廚余垃圾干式厭氧發(fā)酵酸化失穩(wěn)調(diào)控及微生物群落分析

陳嚴(yán)華，曾 蒸，廖德榮，況 前，柴福良

（重慶市環(huán)衛(wèi)集團(tuán)有限公司，重慶 401120）

廚余垃圾如不及時(shí)有效處理，容易滋生病原微生物、霉菌等有害物質(zhì)。一種新型餐廚垃圾微生物處理技術(shù)，采用20～40℃下微生物消化餐廚垃圾，能有效分解垃圾無(wú)殘留[1]，不需要進(jìn)行二次處理，具有裝備安全、操作便利、無(wú)噪聲、節(jié)能環(huán)保、全自動(dòng)、使用便捷、可隨時(shí)分解垃圾，沒(méi)有異味或垃圾腐敗的味道散發(fā)等特點(diǎn)。

1 廚余垃圾污染及處理現(xiàn)狀

1.1 廚余垃圾污染現(xiàn)狀

廚余垃圾本身性質(zhì)不穩(wěn)定，由于其中含有瓜果蔬菜等易腐爛的物質(zhì)，還有餐飲剩下的飯菜等，混合在一起后，細(xì)菌會(huì)飛快增長(zhǎng)，散發(fā)非常難聞的異味，對(duì)堆放垃圾的地點(diǎn)與空氣環(huán)境都會(huì)產(chǎn)生巨大影響[2]。各種病毒的蔓延很大程度上是對(duì)廚余垃圾處理不當(dāng)所導(dǎo)致的，最終都會(huì)對(duì)人體造成危害。此外，廚余垃圾的不斷堆積，會(huì)派生出潲水油，其中含有致癌物質(zhì)，對(duì)人們的生命健康造成嚴(yán)重威脅。但是餐廚垃圾本身還有很高的水分含量，其中蘊(yùn)含豐富的有機(jī)物、鹽分等物質(zhì)，所蘊(yùn)含的可利用資源也非常豐富[3]。因此，對(duì)于餐廚垃圾的回收利用需要不斷做出更大的努力，降低資源浪費(fèi)。例如泔腳資源就與廚余垃圾的回收利用密不可分。對(duì)廚余垃圾進(jìn)行資源轉(zhuǎn)化處理，在避免影響環(huán)境的同時(shí)，也能提高廚余垃圾的資源轉(zhuǎn)化率。

1.2 廚余垃圾處理現(xiàn)狀

我國(guó)的廚余垃圾資源化處理起步較晚，早期常以焚燒和衛(wèi)生填埋為主，填埋和焚燒兩種處理技術(shù)給環(huán)境的自我修復(fù)能力造成了嚴(yán)重負(fù)擔(dān)，給生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重危害。近年來(lái)，隨著環(huán)保意識(shí)的普及，垃圾分類(lèi)處理政策的不斷完善以及投入資金的不斷增加，垃圾處理行業(yè)發(fā)展迅速。目前我國(guó)常見(jiàn)的廚余垃圾處理模式主要依靠厭氧消化技術(shù)、好氧堆肥技術(shù)和飼料化技術(shù)，其中厭氧消化技術(shù)對(duì)資源的利用程度、工藝的安全程度及最終產(chǎn)品的質(zhì)量都要優(yōu)于好氧堆肥技術(shù)及飼料化技術(shù)，因此該技術(shù)實(shí)際應(yīng)用較廣。同時(shí)該技術(shù)還依據(jù)不同地區(qū)、不同飲食結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)出具有針對(duì)性的、復(fù)合功能高的工作菌群產(chǎn)品，這些菌群產(chǎn)品具有性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)異味、無(wú)腐蝕、無(wú)毒性、活性高等特點(diǎn)?，F(xiàn)階段還能結(jié)合好氧堆肥技術(shù)對(duì)廢棄物處理減量化程度較好的特點(diǎn)加以利用，但考慮工程占地面積及運(yùn)行成本問(wèn)題，常被用于處理量較小的區(qū)域，如社區(qū)、市場(chǎng)等小型場(chǎng)所。北京市正逐步培養(yǎng)居民對(duì)垃圾分類(lèi)的意識(shí)，將分類(lèi)的廚余垃圾進(jìn)行微生物發(fā)酵，將廚余垃圾在十小時(shí)內(nèi)快速發(fā)酵成環(huán)境友好型肥料?，F(xiàn)階段我國(guó)很多城市都采取了將廚余垃圾進(jìn)行統(tǒng)一回收后，經(jīng)過(guò)分揀消毒，利用厭氧消化技術(shù)將其轉(zhuǎn)化成沼氣電能等能源，實(shí)現(xiàn)資源再利用的技術(shù)[4]。還有部分城市采取了對(duì)廚余垃圾統(tǒng)一回收利用的模式，收集來(lái)的廢棄物經(jīng)過(guò)厭氧消化的深度加工，可產(chǎn)出沼氣、有機(jī)肥、電能以及生物柴油，且處理中心自身的能源問(wèn)題也由厭氧消化所得產(chǎn)物提供。

2 廚余垃圾干式厭氧發(fā)酵技術(shù)概述

2.1 干式厭氧發(fā)酵技術(shù)的概念

根據(jù)投入原料或發(fā)酵罐內(nèi)固形物干燥質(zhì)量換算濃度（TS濃度）,厭氧發(fā)酵大致可以分為濕式（投入TS濃度小于15%,發(fā)酵罐中TS濃度小于8%)和干式（投入TS濃度大于5%,發(fā)酵罐中TS濃度大于10%)。干式厭氧發(fā)酵適用于固形物濃度極高的有機(jī)物處理，該技術(shù)運(yùn)用重點(diǎn)是選擇有合適含水率的固體有機(jī)物作為原料，并且在運(yùn)行時(shí)需要將原料水分控制在一定范圍內(nèi)，最合適的TS范圍在5%～45%。

2.2 干式厭氧發(fā)酵相比濕式厭氧發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)

干式厭氧發(fā)酵技術(shù)可以降低對(duì)廚余垃圾預(yù)處理的要求，可以容忍一定數(shù)量的雜質(zhì)，能夠接收多種類(lèi)型的有機(jī)垃圾，處理范圍廣，不易造成工藝故障，比如沉淀、浮渣、堵料等，從而保證生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定；其在有機(jī)物處理過(guò)程中含固量高，可使厭氧發(fā)酵罐體積減少50%以上，占地面積少，投資固定；維持發(fā)酵溫度所需的熱量更少，因此可以選擇高溫厭氧發(fā)酵，其有機(jī)質(zhì)降解率高、生物產(chǎn)氣率高，從而提高了廚余垃圾的資源化利用率；而且超過(guò)0天的高溫厭氧，可以有效消殺沼渣中的蟲(chóng)卵和病原體[5]，提高了后端沼渣堆肥的衛(wèi)生化、無(wú)害化水平；同時(shí)干式厭氧處理過(guò)程中，微生物還可以降解人工合成有機(jī)物，把有機(jī)物轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物，使得生命元素的循環(huán)往復(fù)成為可能，使各種復(fù)雜的有機(jī)化合物得到降解，從而保持生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。

2.3 廚余垃圾干式厭氧剩余發(fā)酵物脫水工藝介紹

廚余垃圾干式厭氧剩余發(fā)酵物脫水工藝組成包括依次連接的擠壓脫水裝置、壓濾脫水裝置、除砂裝置和離心脫水裝置。擠壓脫水裝置的進(jìn)料口與干式厭氧消化罐出料口的泵連接，由泵輸送物料進(jìn)入擠壓脫水裝置，擠壓脫水裝置的液相進(jìn)入壓濾脫水裝置，壓濾脫水裝置的液相進(jìn)入離心脫水裝置，在擠壓脫水裝置、壓濾脫水裝置和除砂系統(tǒng)的固作用螺旋統(tǒng)一接收后，外運(yùn)填埋或焚燒處置。離心脫水裝置的固相進(jìn)行堆肥處理，離心脫水裝置的脫水濾液進(jìn)入污水處理系統(tǒng)。

廚余垃圾干式厭氧剩余發(fā)酵物脫水工藝在進(jìn)入壓濾脫水裝置前增加了絮凝裝置，能夠?qū)⒓?xì)小的顆粒物絮團(tuán)后再進(jìn)入壓濾脫水裝置，能夠較大程度地使進(jìn)入離心脫水裝置的物料含固率降低，提高去除效率；同時(shí)，經(jīng)過(guò)絮團(tuán)并壓濾脫水后的物料含固率和黏度將進(jìn)一步降低，提高了除砂系統(tǒng)的處理效率。廚余垃圾干式厭氧剩余發(fā)酵物脫水工藝，在壓濾脫水裝置和離心脫水裝置新增了除砂系統(tǒng)，除砂系統(tǒng)為兩級(jí)旋流除砂裝置，經(jīng)過(guò)壓濾脫水裝置的物料，通過(guò)泵輸送至一級(jí)旋流除砂器和二級(jí)旋流除砂器，固相進(jìn)入砂水分離器并通過(guò)螺旋外運(yùn)，液相通過(guò)泵送進(jìn)入離心脫水裝置。旋流除砂裝置能夠進(jìn)一步去除沼液中的浮渣，以減輕后續(xù)離心脫水裝置的壓力，提高離心脫水效率，保證離心脫水裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。廚余垃圾干式厭氧剩余發(fā)酵物脫水工藝，在經(jīng)過(guò)兩級(jí)旋流除砂裝置后，由于新增加了助凝和絮凝裝置，對(duì)助凝和絮凝配比有一定要求。助凝裝置包括緩沖罐，在該緩沖罐上部設(shè)有進(jìn)液管，下部設(shè)有出液管，出液管通過(guò)隔膜泵送至離心脫水裝置進(jìn)料管道[6]。絮凝劑加注裝置包括攪拌裝置、螺桿泵和靜態(tài)混合器，粉末狀絮凝劑和自來(lái)水通過(guò)靜態(tài)混合器均勻混合后，由泵輸送至離心脫水裝置管道，助凝劑、絮凝劑和經(jīng)過(guò)除砂系統(tǒng)的物料共同進(jìn)入離心脫水裝置，進(jìn)行固液分離。助凝劑和絮凝劑進(jìn)入管道的位置需要充分考慮，要保障三種物質(zhì)混合均勻和絮團(tuán)完成，離心脫水裝置還配置了增壓給水裝置，停機(jī)時(shí)用自來(lái)水進(jìn)行沖洗。增加的助凝和絮凝裝置進(jìn)一步提高了沼液中懸浮物的聚集沉淀，從而提高離心脫水裝置的固液分離效率，使得處理后的沼液中懸浮物含量較低，降低了對(duì)污水處理系統(tǒng)的要求。

并且廚余垃圾干式厭氧處理時(shí)，微生物具有減量化、分解化、消滅化、穩(wěn)定化、無(wú)害化的“五化”機(jī)制。機(jī)體在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中使用的菌群，是來(lái)自于自然界的益生菌構(gòu)成的穩(wěn)定降解菌群，其產(chǎn)物通過(guò)了環(huán)保部直屬的國(guó)家環(huán)境測(cè)試中心的安全監(jiān)測(cè)，垃圾降解后的液位無(wú)異味、無(wú)殘?jiān)?、無(wú)腐敗，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。垃圾降解后的液體可作為植物菌肥，排入管網(wǎng)可降解管道內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)，抑制管內(nèi)異味，并對(duì)下水管網(wǎng)起到凈化作用。

其環(huán)境效果分析如下：餐廚廢棄物就地處理，降低餐廚廢棄物收運(yùn)成本；最終消化產(chǎn)物為水分和二氧化碳，其中機(jī)體本身排出的微生物通過(guò)管道流入污水管網(wǎng)，有清潔污水管網(wǎng)殘留有機(jī)物的能力，凈化管道；微生物消化菌群是來(lái)自自然界的益生菌，無(wú)二次污染。

2.4 酵酸化失穩(wěn)調(diào)控策略

2.4.1 化學(xué)預(yù)處理調(diào)控

H+和OH-可以溶解脂類(lèi)，溶解食物垃圾中的細(xì)胞有機(jī)固體，也可以裂解纖維素和半纖維素之間的氫鍵，裂解木質(zhì)素和多糖之間的酯和醚鍵，并在隨后的厭氧消化過(guò)程中提高有機(jī)物的水解率。這一過(guò)程可用于使用酸/堿預(yù)處理來(lái)提高有機(jī)廢物厭氧消化的沼氣產(chǎn)量，由于其具有成本低和能夠更快、更有效地降解復(fù)雜有機(jī)物的優(yōu)點(diǎn)，這一技術(shù)已被廣泛研究。在調(diào)查了五種不同的預(yù)處理方法對(duì)食物垃圾的增溶和厭氧生物降解的影響后，研究人員發(fā)現(xiàn)高溫酸預(yù)處理對(duì)增溶最有效，但累計(jì)沼氣產(chǎn)量不是最高的，這可能是由于加酸增溶形成的抑制劑和化合物難以降解的原因。此外，酸/堿預(yù)處理對(duì)促進(jìn)沼氣產(chǎn)量的效果與酸/堿的添加濃度有關(guān)，低濃度的酸/堿效果有限，高濃度的酸/堿干物質(zhì)損失大，抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性，降低了厭氧發(fā)酵的效率。因此，廚余垃圾預(yù)處理應(yīng)選擇適當(dāng)濃度的酸和堿。

臭氧氧化預(yù)處理是一個(gè)利用-OH和-COO-來(lái)分解高分子量有機(jī)物，如脂類(lèi)、蛋白質(zhì)和木質(zhì)素的過(guò)程，以便通過(guò)厭氧消化食物垃圾來(lái)增加沼氣產(chǎn)量。臭氧氧化有許多優(yōu)點(diǎn)，包括它可在室溫和壓力下進(jìn)行，不增加反應(yīng)器中的鹽濃度，并且在處理后不留下任何殘留的氧化劑，不產(chǎn)生有毒或抑制性物質(zhì)。然而，一些研究報(bào)告稱(chēng)，在臭氧氧化預(yù)處理后，甲烷產(chǎn)量減少或增加較少，因?yàn)槌粞跹趸a(chǎn)生的-OH可以通過(guò)破壞碳水化合物結(jié)構(gòu)減少甲烷產(chǎn)量，而且預(yù)處理過(guò)程可能產(chǎn)生未知的、不易降解的中間產(chǎn)物[7]。此外，由于臭氧發(fā)生器的高功耗、高運(yùn)營(yíng)成本，處理后產(chǎn)生的生物甲烷量不能補(bǔ)償臭氧發(fā)生器的功率消耗以及高運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)等因素，近年來(lái)，對(duì)臭氧氧化預(yù)處理食物垃圾的研究并不充分。

2.4.2 干式厭氧微生物預(yù)處理

生物預(yù)處理的本質(zhì)是酶法預(yù)處理。酶法預(yù)處理是通過(guò)添加包括肽酶、碳水化合物水解酶和脂肪酶在內(nèi)的酶來(lái)加速食物垃圾的水解過(guò)程。酶催化反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)在于其高效率和特異性，可以有選擇地轉(zhuǎn)化大的有機(jī)分子，如固體和液體蛋白質(zhì)、脂肪和纖維素。與其他預(yù)處理方法相比，研究人員發(fā)現(xiàn)酶法預(yù)處理對(duì)廚余垃圾SCOD的浸出效果最好，對(duì)廚余垃圾的水解效果有促進(jìn)作用，并能明顯縮短厭氧發(fā)酵周期，提高廚余垃圾的甲烷生產(chǎn)及轉(zhuǎn)化效率。盡管酶法預(yù)處理很簡(jiǎn)單，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，并能促進(jìn)食物垃圾的厭氧消化和產(chǎn)甲烷效率，但由于成本高，尚未被廣泛使用。酶法預(yù)處理代表了預(yù)處理方法的一個(gè)有希望的前景，未來(lái)研究人員應(yīng)探索這種方法以降低成本。

預(yù)處理的直接影響是溶解，然后是溶質(zhì)的厭氧微生物降解，這都會(huì)影響甲烷的生產(chǎn)。總結(jié)上述各種預(yù)處理方法，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，增加溶解度的效果不一定與甲烷產(chǎn)量呈正相關(guān)，例如，臭氧氧化和生物處理可能對(duì)甲烷產(chǎn)量有負(fù)面作用。此外，不同的預(yù)處理方法導(dǎo)致不同的額外投入，例如，通過(guò)超聲波和臭氧等預(yù)處理措施增加甲烷產(chǎn)量而獲得的額外能量，不足以補(bǔ)償預(yù)處理的能量消耗。因此，投資少、能源效率高、甲烷產(chǎn)量增加明顯的預(yù)處理方法是未來(lái)研究的課題。此外，在城市污泥預(yù)處理研究中已經(jīng)廣泛使用的能源回收和循環(huán)利用的方法，也是食物垃圾預(yù)處理領(lǐng)域可能的研究方向。

3 新時(shí)期廚余垃圾處理方式的分析

處理廚余垃圾的方式較多，人們要根據(jù)實(shí)際情況，選擇更為靈活的廚余垃圾處理方式。人們每天的日常生活都會(huì)產(chǎn)生大量的廚余垃圾，這些廚余垃圾占據(jù)了人們?nèi)粘Ｉ罾囊话胍陨?，因此正確做好垃圾分類(lèi)存在較大難度。針對(duì)此問(wèn)題，需要從根源上減少?gòu)N余垃圾的數(shù)量，控制好廚余垃圾的排放。通常情況下，家庭產(chǎn)生的剩飯剩菜相對(duì)較少，但是鹽分、水分含量較高，容易腐敗變質(zhì)，并對(duì)周?chē)h(huán)境造成污染，因而這些廚余垃圾可以采取粉碎直排的處理方式。這些廚余垃圾中的水果、蔬菜、果殼、蛋殼等含有的鹽分和水分較低，礦物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)含量較高，因此可以通過(guò)發(fā)酵的手段將其制作成有機(jī)肥料，生成的有機(jī)肥料可以用來(lái)種花、養(yǎng)魚(yú)等。一些公共場(chǎng)所產(chǎn)生的廚余垃圾較高，大量的廚余垃圾要獨(dú)立處理難度較大，因此可以交給環(huán)衛(wèi)工人，采取集中轉(zhuǎn)運(yùn)和集中處理的方式，進(jìn)一步提升處理效果。

4 嚴(yán)格落實(shí)處理機(jī)制，全面實(shí)現(xiàn)廚余垃圾再利用

廚余垃圾在一定程度上可以被看成是可利用的資源，但是據(jù)調(diào)查，人們?cè)谌粘Ｉ钪袑N余垃圾視為普通垃圾，將廚余垃圾丟進(jìn)普通垃圾箱，這樣簡(jiǎn)單粗暴的處理方式無(wú)法滿足廚余垃圾再次利用的需求。導(dǎo)致上述問(wèn)題出現(xiàn)的根本原因與人們的錯(cuò)誤認(rèn)知有關(guān)，很多人沒(méi)有構(gòu)建起對(duì)廚余垃圾的正確認(rèn)識(shí)，缺乏變廢為寶的意識(shí)，直接降低了廚余垃圾的利用率。因此要想從根本上解決人們對(duì)廚余垃圾的錯(cuò)誤認(rèn)知，有關(guān)部門(mén)需要加大宣傳力度，借助多樣化的宣傳方式，普及對(duì)廚余垃圾的正確認(rèn)識(shí)。比如可以充分利用網(wǎng)絡(luò)、電視、手機(jī)、報(bào)紙等渠道宣傳廚余垃圾無(wú)害化處理方式和資源化利用方式，加深人們對(duì)廚余垃圾的正確認(rèn)識(shí)，促使更多人掌握將廚余垃圾變廢為寶的處理方法；同時(shí)要積極推廣使用廚房粉碎機(jī)、廚房發(fā)酵桶等處理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)廚余垃圾的合理化處置。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，廚余垃圾的干式厭氧發(fā)酵具有較大優(yōu)勢(shì)，但是發(fā)酵過(guò)程中的顆粒沉降問(wèn)題也必須引起重視。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，顆粒受干擾沉降等影響，實(shí)際沉降速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論沉降速度，因此該技術(shù)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中，相關(guān)人員應(yīng)注意控制廚余垃圾的顆粒尺寸、含水率、以及發(fā)酵底物的含固率，才可以有效避免沉降問(wèn)題。