热处理后喂猪。极易为各种病源微生物及各种携带病源微生物的蝇虫提供适 宜的生长繁殖环境。据相关部门分析检测发现，餐厨垃圾中含有有沙门氏菌、 一2 一 浙江大学硕士学位论文 金黄色葡萄球菌、结核杆菌等菌落，这些细菌都是具有强烈感染性的致病菌。 高含量的细菌进入猪的肠道会破坏肠道微生物的菌群平衡，使猪引发各种肠道 疾病。另外，餐厨垃圾腐败过程中会产生很多强烈刺激性气体，如硫化氢、氨 等，对猪的呼吸道粘膜有强烈的刺激作用，容易引发猪呼吸道的各种疾病。此 外，餐厅、家庭中大量的消毒液和洗涤灵等洗涤用品，其中含有铅、汞等重金 属元素。餐厨垃圾中混有这些洗涤剂，长期喂猪后，重金属元素会在猪的体内 大量残留。餐厨垃圾中还含有聚氯、聚苯、聚乙烯等不易分解吸收的化学物质， 简单加热，根本起不到去毒的作用。用其饲养猪，不仅会造成猪食物中毒，还 可能引起人类慢性中毒。因此，利用餐厨垃圾直接喂猪，可能对环境、动物、 人体健康带来不利影响。 然而国内餐厨垃圾处理技术起步较晚，而且分类技术体系推广不力。除去 被用作饲养的部分，餐厨垃圾往往只能同其他城市生活垃圾混合进行处理处置。 餐厨垃圾与其它垃圾混放，由环卫工人收集至垃圾站( 箱) 暂存后，运至城郊 进行填埋、焚烧处理。但是，餐厨垃圾中水分约占总量的7 0 以上，如果与其 他生活垃圾混合处理，就会使城市生活垃圾的含水量大大增加，不仅增加了城 市生活垃圾的清运量、加重了环卫工人的劳动强度，而且给填埋、焚烧处理带 来了很大困难。另外，餐厨垃圾极易腐败，散发出恶臭气体，给暂存地点、转 运过程中的环境造成很大的影响。 填埋法是目前世界各国城市生活垃圾处理的主要方法，即将生活垃圾埋入 地下，利用好氧微生物、兼性厌氧微生物和厌氧微生物将大分子降解成小分子 的生物化学过程。其优点是无需预处理，成本低，技术简单，缺点是占地面积 大。美国已有2 5 9 个填埋气体回收发电装置在运行，德国早已形成了完整的垃 圾填埋处理机制。直至上个世纪末，我国深圳才首次建立了卫生填埋场。我国 大多城市尚未实行垃圾分类制度，含水量大的餐厨垃圾与其它城市垃圾一起填 埋，增加了渗滤液对土壤和地下水的污染：餐厨垃圾营养丰富，不仅导致了苍 蝇、老鼠的大量繁殖，甚至产生沼气引起爆炸或造成大气污染。 焚烧法是将垃圾放在特殊设计的封闭焚烧炉中，在1 2 0 04 c 以上高温下将垃 圾中的有机物彻底氧化分解，达到减量化目的的方法。该法可使生活垃圾减重 8 0 ，减容9 0 以上，产生的热能可用来发电、取暖等。在一些发达国家，垃 圾焚烧技术已有1 0 0 余年的历史，是垃圾处理的主要手段。生活垃圾的7 0 - - - 8 0 采用焚烧法处理。我国仅有深圳等少数发达城市采用了垃圾焚烧技术，但是对 焚烧所产生的二恶英、氮氧化物、二氧化硫等有害气体、粉尘、废水等还未能 有效控制。这与我国城市生活垃圾中含有较大比例的含水量大的餐厨垃圾，造 成生活垃圾总体热值偏低，燃烧不充分，二恶英等二次污染严重。 一3 一 浙江大学硕士学位论文 可见，实行严格的生活垃圾分类制度，开发推广适合我国国情的餐厨垃圾 处理技术与设备，实现餐厨垃圾的有效资源化，对我国城市环境与经济发展具 有重大意义。 1 3 餐厨垃圾资源化技术 餐厨垃圾含有大量的有机质，具有较高的利用价值。对其进行适当的处理， 能得到社会效益、经济效益和环境效益三者统一。国内外对此进行了很多的研 究工作，目前主要的工程应用的资源化方法有：堆肥化、饲料化处理、厌氧能 源化等。 1 3 1 堆肥化 堆肥化是好氧生物处理技术的一种。堆肥过程是利用微生物对餐厨垃圾中 的有机质实现降解的过程。餐厨垃圾含有丰富的有机质、适量的水分、均匀的 营养元素配比，十分适合微生物的生长。因此在一定的堆积状态下，餐厨垃圾 中的微生物自然生长繁殖，使有机质降解，最终生成稳定的富含腐殖质的有机 肥料。并且，餐厨垃圾堆肥化能实现4 0 以上的减量，同时能将餐厨垃圾中丰 富的氮、磷、钾营养元素回用于农业，实现资源化。因此，堆肥技术能够实现 餐厨垃圾的稳定化、资源化。 然而餐厨垃圾堆肥亦存在着较大的技术难题和缺陷。首先含水率高，易腐， 颗粒机械稳定性差，需要特殊的填充物提高空隙率、大量填充剂调理含水率， 造成餐厨垃圾堆肥附加成本高，设备效率低。此外，高含水率影响堆温的升高， 难以达到消毒灭菌的效果以及有机物的高速降解，同时餐厨垃圾中含有的大量 油脂和盐分影响微生物对有机物的分解速率以及堆肥的品质。k w o n 等( 1 9 9 5 ) 研究指出，由于受餐厨垃圾物料特性的影响，堆肥的有机物转化率大大低于城 市生活垃圾的转化率。堆肥过程中，为了达到好氧分解的效果，通常采用强带| j 通风，其臭气的排放对环境产生一定的影响。h e 等( 1 9 9 7 ) 研究了餐厨垃圾好 氧堆肥过程中c h 4 以及n 2 0 等温室气体的排放。结果表明。在废物堆肥的初期， 是n 2 0 的排放高峰，2 d 后逐步回复到大气环境的本底值；在用牛粪调节含水 率的情况下，堆肥的全过程均有n 2 0 的排放，并形成两次排放高峰，排放气体 中检出c h 4 ，说明即使在强制通风的情况下，餐厨垃圾颗粒内部也存在缺氧和 厌氧环境。 由于餐厨垃圾堆肥处理的技术复杂性，许多研究者转而进行餐厨垃圾废物 的高温好氧处理研究。高温好氧是利用外源能量的输入和嗜热微生物的作用进 行废物中有机物的分解，以及病原微生物的消除。舀凡等( 1 9 9 9 ) 进行了餐厨 垃圾高温好氧生物消化工艺研究，实验结果表明，在高温条件下( 5 5 6 5 ) 一4 一 浙江大学硕士学位论文 可以达到废物的最大减量，减容率达到4 0 以上。高温好氧工艺处理餐厨垃圾， 有机物转化率高，反应残余可作为有机肥料。但反应过程中要保持较高的温度， 需消耗大量的能量，同时由于物料中有机物含量极高，需氧量大，充足、高效 的供氧设备及其充氧效率是反应成功的关键，大量的废气中含有较多的挥发性 有机物。总之，高温好氧工艺能耗以及运行成本较高，对环境产生一定的影响， 不利于大规模的餐厨垃圾的处理。 小型生化处理机处理餐厨垃圾是目前堆肥化技术的新方向。它利用微生物 发酵技术，培养出高温好氧微生物复合菌种，经过对食物垃圾1 2 , - - 4 8 h 降解发 酵，8 0 以上成为水蒸气和无害气体，少量的残渣成为有机肥料。与传统方法 相比，小型生化处理机处理食物垃圾减少了对周围环境的污染；5 0 7 0 的发 酵温度能够杀灭垃圾中的有害细菌和寄生虫；食物垃圾经处理后减量达8 0 以 上。但是，生化处理机能耗大、垃圾处理后再利用率很低，上述因素使得大范 围应用生化处理机存在一定的难度。 同时，由好氧堆肥引申出一些类似的方法，如蚯蚓堆肥是近年来发展起来 的一项新技术，利用蚯蚓吞食大量餐厨垃圾，并将其与土壤混合，通过砂囊的 机械研磨作用和肠道内的生物化学作用将有机物转化为自身或其他生物可以利 用的营养物质。但是生产成本高，品质不稳定给该类技术工程应用带来了难度。 综上所述，餐厨垃圾堆肥化处理技术均存在着成本高，而产品附加值低的 问题。此外，餐厨垃圾堆肥化的产品存在着重金属元素、持久性有机污染物累 积的问题，将产品直接使用，将给环境带来负面影响。另外，由于农民一直怀 疑产品的肥力问题，导致堆肥化产品很难销售，直接影响餐厨垃圾堆肥化技术 的应用与推广。 1 3 2 饲料化处理 餐厨垃圾中含有大量的有机营养成分，餐厨垃圾饲料化具有相当的优势， 处于安全性考虑，多数国家均禁止直接用餐厨垃圾作动物饲料。餐厨垃圾作饲 料必须进行处理，消除病毒污染，然后再进行利用。 餐厨垃圾物理处理制饲料常用工艺有：高温干化、高温压榨等。日本对餐 厨垃圾采用明火加热煮沸的方式，对餐厨垃圾进行消毒利用；n i j m e h l 等( 2 0 0 1 ) 采用太阳能干化器处理餐厨垃圾制造饲料；郝东青等( 2 0 0 3 ) 采用分选、蒸煮、 压榨、脱油工序进行餐厨垃圾处理生产蛋白饲料，研究表明，蛋白饲料中，粗 蛋白含量大于2 0 ，具有较高的营养价值。陈金钟等( 2 0 0 3 ) 采用多菌种混合 发酵同时处理泔脚和秸杆，在两者按3 ：1 混合，温度1 5 0 。c ，高压锅中高温湿 热酸的处理下，获得了粗蛋8 2 5 ，粗纤维 1 8 ，水分 1 0 的高品质饲料。 高温、压榨等处理手段对减少餐厨垃圾废物的细菌、病毒污染具有明显的 一5 一 浙江大学硕士学位论文 效果，但仍然存在一定的安全隐患。k e l l e y 等( 2 0 0 2 ) 进行了餐厨垃圾压榨处 理后的微生物调查研究，试验采用餐厨垃圾与一定量的玉米、大豆等混合，在 1 1 0 - - 1 3 5 c 的条件下，进行压榨挤压制饲料。病原性试验结果表明，该法能显著 减少餐厨垃圾中的大肠菌群等致病菌数量，但不能完全消除废物中的病原性以 及其他残存的微生物。另外餐厨垃圾中毒枝霉素检出研究的报道，动物性废物 中毒枝霉素是引发疯牛病等瘟疫的主要原因，而毒枝霉素很难通过高温等常规 手段消除。此外，餐厨垃圾来源于食品，存在许多微量的有毒有害物质，如作 物的残留农药、食品添加剂等，其中许多物质具有较强的环境稳定性和生物累 积效应。另一方面，国内餐厨垃圾性质变化较大，饲料化后的产品品质难以得 到保障，很难满足饲料化的营养需求。 因此，饲料化处理技术同样存在难以推广应用的问题。 1 3 3 厌氧能源化 餐厨垃圾厌氧能源化主要包括餐厨垃圾生物制氢与厌氧甲烷化两大类。 餐厨垃圾生物制氢技术是厌氧能源化处理的一种，同时也是目前国内外研 究的重要方向。氢气一直被认为是2 1 世纪重要清洁能源之一，利用餐厨垃圾生 产氢气，不仅能解决餐厨垃圾处理的问题，而且能够为社会产生出清洁能源， 实现环境与经济的双赢。 o k a m o t o 等( 2 0 0 2 ) 将米饭、卷心菜和胡萝卜三种物质在1 2 0 m l 玻璃瓶里 面进行中温( 3 7 1 ) 条件的发酵产氢，达到了较高的产氢效率，其中米饭 o 8 2 9 m m o l h 2 g v s s ， 卷心菜2 0 0 - 3 16 m m o lh j g v s s ，胡萝卜 1 1 7 2 7 5 m m o lh 2 “s s 。l a y 等( 1 9 9 9 ) 通过从活性污泥中获得微生物，利用 不同化学组成的餐厨垃圾，分别是糖类( 米饭和土豆) 、脂类( j j e 肉和鸡皮) 、 蛋白质类( 鸡蛋和瘦肉) 在反应器中进行发酵产氢，结果表明糖类垃圾的产氢 能力大概是其他两类垃圾的2 0 倍。杨占春等( 2 0 0 3 ) 用主要成分为米饭的餐厨 垃圾在4 0 0 m l 左右的反应器内进行半连续式的发酵产氢，最大产氢速率达到 4 8 6 6 t o o ln j m 3 d ，混合气体中氢气含量为6 5 ，并获得了一系列最佳的工艺 控制条件。 然而目前餐厨垃圾生物制氢技术还处在试验室研究阶段，绝大部分试验还 只是通过发酵瓶此类简易的装置来实现。因此，餐厨垃圾生物制氢技术的工程 化应用还有很长的一段路要走。 而沼气发酵技术具有成本低廉，产品资源化效率高，易于实现工程应用的 特点，是目前处理餐厨垃圾并进行工程应用的最佳技术。 一6 一 浙江大学硕士学位论文 1 4 餐厨垃圾厌氧沼气发酵研究进展 欧美等国随着环保法规的修改，纷纷调整了传统餐厨垃圾处理方式，将研 究重点转移到对环境二次污染少的沼气发酵技术上来。国内外，对餐厨垃圾沼 气发酵技术进行了大量的研究，主要集中在餐厨垃圾沼气发酵的可行性、工艺 条件优化以及提高转化效率的预处理三个方面研究上。 1 4 1 预处理技术的研究 预处理包括物理处理、化学处理及生物处理。 物理处理包括切碎、研磨、冲击碰撞和蒸气爆破等方法。w e e m a e s ( 2 0 0 0 ) 、 c l a r k s o n ( 2 0 0 0 ) 、a n g e l i d a k i ( 2 0 0 0 ) 、p a l m o w s k i ( 2 0 0 0 ) 等发现，如果餐厨垃 圾中纤维素含量较高，可降解性较小，通过切碎减小物料颗粒体积则可以提高 其气体产量、加快消化速率和减小消化体积。通常，可使气体产量提高 1 0 2 0 。颗粒尺寸减小，使餐厨垃圾的物料表面积增大，基质的利用率迅速 上升。当餐厨垃圾尺寸从2 1 4 m m 减小到1 0 2 m m 时，基质的最大利用常数由 0 0 0 1 5 h 1 上升到0 0 0 3 3 h 1 ( k i m ，2 0 0 0 ) 。虽然减小有机固体物的粒径对厌氧消 化具有显著促进作用，但并不是越小越好。a n g e l i d a k i 等( 2 0 0 0 ) 发现，在一 定的粒径范围内，沼气潜力的提高与物料颗粒粒径变得更细小无关。当颗粒粒 径在5 - 2 0 m m 时，减小物料粒径并不能使产气量显著提高。p a l m o w s k i 等( 2 0 0 0 ) 研究了厌氧消化有机废物时颗粒大小的影响，对于纤维素含量高的固体废物。 粉碎能显著提高沼气产量和有机物的降解率以及缩短消化时间，而且更为重要 的是通过粉碎使得原来不均匀的固体废物混匀了，减少了消化体积。 化学预处理包括用酸、碱、碳酸氢盐等进行浸泡处理以及热处理和臭氧处 理等方法。g h o s h ( 2 0 0 0 ) 发现，对城市固体垃圾进行预处理时，采用1 0 0 9 t s 加入n a o ho 5 9 进行处理的物料，其厌氧消化过程的甲烷产量可提高3 5 。 w e e m a e s ( 2 0 0 0 ) 在用臭氧对将要厌氧消化的生活污泥进行预处理的研究过程 中发现，臭氧预处理可以提高有机物质的转化量。 利用生化方法对固体有机物进行预处理的研究报道尚不多见。k u b l e r 等 ( 2 0 0 0 ) 发现，先对固体有机垃圾进行高温好氧堆肥，可提高厌氧消化过程的 效率、气体产量和甲烷含量，同时降低h 2 s 的含量。刘连开( 1 9 9 7 ) 在对农业 草类废物进行b m p 分析和动力学研究时发现，通过高温( 4 0 与5 0 ) 好氧 预处理可以加快厌氧消化过程的反应速率，并使甲烷产量提高了2 5 。 h a s e g a w a 等( 2 0 0 0 ) 研究了有机污泥在高温( 6 0 7 0 。c ) 好氧预处理后再经过 厌氧消化，厌氧消化过程的产气量与未经过预处理的相比可以提高1 5 倍。 厌氧发酵的预处理技术主要是针对纤维素含量高的有机废物，该物料厌氧 一7 一 浙江大学硕士学位论文 发酵过程中水解酸化为其限速步骤( l a y ，1 9 9 7 ) 。但对于绝大多数的餐厨垃圾 而言，难降解的纤维含量比较低，绝大部分为溶解性糖类，以上的预处理方式 对该类餐厨垃圾难以适用，需要针对餐厨垃圾的性质进一步研究预处理技术， 提高糖类的转化效率。 1 4 2 餐厨垃圾产气能力的研究 餐厨垃圾的特性不同于工业污水和污泥，其固含量、油脂与盐份均大大超 过工业污水和污泥，因此众多科研学者进行了大量的餐厨垃圾厌氧产气潜力的 研究。餐厨垃圾与城市污泥混合厌氧消化是处理餐厨垃圾的可行模式，它不仅 利用了餐厨垃圾中丰富的淀粉、碳水化合物作为厌氧微生物的养分来源，同时 也利用了污泥作为厌氧消化的菌种来源，除此之外，联合厌氧消化的运行成本 也要明显低于分别处理餐厨垃圾、城市污泥时的费用。 h a r t 等( 2 0 0 4 ) 进行的两级法产沼气潜力研究。处理流程由两部分组成： 流化床反应器产氢气，u a s b 反应器产甲烷。试验主要装置为4 个流化床反应 器( 产氢) 及一个u a s b 反应器( 产甲烷) 。餐厨垃圾先进行破碎、分选等预 处理。分选后的餐厨垃圾投入流化床反应器，用污水处理系统的污泥消化塔污 泥接种。污泥经热处理，以抑制氢解细菌的活性。流化床反应器每两天由搅拌 装置搅拌一次，以匀化反应底物。产生于流化床的厌氧消化液输送到u a s b 反 应器进行甲烷发酵。u a s b 的出流液体回流入流化床反应器，液体回流时定期 以清水稀释以减轻产氢气阶段的生物负荷。产氢阶段的污泥经重力脱水后，再 进行好氧曝气，以减少污泥的体积。研究发现，反应最初阶段碳水化合物的迅 速降解导致p h 的下降，产生抑氢现象，提高底物稀释率后，减少了抑氢现象。 在高挥发性固体( v s ) 负荷下( 1 1 9k g m 3 d - 1 ) ，v s 去除率达到7 2 5 。经 去除的v s 中有2 8 2 转化为h 2 ，6 9 9 的v s 转化为c h 4 ，流化床的h 2 产率 为3 6 3m 3 m o d ，u a s b 反应器的c h 4 产率为1 7 5m 3 m 弓d 。 c h o 等( 1 9 9 5 ) 进行了不同餐厨垃圾两级干法产气潜力研究。餐厨垃圾t s 浓度在1 5 0 o , - 3 0 ，水解相、甲烷相分别采用固定床、上流式厌氧污泥床技术， 容器体积分别为5l ，8l ，研究发现熟肉食品、纤维素、熟米饭、蔬菜、混合 餐厨垃圾的沼气产率分别为4 8 2 ，3 5 6 ，2 9 4 ，2 7 7 ，4 7 2r e i c h , g v s ，碳素甲烷 转化率分别为8 2 ，9 2 ，7 2 ，7 3 ，8 6 。酸化相降解率达到8 7 一9 0 ， v s 的甲烷转化率达到9 0 。 由此看见餐厨垃圾进行厌氧沼气发酵是切实可行的，然而现有的餐厨垃圾 厌氧发酵转化效率较低，发酵周期很长，这对于工程应用是十分不利的，因而 探索高效的厌氧发酵系统显得十分必要。 一8 一 浙江大学硕士学位论文 1 4 3 工艺条件的研究 目前，餐厨垃圾沼气发酵技术主要以两段法厌氧消化工艺与整体一段法为 主，两段法把消化过程中的水解酸化阶段和甲烷发酵阶段分离开来，使得任何 一个单一阶段的工艺参数优化成为可能。而一段法则整合了这两个阶段，这两 种工艺有其各自的优点，但是究竟哪一种方法更适合餐厨垃圾的厌氧消化还存 在一定争议，因此研究学者开展了这方面的研究。 s a r a d a 等( 1 9 9 6 ) 利用番茄加工尾料进行了两级厌氧消化与一级法产沼气 的对比试验，研究发现在未调节p h 的情况下酸化和甲烷化分离的两级法产沼 气的效率优于一级法，试验中两级厌氧消化法与一级法的实际碳素甲烷转化率 分别达到理论值的8 0 ，7 0 ，两级法的甲烷及总产气量在同等条件下高出一 级法4 0 0 旷5 0 。v i t u r t i a 等( 1 9 9 5 ) 的研究认为一级法不仅操作简单，而且产 气量与两级厌氧消化法相比差异不大。他们的试验在实验室的恒温箱内进行， 温度控制在3 5 ，底物为切碎后蔬菜水果垃圾( 比重0 9 9 5 9 c m