厨余垃圾厌氧发酵工艺研究_宗望远

作 者 简 介 ：宗 望 远 （1969—），男 ，副 教 授 ，主 要 从 事 农 业 废 弃 物 利 用 方 面 的 研究工作。
※华 中 农 业 大 学 创 新 基 金 资 助 项 目 （项 目 编 号 ：62204-06078 ）。
［责任编辑：张慧］
图 1 厨余垃圾厌氧发酵备料装置
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（上接第 667 页）加计算机理论和实验相关的培训与学术研讨会，鼓励 教师参加各种形式的进修班， 如教育部和教指委举办的课程进修班、 IBM 和 ORACLE 等公司举办的系统软件 和 软 件 工 程 与 软 件 工 具 培 训 班等[4]。 使他们能及时掌握新知识,扩大视野，及时了解学科发展 前 沿 和方向，提高自身业务水平，更好地为实验教学服务。
2 工艺方案研究
2.1 工艺路线选择 厌氧发酵过程可以分为三个阶段。 第一阶段为水解阶段，厌氧菌
根据所分解的对象可以分为纤维素分解菌、脂肪分解菌和蛋白质分解 菌，它们分别把多糖分解为单糖，蛋白质分解为肽和氨基酸，脂肪分解 为甘油和脂肪酸。 第二阶段为酸化阶段，由产酸细菌和某些梭状芽孢 杆菌等将单糖类、肽、氨基酸、甘油、脂肪酸等物质转化成简单的有机 酸、醇以及二氧化碳、氢、氨和硫化氢等，其主要的产物是挥发性脂肪 酸，其中以乙酸为主，约占 80%。 第三阶段为产甲烷阶段，产甲烷菌将 有机酸、醇以及二氧化碳和氨等物质分解为甲烷和二氧化碳，或通过 氢还原二氧化碳的作用，形成甲烷。
随着城市化的发展和人民生活水平的提高，城市垃圾的产生量在 不断上升，这些持续增加的生活垃圾已成为困扰城市发展、污染市容 环境的主要问题。 我国餐饮业发达，人们的饮食习惯和就餐方式使得 餐厨垃圾的排放量要比西方发达国家大很多，占城市生活垃圾的比例 约为 37%～62%，且发生量有越来越大的趋势。 餐厨垃圾，属于较特殊、 难处置的一类城市垃圾，具有水分和油脂含量高的特点，如果直接混 入生活垃圾，会使城市生活垃圾的含水率升高和热量值下降而得不到 妥善的处理和合理利用；具有有机质含量高，易腐败发臭,滋生病菌和 富含氮、磷、钾、钙以及各种微量元素,再利用价值高等特点。 因而如果 不妥善处理会造成病原菌的传播，对环境有严重影响，同时造成有机 物的浪费[1-3]。 本文在对国内外餐厨垃圾的各种处理方法和技术措施进 行综合分析的基础上，提出了一种实现餐厨垃圾“三化”目标的工艺措 施。
【关键词】发酵工艺；厌氧发酵；厨余垃圾；装备设计 A Study on Processing of Anaerobic Digestion of Food Waste ZONG Wang-yuan YAN Ji-hong YUAN Qiao-xia
( College of Engineering and Technology, Huazhong Agriculture University, Wuhan Hubei ，430070,China ) 【Abstract】The paper mensurated the parameters of food waste from Huazhong Agriculture University messhall,Given an processing to reduce food waste harmful,to be harmless,or to translate it to resources,Designed the equipment and offered the prcocessing parameters. 【Key words】Ferment processing；Anaerobic Digestion；Food waste；Equipment design
2010 年 第 35 期
SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
○本刊重稿○
科技信息
厨余垃圾厌氧发酵工艺研究
宗望远 严继红 袁巧霞 （华中农业大学工程技术学院 湖北 武汉 430070）
【摘 要】本文在对学生食堂厨余垃圾组分特性进行分析测定的基础上，提出了采用整体一段法干式厌氧发酵工艺进行厨余垃圾“三化”处 理的技术措施，同时确定了相关工艺参数和进行了工艺装备的设计。
（2）挥发性固体含量（VS）的测定。VS 的测定采用灼烧法。将 TS 测 定 后 的 样 品 和 蒸 发 皿 一 起 置 于 马 弗 炉 中 （重 W2），经 过 600℃的 高 温 灼烧 1h，冷却后取出，称重计为 W3（g）。
VS（TS%）=（W2-W3）/W2×100%。 （3）含水率（P）。 P=1-TS （4）灰分。 灰分=1-VS （5）总碳 C。 通过测定其挥发性固体量乘以 47%得碳的总量。 即 C=VS*47% （6）总氮 N 。 试样浓硫酸加热消解，消解后的试样使呈碱性，蒸馏 出氨，硼酸溶液吸收，硫酸标准溶液滴定。 （7）总磷 P。 测定方法为钼锑抗比色法，仪器为分光光度计，测 试 标准为中华人民共和国城镇建设行业标准 GJ/T3018.9-93。 （8）金属离子。 取样品经 30min,400rpm 高速离心后用原子吸附法 测定。 在 2009 年 3 月 15 号 开 始 的 一 个 月 时 间 内 ，每 周 三 、周 日 各 取 样 测定两次，连续四周测量的平均结果如表 1。
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○本刊重稿○
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2010 年 第 35 期
源自文库
55℃左右的高温发酵，以提高运行速率和产气量。 温度的维持采取太 阳能和沼气联合供能的方式。 以太阳能热水保温为主，当太阳能不足 以维持温度时，由发酵产生的沼气用以补充。
（2）TS 含量。 干式厌氧发酵工艺所要求的 TS<60%，而发酵原料的 实测 TS 含量为 23.7%，因此，对发酵原料不作 TS 含量的调节，直接用 于发酵。
（1）总固体含量（TS）的测定。 TS 的测定采用烘干法。 将蒸发皿洗 净，放入烘烤箱，经过 105℃～110℃烘干致恒重。 取适量样品，称重，计 为 W1（g）放入蒸 发 皿 中 ，在 干 燥 箱 内 ，经 过 105℃～110℃烘 干 致 恒 重 ， 称重计为 W2（g）。 则 TS=W2/W1×100%。
3 工艺装备设计
根据工艺要求， 设计了厨余垃圾厌氧发酵的备料装置和发酵装 置，分别如图 1、图 2 所示。
图 2 厨余垃圾厌氧发酵装置
4 结论与讨论
4．1 工艺首先利用备料装置将厨余垃圾中的塑料袋、 一 次 性 餐 具 等 物质干燥回收，利用隔油装置实现油水分离，油脂回收皂化或用于制 备生物柴油。 在进行厌氧发酵之前已经实现厨余垃圾的 “资源化”和 “减量化”。 4．2 采用 55℃左右的高温发酵，提高了运行速率和产气量，温度的维 持采取太阳能和沼气联合供能的方式。 没有造成二次污染和增加运行 成本。 科
（3）pH 值。 厌氧发酵菌可以在 pH 为 5-10 范围内发酵， 但以 pH 值为 7-8 为最适合，产甲烷菌对 pH 值 很 敏 感 ，当 pH 值 低 于 6.5 时 不 再活跃。 在发酵的最初阶段会产生大量有机酸，使 物 料 的 pH 值 下 降 到 5 以下，从而抑制消化发酵过程，因而需添加石灰石或 KOH 溶液等 加以中和。 随着发酵反应的继续，由于氮的消化使氨的浓度不断上升， pH 值也随着上升，当稳定产甲烷时，pH 值一般维持在 7.2-8.2 之间。
表 1 厨余垃圾理化性质
项目 含水率 TS VS 灰分 C P N K Na Ca pH
平均值 76.3 23.7 82.4 17.6 38.73 0.25 1.96 1.44 1.17 1.06 6.83
1.2 发酵原料的制备 厨余垃圾中含有较高的盐分， 而且厨余垃圾的厌氧消化过程中，
甲烷菌对盐类较为敏感，尤其是当钠盐的浓度突然增加时，厌氧消化 的正常运行会受到较大冲击。 资料表明，当厌氧消化中钠盐的浓度小 于 5g/L-1 时， 厌氧消化进程不会受到抑制， 但是当钠盐的浓 度 大 于 5g.L-1 时，甲烷菌的活性受到明显抑制。 因而，须采取措施降低 Na+离 子浓度。无机矿物质膨润土对 Na+离子有较强的吸附性能，吸附量可达 13.75%。同时，膨润土还可以释放大量的 Ca2+、Mg2+离子，这两种离子可 以改变厌氧微生物细胞的通透性，使微生物可以选择性地吸收自身所 需要的营养成分，被称为是厌氧微生物的能量促进剂。 实验表明，按质 量 比 总 固 体 含 量 （TS）：膨 润 土 为 10：1 的 比 例 在 厨 余 垃 圾 中 投 放 膨 润 土，可以有效消除 Na+离子对甲烷菌活性的影响，提高产气率。
有机废弃物厌氧消化技术，根据发酵阶段控制方法的不同，可分 为两段法厌氧消化工艺和整体一段法厌氧消化工艺。 根据发酵料液的 TS 浓度的不同，又可分为干式发酵法（TS 为 20%-40%）和湿式发酵法 （TS<15 %）两类。 经过比对分析认为：如果采用湿式厌氧消 化 处 理 厨 余垃圾，搅拌设备和脱水设备能耗很大，同时稀释用水消耗量大，增加 了沼液的处理投资，明显增加工艺的运行成本。 而干式法是在保持原 料 初 始 状 态 条 件 下 进 行 厌 氧 发 酵 ，仅 仅 浓 度 特 别 高 （TS＞60%）的 进 料 才加水稀释。 因此，采用干式厌氧消化处理厨余垃圾，即不需加水也不 需脱水，简化了工艺，节约了能耗。 厨余垃圾的总固体含量一般在 2030%之间，很适合于干式消化工艺。 而两段法和整体一段法比较，整体 一段法的产气周期短，工艺运行简单，在工业化生产上比对两段法具 有明显优势。 综合以上分析，确定采用整体一段法干式厌氧发酵工艺 进行厨余垃圾的处理。 2.2 工艺参数的确定
（1）温度。 厌氧发酵是一个微生物的作用过程，温度作为影响微生 物生命活动过程的重要因素，主要通过影响酶活性来影响微生物的生 长速率和对基质的代谢速率。 厌氧消化 有 三 个 温 度 范 围 ，常 温 20℃25℃，中 温 30℃-40℃，高 温 50℃-60℃，农 村 沼 气 工 程 中 ，考 虑 工 艺 简 单和运行成本，常采用常温发酵，运行时间较长，产气量较少。 中温和 高温使生化速率较高，产气量较大，但运行成本较高。 厨余垃圾干式厌 氧发酵工艺，一方面需要有较短的发酵周期，另一方面，干式发酵在常 温下效果极差，而在中高温条件下运行效果较好。 因此，本工艺采用
（4）搅拌速度。 搅拌可以使消化物质均一化，提高物质与细菌的接 触，加速消化底物的分解。 厨余垃圾的总固体含量较高，一部分沼气产 生后滞留在消化底物中，只有通过搅拌来释放滞留的沼气，因而搅拌 是提高发酵速率和产气量的重要措施之一。 厌氧发酵搅拌方式有机械 搅拌、发酵液回流搅拌和沼气回流搅拌。 由于机械搅拌的搅拌效果好， 可操控性强，适合于批量生产，因而本工艺采用机械搅拌，为防止过度 搅拌破坏菌群的正常繁殖，搅拌速度控制目标为物料移动速度不大于 0.5m/s。
1 发酵原料
1.1 厨余垃圾物料组分特性。 厨余垃圾 取 自 华 中 农 业 大 学 学 生 食 堂 。 分 别 取 学 生 1～4 食 堂 的
早、中、晚厨余垃圾各 1 千克。 食物组分大致为：米饭、面食约占 60%， 蔬菜约占 30%，肉类约占 10%。 取样后，先手工分拣出骨头、鱼刺及废 弃餐具等杂物，再用食品搅拌机搅拌、混合，以增大样品表面积，提高 其流动性。 对样品进行如下指标的分析与测试。
● 【参考文献】
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