第三节厨余垃圾传统处理技术概述(1)

一、破碎处理与饲料化处置 （一）破碎处理技术

破碎直排处理是欧美国家处理少量分散厨余垃圾废物的主要方法，如家庭产生的少量餐厨厨余垃圾废物，在厨房安装一台破碎机，将饮食垃圾切碎，用水冲到市政下水管网中，与城市污水合并进入城市污水处理厂进行集中处理。 破碎法对于少量分散产生的厨余垃圾废物，如家庭厨余垃圾处理，具有价格便宜，技术简单的优势，能降低城市垃圾的含水率，减少收集量，利于提高城市垃圾的热值品位。但其不足的方面有：(1)需要采用较多的水进行冲洗，增大城市污水的产生量和处理量；(2)在污水管网中，易沉积、发臭，增加病菌、蚊蝇的滋生和疾病的传播；(3)废物中有机组分不能得到资源利用，同时增加了城市污水处理厂的处理负荷；(4)不利于大规模的厨余垃圾废物的处理处置。由于我国的城市污水收集和集中处理还处于发展阶段，我国目前的城市污水收集、处理率水平较低，厨余垃圾废物的破碎处理在我国的推行应用具有现实的难度。 （二）饲料化处置技术

厨余垃圾废物是食品废物的一种，营养成分丰富，厨余垃圾废物的饲料化处置，能充分利用厨余垃圾中有机营养成分，厨余垃圾的饲料化处置主要有以下三种形式。

第一种方式，厨余垃圾废物直接作为动物饲料，由于其不能达到环境安全的要求，国外多数国家均严格禁止厨余垃圾的这种处置利用方式。

第二种方式，厨余垃圾废物饲料化必须经过适当的预处理，消除病毒污染，然后才能制成动物饲料，进行资源化利用。其预处理手段主要针对厨余垃圾废物中的细菌、病毒等污染物的控制，常用的预处理手段有：高温干化灭菌、高温压榨等。日本对厨余垃圾废物采用明火加热煮沸的方式，进行厨余垃圾消毒；M.N.Nijmeh等采用太阳能干化器处理食品废物制造饲料；国内郝东青等亦采用分选、蒸煮、压榨、脱油工序进行了厨余垃圾处理生产蛋白饲料的技术研究工作。 高温、压榨等处理手段对减少厨余垃圾废物的细菌、病毒污染具有明显的效果，但仍然存在一定的安全隐患。Timothy R.Kelley等进行厨余垃圾压榨处理后的病原性试验结果表明，该法能显著减少食品废物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菌以及其他残存的微生物。另有从厨余垃圾废物中检出易引发疯牛病的毒枝霉素的研究报道，而毒枝霉素很难通过高温等常规消毒手段消除；此外，大量报道表明，厨余垃圾废物中存在许多微量的有毒有害物质，如作物的农药残留、食品添加剂等，其中许多物质具有很强的环境稳定性和生物累积效应，因此，利用厨余垃圾废物直接作为动物饲料，并以很短的周期和途径再次进入食物链的循环，对动物和人类的健康安全均带来不利影响，存在不可确定的安全隐患。

第三种方式，是采用厨余垃圾饲养特定非食物性生物，然后进行转化物质的提取应用。耿土锁等20世纪80年代即进行了厨余垃圾等食品垃圾饲养蚯蚓提取动物蛋白的生产性试验。该方法通过厨余垃圾得到动物蛋白，应该说，相比厨余垃圾直接应用为动物饲料，进入食品循环，具有较高的环境安全性，但在蚯蚓饲养过程中存在环境影响的控制，蚯蚓蛋白的进一步利用途径及安全性等，尚需进一步的研究确认。 二、好氧生物处理

美国、爱尔兰等将包括厨余垃圾废物在内的有机废物统一收集，在有机废物处置厂进行分类堆肥或其他的资泺利用。韩国通常采用堆肥以及饲料化的处置方式，由于饲料化存在潜在的有害影响，堆肥日益成为处置厨余垃圾废物的主要途径，Jae-J ung Lee等以化学肥料为参照，研究了厨余垃圾废物堆肥对土壤微生物、土壤活性以及莴苣生长的影响，在4到6周的试验中，施用厨余垃圾堆肥的新鲜莴苣收获重量达到控制样的3～4倍，土壤微生物数量以及活性明显提高，并有利于植物氮素的吸收利用。

但在技术上，单一厨余垃圾堆肥存在着较大的技术难点，含水率高、有机质含量高，导致堆肥升温慢、容积效率较低，而且易腐、颗粒机械稳定性差的特性，需要特殊的填充物提高空隙率、大量的填充剂调理含水率，此外厨余垃圾中含有的大量油脂和盐分会进一步影响微生物对有机物的分解速率。Sung-Hwan Kwon等研究指出，由于受厨余垃圾物料特性的影响，厨余垃圾堆肥的有机物转化率低于城市生活垃圾(MSW)的转化率。Yao-Wu He等研究了厨余垃圾等食品废物好氧堆肥过程中CH4以及N2O等温室气体的排放，结果表明，初期产生N2O的排放高峰，两天后逐步回复到大气环境的本底值，而在牛粪调理的情况下，在堆肥的

全过程均产生N2O的排放，并形成两次排放高峰，同时，排放尾气申检出CH4，这说明，即使在强制通风的情况下，厨余垃圾颗粒内部存在缺氧和厌氧环境，厌氧菌的加入，使得甲烷气的产生。

由于厨余垃圾废物堆肥处理的技术复杂性，有研究者尝试进行了厨余垃圾废物强制导热通风的高温氧化处理研究。吕凡、何品晶等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，控制反应在高温条件下(55～65℃)可以达到最大减量率，减容率达到40%以上。高温好氧工艺处理厨余垃圾，有机物转化率高，反应残余可作为有机肥料。但反应过程要保持较高的温度，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，大量的排放尾气中含有较多的挥发性有机物。总体上，高温好氧工艺运行成本较高，对环境产生较大的影响，不利于大规模的厨余垃圾废物的处理。

三、厌氧发酵处理

由于厨余垃圾饲料化、好氧处理的技术缺陷，很多学者将厨余垃圾处理的方向转向厌氧生物技术。厌氧微生物能强化厨余垃圾中油类的分解，耐盐毒性较强；此外，不需供氧，节省能耗，因此，从技术分析上，厨余垃圾废物的厌氧发酵处理具有节能、高效、资源回收的优势，但亦存在发酵周期长、初期投资大的不足。 目前，有机废物的厌氧发酵处埋技术，可分为两大类：其一，是进行低固体的浆料或液态发酵，技术相对成熟；其二，进行厨余垃圾废物原生态或适当调理的高固体或半固体厌氧发酵技术。高固体技术在系统投资、设备效率、发酵物料的综合利用等方面具有明显的优势，在发酵理论上亦较成熟，但随着固体浓度的提高，物料中毒性物质以及流态、传质等因素的影响加强，在具体技术应用上尚存在较多的不确定性和难度；发酵工艺以及参数的确定、反应器的构建以及过程的控制等方面是其研究的重点。

厨余垃圾废物含水率在80%左右，物料组成复杂，酸化速率极快，高有机物含量以及盐分影响，易对厌氧微生物，尤其是甲烷相微生物的活性产生抑制，因而，采用大量加水稀释的方式进行，可以减少物料对微生物的抑制影响，提高反应进程，能实现厌氧物料的流态化；在工艺的组合（温度、负荷等）、生物相的分离（单相、两相）、高效反应器（如UASB、ASBR等）的构建应用等方面具

有明显的优势。但大量稀释水的增加，造成反应器体积庞大，投资和运行费用大幅提高，同时，大量发酵后的液体含有较高的COD等环境污染物，需进一步处理才能达标排放。

保持厨余垃圾原有基质状态或适当调理，进行厌氧发酵处置，相比以上方法，具有阴显的优势，符合厨余垃圾处理产业化的要求，但目前国内进行厨余垃圾废物高固体或较高固体发酵处理的试验研究很少，国外的少量研究成果可以用以借鉴。Jae Kyoung等进行了厨余垃圾废物的甲烷化潜力(BMP)研究，结果表明，厨余垃圾废物具有较大的厌氧甲烷化潜力，肉食、纤维素、米饭、卷心菜和混合废物的甲烷化潜力分别为(每克VS)482 mL/g、356 mL/g、294 mL/g、277 mL/g、472 mL/g，厌氧可生物降解性分别为0.82、0.92、0.72、0.73、0.86，但长期稳定试验效果不佳，产气率远达不到BMP研究结果；M.Mure、Wang Yusheng等进行了厨余垃圾废物与市政污泥等的联合发酵试验表明，在一定的比例下，厨余垃圾发酵可以顺利进行。

在厨余垃圾高固体发酵过程中，物料的酸化过程是影响发酵启动和稳定性的主要原因。Kang等研究得出结论，厨余垃圾废物在发酵的初期迅速产生大量的挥发酸(VFAs)．引起系统pH值的急剧下降，抑制甲烷化的进行，进一步的研究表明，即使保持系统pH值在中心范围，在接种率30%的条件下，厨余垃圾厌氧发酵亦未能达到甲烷化过程；对应的厨余垃圾酸化液厌氧毒性试验(ATA)表明，厨余垃圾酸化液是抑制厨余垃圾废物甲烷化进程的主要原因，当对系统的发酵液进行稀释时，在很短的时间内（1天）微弱恢复产气，继而系统彻底崩溃。而不同的研究结论亦存在,Ghanem等通过研究认为，挥发酸的累积会导致系统产气的停滞，但当减少挥发酸的浓度时，系统产气能力能得到恢复，甲烷化可以继续进行。

此外，Q.wang等研究表明，餐厨废物中存在的乳酸发酵能抑制其他细菌生长，进而影响到废物发酵的启动与进程，发酵菌种的驯化、系统快速启动是厨余垃圾废物发酵的技术难点。总的说来，厨余垃圾废物高固体或半固体厌氧发酵处理，有利于厨余垃圾废物的全面资源化，但在工艺技术上相对还不完全成熟，有待于进一步的系统研究。

四、填埋

填埋由于操作简便，是目前应用比较普遍的处理方法。厨余垃圾很适合于填埋场气体利用技术，因为厨余垃圾的产气速度很快，稳定时间比较短，有利于垃圾填埋场的恢复使用；厨余的有机物中可生物降解组分比例较高，单位质量的干垃圾的理论产气量也高于纸张。但由于厨余垃圾过高的含水率导致渗滤液的增多，符合填埋条件的土地面积的减少，造成处理成本升高。而且厌氧分解的厨余垃圾是填埋场中沼气和渗滤液的主要来源，会造成二次污染。这种处理方式将损失厨余垃圾中几乎所有的营养价值，最终厨余垃圾中的绝大部分碳将转化为沼气。在一个精心设计的填埋场里，约有66%的沼气可以作为燃料重新利用，但剩余的34%将进气层。而沼气对全球变暖的影响约为二氧化碳的25倍。

五、厨余垃圾处理机

厨余垃圾处理机主要分三种类型：第一种就是将厨余垃圾破碎后，直接排A下水道，并没有深层次的处理；第二种以减量化为主，也称消化型，采用加热器使水分蒸发，减小垃圾体积；第三种以资源化为主，也可称作生化式，是先利用细菌将有机物分解之后，再将剩下的残渣作为肥料使用。厨余垃圾处理机的优势在于没有二次污染，占地小，运行成本低，操作方便，既可用于居民厨房，也可用于厨余垃圾产生量比较大的单位部门。

日本在厨余垃圾处理机的生产、销售和推广方面已经形成了比较完善的市场体系。出台了一些优惠并运用财政帮助其在居民或厨余垃圾产生单位的推广。

第四节厨余垃圾的堆肥化处理

一、堆肥化定义

依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，人为地促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质生化转化的微生物过程叫做堆肥化。堆肥化的产物称作堆肥。

二、堆肥作用和用途

堆肥还田，能够增加土壤中稳定的腐殖质，形成土壤的团粒结构，改善土壤物理的、化学的、生物的性质，使土壤环境保持适于农作物生长的良好状态。腐殖质又有增进化肥肥效的作用。总之，使用堆肥主要具有以下两种作用。 (1)堆肥的改土作用。堆肥对土壤的作月不同于化肥，它是优良的土壤改良剂。堆肥施入土壤可以明显地降低土壤容重，增加土壤的空隙率，使固相下降，液相和气相增加；提高了土壤的保水能力、通气性和渗水性。腐殖质的增加提高了土壤的阳离子交换能力，有利于保持肥效；腐殖化的有机物具有调节植物生长的作用，也有助于根系发育和伸长，即有助于植物扩大根部范围；最后，堆肥使用增加了土壤中的微生物数量。微生物分泌的各种有效成分直接或间接地被植物根吸收而起到有益作用，故堆肥是昼夜有效的肥料。

(2)堆肥的增产作用。国内外的许多试验表明，堆肥具有明显的增产作用。有试验表明，连续使用堆肥2～3年后土壤空隙度增加2.l%—4%，田间持水量增加1.4%～3.5%，有机质增加0.05%～0.17%，增产幅度最高达15%。但一个应该予以重视的问题是，不同的堆肥原料、堆肥品质对农作物的影响是不一样的，堆肥使用于不同的场地，其使用方法和使用量都有区别。

三、堆肥的原料要求

堆肥原料特性（CJ/T3059-1996）：

(1)密度。适用于堆肥的垃圾密度一般为350～650 kg/m3； (2)组成中（湿重）有机物含量不少于20%； (3)含水率。适合堆肥的垃圾含水率为4006—60%；

(4)碳氮比(C/N)。适合堆肥的垃圾碳氮比为(20：1)～(30：1)。 四、堆肥的产品质量和卫生要求 堆肥产品质量（以干基计）：

(1)粒度。农用堆肥产品粒度不大于12 mm，山林果园用堆肥产品粒度不大于50 mm;

(2)含水率不大于35%； (3) pH值为6.5—8.5；

(4)全氮（以N计）不小于0.5%； (5)全磷（以P205计）不小于0.3%； (6)全钾（以K20计）不小于1.0%； (7)有机质（以C计）不小于10%；

(8)重金属含量。总镉（以Cd计）不大于3mg/kg；总汞（以Hg计）不大于5mg/kg;总铅（以Pb计）不大于100 mg/kg;总铬（以Cr计）不大于300 mg/kg;总砷（以As计）不大于30 mg/kg。

堆肥无害化卫生要求：

(1)堆肥温度（静态堆肥工艺）大于55℃:持续5d以上； (2)蛔虫死亡率为95%～100%； (3)粪中大肠菌值为10-1～10-2。 五、堆肥原理和堆肥化过程

好氧堆肥是在有氧的条件下，借好氧微生物（主要是好氧菌）的作用完成的。在堆肥过程中，厨余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为微生物所吸收，固体的和胶体的有机物先附着在微生物体外，由生物所分泌的胞外酶分解为溶解性物质，再渗入细胞一微生物通过自身的生命活动——氧化、还原、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需的营养物质，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，图11一l可以简单地说明这个过程。

图l1一l 有机物的好氧堆肥分解

一般情况下，可以利用堆肥温度变化来作为堆肥过程的评价指标。一个完整的堆肥过程由四个堆肥阶段（升温阶段、高温阶段、降温阶段、腐熟阶段）组成。在堆肥初期，堆层基本呈中温，嗜温性微生物较为活跃，并利用堆肥中可溶性有机物旺盛繁殖，它们在转换和利用化学能的过程中，一部分变成热能，堆温不断上升。适合于中温的微生物种类极多，主要有细菌、真菌和放线菌。细菌特别适应水溶性有机物，真菌和放线菌对于纤维素和半纤维素分解具有特殊功能；当温度升高到45℃后，进入高温阶段，此时主要由嗜热性微生物起作用，复杂的有机物开始强烈分解；温度进一步升高到70℃以上时，微生物大量死亡或进入休眠期，与此同时，堆肥中有机质大量消耗，堆肥物质逐步进入稳定化状态，高温阶段，有机物质的分解较快，且高温对杀灭病原菌、寄生虫、虫卵、孢子等有利。在堆肥后期，温度逐渐下降，堆肥进入腐熟阶段，腐殖质不断增多且稳定化。总之，在堆肥的每个阶段拥有不同的细菌、放线菌、真菌和原生动物。微生物利用废物和阶段产物作为食料和能量的来源，这种过程一直进行到稳定的腐殖物质形成为止。

六、厨余垃圾堆肥的要素

厨余垃圾有机物含量高，营养无素全面，C/N较低，是微生物的良好营养物质，非常适于作堆肥原料。厨余垃圾中含有大量的微生物菌种，易于堆肥过程的正常进行。另外，厨余垃圾中惰性废物（如废塑料等）含量较少，利于堆肥产品的农用。但堆肥过程应针对厨余垃圾含水率高，脱水难，含盐高、pH值低的特性进行调整，以利于堆肥过程的快速、正常进行。 （一）微生物的接种

厨余垃圾中，有机物含量与城市垃圾相比很高，为了保证厨余垃圾堆肥的正常、快速进行，应加入适量的微生物，提高堆肥速率；通常可在堆肥原料中接种下水污泥，也可配以一定量专性工程菌或熟堆肥。 （二）水分的调节

厨余垃圾的含水率较高，在90%左右。一般认为，按质量计，50%～60%的含水率最有利于微生物分解，水分超过70%，温度难以上升，分解速度明显降低。因为水分过多，堆肥物质粒子之间充满水，有碍于通风，从而造成厌氧状态，并产生恶臭气体。厨余垃圾在堆肥前必须进行水分调节，降低含水率到60%左右，

一般采用离心机进行脱水。 （三）温度

对堆肥而言，温度是堆肥得以顺利进行的重要因素，温度的作用主要是影响微生物的生长。高温菌对有机物的降解效率高于中温菌。在高温条件下堆肥，有利于缩短堆肥周期，同时高温还起到系菌的作用，但过高的堆温（大于70℃）将对微生物产生有害的影响。当利用堆肥过程自然升温时，应考虑到厨余垃圾易结团的特性，原料要加入一定量的填充料（木屑、秸秆等），利于氧的传输和传质作用。

（四）碳氮比、碳磷比

厨余垃圾的有机物含量较高，控制好碳氮比、碳磷比对堆肥很重要。一般认为，碳素高，氧素养料相对缺乏，细菌和其他微生物的发展受到，有机物的分解速度就慢，发酵过程就长，为了保证成品堆肥中一定的碳氮比和在堆肥过程中有理想的分解速度，必须调整好原料中的碳氮比（25:1左右）和碳磷比（（75～150):1左右）。

（五）通风供氧控制

厨余垃圾的有机物含量较高，对堆肥过程中的通风供氧有较高要求，供氧不足会产生厌氧和发臭。通风量过高，又会影响发酵的堆温，降低发酵速度。实际生产中，可通过测定排气中氧的含量，确定发酵器内氧的浓度和氧的吸收率，排气中氧的适宜体积浓度值是14%～17%。如果降到10%，好氧发酵将会停止。如果以排气中嗡的浓度为氧吸收率参数，CO2的体积浓度要求为3%～6%。 （六）pH值

pH值对微生物的生长也是重要因素之一，一般微生物最适宜的pH值是中性或弱碱性，pH值太高或太低都会使堆肥处理遇到困难。厨余垃圾的pH值偏低，一般可加入一定量的石灰进行调节，适量的石灰投加能刺激微生物的生长。

七、厨余垃圾堆肥工艺

利用有机物进行堆肥已有几千年的历史，近几十年来，堆肥原理和堆肥工艺有了很大的发展，高速机械化堆肥得到了广泛的应用。国内科研人员也对堆肥进行了大量的研究。在我国国家科委社会发展司、建设部科技发展司的组织推动下，经过专家评估，通过确定了一系列城市垃圾处理技术推广项目。其中，属于机械

化堆肥处理技术的有五项，简易或半机械化高温堆肥处理技术项目有六项。 现代化堆肥生产，通常由前（预）处理、主发酵（亦可称一次发酵、一结发酵或初结发酵）、后发酵（亦称二次发酵、二结发酵或次结发酵）、后处理、脱臭及贮存等工序组成。废物堆肥化按设备流程包括下述系统：进料烘料设备、预处理设备、一次发酵设备、二次发酵设备、后处理设备及产品细加工设备等。 目前，随着对厨余垃圾环境危害的认识，法律法规的进一步严格，科研人员在原有堆肥研究的基础上，利用好氧堆肥进行厨余垃圾处理的研究日益增多，积累了一定的经验，其中提高堆肥品质和堆肥速率是研究的主要方向，并开发出一系列的厨余垃圾好氧堆肥处理设备。通过外加热源，提高温度，利用嗜热菌作用快速分解厨余垃圾中有机物极高温好氧堆肥工艺，已经开发成功并投入应用。下面简单介绍两种厨余垃圾堆肥处理和极高温堆肥处理的工艺及流程。 （一）厨余垃圾高温机械堆肥工艺

厨余垃圾高温机械堆肥工艺包括厨余垃圾的前处理、一次发酵、二次发酵和后处理等工序。

1．厨余垃圾的前处理

厨余垃圾的含水率高，堆肥前需要调节水分到堆肥要求的最佳水分50%～60%，然后进行破碎、配料。配料时加入一定量的填充料，保证堆肥时颗粒分离以及一定的空隙率、营养比，并进行微生物接种。

前处理系统可简单表示为：厨余垃圾一自然渗沥一离心脱水一破碎一配料 另外，有研究表明，厨余垃圾经过厌氧预处理(l-2d)后，再进行好氧堆肥，可明显缩短堆肥周期，提高堆肥效率。 2．一次发酵和二次发酵

厨余垃圾堆腮的一次发酵和二次发酵，与其他原料堆肥工艺类似。在厨余垃圾堆肥过程中，由于厨余垃圾的有机物含量很高，对氧的需求大，在运行参数上有一定区别。 3．后处理

厨余垃圾中杂物少，后处理主要有造粒、贮存等系统，旨在提高堆肥品质及利用价值。

厨余垃圾进入场区后首先称重计量，取样测定水分后进行脱水、配料处理，

调节含水率到50%～60%。水分调节后通过破碎机对厨余垃圾中粗大物料进行破碎处理，再由装载机送入地面带有通风装置的一次发酵池内，强制通风12～15d后进行二次发酵。二次发酵产物可作为成品肥直接销售，为了提高堆肥产品的品质，可对堆肥产品进行精加工，制成精品堆肥销售，可获得较好的经济效益。堆肥工艺流程见图ll-2。

图11-2厨余垃圾堆肥的工艺流程

（二）EATAD工艺

由加拿大科学家（IBR）开发的高温好氧无污染生物处理法( EATAD)，对包括厨余垃圾在内的有机垃圾具有较好的处理效果。该工艺的生化部分，采用高度嗜热微生物进行发酵，由于发酵温度高，有利于加快发酵过程。

不同的微生物耐热性不同，通常嗜热菌所具有的耐热性是因为这些微生物的酶耐热性强，核酸也具有保证热稳定性的结构，tRNA在特定的碱基对区域内含有较多的G=C对，可以提供较多的氢键，增加热稳定性；另外，嗜热微生物的细胞膜结构也与普通微生物不同，这类菌通常含有更多的饱和脂肪酸和直链脂肪酸，从而使得在高温下细胞膜还具有较好的流动性和完整性。从细胞膜的流动镶

嵌模型来说，膜的流动性对于保持细胞内环境与外环境的物质交换是很重要的。

该技术发酵所采用的菌种是混合菌团，能在85℃的高温下很好地生长。发酵周期为72 h。实行二次发酵。一次发酵，保持浆料含水为92%，固形物为8%，将浆料输送到一次发酵罐，升温到55℃接种发酵，由于在55℃条件下，该嗜热菌的酶被迅速激活，从而快速利用有机质进行新陈代谢。一次发酵后的浆料再迅速送人二次发酵罐，由于新陈代谢的进一步加强，代谢产生的热使温度继续上升，直到85℃时，有机质基本被降解。随后，温度有所下降。发酵完成后，其中5%的发酵液被用做下次发酵的种子，其他部分制成固态和液态有机肥料。

EATAD技术工艺包括：分拣、粉碎、溶浆、分离、一次发酵、二次发酵、干燥／沉淀和压制／蒸发等环节。在发酵过程中，采用闭环控制系统进行在线检测，严格控制各工艺参数，使发酵液中的有机垃圾成分最大限度地转化为目标产物——有机肥料。应用EATAD工艺处理厨余垃圾的工艺流程如图11-3所示。根据资料介绍，该技术的核心是供氧方式和速率。由于含水率非常高，可以比较方便地把氧气均匀地向浆状液体扩散，使有机废物与氧气充分接触；但另一方面，浆状体中的含固率也在2%～8%，黏度较大，氧气的喷射装置和喷射量也非常重要。若能够使氧气或空气以溶气的方式进入浆状体中，可明显提高氧气的利用率。

图11-3 EATAD技术工艺流程

第五节 厨余垃圾的厌氧发酵处埋

一、厌氧发酵技术简述

有机物的厌氧发酵过程就是有机物质在特定的厌氧环境下，微生物将有机质进行分解，其中一部分碳素物质转化为甲烷和二氧化碳。在这个转化作用中，被分解的有机碳化物中的能量大部分贮存在甲烷中，仅一小部分有机碳化物氧化为二氧化碳，释放的能量满足微生物生命活动的需要。因此在这一分解过程中，仅积贮少量的微生物细胞。一般认为，厌氧发酵包括四个阶段，即四阶段理论（水解、酸化、产氢产乙酸、产甲烷阶段），每个阶段有独特的微生物菌群。在不同的生态条件下，不一定都包括四个阶段，如在食草动物的瘤胃和人的盲肠和肠道 中，一般仅包括第一阶段和第三阶段；而在温泉中，仅包括第三阶段和第四阶段。这与不同生态环境的条件有关。

厌氧生物技术，虽然在经济和节能方面具有明显的优势，厌氧处理中1000 kgCOD转化成的甲烷相当于12×l06 kJ热能，并省却了好氧充氧的费用。但长期以来，厌氧消化被认为是一种较慢的生物处理过程，而且仅仅适用于很有限的一些有机物。近年来的研究表明，厌氧微生物的生物转化能力是可以与好氧微生物的生物转化能力相比拟的，问题不在于厌氧微生物的活性而在于厌氧微生物的世代时间。随着经济的发展、能源短缺的现实为大家普遍接受的同时，厌氧生物技术越来越引起人们的兴趣。Totzke掼道仅19—1994年全世界非塘类厌氧装置的数量从近300个增到800以上。厌氧处理的主要优缺点可见表11-1。

表11-1厌氧处理的优缺点比较

优点 工艺稳定 减少补充氮、磷的费用 贮存能量并具有生态和经济上的优点 可以降解好氧过程中不可生物降解物质 水处理中减少剩余污泥处理费用 缺点 反应器内生物量启动时间长 对碱度要求高，有时需补充一定量碱度 低温下动力学速率低，处理低浓度有机质不能实现能量平衡无尾气污染 甲烷菌对环境条件较敏感 厨余垃圾具有自身特性，含水率高，脱水性能差，有机物含量高等。采用厌氧处理与好氧生物处理相比，有独到的优势。

(1)厨余垃圾有机物含量高，经过厌氧生物处理能回收大量氢气及甲烷气，实现能源回收，具有较大的经济价值。

(2)好氧堆肥处理厨余垃圾，产生臭气和大量二氧化碳气体，不经有效处理能在一定程度上造成大气污染，二氧化碳气体是一种温室气体。厌氧处理尾气污染较少，具有生态优点。

(3)厨余垃圾含水率高，脱水性能差。采用好氧处理一般必须调节水分到堆肥所要求的50%～60%，消耗大量的能量，不进行水分调节，为了提高堆肥温度，则又要消耗更大的外源能量输入。厌氧处理时，对水分的要求无好氡条件严格，反应温度的保持可通过回收能量的全部或部分维持，能实现能量的平衡。 (4)厌氧微生物对氮、磷等营养元素的要求比好氧微生物低，减少附加费用。

(5)发酵沼渣、沼液可作为良好的有机肥，经过适当处理后可成为动物饲料。沼气发酵残余物是一种高效有机肥和动物饲料。沼渣一般含有机质36.0%～49.0%，腐殖酸10.1%～44.6%，粗蛋白5%～4%，全氮0.8%～1.5%，全磷0.44%～0.6%，全钾0.6%～1.2%。用等量沼液与敞口池粪水进行肥效对比，粮食增产6.5%～15.2%，棉花增产17 .5%，油菜增产0.6%．且对病虫害有防治作用。有关试验表明，施加沼液喂猪可使育肥期缩短一个月，节省饲料80 kg；用沼渣养鱼较投放猪粪增产25.6%。

二、厨余垃圾厌氧生物处理中存在的难点

利用厌氧技术处理厨余垃圾，由于厌氧微生物的生物学特性，也存在一些难点和缺陷。厌氧微生物的启动时间慢，批量发酵时，发酵周期相比好氧处理较长。厨余垃圾固体含量高，流动性能差，连续进料困难，影响厌氧微生物的接种等。厨余垃圾pH值较低，含盐量高，容易发生酸中毒，抑制微生物的正常生长，严重时可使厌氧过程失败。另外，相比于好氧生物处理，厌氧处理存在设备复杂、一次性投资较高的问题。

为了提高厨余垃圾厌氧发酵的效率，缩短厌氧发酵周期，通常可采用以下方法和途径：

(1)提高含固率，可提高反应器的设备效率。研究表明，固体浓度为7.52%、10.2%、15.5%时处理效果均良好。当固体浓度为21.8%以上时的处理效果逐渐下降，由于有机质生物降解率、产沼气量和产甲烷率均随固体浓度的增高而降低。

固体浓度为50%时降低幅度最大，考虑到反应器的设备效率，建议发酵固体浓度在10%—20%。

(2)在直接厌氧发酵过程中，由于挥发性有机酸积累较快，影响产甲烷菌的生长，使发酵效率降低，发酵周期延长，甚至酸中毒。酸中毒是高浓度发酵失败的最常见原因，克服的方法是必须选择厌氧食物链系统完整且活力高的优良接种物，同时要保证有足够的接种量。采用两步法发酵可显著提高氢气和甲烷产量，还熊提高城市固体废物的生物降解率。在20%～50%以下时高固体浓度发酵能正常产甲烷、最终pH值和挥发酸均正常。

(3)采用适当预处理，用先好氧后厌氧发酵，结果表明启动快，产气量高，处理周期短：而直接用厌氧发酵，由于挥发酸大量积累，启动困难，产气量少。与直接厌氧消化相比，日平均产气重可提高6.7倍，甲烷含量也明显增高。从好氧发酵转为厌氧发酵，速度很快，其实质原因是厌氧微生物的数量很多。厌氧发酵开始时，厌氧菌的数量即达到了高峰，这主要是接种物数量充足和接种物中含生物量高之故。

(4)提高反应温度。高温下，微生物活性高，反应速率快。

(5)采用专性工程菌，一方面可提高厌氧菌群的数量；另一方面，可利用工程菌的高效降解功能达到快速降解有机质的目的。

三、厨余垃圾的厌氧发酵处理

对厨余垃圾进行厌氧发酵处理时，由于厨余垃圾的含水率、有机物含量较高，在反应过程中对一些因素必须严格控制，如：含水率.pH值、碱度等。过高的含水率会影响反应的升温过程，从而直接影响反应周期，同时高的含水率也降低了反应器的容积负荷，降低了反应器的效率。因此，对厨余垃圾的水分调节，提高含固率是必要的。在厨余垃圾厌氧发酵中，有机物的酸化过程产生大量有机酸的积累，pH值下降，保持足够的碱度才能保证产甲烷过程的正常进行。另外，厨余垃圾氮、硫量亦较高，一定浓度的游离NH3、H2S对甲烷菌均有抑制作用，可视具体情况，通过控制适当的pH值和投加调理剂对其进行控制。厌氧发酵根据工艺、原料的特点，相的分离等，有多种分类形式，如直接发酵、两相发酵、高固体发酵、低浓度发酵、浆料发酵等。

高固体厌氧消化也称为干发酵。在传统的厌氧消化工艺中固体含量通常低于

8%，而高固体消化中固体含量可达到20%～35%。直到目前，大规模运用的厌氧消化都是低固体含量的，用于处理一些液体或固体含量低的泥状废物，在处理固体含量高的废物（如垃圾）时，需加大量的水稀释，大大增加了处理量和处理成本。以上因素使人们开始重视高固体消化技术。高固体厌氧消化有如下优点：单位容积的产沼气量高；需水量低或不需水；单位容积处理量大；消化后的产品不需脱水即可作为肥料或土壤调节剂等利用，降低了处理成本。

高固体厌氧消化的概念是在1958年提出的。从1980年起，Jewell等在这一领域作了不少工作。目前这方面的工作主要在欧美的一些国家进行。我国对它的研究尚少，仅江西工学院、武汉大学、清华大学、同济大学等几个单位进行了实验室规模的小试研究。研究进展一直很慢，其主要原因是随着固体含量的增加，许多影响微生物活性的条件变得更为严格，例如：(1)氨、重金属、硫酸盐、挥发性有机酸等抑制物的含量可能会提高，对细菌活性产生不利影响，需要有效的措施来降低原料中对细菌有毒性的物质含量；(2)很高的固体含量给搅拌装置的选择和动力配给带来了困难；(3)反应的启动条件苛刻，菌种驯化任务艰巨；(4)运行中存在着很高的不稳定性。

两相厌氧发酵是根据厌氧发酵的阶段理论，创造良好的微生物生活生长条件。实际上，各种分类都是相对的，在实际应用中，常常是分不开，结合使用的。下面对其中一些技术、工艺及其特点进行简单的介绍。 四、厨余垃圾厌氧发酵处理及工艺流程

厨余垃圾的厌氧发酵包括脱水、破碎等前处理过程、厌氧发酵、渗液处理、气体净化及贮存等环节。首先是通过离心机等机械进行物料的水分调节。破碎则利用破碎机对物料中的粗大物体（如骨头等）进行破碎，有利于后续发酵单元的顺利进行。厌氧发酵阶段通过投加兼性和厌氧微生物菌种，强化物料中有机组分的分解，使生成较稳定的发酵产品和以甲烷为主的发酵气体。利用水处理装置对物料脱水形成的有机废水进行处理，防止渗液形成二次污染。另外，甲烷是一种有较高经济利用价值的气体，通过净化装置去除发酵气中H2S等杂质气体，能提高发酵气的利用价值，工艺流程见图11-4。

图11-4厨余垃圾厌氧发酵工艺流程

五、厨余垃圾厌氧发酵的其他几种可行工艺 （一）美国试验工厂工艺

1979年，美国建立了世界上第一个年处理量为5000 t的试验工厂，由于经济原因，运行4年后停转，它在4年中所取得的经验、数据为以后的研究提供了很好的参考；其生产工艺也是以后各种不同工艺的基础。该工艺流程简图如图11-4。所收集垃圾经破碎分选后，去除无机成分和塑料等，调节固体含量为25%左右，在55℃下高温消化，机械搅拌，在反应器中停留一个月。所产生沼气处理利用，渗滤液处理后排放，残余固体物质加工成肥料或土壤调节剂。 该工艺是以后各种高固体厌氧消化工艺的基础。各国研究人员针对垃圾预处理、搅拌方式、反应温度、进料含量、产物的加工利用、污染控制等提出了许多不同的改进方案，形成了各具特色的工艺流程。试验工厂停止运转的主要原因是资金困难。以后的工作者们采取各种方法来获取资金、降低运行成本，包括收取垃圾处理费用，溜气发电，废热利用，固体残余物加工成肥料，渗滤液制液肥等。 （二）法国的Valogra工艺

VaIogra工艺是20世纪80年代后期开发研制的。由于其具有较好的经济效益和环境效益，取得了较大的成功，在欧洲地区得到了一定的工业运用。垃圾经破碎分选后，有机组分与反应器回流液混合，调成浆状（含量不详）。在中温(35—40℃)或高温(55～60℃)下连续消化17—25 d出料压缩后，进一步加工成肥料出售；渗滤液部分回流，调节进料浓度，并起一定的接种作用，多余的渗滤液处理后排放；所产生沼气一部分压缩后回流，起搅拌作用，另一部分输出利用。垃圾产气量为149.6 m3/t，其中甲烷含量%，COD去除率为58%。该工艺最主要的特征是：用压缩沼气来进行搅拌，从而避免了机械搅拌带来的泄漏、机械磨损、消耗动力高等缺点。目前荷兰的提比可垃圾处理厂（年处理量10万t），法国的爱门司垃圾处理厂（年处理量5.5万t）均采用了这一工艺。

（三）丹麦CarIBro工艺

CarIBro工艺由丹麦CarIBro公司开发研制，已有了工业运用。垃圾破碎分选，有机组分进入一级反应器；中温35～37℃停留2～3h，进行酸化，pH值为6.5左右；酸化后，固液分离，固体部分进一步加工成肥料，液体部分进入二级反应器；中温下停留1～2d产沼气，气液分离，所产沼气出售电厂。垃圾产气量150～175m3/t，固体去除率60％以上。

该工艺的主要特点是：(1)两阶段消化，把酸化阶段和产沼阶段分离开来，可以节约用地，并便于管理；(2)处理时间短，仅3～5 d，因此可充分利用有限的设备，降低了投资和成本；（3）渗滤液加工成液肥出售，不但减少了废水处理量，还有一定收入。1991年丹麦的世界上第一个工业规模的城市垃圾厌氧处理厂就采用了该工艺。该厂设计处理能力为20万t／a，初期投资为5500万丹麦克朗，运行费为800万丹麦克朗／a，其中66%来自出售沼气。所生产固体和液体肥料有很高肥效，销路很好。据该公司核算，垃圾处理厂费用（包括初期投资与运行费用）低于同等规模垃圾整烧厂，但缺乏与土地填埋费用比较的数据。

（四）厌氯一好氧工艺

该工艺由美国加利福尼亚大学开发砑制。由于厌氧消化后的产物中还含有一定量的可生物降解物质，以及细菌等微生物，对人体和环境有一定危害，不能直接出售或排放。因此，研究者们提出在厌氧消化后，进行好氧堆肥处理，进一步降解有机物质，杀灭细菌。垃圾破碎分选、有机成分进入厌氧反应器，高温(55—60℃)停留25～30 d，厌氧消化产生沼气；再进入好氧反应器，在55℃下腐熟，彻底杀死各种病菌等微生物，最终产物性质稳定，化学组成合理，有很高的肥效和热值，可用做肥料或电厂燃料：垃圾产气量为800 m3／t。经两级处理后，固体去除率为55%～65%。

该工艺的特点是：(1)产气量高，是前几种方法的5倍左右；(2)最终产品生物化学性质稳定，是很好的有机肥料或燃料；(3)产物对人体和环境无害，完全符合环境标准。该工艺目前尚处于中试阶段。

（五）矿化垃圾协同产氢工艺

该工艺由同济大学赵由才课题组研制，主要方法是将填埋一定年限的矿化垃圾，筛分粒径至15 mm以下。泔脚废物经食品破碎机破碎至粒径10 mm以下，

与经水洗的污水厂浓缩池污泥以一定比例混合，并采取干热灭菌的方法进行预处理，然后投加一定比例的矿化垃圾，并调节含水率至85%，在恒温条件下(36℃)于密闭的容器内进行发酵，在5d的反应周期内累计的氢气产率为180 mL/gVS以上，产氢潜力在190 mL/gVS以上，最大产氢速率90 mL/(h·g) vs以上，最高浓度50%以上。工艺流程如图11-5所示。平均每吨湿泔脚（含水率80%左右）可以产生氢气约25 rrr3,具有极大的经济效益和生态效益。

产生的氢气经简单预处理后作为燃料或发电原料使用，发酵残留物可继续作为产甲烷基质 或好氧堆肥后农用。

该工艺有几个显著特点：(1)简单易控制，无需外加营养元素，成本低廉；(2)氢气产量较高，无二次污染，对填埋矿化垃圾、泔脚废物和污水厂污泥进行了有效的资源化利用；(3)固体产物性质稳定，不含病菌等微生物，是很好的农业肥料。

图11-5矿化垃圾协同产氢工艺流程示意图

六、厌氧消化过程的控制与优化条件

从有机废物固体阶段发酵工艺可见，在发酵理论和发酵控制上，固体发酵和液体发酵是相同的。厌氧发酵的特性和效能取决于三个方面的因素：作用者（厌氧微生物）、作用对象（有机物）以及作用条件（环境条件、接触传质等）。有机废物厌氧处置工艺，即是从工程化的角度，去创造最佳的适合厌氧微生物生存的环境条件和作用条件，以取得最大的有机物降解效果。其基本的运行控制和优化条件有：相分离、温度、含水率、基质条件以及预处理促进等。 （一）相分离

从厌氧发酵的微生物学机理可知，复杂物料的厌氧降解主要是由两类特性完全不同的微生物：产酸细菌和产甲烷细茵的逐级代谢完成的。产酸细菌种类多，世代时间短，增长快，对环境条件不太敏感；而产甲烷细菌则恰好相反，种类少，世代时间长，专一性强，对环境条件要求严格，如若将两者分开在两个反应器中，使得两者能在自身最佳的环境条件下进行，则会有利于细菌的生长和反应的稳定，提高容积负荷率，这就是两相厌氧工艺的理论出发点。

20世纪70年代初，F．G．Pholand和S．Ghosh首次提出了两相厌氧消化系统(TPAD)。较多的研究表明，对不同基质材料的有机废物厌氧发酵处置，两相系统表现出一定的优势。Ghosh等用单相和两相反应器处理城市垃圾的对比试验表明，两相系统甲烷产量大约可以提高20%。Scherer用两相系统处理有机垃圾，挥发性固体的降解率达到80%,产气量达到了理论产气量的98%。B．G．Yeoh对两相厌氧消化工艺和单相厌氧消化工艺进行了对比试验表明，两相厌氧消化系统的产甲烷活性明显高于单相厌氧消化系统。Pavan认为两相消化是处理高挥发性固体的正确选择。此外S．Gabriele对比了在中温和高温条件下一相和两相消化的运行特性，结果表明，市政固体垃圾适宜两相厌氧发酵，有机物质的最高转化率可达90%。

虽然育关厌氧相分离的比较研究中，大部分的研究表明两相厌氧较单相系统，在有机物降解、有机负荷的提高、气体产率和运行稳定上具有明显的优势，但两相厌氧工艺的优越性尚存异议，也有不少研究者的研究结论表明，两种工艺的运行特性没有太大的差别。高庭耀等采用两种工艺对污泥消化的研究结论是，对于污泥消化，两相工艺并不显示出特别的优势。这是可以理解的，消化工艺的

分相，仅仅是对微生物生存的环境条件进行改进强化，而厌氧消化的整体效能的 影响因素较多，各种因素相互协同，相互作用。叶芬霞等分析了有机废物两相厌氧消化的基质特异性认为，相分离会抑制需互养关系才能分解基质的完全生物降解，从热力学的角度，碳水化合物的厌氧消化采用两相是适宜的，而蛋白质和脂肪酸的厌氧降解则可能是相反的要求。

目前，在有机废物的厌氧发酵处置工艺应用上，单相工艺远多于两相工艺，一方面可能是由于，两相工艺相对于单相工艺在效率优越性上，还缺乏确凿的依据；另一方面，则是由于两相工艺在投资和运行控制上处于劣势。

（二）温度控制

在厌氧发酵工艺中，一定范围内，温度能影响微生物的生理活性，影响生物降解的比速率，同时在不同的温度条件下，会引起不同种群优势微生物的生态演变，有机废物的厌氧消化，一般在中温或高温下进行，以利用提高反应的进程，缩短发酵周期，中温的最佳温度为35℃左右，高温为55℃左右。

大量的研究表明，高温发酵的产甲烷能J要高于中温发酵，于晓章研究了不同纯物质（乙酸、丙酸）厌氧发酵中温度对甲烷产量的影响，结果表明，不同基质在50℃时均达到最大的产气效率；张光明通过试验表明，有机废物厌氧发酵，高温处理能力达到中温的2.5—3倍。

此外，基质特性对厌氧发酵中的温度作用有一定影响，Ghosh等使用传统的高效反应器，观察到55℃的高温比35℃的处理只使甲烷产量提高了7%。另有研究结果表明，在25℃和30℃时，乙酸和丙酸的产甲烷能力基本相当，当提高温度到50℃时，丙酸的产甲烷能力明显高于乙酸。Pavan等在示范规模的反应器中采用半干单相高温厌氧消化工艺处理不同垃圾的消化试验表明：机械分选有机垃圾和源分选有机垃圾，两者具有明显不同的可消化性。

一般认为，对于纤维素含量较高的基质，采用高温发酵，其生物降解性和产气特性均有较大的提高，这是因为嗜热菌群能强烈分解纤维素等物质，同时，在不同的温度条件下，复杂基质的水解度是截然不同的。Scherer等采用两相系统来处理域市垃圾中的“灰色”组分，第一级65℃，停留时间(HRT)为4.3 d，然后在55℃，HRT 14.2 d的条件下甲烷化，实际产气量达到理论产气量的98%左右，80%的挥发性固体得到降解。

因此，对于有机废物的厌氧发酵工艺的选择，高温发酵的产气量一般比中温较大，但是高温需要更多的能量来维持系统的温度，在许多案例中加热所需的能量与多产出的能量往往难以达到平衡。此外，虽然沼气产量和生物反应动力学都表明高温消化更有优势，但是理想的条件亦与底物类型（可生物降解性）和分级系统（单相或两相）等其他因素相关。在实际应用上，高、中温发酵以及分级系统，常进行单元组合应用。 （三）含水率条件

含水率条件对有机废物的厌氧发酵过程，具有重要的影响，S.Funnishima研究了在中温条件下水分含量对脱水污泥厌氧消化的影响，当污泥水分含量从97%下降到%时，挥发性固体物质的去除率从45.6%下降到33.8%，碳水化合物的去除率从71.1%下降到27.8%；当污泥含水率低于91%时，甲烷产量下降；当水分含量从91%下降到%时，葡萄糖利用产酸菌量从3.1×109/mL下降到3.1×l08/mL；水分含量低于91%时，氢甲炕菌和乙酸甲烷菌的数量都降低一个数量级。 在有机废物的高固体厌氧发酵中，基质的含水率提高有一个极限阈值，不同基质的厌氧发酵具有不同的优化含水率条件。Lay研究了不同基质的水分含量的极限值，在极限值时产甲烷活力降为零；对污泥来讲，极限值是56.6%，但是对于肉、萝h和甘蓝来说，极限值大于80%，此外，在一个高固体含量的污泥消化试验中，当水分含量从96%下降到90%时，产甲烷活力从100%下降到53%。我国张光明等对城市垃圾有机组分的厌氧发酵试验表明，最佳进料固体浓度为16%，当进料固体浓度超过20%，处理结果是不能接受。Walter J．Wujcik等以麦秆为原料，采取中温发酵、沼气循环搅拌的工艺，含固率可以达到25%的水平，且产气稳定。

（四）混合基质联合消化

进行发酵基质的调理可以在消化物料间建立起一种良性互补，可以对发酵物料的C/N、C/P、水分含量以及其他厌氧微生物的必需的生长因子进行调整，创造良好的发酵物料条件，因此，不同物料的联合消化对于提高固体废物厌氧消化的沼气产量、有机物的转化效率是一个有意义的选择，引起众多研究者的重视和大量的试验研究。

目前，研究最多的是城市有机垃圾和污水污泥昀联合厌氧消化处理。

Y.s．G．Chan将污泥、海上漂浮垃圾和城市有机垃圾以13种比例混合发酵36 d，与污泥和垃圾单独发酵相比，将污泥和漂浮垃圾加入市政垃圾中促进了产甲烷过程；在市政垃圾：污泥：漂浮垃圾为75：20：5时，得到最高的甲烷产量。Hamzawi用生物活性测定的方法确定了一个垃圾、污泥消化的最佳配比：25%的城市生活垃圾和75%的污泥（65%的初级污泥和35%的浓缩活性污泥）。Demirekler进行了污泥与垃圾比为100:0,80:20,60:40的发酵试验后，建议的比例为80:20。 近年来，联合发酵成为有机废物发酵研发技术最为密切的领域之一，大量的研究集中于有机废物的联合消化。这是因为，在经济效益方面，联合消化，不但可以提高沼气的产量，同时在厌氧反应设备的共享上亦具有明显优势，如可将城市垃圾中的可消化组分与城市污水厂的下水污泥按一定比例混合，充分利用城市污水厂的污泥消化装置进行消化处理等，这样可达到闲置设备或闲置消化能力的充分利用，易于产生规模效益。

联合消化在工业应用方面的报道很少。不完全统计，目前只有不到总厌氧消化容量7%的市政垃圾应用联合消化。其主要原因可能为：(1)在联合消化中，不同物料的混合存在不同的最佳比例，比例不当不利于甚至会抑制正常发酵的进行；(2)骐合消化在技术以外，涉及到废物的收集、分选以及运输系统，影响联合消化的普及使用；(3)初期投资加大，运行、管理较复杂。 （五）基质预处理

常用的基质预处理方法有化学、生物以及机械的手段。采用酸碱对物料进行浸泡处理，一般可以提高气体产量和固体降解率。Jih-gawlin用NaOH对活性污泥进行处理后，产气量明显提高(38%～l63%)，而且消化后的污泥脱水性能提高。Gunaseelan．V用盐酸和氢氧化钠处理，甲烷产量比未经处理的分别提高45%和60%。Amenda Ward将纯氧或空气充人物料，进行短期（一般为24 h）的好氧高温发酵处理，然后将物料进行厌氧消化反应，发现预处理过程可以使消化过程更加稳定，厌氧产物的致病菌含量低于规定标准。

用机械预处理主要是使进料的颗粒粒径变小，从而使表面积得以提高，促进生物反应的传质过程。Harnnann等发现通过使全部的物料先用浸泡器浸泡以后，粪肥中纤维素释放出的沼气量提高了25%。Nah等将活性污泥用30 Pa的冲力打在一个碰撞碟上，使污泥溶解，这样可以明显地缩短厌氧消化时间（13 d缩短为

6d），而对消化效率和出流质量无影响，并提高了挥发物质的降解和气体的坐成。Engelhart等研究了高压均质器处理对污泥厌氧生物降解的影响，结果表明，挥发性物质的降解率提高25%以上。

第六节厨余垃圾的其他资源化技术

一、生物发酵制氢技术

由于矿物资源的日益枯竭，寻找清洁的替代能源已成为一项迫切的课题。氢被普遍认为是一种最有吸引力的替代能源。因为氢气不仅热值高，而且是一种十分清洁的能源（燃烧后只产生水）。传统的化学产氢方法采用电解水或热解石油、天然气，这些方法需要消耗大量的电力或矿物资源，生产成本也普遍较高。生物制氢反应条件温和，能耗低，因而受到大家的关注。它主要有两种方法，即利用光合细菌产氢和发酵产氢，与之相对应的有两类微生物菌群，即光合细菌和发酵细菌。

(一) 氢气的基本特性及能源优势

氢(H)是最简单的化学元素，在地球上的丰度约为地球质量的0.9%，宇宙含量达到70%左右，但多以化合态的形式存在。氢气(H2)是一种无色、无臭、无味、无毒的可燃性气体物质，氢气的高能、环保特性使其成为未来最理想的替代能源之一。

氢气的能源优势有三方面，其一是最大发热量为142.35 kl/g，约为同质量汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍，甲烷的2.7倍；其二燃烧后，不产生任何污染；另外具有极广的应用价值，如航天、化工等，在汽车交通领域，氢电池的开发亦促进了环保型汽车的开发热潮。 （二）发酵生物制氢机理及生态控制

发酵生物制氢是通过产氢发酵细菌的生理代谢进行的，在发酵过程中通过脱氢作用，来平衡氧化还原过程中剩余电子，以保证代谢过程的顺利进行。其产氢途径主要包括：丙酮酸脱羧作用产氢，其在丙酮酸脱氢酶和氢化酶的作用下进行重组而产生；甲酸裂解的途径产氢；第三种是通过辅酶I（NADH或NAD+）的氧化还原平衡调节作用产氢。

由于细菌种类及不同生化反应体系的生态位的变化，导致形成各种特征性的末端产物，从微观角度上分析，末端产物组成是受产能过程.xIADH或NAD+的氧化还原偶联过程以及发酵末端的酸性末端数支配，由此形成了经典生物化学中不同的发酵类型。现有的研究表明，产氢过程从宏观上与发酵的类型具有较为密切的联系。按照发酵产物量的相对比例，发酵类型可简单分为丁酸型发酵、丙酸

型发酵和乙醇型发酵三种类型。

丁酸型发酵主要末端产物为丁酸、乙酸、H2、CO2和少量的丙酸，许多可溶性碳水化合物（如葡萄糖、蔗糖、乳糖、淀粉等）底物的发酵以丁酸型发酵为主。理论上，丁酸型发酵的丁酸与乙酸物质的量之比约为2：1，发酵100 mol葡萄糖，能产生200m。l的氢气，丁酸型发酵末端产物的理论组成见表11-2。

表11-2 100mol葡萄糖丁酸型发酵的理论产物组成 丁酸/乙酸 2 2.5

丙酸型发酵的特点是气体产量很少，甚至无气体产生，主要发酵末端产物为丙酸和乙酸。资料表明，含氮有机化合物（如酵母膏、明胶、肉膏等）的酸性发酵往往易发生丙酸型发酵，此外难降解碳水化合物，如纤维素等的厌氧发酵过程亦常呈现丙酸型发酵，与产丁酸途径相比，产丙酸途径有利于NADH+ H+的氧化，且还原力较强。

此外，任南琪等发现的以拟杆菌属和梭状芽孢杆菌属为优势种群的乙醇型发酵途径，液相产物主要以乙醇和乙酸为主，同时气相中存在大量的H1。任南琪、刘艳玲等采用糖蜜废水为底物，研究了不同发酵途径下稳定的发酵产物和产氢能力。结果表明，乙醇型发酵的产物组成分配随优势种群的不同而不同，当拟杆菌属为优势种群时，产物以乙醇为主，乙酸以及其他酸的含量均很低，气相中氢气体积含量在30%～35%之间；当种群以梭状芽孢杆菌属为主时，乙醇种乙酸的含量很高，组成比例约为1 5：1，两者之和占总产酸量的50%以上，此时气相中氢气体积浓度达到31%～45%左右。

目前，发酵产氢生态因子控制的研究主要集中于温度.pH值、氧化还原电位和金属离子等方面，Jung等对Citrobacter sp．Y的研究表明，其最适宜的细胞生长和产氢温度为30～40℃，Kumar等人证明Enterobacter cloacae在36℃时具有最大的产氢速率。

pH值对发酵细菌的产氢代谢和发酵产物组成分配均有重要的影响，因此对

丁酸/mol 80 83 乙酸/mol 40 33 CO2/mol 200 200 H2/mol 200 200 NADH/mol 40 33 发酵产氢的pH值影响研究最多，任南琪等对此进行了系统的研究，并在研究的基础上，建立了产氢产酸发酵细菌三种发酵类型的pH值/ORP二维实现生态位图。

为了揭示发酵法生物制氢反应器厌氧活性污泥的微生物种群多样性，刑德峰等采用PCR—DGGE技术进行了生物制氢反应器生物多样性的解析。研究表明，不同时期的厌氧活性污泥中存在共同种属和各自的特异种属，群落结构和优势种群数量具有时序动态性，优势种群经历了动态演变过程，最终形成特定种群构成的顶级群落。李永峰等对特定的产氢产酸厌氧细菌进行了16srDNA序列分析，进行了菌属的分离鉴定。

在金属离子对产氢过程的促进研究方面，关于Fe2+、Ni+、Mg2+的研究较多。单质铁对产氢的促进作用要优于铁离子，Gray等人研究指出，在缺乏铁的培养基上生长的肠杆菌和梭菌不能产氢；林明等研究表明，适宜浓度的(< 0.001 mg/L) Fe2+、Ni+、Mg2+对产氢菌株B49的生长和产氢发酵有促进作用，促进顺序为Fe2+、Ni+、Mg2+。

（三）生物产氢研究现状与进展

国内外现有的发酵生物产氢研究的主要成果及发展方向主要包括：(1)分离和筛选高效菌种；(2)细胞的固定化与非固定化技术；(3)产氢基质的可行性研究；(4)混合菌种产氢技术；(5)产氢过程的生态因子影响等。

目前，生物产氢技术的研究仍处于试验阶段，产氢转化率较低是其发展的重要因素，进行高效产氢生物的将性及其种群生态研究有助于提高产氢能力，Kumar从树叶中分离到的En一terobacter cloacae菌株，在36℃、pH为6.0的条件下，最大产氢速率可达29.63 mmol H2/(g干细胞·h)，是目前资料报道产氢能力最高的产氢发酵细菌；我国王勇、林明等分离B49菌株，产氢能力亦达到25—28 mmol H2/(g干细胞·h)。此外研究者采用一些微生物载体或包填剂进行产期 细菌的固定化，以期提高产氢效率，Karube等采用聚丙烯酰胺材料固定丁酸梭状芽孢杆菌，葡萄糖基质条件下持续产氢20 d；Tanisho等的细菌固定化试验取得了持续产氢率为2.2 mol H2/mol（糖），产氢气速率最大达到13 mmol H2／L·h的成果；细菌的固定化对提高发酵的产氢率有重要的影响，有研究表明，细菌固定化前后的产氢率相差达到7倍左右。

目前进行产氢的基质较多为成分单一的纯组分，如葡萄糖、果糖、蔗糖、乳糖、淀粉、纤维素等，以实现较高的氢气产率和探讨产氢的过程机理。采用混合菌种、复杂基质的生物产氢更利于生物氢气的产业利用，有机废水和废物生物产氢能同时实现废物的降解和清洁能源生产，引起世界各国的普遍重视，国内外许多掌者进行了简单废水、模拟废水的生物产氢研究尝试，在废水生物产氢领域，目前仅有我国李建政等在完成小试的基础上，进行了糖蜜废水生物制氢的连续流中试试验。

相比废水生物产氢研究，利用有机废物进行生物制氢起步较晚，基于有机废物中大量有机资源的存在和资源化的需求，有机废物生物产氢已得到各界更广泛的关注，但复杂的物料特性，使其产氢难度更大，研究进展一直较为缓慢，目前，大部分的有机废物生物制氢的研究均停留在实验室的小型容器（试管、血清瓶等）的小试研究，培养方式亦仅限于批量的间歇反应，研究的对象主要包括市政污泥、有机市政废物( OFMSW)、食品废物等，同济大学赵由才课题组针对餐厨垃圾的特性，利用矿化垃圾作为协同物质，进行了大量的研究工作，结果表明：在矿化垃圾协同产氢的条件下，餐厨垃圾的累计的氢气产率为(每克VS)180 mL/g以上，产氢潜力190 mL/g以上，最大产氢速率90 mL/(h·g)以上，最高浓度50%以上。平均每吨湿泔脚（含水率80%左右）可以产生约25～30 m3氢气。其自行开发研制的中试规模的厨余厌氧发酵反应器已实现成功运行，为餐厨垃圾的出路问题提供了一整套解决方法。我国研究者蔡木林等进行了币政剩余活性污泥的产氢研究，污泥含水率99%，进料污泥碱预处理（pH值为11.0），连续运行条件下，最大产氢率为(每克DS) 11.0mL/g，反应器中最大氢气含量达到94%，但短期的运行结果表明，产氢的稳定性较差。刘宝敏研究了盐酸处理条件下的啤酒糟、玉米秸秆的产氢率，分别为（每克TS）.4 mL/g、126.8 mL/g。Okamoto等以100℃，15 min处理后的厌氧消化污泥作为接种物分别考察了米饭、卷心菜、胡萝h的产氢能力，其产氢率分别为(每克VS)19.3—96.0 mL/g、44.9-70.7 mL/g、26.3—61.7 mL/g，结果显示，与蛋白质、脂肪类固体废物相比，含碳水化合物的固体废物具有更高的产氢能力。此外, Yokoi、Ewyemie等分别进行了纯菌种作用下土豆淀粉残渣虾壳废物产氢能力的研究，相应的同比产氢率分别达到（每摩尔葡萄糖）2.2 mol/mol、1.5 mol/mol(N-乙酰，D-氨基葡萄糖( GlcNAc))。

目前，有机废物生物产氢技术尚在起步发展阶段，生物产氢的研究均停留在实验室小型规模，氢气的比产率、发酵的连续性、稳定性较低。利用泔脚废物生物制氢等虽然不可能迅速达到技术产业化，但具有非常广阔的研究和发展前景。 二、蚯蚓处理技术

蚯蚓能分泌多种酶来分解有机物，转化为自身或其他生物可以利用的营养物质而繁殖。蚯蚓的这种能够分解转化大量有机废物，快速富集养分和生长繁殖的特性在一个多世纪前就有过报道，并在一些发达国家有了应用。厨房垃圾作为一种有机物含量高的废物，尤其适合使用这种技术。

20世纪80年代中期．清华大学环境工程研究所开展养殖蜢蚓处理城市生活垃圾的可行性研究,19年通过成果鉴定，肯定了养殖蚯蚓处理生活垃圾的可行性与优越性。2000年在北京市海淀区环卫局的支持下-海淀环卫科研所和中国科学院老科协共同合作，在海淀区三星庄垃圾场建立了l座中试试验示范场地。并以蚯蚓粪为基质，筹建了1座生物有机肥厂，现已投入了生产运营。

日本的比嘉昭夫发明了EM原露，经稀释后喷洒在厨余垃圾的表层，用塑料布盖严使之发酵腐熟，杀死细菌，清除恶臭，将厨余垃圾变为无毒无臭的蚯蚓饲料，具有投资少，简单易行的特点。蚯蚓加工后可以制成蚯蚓粉用于养殖业，其粪便用作蔬菜瓜果等作物的优质肥料。 三、真空油炸技术

厨余垃圾和食用废油是较难处理的两种垃圾，采用一种真空油炸的技术来处理不失为两全其美的方法。真空油炸，主要是在真空的特定条件下，也就是在氧气成分大大减小的环境里进行油炸厨余垃圾，使被炸物的氧化大大减少，保证了厨余垃圾的营养成分。另一方面，也是进行了一次真空消毒处理，从而提供了第二次使用的可能性。

真空油炸的主要生产过程如下： 真空油炸一粉碎一造粒一冷却一包装过程

真空油炸的油可以利用食品加工厂、饭店等使用过的废食品油，因为在真空条件下对油实行了纯化处理。棍据油温和病菌要求一次处理时间约为40 rrun,每次处理量为5t。现在市郊各区都在扩展养殖业，对饲料的需求量逐渐增大，因此油炸后的产品完全可作为一种理想的绿色饲料，同时这种饲料的价格低廉，具有

良好的市场前景。

四、提取生物降解性塑料技术

最近的研究表明，可通过发酵厨余垃圾生产乳酸，进而合成聚乳酸这种可降解性塑料，为厨房垃圾的资源化和降低乳酸的生产成本开辟了一条新的途径。

日本九州工业大学(Kyushu Institute of Technol。gy)的Shirai等提出了一种将厨余垃圾减量化与资源化的新思路。家庭所产生的垃圾首先经安装在厨房水池下面的粉碎机粉碎，再传送到住宅下面的排水系统，在那里进行垃圾的固液分离。分离出的液相物质与污水一道被排放到污水处理厂进行处理。固态物质在贮存过程中，其中存在的乳酸菌会自然发酵（初次发酵），菌被抑制，有利于防止垃圾的。当固体物质积累到一定数量后，运送到乳酸生产厂进行乳酸发酵（二次发酵），发酵后通过乳酸分离、纯化、聚合，可以得到生物降解性塑料（聚乳酸），发酵残渣可作为饲料和肥料，从而达到厨余垃圾“零排放”的目的。目前，汪群慧课题组在厨房垃圾乳酸发酵优良复合菌种的筛选、发酵液中乳酸的提取与精制、乳酸聚合成聚乳酸的工艺优化以及发酵后残渣的饲料化与肥料化等方面进行着深入研究。