有机垃圾干式厌氧发酵处理试验研究

摘要：在厌氧条件下，利用自然微生物或接种微生物，将有机物转化为二氧化碳与甲烷气的方法称为厌氧消化处理。该方法具有能耗小、剩余污泥少，可回收能源等优点，在发达国家特别是欧洲近年来积极开发干式厌氧消化处理技术并获得工程应用，它将成为未来有机固体废物处理的方向之一。本文在国内外已有的研究基础上，进行了有机固体废弃物渗滤床序批式高温干式厌氧发酵处理试验、餐厨垃圾厌氧发酵连续运行的小试和中试实验研究。本研究依托宁波市厨余垃圾分选减量暨生化处理中试项目，对厨余垃圾的预处理、连续流厌氧处理工艺及稳定运行进行了较为完整、系统的研究。

关键词：有机垃圾；干式厌氧发酵处理；研究

1、厌氧发酵的基本原理

厌氧发酵是指在没有外加电子受体（的条件下，以有机物氧化分解的中间代谢产物作为最终电子受体的氧化还原过程。从环境治理的角度来说，发酵是指厌氧微生物和兼性厌氧微生物在良好的生长环境下将底物（污水或有机固体废弃物可生化降解部分）经过新陈代谢生理功能转化为无机物质和自身细胞物质的过程，进而达到无害化、资源化目的。由于有机固体废弃物组成成分复杂，自身含有大量的微生物，在厌氧发酵处理过程中反应非常复杂，其中涉及多种生化反应和物化平衡过程。

2、餐厨垃圾厌氧发酵连续运行小试实验

2.1杂交狼尾草原料

为自种杂交狼尾草的地上部分(2012年5月播种于云南农业大学后山，2015年3月采收)。采收后的杂交狼尾草于通风阴凉处自然晾干，切分为2~3cm段，常温密封保存。其总固体含量为91%，总挥发物为81%。接种用污泥：于2016年3月采自慈溪市污水处理厂的脱水污泥，泥体呈黑褐色，其TS含量为17%，VS含量为7%，用前驯化。测得驯化好的污泥TS含量为6.6%，VS含量为4%。糙皮侧耳、香菇子实体于2015年12月购于昆明市蒜村菜市场；长根菇菌丝体由云南农业大学食用菌研究所提供。10000U/g漆酶及100000U/g纤维素酶均购于湖北远成赛创科技有限公司。

2.2餐厨垃圾

实验中所用的餐厨垃圾取自附近餐馆，主要是餐后垃圾，将其经过简单的人工预处理后进行机械制浆，破碎为粒径小于的有机浆料。有机浆料混合均匀置于冰箱中°下保存，进料前取出有机浆料恢复至室温，直接由进料口迅速加入。

2.3实验方法

2.3.1真菌培养液制备

在28℃DHD-360型电热恒温培养箱(北京市永光明医疗仪器厂)中，固体PDA培养基(成分：葡萄糖20g，去皮土豆200g，MgSO₄1.5g，KH₂PO₄3g，Vb110mg，加水搅拌混合至1000mL，用柠檬酸0.1g/L调pH6.0~6.5)上，进行3种真菌菌丝体的培养、分离及纯化。纯化好的菌丝在相同条件下培养7d后接种在液体培养基(除不加琼脂外，其他成分与PDA培养基相同)中，于28℃DHZ-CA恒温摇床中(太仓市实验设备厂)，150r/min转速下，培养10d，得到培养液。测得糙皮侧耳、香菇、长根菇培养液TS浓度分别为2.25%、2.73%、2.62%。

2.3.2原料处理

原料处理采用真菌培养液和酶制剂处理。其中，真菌处理采用预发酵方式进行(A~C组)，酶制剂在厌氧发酵同时直接加入混合物料中(D、E组)。试验同时设置对照I组(加水堆沤)和对照II组(无处理)。

喷洒真菌培养液后，平菇菌丝第4天出现在原料表面，第7天布满基质；香菇菌丝第5天开始出现，第9天布满基质；长根菇菌丝第2天开始出现，第5天布满基质。

2.3.3厌氧发酵试验

试验采用一次性进料方式，在1L棕色瓶中加入40g处理后的杂交狼尾草(酶试验直接用阴干后的杂交狼尾草加不同浓度梯度的酶)，接入活性污泥，加水调节总料液质量为250g，TS浓度为20%，VS接种率为20%(按照接种污泥和杂交狼尾草的VS计算所得)，调节初始pH为7.0，进行90d发酵。投料后的第2天开始检测产气情况，包括记录日产气量、甲烷浓度、pH。

2.4结果与分析

2.4.1糙皮侧耳培养液预处理对厌氧发酵的影响

糙皮侧耳培养液处理的4个试验组(A1~A4)累积产气量分别为13336、13816、10005、9873mL，与加水堆沤对照组(对照I)相比较，A1和A2组产气量分别提升了27.65%和32.24%，A3和A4组产气较对照I组略少。与无处理对照组(对照II)相比较，4组产气量分别提升了46.24%、51.50%、9.71%、8.26%，促产气效果显著。分析各试验组产气过程可以发现：对照I组厌氧发酵初期体系出现快速酸化水解，代谢产物以CO₂为主，第10天开始进入产甲烷阶段，第20天才达到产气高峰，产甲烷阶段启动较慢在一定程度上造成了有机质的损失。对照II组原料水解速度较慢，其甲烷阶段的启动时间和产气高峰到达时间与对照I组接近。而4个处理组虽然发酵初期原料水解速度比对照I组慢，但是其产甲烷阶段启动迅速，并提前10d达到产气高峰。而且两个对照组产气峰值分别为233、190mL，也明显低于4个处理组的产气峰值(355、400、290、300mL)。试验中每150g物料喷撒100mL培养液处理效果最好，原料TS产气率为379.6mL/g。各试验组在产气稳定期其甲烷浓度和pH均相差不大。

2.4.2纤维素酶处理对厌氧发酵的影响

添加了纤维素酶的4个试验组(D1~D4)累积产气量分别为9915、11383、12823、11027mL，与对照II组相比，产气增量明显，分别增加了8.73%、24.82%、40.61%、20.92%。从各试验组产气过程可以看出：添加了纤维素酶的处理组在发酵初期水解速度明显加快，其产气高峰的出现时间明显早于对照组，各组产气峰值也明显高于对照组。整体而言，在发酵体系中添加不同量纤维素酶，均显示了良好的促产气效果，其中D3组(每250g物料添加100mg纤维素酶)效果最优，原料TS产气率为352.3mL/g。各试验组在产气稳定期其甲烷浓度和pH则相差不大。纤维素酶作为一种高活性生物催化剂，能够提高物料中纤维素类成分的降解速度，进而影响整个厌氧发酵过程。系统启动第1天，处理组产气量明显高于对照组(主要成分为二氧化碳)，显示适量纤维素酶的添加有助于物料的快速降解。

结束语

由于有机固体废弃物的中试试验对于后续产物的处理工作尚未进行，如分选出的轻物质利用、沼渣堆肥等，这些都是亟待解决的问题。因此，在诸多方面得到的数据还不足完全说明整个工艺的可靠性，如对最终沼渣堆肥后的肥效没有进行测试，对沼渣应用于农业生产的作用也没有测试，沼渣是否能满足生产要求也有待研究。

参考文献

[1]王金辉.餐厨垃圾固相物料干式厌氧消化处理研究[D].宁波大学,2017.

[2]刘岩.城市有机垃圾筒仓式干式厌氧发酵处理试验研究[D].中国石油大学(北京),2016.

[3]杨林海.有机垃圾干式厌氧发酵处理试验研究[D].兰州理工大学,2013.

延伸阅读：

住建部关于发布行业产品标准 《有机垃圾生物处理机》的公告