浅析餐厨垃圾的处理方式及厌氧发酵产甲烷性能

浅析餐厨垃圾的处理方式及厌氧发酵产甲烷性能摘要：介绍了餐厨垃圾的特性，综述了餐厨垃圾粉碎直排法、填埋法以及生物处理方法：蚯蚓堆肥、提取生物降解性塑料、固态发酵、生物发酵制氢、好氧堆肥、厌氧发酵等。针对餐厨垃圾厌氧发酵产甲烷过程，从工艺参数、工艺应用等方面阐述了国内外进展，并对餐厨垃圾厌氧发酵技术的规模化应用提出今后的研究方向。关键字：餐厨垃圾处理方式厌氧发酵甲烷0前言餐厨垃圾是指居民生活、食品加工、饮食服务等活动中产生的食物废料，是城市生活垃圾的重要组成部分，仅次于建筑垃圾，是第二大垃圾产生源。餐厨垃圾具有高含水率、高有机物含量，在高温条件下容易腐烂发臭，孽生蚊蝇、病菌，且不能满足垃圾焚烧发电的发热量要求(5000kJ/kg以上)。如果将其直接用作动物饲料，容易导致病菌进入人类食物链，对人体健康造成危害。因此，有关餐厨垃圾的合理利用和处理方式的研究已日益引起重视。目前餐厨垃圾主要的处理处置方法包括粉碎直排、卫生填埋、高温好氧堆肥、固态发酵、生物处理机、厌氧发酵等，其中利用餐厨垃圾作为厌氧发酵技术的原料，既可以获得清洁能源，又能减少污染物排放，是目前国内外针对大规模餐厨垃圾处理利用的主要方向。1餐厨垃圾的处理处置现状1.1粉碎直排由于厨房空间有限，因此就地减量处理是餐厨垃圾处理的基本立足点。目前一些国家普遍采用在厨房配置餐厨垃圾处理装置，将粉碎后的餐厨垃圾排人市政下水管网的方法。但餐厨垃圾粉碎直排容易产生污水和臭气，滋生病菌、蚊蝇和导致疾病传播，油污凝结成块会造成排水管堵塞，降低城市下水道的排水能力，高油脂含量等特性也增加了城市污水处理厂和垃圾填埋场负荷，同时也不可避免地产生二次污染。1.2填埋由于餐厨垃圾中有机物可生物降解组分含量高，产气速度快且产气量较大、稳定时间短，有利于垃圾填埋场地恢复使用，且操作简便，因此填埋是目前应用比较普遍的处理方法。但厌氧分解产生的沼气和渗沥液会造成二次污染，减少符合填埋条件的土地面积，同时造成餐厨垃圾营养物质的损失，因此一些国家已禁止未经处理的餐厨垃圾进入填埋场，如韩国于2005年起所有填埋场将不再接收餐厨垃圾。1.3好氧堆肥堆肥是指在人工控制的条件下，利用微生物作用使有机固体废物稳定化的过程。堆肥能否成功的关键是微生物菌种的选择，堆肥物料C/N的调节，水分、温度、氧气与酸碱度的适当控制。餐厨垃圾有机物含量高，C/N较低、营养元素全面，非常适合用作堆肥原料。餐厨垃圾堆肥的优点是处理方法简单、堆肥产品中能保留较多的氮，可用于农业或制作动物饲料。缺点是占地大、周期长，堆肥过程中产生的污水和臭气会对周边环境造成二次污染，同时餐厨垃圾的高含量油脂和高含盐量不利于微生物的生长，从而制约了好氧堆肥工艺的处理效果。因此近年来，大型反应器、强制通风静态垛和条垛堆肥等都受到极大限制，堆肥设备正向小型化、移动化和专用化趋势发展。1.4厌氧消化厌氧消化是指在缺氧条件下，利用微生物分解作用将有机物转化为二氧化碳和甲烷，大致分为产酸和产甲烷2个阶段。产酸阶段主要是水解和发酵菌群将复杂的有机物分解为简单的有机物，进而降解为各种有机酸；产甲烷阶段主要是产甲烷菌将部分简单有机物转化为甲烷和二氧化碳。2餐厨垃圾厌氧发酵技术实用餐厨垃圾厌氧发酵处理是一种具有可行性的资源化处理技术，尤其对能源紧缺的今天而言，餐厨垃圾厌氧产甲烷是一种可以在不产生二次污染的同时供应能源的环保新技术。而应用厌氧发酵技术工厂化生产甲烷既可回收能源又可解决环境污染问题，受到各国政府的高度重视。2.1国外现阶段研究成果目前在国外利用能量作物和生物废料生产沼气工艺已逐渐成熟。据统计，2007年德国所使用的沼气能量当量占欧盟27国沼气能量当量的36%。德国主流的沼气工程技术是中温(35～40℃)、高浓度(8%～14%)的液态发酵热电联供技术。沼气工程发电全部上网，发电机连续运转，余热利用系统完善，综合效率高，只有在工程启动阶段需要外部热量输入，正常运行阶段，发电余热足以提供厌氧发酵系统的增温保温所需的热量。沼液沼渣均作为肥料施于农田或草地。例如德国的Pastitz沼气工程是欧洲现代先进废弃物处理技术的示范工程，而德国Bekon公司已经在有机垃圾发酵方面取得成功。在美国北卡罗来纳州也建有1座日处理能力达到3～6t的有机垃圾和猪粪便等固体废弃物的高温厌氧发酵工厂。生产装置容积为40m3，进料TS(总固体浓度)30%，出料TS20%，HRT(水力停留时间)10d，发酵温度55℃。沼气中甲烷60%左右，二氧化碳40%左右，硫化氢4～14mg/kg，总投资150万美元。发酵后的物料经固液分离，干泥可用作有机肥料，清液循环回入发酵池。在英国同样建立了甲烷自动化工厂。据估计，英国利用人和动物的各种有机废物，通过微生物厌氧发酵所产生的甲烷可以代替整个英国25%的煤气消耗量。苏格兰已设计出1种小型甲烷发动机，可供村庄、农场或家庭使用。2.2国内现阶段研究成果我国人口众多，能源问题是备受关注的突出问题，而厌氧发酵生产沼气既能回收能源又能解决环境污染问题，因此该技术也在国内得到大力的发展。2009年重庆市为处理大量的餐厨垃圾于开始建设第1个餐厨垃圾厌氧发酵热电联产技术，该项目将餐厨垃圾中油脂加工成生物燃料，其余部分经厌氧消化后产生沼气用于发电，沼渣沼液加工成有机肥。预计年产生沼气1400万m3，发电3300万kW·h，生产有机肥料1．2万t，减排二氧化碳11.0万t。3餐厨垃圾厌氧发酵产甲烷分析研究表明，利用厌氧消化技术处理餐厨垃圾是一种切实可行的方法。厌氧消化工艺流程简单，但多菌群、多层次的厌氧发酵过程构成了一个复杂的系统，内部反应影响因素较多，系统不稳定。餐厨垃圾等混合底物厌氧产甲烷可行，但影响因素复杂，对反应过程参数不能严格控制，存在转化率低、产气量不高等问题。因此，很多学者对提高餐厨垃圾厌氧消化气产量作了研究。3.1使用添加物研究表明，使用合适的添加物可以提高沼气产量。添加金属阳离子可以促使微生物群体的富集，从而提高微生物的停留时间以及微生物浓度，增加沼气产量。合适的天然植物添加物可以刺激微生物的生理活动，提高发酵底物的局部浓度，创造更适合微生物活动的环境，从而提高沼气的产量。生物添加物可以提高某些特定酶的活性，从而提高沼气产量。适当的添加甲烷菌载体利于提高甲烷产量。3.2预处理工艺原料的预处理工艺可以分为机械预处理、化学预处理、生物预处理。机械预处理和化学预处理主要是可以将复杂有机物转化成易生化降解的小分子有机物，增加比表面积，提高微生物与底物接触的几率，从而能显著提高沼气产量和有机物的降解率以及缩短消化时间。生物预处理主要为添加高浓度生物菌种，利用微生物来水解底物。3.3消化流出物回流工艺将消化流出物回流入生物反应器可以减少微生物的流失，从而促进底物的充分降解，提高沼气产量。陈振明等将水解酸化阶段所产生的消化气引入产甲烷阶段，结果表明，消化气的回流增加了34%的甲烷产量。3.4混合物料发酵工艺联合消化通过厌氧消化同时处理2种或多种有机废物，利用联合消化，将含碳量较高的底物与高氮的底物混合起来，可在物料间建立起一种良性互补，同时还能减缓氨氮的毒害作用。在城市垃圾联合处理方面研究得最多的是城市生活垃圾中的有机部分和污水污泥的联合厌氧消化。4结语厌氧消化技术是处理厨房垃圾的一个合适的技术，借鉴德国、美国等国外先进的厌氧发酵技术和模式，可以重点做好以下几方面的研究:①粪污、有机垃圾、污泥联合发酵工艺技术与设备的研发可作为沼气工程技术研发的创新点。②厌氧发酵设备的研究应作为沼气工程技术研究的一个重要内容。厌氧发酵设备其中罐内物料加热和混匀均一化技术是沼气工程项目的难点。③厌氧发酵设备的研究预处理除砂技术与设备的开发是我国养殖场粪污处理沼气工程技术研究的重点。④高寒地区沼气发电工程能量综合利用技术有待进一步开发。⑤从沼气中提纯甲烷的技术研究可作为沼气工程技术研究的一个发展方向。随着我国城市化进程的发展，对餐厨垃圾进行专门收集与综合处理必将成为更多大中型城市的选择。针对餐厨垃圾处置与利用工程的每一个环节进行精益求精的探索与总结，有利于人们更好地进行餐厨垃圾处理项目建设，以获得更好的经济效益和环境效益。参考文献：［1］崔亚伟，陈金发．厨余垃圾的资源化现状及前景展望［J］．中国资源综合利用，2006，24(10):31－32．［2］上海市市容环境卫生管理局．上海市固体废弃物处置发展规划［R］．2001．［3］牛冬杰，赵雅萱，刘常青，等．餐厨垃圾厌氧产氢综述［J］．环境污染与防治，2007，29(5):371－375．［4］王延昌，袁巧霞，谢景欢，等．餐厨垃圾厌氧发酵特性的研究［J］．环境工程学报，2009，3(9):1677－1682．［5］马磊，王德汉，杨文杰，等．餐厨垃圾高温厌氧消化接种物的驯化研究［J］．农业工程学报，2007，23(6):203－207．［6］马磊，王德汉，谢锡龙，等．餐厨垃圾的高温厌氧消化处理研究［J］．环境工程学报，2009，3(8):1509－1512．［7］刘晓英，李秀金，董仁杰，等．北京市餐厨垃圾产生状况及厌氧发酵产气潜力分析［J］．可再生能源，2009，27(4):61－65．［8］李东，孙永明，袁振宏，等．食物垃圾和废纸联合厌氧消化产甲烷［J］．环境科学学报，2009，29(3):577－583．［9］幽景元，肖波，杨家宽，等．生活垃圾厌氧发酵条件的正交试验［J］．能源工程，2003(2):28－30．