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发达国家厨余垃圾的微生物处理发酵技术

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发表时间:2020-08-14 14:09作者:小鹿来源:上海洁鹿环保科技有限公司

发达国家厨余垃圾的微生物处理发酵技术

(一)厨余垃圾好氧堆肥技术

(1)好氧堆肥的原理及工艺系统

好氧堆肥是在有氧条件下,利用好氧微生物的新陈代谢活动将堆体中的有机物转化为易于被动植物利用的饲料或肥料。好氧堆肥堆体温度较高,一般在50℃~60℃,也称为高温好氧堆肥。堆肥过程一般分为2个阶段,一阶段是高速堆肥阶段,第二阶段是熟化阶段,通常在堆肥过程中需要投加添加剂,以提高堆肥底物的可生物降解性和增加堆体通风性能。好氧堆肥技术降解有机质速度快、堆料分解,同时能有效杀灭病原微生物,是处理有机质固体废物的一种有效手段。

好氧堆肥的工艺系统主要有朵垛式、强制通风静态垛式和反应器系统三类。反应器式系统是一种环境可控的堆肥方式,通常对物体封闭的容器控制通风和水分条件,是物料进行生物降解和转化。其不同于前两种系统的特点在于相对于外部环境的独立性,因此在实验中反应器系统得到了广泛的研究与应用,常用的反应器堆肥系统有固定床式、包裹式、搅动仓式。

(2)好氧堆肥的影响因素及研究进展

好氧堆肥技术广泛应用于城市生活垃圾、污泥和家禽粪便等高有机质固体废物的处理。厨余垃圾的有机物含量高,营养元素丰富,C/N适中,非常适用于作堆肥原料,因此在我国的一些大中城市也逐渐将好氧堆肥法作为厨余垃圾资源化处理的一种方式,例如北京南宫厨余垃圾好氧堆肥处理厂。目前厨余垃圾好氧堆肥的研究主要集中在堆肥微生物的选择和控制、堆肥反应器的改进、工艺条件控制优化以及堆肥添加剂的应用等方面。

微生物种类和活性是影响堆肥熟化时间和堆肥质量重要的因素。好氧微生物吸收利用有机物的能力取决于他们产生的可以分解底物酶的活性,堆肥底物越复杂,所需要的酶系统就越多且越综合。好氧堆肥中有机物底物的降解主要是以细菌、放线菌和真菌等为主的微生物共同作用的结果,在堆肥过程的不同阶段存在不同的优势菌群,在低温期(<55℃)和高温期(>55℃)微生物群落结构差别较大。通常影响微生物活性的生态因子,如水分、底物C/N、氧含量、温度和PH等均影响好氧堆肥过程,因此在好氧堆肥过程中需合理控制这些生态因子,以使微生物对有机底质的分解处于适合的水平。

厨余垃圾好氧堆肥过程的工艺条件进行了大量的研究和优化。邵蕾等利用自制食物残渣好氧堆肥实验研究表明,该类垃圾堆肥可在4天内完成,堆肥过程分为两个阶段,一阶段发生在8-12小时,温度为48~52℃,第二阶段发生在55-65小时,温度为55-62℃,堆肥过程中二氧化碳的形成和氧气的利用率与温度成线性关系。韩涛等在讨论单一因素对厨余垃圾堆肥进程影响的基础上,对厨余垃圾好氧堆肥的工艺条件进行优化,通过实验得出的堆肥条件为环境温度40℃、含水量50%、粒径30mm、通风量4L/min。其中环境温度对堆肥过程影响明显。席北斗等研究了不同膨松剂对厨余垃圾堆肥过程中理化特性的影响,结果表明添加马粪和锯末可明显改善堆料空隙率,吸收多余水分,同时可加速氧和有机物的传输速率,改善好氧堆肥的微环境。杨廷梅等研究了厨余分别于木屑和下脚料混合后好氧堆肥过程中微生物和氮素的变化情况,结果表明:与厨余堆肥相比,潜脚堆肥具有初始水溶性高、堆肥PH低、高温持续时间久、二氧化碳释放率高、氮素损失低和肥料含氮量高等特点。

(二)厨余垃圾厌氧发酵技术

(1)厌氧发酵对有机质的降解原理

厌氧发酵是一个多步骤、多种微生物参与的过程。厌氧发酵被普遍认为是一个三个阶段的复杂反应过程,即水解阶段、产氢产乙酸阶段和甲烷阶段。在整个厌氧发酵过程中,通过三大菌群(发酵性细菌、产氢产乙酸菌和甲烷菌)的相互协同作用,使复杂的有机物降解为CH2、H2和CO2等气体。

厌氧发酵过程中有机质的降解机理主要包括丁酸型、内酸型和乙酸型3中类型。可溶性碳水化合物的发酵类型以丁酸型为主,发酵的主要末端产物为丁酸、乙酸、H2、CO2和少量的丙酸;含氮有机化合物主要以丙酸型发酵为主,其特点是气体的产生量很少:乙酸型发酵的末端发酵产物以乙酸、乙醇为主,发酵液中含有大量的H+,对产氢和产甲烷都有优势。

(2)厌氧发酵的影响因素及研究进展

目前厨余垃圾的厌氧发酵技术研究主要集中在水解酸化工艺及反应器的设计、产氢和产甲烷菌种的选择与分离、发酵过程工艺条件的优化以及两相法产氢和产甲烷等方面。

对于厨余垃圾这种大分子有机物来说,蛋白质、糖类和脂肪等大分子的降解十分重要,水解酸化程度的高低将直接影响生物气的产率,水解酸化程度的好坏除了与操作条件有关外,还与反应器的设计构造有关。史红钻等对酸化反应器做了改进,实现了酸化液与未消化固定物料的分离,可将水解酸化过程中产生的酸化液及时地提取出来,而未消化的固体物料则继续留在酸化反应器进行酸化,达到了对未消化物料的酸化。李一平等研究了两相法中PH对厨余垃圾酸化过程的影响,结果表明在PH=7时,86%的总有机碳(TOD)处于溶解性状态,大多数蛋白质可被降解形成氨氮,氨氮增加了体系对酸的缓冲能力,因此提高了厨余垃圾的水解和酸化速率,同时酸化产物中乳酸的浓度相对更低,这个后续的产甲烷阶段创造了良好的条件。

厨余垃圾厌氧产氢通常和水解酸化在同一个反应器内完成。产氢效率受产氢菌种、生态因子(如PH、氧化还原电位ORP、温度和底物等)以及水力停留时间等因素的限制。通常利用产氢菌比产甲烷菌能耐受更宽的PH,产氢发酵细菌的生长速度比产甲烷细菌快的特点,通过改变PH和水力停留时间等参数来实现对产氢细菌和产甲烷细菌动态分离,提高反应器的产氢能力。任南琪等在高效产氢菌的分离、产氢菌的生态因子优化方面做了大量的研究工作。而在厨余垃圾产氢的实验研究中,产氢菌源则主要来自污泥。张振宏等分别研究了活性污泥、矿化污泥和矿化垃圾作为产氢菌源对厨余垃圾产氢的影响,结果发现活性污泥的产氢效果好,其氢气浓度和产氢量分别为47.1%和100mL/g。李东等利用活性污泥作为发酵产氢菌源,利用不同化学组成的厨余垃圾在反应器中进行了发酵产氢,结果表明富含糖类垃圾的产氢能力是脂类和蛋白类垃圾的20倍。付钟等对厨余垃圾厌氧发酵产氢过程的研究表明,在发酵温度为55℃,PH在6.0-7.0时,发酵反应速率快,PH对发酵过程影响较小,COD的产氢率为0.48mol/g。杨占春等利用高温预处理过的活性污泥作为种泥,对厨余垃圾厌氧发酵制氢的工艺条件进行了优化,得到的气体中氢气的体积可达60%,氢气的产生速率为5.49m3/(m3.d)。

产氢和产甲烷是一个相互竞争的过程,特别是产甲烷对PH的依赖性较强,水解酸化阶段形成的酸性物质可能抑制产甲烷菌的活性,因此实验研究中比较常见的是将产酸和产甲烷2个阶段分开在不同的消化反应器中进行(两相法)以提高底物的利用和产甲烷速率。两相法产甲烷的研究主要集中在水解酸化反应器的设计改进以及运行工艺参数的优化方面。潘坚等试验规模的单相反应器和两相反应器处理厨余垃圾,结果表明采用两相处理工艺时甲烷量可以提高约20%。然而,尽管在研究报道上两相法多于单相法,但在工业应用方面,欧洲城市有机垃圾单相发酵占了优势,两相发酵占10.6%,这可能是由于现有的两相厌氧发酵工艺在消化时间和处理效果方面未表现出比单相明显的优势,而在系统操作和维护方面却比单相更加复杂的缘故。

两相法也可以将产氢和产甲烷结合起来,即在第1反应酸化产氢,产氢残渣经过调节后在第2反应器进行产甲烷。肖本益等设计了1中厨余垃圾两相法厌氧产氢产甲烷的技术,即将厨余垃圾经预处理后,进入第1发酵罐进行厌氧产氢发酵,发酵后沼渣进入第2发酵罐进行厌氧产甲烷,从而使厨余垃圾中的有机质得到充分利用。陈迪明也对厨余垃圾产氢后的残渣进行了产甲烷研究,结果表明在污泥接种量为60%时,产氢残渣进行静态发酵获得更高甲烷产率为441mL/g,产氢残渣动态发酵负荷为60%kg/(L.d),此时获得甲烷平均产率370mL/g。餐厨垃圾处理设备

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