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1、餐厨垃圾的无害化处理方法综述综合国内外餐厨垃圾处理方法，据目前的研究来看，餐厨垃圾大体可分为生物法和物理法两种方法。1.1 生物法处理餐厨垃圾生物法主要采取微生物或者其他生物技术，将餐厨垃圾制成发酵饲料或者肥料，这种处理工艺一般周期比较长，需要对菌种和其他生物选择管理，工艺相对物理方法比较复杂。而生物法又可大致分为厌氧发酵和好氧增肥方法，厌氧发酵工艺相对较为复杂，不过厌氧发酵工艺废物利用率较高，发酵过程中产生的沼气可发电或者用作家用燃气，而好氧增肥工艺则相对较为简单，其代表为蚯蚓增肥法，在美国中西部用运较多。1.1.1 厌氧发酵工艺厌氧发酵作为一种绿色环保的技术工艺，近20年来在国内有了较大的
2、发展。它主要利用厌氧微生物，将有机废物高效地降解利用并产生清洁能源气体的技术，不仅满足了当今社会人们对环保的需要，而且还有效的解决了餐厨垃圾的处理问题，变成了可利用的资源。国内早期厌氧发酵技术主要用于废弃污泥和高浓度有机废液的处理，但在餐厨垃圾处理方面用运较少，随着国内餐厨垃圾排放量的日渐增多，餐厨垃圾在城市垃圾中所占的比例也相应的增多，厌氧发酵技术也逐渐被用运于餐厨垃圾的处理上，并且也取得了相应的成果。下面就从餐厨垃圾厌氧发酵的原理和影响因素、工艺流程、设备设施以及技术瓶颈四个方面对厌氧发酵工艺进行一个大致的概述。1.1.1.1 厌氧发酵的原理和影响因素(1)厌氧发酵原理：厌氧发酵（又称为厌
3、氧消化）是指在厌氧微生物的作用下，有控制地使废物中可生物降解的有机物转化为、和稳定物质的生物化学过程。沼气为混合气体，其主要称为为甲烷和二氧化碳，其中前者约占左右，后者为左右，此外其中还有少量的 等气体。厌氧发酵主要分为两个过程：厌氧分解过程和生物化学反应过程。有机物分子中含有元素，以表示，则其分解过程可表示为:图1.1为厌氧发酵的有机降解步骤：图1.1 厌氧发酵的有机降解步骤图1.1中显示了厌氧微生物降解大分子有机物质的四个阶段，即水解、酸化、乙酸化和甲烷化。在厌氧发酵过程中，餐厨垃圾中的大分子量物质首先被微生物分解为分子量较小的物质，如糖、多肽和长链脂肪酸等物质。研究表明，在如上四个步骤当
4、中，水解是限速步骤，即水解的快慢直接影响了厌氧发酵过程，其主要原理为在水解过程中，水解酶或辅水解酶首先要吸附在有机大分子颗粒表面，将长链大分子有机质分解成短链聚合物。而第二阶段，生成的短链有机物进一步被产酸菌酸化，生成如葡萄糖、氨基酸和其他短链的有机酸，同时产生少量的和。第三阶段为产乙酸阶段，葡萄糖和氨基酸等物质在乙酸菌的作用下，生成挥发性的脂肪酸（如乙酸和丁酸），同时也会生成少量的和。第四阶段为甲烷化阶段，将脂肪酸类、/转化成甲烷，在整个发酵过程中，大部分能量将储存在甲烷中，少部分被微生物利用。图1.2为产甲烷菌的代谢类型：图1.2 产甲烷菌的代谢模型(2)厌氧发酵的影响因素：目前的厌氧发酵
5、技术主要采用厌氧活性污泥堆有机质进行高效降解，然而该技术却易受多种因素的影响，如有机质的进料负荷、发酵温度、C/N比、氨氮、挥发性脂肪酸、长链脂肪酸、pH值、物料粒径和微量元素等。张存胜.厌氧发酵技术处理餐厨垃圾产沼气的研究D.北京化工大学,2013有机负荷对厌氧发酵有重要的影响，负荷较低的情况下，厌氧发酵中发酵菌的分解处理能力相对较弱；而负荷过大的情况下，容易使得发酵酸化，进而导致发酵失败。所以维持比较适宜的有机负荷可以使厌氧发酵高速有效地进行。据研究表明，最大的餐厨垃圾负荷为，对应的沼气和甲烷的长率分别为和。其中，为总质量，为挥发性物质的质量。图1.3 其他条件不变的情况下有机负荷与甲烷含
6、量的对应关系比也是影响厌氧发酵的一个重要参数，它不但影响厌氧发酵沼气产率还影响发酵液的氨氮浓度。比较适宜的比有利于微生物的生长。研究表明比在之间比较适宜，当比为时厌氧发酵能够高效地进行。金属元素包括等元素。微生物的生长出了需要营养元素外，还需要金属元素，这是由于生长过程中很多酶和辅酶需要一定量的金属元素。例如，在三磷酸腺苷的合成过程中，元素起到了相当重要的作用。氨氮和挥发性脂肪酸对微生物降解过程也有重要的影响。其中氨气的含量主要对值有调节作用。此外，微生物的生长过程，对发酵体系的值也有要求，且每种微生物所适宜的环境也有所不同。比如产甲烷菌的适宜值为，就是中性；而产酸菌的生长适宜值为，偏酸性好一
7、点。温度对发酵的影响也是不容忽视的。微生物与餐厨垃圾混合时，微生物分泌出的生物活性酶会对有机溶质进行讲解，而我们知道，每种生物酶必须要在适宜的温度下才具有活性，才能最大限度地进行发酵。研究表明，适宜厌氧发酵的温度范围有两个此处标注文献论文13页，分别是中温()和高温()。图1.3为不同温度下某有机溶剂沼气产量。图1.4 不同温度下某有机溶质的沼气产量1.1.1.2 厌氧发酵的工艺流程现阶段的厌氧发酵工艺流程可主要分为三个阶段：液化阶段、产酸阶段和产甲烷阶段。可分为单相工艺和双相工艺。图1.5 厌氧发酵各个阶段流程示意图(1)首先是液化阶段。液化阶段的主要化学反应式为： （脂肪） （甘油） （脂
8、肪酸） （碳水化合物） （双糖） （单糖）由反应式可知，在液化阶段，主要由大分子物质通过微生物的降解作用分解为小飞子的脂肪酸、甘油和糖类物质。(2)其次是产酸阶段。液化阶段产生简单可溶性有机物（丙酸、丁酸、乳酸，醇、酮、醛，还有糖类物质等），在产氢菌和产乙酸菌的作用下，进一步分解成乙酸和等。(3)最后一个阶段是产甲烷阶段，化学反应式如下：由反应式可知，产甲烷阶段之后产生的气体主要为甲烷和二氧化碳，此外还有少量的氨气和硫化氢。下面介绍一下单相和双相工艺。(1)单相工艺 单相工艺是指厌氧发酵降解有机物质的过程在一个反应器中进行，其反应简单工艺示意图如图1.5所示。张存胜图1.6 单相工艺餐厨垃圾经
9、过预处理之后进入发酵罐，在厌氧微生物的作用下，有机质被转化为沼气，发酵结束后废水直接被排出。单相工艺主要包括升流式厌氧污泥床（UASB）、连续搅拌反应器（CSTR）和膨胀颗粒污泥床（EGSB）等，其结构图见图1.7所示。图1.7 单相工艺的厌氧反应器（A：USAB；B：EGSB；C:CSTR）（A:USAB; B:EGSB; C:CSTR）图1.7A为UASB结构图，厌氧微生物吸附在污泥床的床层中，产生的沼气在反应器顶端收集，废水由顶端侧方位排出。有机质或废水由反应器底部进入反应器后，首先与污泥床接触，在接触过程中，厌氧微生物将有机质降解、产生沼气，有机质降解完毕后，废水继续上升，从而排出容器
10、。EGSB则相比于UASB有拆流板，活性污泥一直处于膨胀状态，沉降性能比UASB好，增大了活性污泥与有机质的接触面积。而CSTR则相对较为简单，在搅拌的作用下，有机质与活性污泥充分混合，传质效果较好，有利于微生物对有机质的降解。(2)双相工艺 双相工艺相对于单相而言较为复杂。其大体分为两个阶段，分别为酸化阶段和产甲烷阶段。第一阶段主要是有机物质的降解和酸化，这其中会有部分和产生。第二阶段中，第一阶段所产生的酸化物质在产甲烷菌的作用下，分解产生甲烷；另外也与混合产生甲烷。其工艺示意图如图1.8所示：图1.8 双相厌氧发酵工艺反应器的类型对双相工艺发酵效率具有重要的影响。在双相工艺中采用了不同的反
11、应器，第一阶段一般为序批式反应器（SBR），第二阶段采用上流式厌氧污泥床反应器（UASB），可以讲海洋类有机废物（海星）高效地转化为甲烷。与单相工艺相比，双相工艺有其自身的优点。第一阶段首先在酸化器中进行酸化，然后进入产甲烷发酵罐中，避免了水解反应的步骤，有效地提高了产气速率。1.1.1.3 国内外餐厨垃圾厌氧发酵主要设备目前市场上出现的厌氧发酵主要设备，如发酵罐、发酵箱等装置较多。较为小型的设备如中国万家电器集团有限公司自行研制的玩家SLC370型餐厨垃圾处理器，由于其处理垃圾较小，产生的甲烷一般不做收集，而发酵之后的固态产物可作为高效的农家肥料或者饲料。下面介绍一下集中具有代表性的新型厌氧
12、发酵装置。(1) 笼屉式多用固体厌氧发酵装置。这种发酵装置像笼屉一样分为若干阶段，节间密封，可以根据生产规模多节自由组合；克服了固体发酵装卸料不易实现机械化、自动化的缺点。结构构成为：底层罐体，在底层罐体上方设有中间罐体，中间罐体的上方没有覆盖，底层罐体和中间罐体上设有蒸汽入口，罐盖的顶部没有气体出口。这是一种新型的厌氧发酵装置，尤其涉及一种笼屉式多用固体厌氧发酵装置，适用于各种规模固体发酵生产沼气、固体发酵酒精、固体发酵白酒等厌氧或兼性厌氧发酵工艺。这种发酵装置为干性厌氧发酵装置，主要对象是对固体有机垃圾的处理。(2) 太阳能厌氧发酵装置。一种太阳能厌氧发酵装置包括：设有导气嘴、进出料管的腔
13、体，其特征在于：所述腔体的腔壁上至少开设有一个窗口，窗口上安装有太阳能吸收板。本发明设计科学，结构简单、合理。腔体制作采用的材料质轻耐腐性好，成为腔体一侧腔壁的太阳能吸收板不仅具有良好的太阳能吸收功能，还具有较好的保温效果。在光照较好的地区，利用太阳能吸收板所吸收的热能，完全可满足和维持腔体内发酵原料在高温下的发酵，产气率高。由于本装置腔体小而轻，容易搬移或运输。搬家时，将装置内的发酵原料卸空，即可较轻松地将装置搬走，非常实用。尤其适应在高原牧区等太阳能较为充足的地区推广使用。（深圳市普心科技有限公司）(3) 产气贮气一体化厌氧发酵装置。本实用新型涉及一种产气贮气一体化厌氧发酵装置。它需要解决
14、降低发酵装置罐顶的制造成本，提高保温性能，供气更加稳定，以及发酵产气效率不够高等问题。本实用新型的发酵装置，有一个罐体，其特征在于所述的罐顶有柔性贮气膜，贮气膜和物料表面之间形成贮气室，贮气膜外有增压膜，两层膜之间形成气密腔，气密腔与增压装置连通。所述的罐体下部还设有搅拌器；罐体上设有带泵的回流装置，回流管上口高于物料表面。(4) 地面保温连体浮罩菌巢干式连续厌氧发酵装置。这是一种地面保温连体浮罩菌巢干式连续厌氧发酵装置，它包括厌氧发酵间、贮气室、浮罩，其特征是：在立方体抗压增强框中有两个带有保温层的连体的具有浮罩升降水槽的长方体和有型底部构成的地面保温连体浮罩菌巢干式连续厌氧发酵装置，下面有
15、底座，浮罩上有升降导向杆和浮罩控制盘，浮罩控制盘上有控制弹簧和控制杆，浮罩上还有出气导管用导气软管连接两连体发酵装置的一个共同的单向三通阀，发酵装置内有压料格栅，压料格栅内均匀插装有生物膜固体菌巢，两连体发酵装置由型液体流动横管连通，出料口由型出料管构成，其横管处于发酵间底部并贯通发酵间，上部开有出料口，中间与相邻发酵装置的型液体流动横管连通，其竖管在发酵装置前部，竖管上有阀门。下面介绍一下几种厌氧发酵设备的相关信息。其中主要包括厌氧发酵的一些设备型号和性能特点。表1.1 几种发酵设备概述设备名称生产厂家品牌/型号可否定制容量/尺寸微生物代谢类型材质价格范围设备简介实验发酵罐常州三高生物技术工程设备有限公司三高生物是根据客户需要而定制(ml/mm)好氧/厌氧316L不锈钢/SUS304￥100000.00非标配置，配置不同价格不同该设备发酵罐为机械搅拌通风发酵罐，材质较好，选择性较强，可以根据用户不同需求选择不同容量吃存的发酵装置。玻璃钢冷却塔发酵罐安丘市鹏飞玻璃钢厂鹏飞否厌氧发酵罐面议耐化学腐蚀，使用寿命长；具有特殊的耐腐性能，可以耐多种酸、碱、盐和有机溶剂。供应发酵罐系列无锡市南泉化工成套设备有限公司太湖/1000
