厌氧发酵技术在处理餐厨垃圾产沼气中的应用

厌氧发酵技术在处理餐厨垃圾产沼气中的应用

作者：陈海龙

来源：《中国化工贸易·中旬刊》2018年第03期

摘要：厌氧发酵是当周围环境中没有氧气或其他电子受体时，细胞用于从碳水化合物中提取能量的一种方法。这与厌氧呼吸有所区别，厌氧呼吸不使用氧气，而是使用来自细胞外部的受电子分子。该过程可以在糖酵解过程中作为葡萄糖和其他糖分解以产生三磷酸腺苷（ATP）分子的下一步，从而为细胞创造能量来源。利用厌氧发酵技术处理餐厨垃圾，可以产生沼气，实现能源的循环利用。本文对厌氧发酵技术在餐厨垃圾处理中的应用进行了研究。

关键词：厌氧发酵；餐厨垃圾；沼气

1 餐厨垃圾概述

餐厨垃圾又被称之为泔水、潲水，其通常是指居民在日常生活消费时所产生的生活废弃物，这些废弃物极易腐烂变质，而且传播着细菌和病毒。实际上，餐厨垃圾的主要成是蔬菜、肉骨、米和面粉类食物残余、动植物油等，他们包含淀粉、蛋白质、纤维素、脂类和无机盐化学成分。餐厨垃圾可以根据来源不同划分为厨余垃圾和餐饮垃圾。前者主要是指居民日常烹调过程中所产生的废弃下脚料，其数量有限。而前者来自于食堂、饭店等餐饮业的残羹剩饭，其数量比较大。餐厨垃圾不仅是城市环境的主要污染源，而且也会诱发环境污染，从而影响人们的正常生活，需要相关部门对其给予高度的重视。而在对餐厨垃圾进行处理过程中，可以借助厌氧发酵技术，其能够使餐厨垃圾产沼气，既降低了对环境的污染，又能够提高资源的利用效率。

2 厌氧发酵技术

厌氧发酵有两种主要类型：乙醇发酵和乳酸发酵。两者均恢复NAD +，使细胞通过糖酵解继续产生ATP。乙醇发酵将两种丙酮酸分子（糖酵解产物）转化成两分子乙醇和两分子二氧化碳。该反应是一个两步过程，其中丙酮酸先被丙酮酸脱羧酶转化为乙醛和二氧化碳。

在第二步中，乙醇脱氢酶将乙醛转化为乙醇。这种代谢过程发生在某些类型的细菌细胞和酵母细胞中。这使得酵母通过使用二氧化碳或发酵中的乙醇而广泛用于制作面包，啤酒和葡萄酒。

乳酸发酵是厌氧发酵的另一种形式，并且在没有足够氧气的情况下在压力时期通常由肌肉细胞使用。这些细胞使用乳酸脱氢酶将来自糖酵解的两个丙酮酸分子转化成两个L-乳酸分

子。这个过程被称为均质发酵，因为两个丙酮酸分子经历相同的化学反应，并且这种形式的乳酸发酵发生在动物肌肉细胞和红细胞中。

在异相发酵中，丙酮酸分子发生不同的化学反应。一个转化为乳酸，另一个转化为乙醇和二氧化碳。这个过程发生在一些厌氧生物体中。

在动物中，来自厌氧发酵的乳酸副产物被泵入血液，在那里被运送到肝脏。在一个叫做Cori循环的过程中，肝脏使用自己的一套酶将乳酸转变回葡萄糖，在那里它可以被身体循环。葡萄糖通常被运回肌肉，在那里它可以作为糖原储存用于未来的能量需求。

3 厌氧发酵技术在餐厨垃圾处理中的应用

3.1 生产过程

许多微生物可以进行厌氧发酵，包括形成乙酸的细菌（产乙酸菌）和形成甲烷的古细菌（产甲烷菌）。这些生物体在将生物质转化为沼气的过程中经历了许多化学过程。

通过物理遏制将气态氧排除在反应之外。厌氧菌利用除氧气以外的来源的电子受体。这些受体可以是有机材料本身，也可以由输入材料内的无机氧化物供给。当厌氧系统中的氧源来自有机材料本身时，“中间”最终产物主要是醇类，醛类和有机酸以及二氧化碳。在存在专门的产甲烷菌的情况下，中间体转化为甲烷、二氧化碳和微量硫化氢的最终产物。在厌氧系统中，原料中含有的大部分化学能被甲烷菌释放为甲烷。

厌氧微生物群体通常需要很长一段时间才能确立自己的完全有效性。因此，通常的做法是从现有种群的材料中引入厌氧微生物，这一过程称为“播种”沼气池，通常通过添加污泥或牛粪来完成。

3.2 厌氧发酵阶段

在大多数情况下，生物质由大量有机聚合物组成。对于厌氧消化器中的细菌来获取材料的能量潜能，必须首先将这些链分解成较小的组成部分。这些组成部分或单体，容易获得其他细菌。破坏这些链并将较小的分子溶解成溶液的过程称为水解。因此，这些高分子量聚合物组分的水解是厌氧消化所必需的第一步。通过水解，复杂的有机分子被分解成单糖、氨基酸和脂肪酸。

第一阶段产生的乙酸盐和氢气可直接被产甲烷菌利用。其他分子，如链长大于乙酸酯的挥发性脂肪酸（VFAs），必须首先分解成可直接被产甲烷菌使用的化合物。

酸生成的生物过程导致产酸（发酵）细菌对剩余组分的进一步分解。在这里，VFAs与氨、二氧化碳和硫化氢以及其他副产品一起生成。

厌氧消化的第三阶段是乙酸生成。在这个阶段，通过酸化过程产生的简单分子被乙酸原进一步消化，主要产生乙酸以及二氧化碳和氢气。

厌氧消化的最后阶段是甲烷生成的生物过程。在这一阶段，甲烷菌使用前述阶段的中间产物并将它们转化成甲烷、二氧化碳和水。这些成分构成了系统排放的大部分沼气。产甲烷对高pH值和低pH值均敏感，发生在pH 6.5和pH 8之间。剩余的难以消化的物质微生物不能使用，任何死亡的细菌仍然形成消化物。

综上所述，厌氧发酵技术在餐厨垃圾处理中的应用，不仅能提高餐厨垃圾的处理效率，还能有效利用资源，实现资源价值的最大化，减少环境污染，实现能量的循环利用，符合可持续发展理念。

参考文献：

[1]吕凡.易腐性有机垃圾的产生与处理技术途径比较[J].环境污染治理技术与设备，2003，4（8）：46-50.

作者简介：

陈海龙（1979- ），男，汉族，青海人，职务：生产安全管理部主任，职称：助理工程师，本科学历。